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CN116536574B - 一种低温性能优异的奥氏体不锈钢及其制备方法 - Google Patents

一种低温性能优异的奥氏体不锈钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种低温性能优异的奥氏体不锈钢及其制备方法，所述不锈钢的化学成分重量百分比如下：C:0.04‑0.08％、Si≤1.00％、Mn:2.10‑3.50％、P≤0.020％、S≤0.010％、Ni:7.50‑9.50％、Cr:20.00‑25.00％、Mo:4.00‑5.00％、N:0.15‑0.30％、V:2.00‑3.00％，余量为Fe及不可避免的杂质。制备方法包括冶炼、连铸、锻造、均质化、轧制和热处理。本发明提供的一种低温性能优异的奥氏体不锈钢具有优异低温性能和高耐蚀性能。

Description

一种低温性能优异的奥氏体不锈钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及钢铁制备技术领域，具体而言是一种具有优异低温性能的耐蚀尿素级奥氏体不锈钢及制备方法，尤其涉及一种低温性能优异的奥氏体不锈钢及其制备方法。
背景技术
传统的尿素级奥氏体不锈钢为了保证具有较低的铁素体含量要求钢中C含量≤0.03％，这就势必造成钢板的常温和低温强度较低，无法满足尿素生产设备的大型化和高压化将是未来的重要发展趋势。如果大幅增加钢中C元素，虽然能够提高钢板的常温和低温强度，但是尿素级奥氏体不锈钢的耐蚀性和低铁素体要求则无法保证，同时对低温韧性也将产生不利影响。另外，目前常用的尿素级不锈钢主要为300系奥氏体不锈钢，例如316LMOD虽然具有良好的耐蚀性能，但由于强度相对较低则无法用于大型、高压的尿素设备制造。同时由于这类钢板中Ni含量较高，使得钢板生产成本居高不下。
发明专利“一种超低温性能优良的奥氏体不锈钢及其制造方法”(授权号CN109554608B)通过控制C≤0.03％、Ni:11.5-12.8％，确保铁素体含量＜0.5％，但由于Mo≤0.3％，其耐蚀性能，特别是耐点蚀无法保证。
发明专利“一种中低温强度优异的奥氏体不锈钢板及其制造方法”(授权号CN101845605B)，其C≤0.03％、Ni:10-13％，常温抗拉660MPa，但未涉及-196℃的屈服强度和-250℃冲击吸收能量，同时也未提及晶间腐蚀性能。
因此为了实现尿素级奥氏体不锈钢具有优异低温性能和高耐蚀性能，亟待开发出一种具有优异低温性能的耐蚀尿素级奥氏体不锈钢及其制造方法。
发明内容
根据上述技术问题，而提供一种低温性能优异的奥氏体不锈钢及其制备方法。
本发明采用的技术手段如下：
一种低温性能优异的奥氏体不锈钢，所述不锈钢的化学成分(按重量％)为：
C:0.04-0.08％、Si≤1.00％、Mn:2.10-3.50％、P≤0.020％、S≤0.010％、Ni:7.50-9.50％、Cr:20.00-25.00％、Mo:4.00-5.00％、N:0.15-0.30％、V:2.00-3.00％，其余为Fe及不可避免的杂质。
上述化学元素的作用分析如下：
C是奥氏体不锈钢的重要元素，其在扩大奥氏体区的同时还能抑制钢中铁素体的形成。另外，C元素在钢中以固溶或者碳化物析出形式存在还能有效的提高钢板常温及低温强度。但是过高的C含量不仅增加焊接热影响区硬度以及焊后再加热开裂，同时也不利于钢板的抗晶间腐蚀性能。因此，C含量限定在0.04-0.08％。
Si是奥氏体不锈钢的主要脱氧元素，对于改善钢的抗氧化性能能够有效降低钢中的氧含量，提高钢质纯净度。但过高的Si含量会促进脆性的σ相形成或富硅的G相在晶界析出，同时不利于奥氏体的稳定性。因此，Si含量≤1.00％。
Mn是奥氏体不锈钢的重要元素，Mn元素在扩大奥氏体区的同时还能提高钢的强度性能。另外，利用Mn在一定程度上取代Ni以便获得奥氏体组织，同时Mn的添加可以显著提高N的溶解度。但过高的Mn含量会影响钢板的焊接性能。因此，Mn含量限定在2.10-3.50％。
Ni是奥氏体不锈钢的重要元素，Ni元素在扩大奥氏体区的同时还能抑制钢中铁素体的形成。同时其与Cr元素配合使用保证钢板具有良好的抗氧化腐蚀性能。由于其价格昂贵，因此为了控制成本，Ni含量限定在7.50-9.50％。
Cr是奥氏体不锈钢中耐氧化性、耐腐蚀性的重要元素。为了保证不锈钢具有优异的耐蚀性能，防止晶界由于M23C6碳化物的析出造成晶界附近出现贫铬区，同时Cr含量的增加有利于提升钢中N的溶解度，但其添加过量将导致碳化物粗化进而造成钢板强度及韧性的降低。因此，Cr含量限定在25.00-30.00％。
Mo是奥氏体不锈钢中提高高温强度及耐腐蚀的重要元素，此外它对P有强亲和性，它能够降低在晶界处偏析P的量，有利于焊接再加热开裂敏感性的降低。因此，Mo含量限定在4.00-5.00％。
N是强烈的奥氏体形成和稳定化元素，在奥氏体耐热钢中还能取代部分Ni元素形成更加稳定的奥氏体组织。在显著提高钢板低温强度的同时还不损害其延展性。因此，N含量限定在0.15-0.30％。
V在钢中的主要作用是优先与C、N形成碳化物、氮化物，避免碳化铬和氮化铬析出在晶界附近出现“贫铬区”，增加钢板晶间腐蚀。因此，V含量限定在2.00-3.00％。
P、S是奥氏体不锈钢的有害元素，理论上其含量越低越好，但过分降低将会导致制造成本大幅增加。因此，P含量限定≤0.020％、S含量限定≤0.010％。
本发明还公开了一种低温性能优异的奥氏体不锈钢的制备方法：冶炼-连铸-锻造-均质化轧制-固溶处理-稳定化处理，具体方法如下：
(1)冶炼：采用电炉冶炼+AOD+VOD炼钢法进行不锈钢冶炼。
(2)连铸：中间包钢水浇铸温度1570-1590℃，连铸坯过热度60-80℃，连铸坯拉速1.0-1.3m/min；连铸坯轻压下的压下量5-8mm、压下速率0.6-1.2mm/m。
(3)锻造：加热温度1220-1250℃，保温5-10h，锻造的每道次变形量控制为20-30mm，变形累计进行4-5个道次，直至完成锻造工序。
(4)均质化：加热温度1240-1260℃，净保温80-100h，保温结束后再进行最后一次锻造，变形量10-15mm，确保轧制前具有相对细小的原始奥氏体组织。
(5)轧制：连铸坯加入温度1200-1230℃；采用两阶段轧制，粗轧开轧温度≥1130℃，终轧温度≥1000℃，本阶段轧制道次4-6次，辊速控制在40-60r/min，第一道次压下率≥20％；精轧阶段开轧温度≥950℃，终轧温度≥850℃，单道次压下率在8-10％，本阶段轧制道次5-7次，辊速控制在20-25r/min。
(6)热处理：固溶热处理温度980-1100℃，净保温时间10-60mm，出炉后水冷至室温。
上述成分和工艺制造的宽度2000-5000mm，厚度10-35mm的含氮的尿素级奥氏体不锈钢，其室温下的屈服强度≥380MPa、抗拉强度≥710MPa，延伸率≥50％；-196℃的屈服强度≥750MPa，-250℃冲击吸收能量≥150J；铁素体含量＜0.1％，晶粒度4-6级；650℃+2h敏化处理后满足GB/T4334-2018《金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》E法要求，同时按照ASTMA262《检测奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感性的标准方法》C法要求满足在五个腐蚀周期内的平均腐蚀率≤3.0μm/48h。
本发明通过添加大量C、N元素，提升了钢板常温及低温强度，同时降低了钢中贵金属元素Ni含量，大幅缩减了钢板制造成本；通过增加钢中Cr和Mo含量，提升了钢板的耐腐蚀性能，同时Cr含量的增加还有助于提高N在钢中的溶解度。此外，V元素的添加避免了晶界附近“贫铬区”的出现，进一步提升了钢板的抗腐蚀性能。
基于上述理由本发明可在具有优异低温性能的高耐蚀尿素级奥氏体不锈钢等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施方式中一种低温性能优异的奥氏体不锈钢内铁素体照片。
图2为本发明具体实施方式中一种低温性能优异的奥氏体不锈钢晶粒度照片。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种低温性能优异的奥氏体不锈钢，所述不锈钢的化学成分(按重量％)为：
C:0.04-0.08％、Si≤1.00％、Mn:2.10-3.50％、P≤0.020％、S≤0.010％、Ni:7.50-9.50％、Cr:20.00-25.00％、Mo:4.00-5.00％、N:0.15-0.30％、V:2.00-3.00％，其余为Fe及不可避免的杂质。
其制备方法如下：
(1)冶炼：采用电炉冶炼+AOD+VOD炼钢法进行不锈钢冶炼。
(2)连铸：中间包钢水浇铸温度1570-1590℃，连铸坯过热度60-80℃，连铸坯拉速1.0-1.3m/min；连铸坯轻压下的压下量5-8mm、压下速率0.6-1.2mm/m。
(3)锻造：加热温度1220-1250℃，保温5-10h，锻造的每道次变形量控制为20-30mm，变形累计进行4-5个道次，直至完成锻造工序。
(4)均质化：加热温度1240-1260℃，净保温80-100h，保温结束后再进行最后一次锻造，变形量10-15mm，确保轧制前具有相对细小的原始奥氏体组织。
(5)轧制：连铸坯加入温度1200-1230℃；采用两阶段轧制，粗轧开轧温度≥1130℃，终轧温度≥1000℃，本阶段轧制道次4-6次，辊速控制在40-60r/min，第一道次压下率≥20％；精轧阶段开轧温度≥950℃，终轧温度≥850℃，单道次压下率在8-10％，本阶段轧制道次5-7次，辊速控制在20-25r/min。
(6)热处理：固溶热处理温度980-1100℃，净保温时间10-60mm，出炉后水冷至室温。
下面以10个实施例对本发明的内容进行进一步说明。10个实施例的化学成分如表1所示；
表1实施例化学成分(wt％)
实施例 C Si Mn Cr Ni N V Mo
1 0.044 0.11 3.21 21.84 7.64 0.23 2.97 4.38
2 0.067 0.21 2.13 20.19 7.77 0.34 2.62 4.77
3 0.078 0.35 3.21 22.86 8.51 0.26 2.23 4.98
4 0.065 0.47 3.13 21.83 8.64 0.34 2.46 4.14
5 0.059 0.52 3.08 23.74 8.26 0.25 2.32 4.06
6 0.057 0.68 2.79 23.83 9.31 0.35 2.56 4.61
7 0.056 0.72 3.42 24.29 9.16 0.38 2.73 4.31
8 0.064 0.85 2.19 23.74 8.43 0.27 2.84 4.35
9 0.041 0.95 2.13 20.11 7.53 0.15 2.01 4.02
10 0.079 0.93 3.48 24.98 9.47 0.30 2.99 4.98
10个实施例的冶炼及连铸工艺如表2所示；
表2实施例冶炼及连铸工艺
实施例 钢水温度℃ 过热度℃ 拉速m/min 压下量mm 压下率％
1 1576 78 1.1 6.7 1.14
2 1583 72 1.2 7.9 1.03
3 1575 66 1.2 5.9 0.83
4 1586 67 1.0 7.3 0.98
5 1584 74 1.2 6.4 1.19
6 1576 77 1.2 6.5 0.66
7 1580 60 1.1 7.6 1.05
8 1577 65 1.3 5.3 0.76
9 1570 60 1.0 5.0 0.61
10 1590 80 1.3 8.0 1.20
10个实施例的锻造及均质化工艺如表3所示；
表3实施例锻造及均质化工艺
10个实施例的轧制工艺如表4所示；
表4实施例轧制工艺
10个实施例的热处理工艺如表5所示；
表5实施例热处理工艺
实施例 温度℃ 净保温时间min
1 991 14
2 1067 47
3 999 37
4 1070 26
5 1090 56
6 1033 13
7 1088 35
8 1018 46
9 980 10
10 1100 60
根据上述成分及制备工艺制备的一种低温性能优异的奥氏体不锈钢的性能参数如表6所示；
表6实施例综合性能
注：实施例1-10钢板经过650℃+3h敏化处理后满足GB/T4334-2018《金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》E法要求。
通过表6可知，本发明提供的一种低温性能优异的奥氏体不锈钢，在降低了制造成本的同时，具有优异的耐腐蚀性能、优异的低温性能。
如图1所示，不锈钢中残余铁素体含量为0.02％，如图2所示，不锈钢中晶粒度为4.5级。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种低温性能优异的奥氏体不锈钢，其特征在于，所述不锈钢的化学成分重量百分比如下：
C:0.04-0.08%、Si≤1.00%、Mn:2.10-3.50%、P≤0.020%、S≤0.010%、Ni:7.50-9.50%、Cr:20.00-25.00%、Mo:4.00-5.00%、N:0.15-0.30%、V:2.00-3.00%，余量为Fe及不可避免的杂质；
所述不锈钢为尿素级奥氏体不锈钢；
所述不锈钢的制备方法，包括如下步骤：
（1）冶炼：
按照上述成分冶炼得到钢水；
（2）连铸；
（3）锻造；
（4）均质化：
加热温度1240-1260℃，净保温80-100h，保温结束后再进行最后一次锻造，变形量10-15mm，确保轧制前具有相对细小的原始奥氏体组织；
（5）轧制：
连铸坯加热温度1200-1230℃；采用两阶段轧制，粗轧开轧温度≥1130℃，终轧温度≥1000℃，本阶段轧制道次4-6次，辊速控制在40-60r/min，第一道次压下率≥20%；精轧阶段开轧温度≥950℃，终轧温度≥850℃，单道次压下率在8-10%，本阶段轧制道次5-7次，辊速控制在20-25r/min；
（6）热处理得到所述不锈钢；
热处理采用固溶热处理，具体工艺如下：固溶热处理温度980-1100℃，净保温时间10-60min，出炉后水冷至室温。
2.根据权利要求1所述的一种低温性能优异的奥氏体不锈钢，其特征在于，所述不锈钢的宽度为2000-5000mm，厚度为10-35mm。
3.根据权利要求1所述的一种低温性能优异的奥氏体不锈钢，其特征在于，所述不锈钢室温下的屈服强度≥380MPa、抗拉强度≥710MPa，延伸率≥50%。
4.根据权利要求1所述的一种低温性能优异的奥氏体不锈钢，其特征在于，所述不锈钢在-196℃的屈服强度≥750MPa，-250℃冲击吸收能量≥150J。
5.根据权利要求1所述的一种低温性能优异的奥氏体不锈钢，其特征在于，所述不锈钢中铁素体含量＜0.1%，所述不锈钢的晶粒度4-6级。
6.根据权利要求1所述的一种低温性能优异的奥氏体不锈钢，其特征在于，在所述步骤（2）中，连铸的具体工艺如下：中间包钢水浇铸温度1570-1590℃，连铸坯过热度60-80℃，连铸坯拉速1.0-1.3m/min；连铸坯轻压下的压下量5-8mm。
7.根据权利要求1所述的一种低温性能优异的奥氏体不锈钢，其特征在于，在所述步骤（3）中，锻造的具体工艺如下：加热温度1220-1250℃，保温5-10h，锻造的每道次变形量控制为20-30mm，变形累计进行4-5个道次。
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