CN101845605B - 一种中低温强度优异的奥氏体不锈钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种中低温强度优异的奥氏体不锈钢板及其制造方法，通过在普通316L的基础上，添加小于0.30％的Nb，小于0.30％的Ce、Dy、Y、Nd其中之一或复合添加，0.0015～0.0040％的B；通过调整镍铬当量形成元素Ni、Mn、C、N和Cr、Mo、Si，奥氏体不锈钢铸态中高温铁素体δ含量小于2％。制造方法包括如下步骤：1)冶炼、铸造；2)热轧，加热温度1220～1270℃，终轧温度大于1010℃，以20～40℃/s冷却至卷取温度，空冷至室温；3)退火，退火温度850～1050℃；4)退火后水冷至40～100℃，在此温度下进行预拉伸变形0.5～5％；5)酸洗。本发明制造工艺简单，可应用于对奥氏体不锈钢强度有较高要求的化工、能源和压力容器等领域。

Description

一种中低温强度优异的奥氏体不锈钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种不锈钢制备方法，特别涉及一种中低温强度优异的奥氏体不锈钢板及其制造方法。该不锈钢可以用于20～350℃使用环境。由于其具有优异的中低温强度，可以替代现有的使用材料，从而达到减轻材料重量的目的。

背景技术

18-8系列奥氏体不锈钢由于在高温和极低温度下都具有良好的塑韧性、冷热加工性能和耐局部腐蚀性能而被广泛用于石油、化工、宇航和能源等领域，这些领域要求材料使用温度最低可达到-196℃，最高可达到600-700℃。随着能源的紧张和市场的竞争加剧，越来越多的行业要求设备的轻型化和大型化，这就对不锈钢在不同使用温度下的强度提出了更多的要求。为便于描述和根据奥氏体不锈钢的不同使用环境，将奥氏体不锈钢使用温度分为以下三类：20℃以下温度称为低温，20～350℃称为中低温，而大于350℃以上温度称为高温。

18-8系列奥氏体不锈钢在室温和高温下都为奥氏体组织，不能通过热处理方式来提高其强度。对于室温以下温度使用的18-8系列不锈钢，一般可以采用氮合金化或通过冷加工产生马氏体转变来提高强度。如美国专利US4849166A提供一种亚稳奥氏体不锈钢，其成分重量百分比为：C≤0.10％、Mn 0.5～4.0％、Si 1.5～2.95％、S≤0.004％、Cr 12.00～18.00％、Ni≤8.0％、N≤0.15％、C+N≤0.10、Cu 0.5～3.5％；其通过降低合金中的奥氏体稳定化元素，通过冷加工后形成马氏体而获得室温下高强度奥氏体不锈钢，但由于在100～350℃长时间保温会使亚稳α′马氏体消失，从而又使冷变形后获得的高强度降低和消失。因此该类钢并不适用于在中低温下使用。

对于350℃以上温度使用的不锈钢，如SUS304H、SUS316H、SUS321和SUS347等18-8系奥氏体不锈钢，一般通过添加合金元素Cu、Nb、N、Si等来提高其高温强度和蠕变性能。如美国专利US2004234408，其成分重量百分比为：C 0.05～0.15％、Mn 0.1～3.0％、Si≤2.0％、S≤0.04％、P≤0.01％、Cr 20.00～28.00％、Ni 15～55％、N 0.05～0.3％、Nb 0.1～0.8％、Cu 2～6％、V0.02～1.5％、Al 0.001～0.1％、微量B、稀土；其通过添加Nb、V、Cu和N，在使用温度下形成第二相来提高其高温蠕变强度；

日本专利JP58120766A，其成分重量百分比为：C 0.02～0.20％、Mn≤2.0％、Si≤2.0％、Cr 10～2％、Ni 10～25％、Mo 1～8％、B 0.001～0.02％、稀土微量、Nb 0.01～2％、Nb、Ta或复合、Cu 2～7％、Co、W等微量，其是在18-8不锈钢的基础上添加大量的Al、Mo、Ti、Nb以及微量的Mg和Y元素来提高其高温蠕变强度。这些合金元素的添加虽然也可以提高中低温力学性能，但会造成材料的制造难度和原料成本明显增加，且提高材料强度所采用的方法不同于本发明所发明的内容。

传统316L奥氏体不锈钢，其ASTM标准成分为：C≤0.030％、Si≤1.00％、Mn≤2.00％、P≤0.045％、S≤0.030％、Ni 10.00～14.00％、Cr16.00～18.00％、Mo 2.00～3.00％，N≤0.10％，制造工艺为：冶炼；热轧，其加热温度为1240～1300℃，保温时间为大于1min/mm，终轧温度大于950℃；水冷至卷曲温度，空冷；退火酸洗：退火温度为1050～1150℃，退火后直接水冷至室温，然后再酸洗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中低温强度优异的奥氏体不锈钢板及其制造方法，其制造工艺简单，适用于中低温环境下使用，可应用于对奥氏体不锈钢强度有较高要求的化工、能源和压力容器等领域。

本发明的技术方案是，

一种中低温强度优异的奥氏体不锈钢板，其成分重量百分比为：

C≤0.030％

Si≤1.00％

Mn≤2.00％

P≤0.045％

S≤0.030％

Ni 10.00～13.00％

Cr 16.00～18.00％

Mo 2.00～3.00％

N 0.04～0.10％

0＜Nb≤0.30％

B 0.0015～0.0040％

稀土元素Ce、Dy、Y、Nd中的一种或一种以上，小于0.30％；且铸态奥氏体不锈钢中的高温铁素体δ含量小于2％，其中δ含量采用下式计算：

Cont(δ)＝3*(Cr+Mo)+4.5*Si-2.8*Ni-1.4*Mn-84*(C+N)-19.8。

本发明的中低温强度优异的奥氏体不锈钢的制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼，按上述成分冶炼、铸造成钢坯；

2)热轧，

加热温度1220～1270℃，在炉加热时间按照1～1.5min/mm来确定，

终轧温度1010～1050℃，以20～40℃/s冷却至卷曲温度，然后空冷至室温；

3)退火，退火温度850～1050℃，退火时间按5mm厚板2～5min来退火；

4)退火后水冷至40～100℃，在此温度下进行预拉伸变形0.5～5％；

5)酸洗，酸洗后得到中低温性能优异的奥氏体不锈钢卷板。

本发明通过在普通316L的基础上，添加小于0.30％的Nb，小于0.30％的Ce、Dy、Y、Nd其中之一或复合添加，0.0015～0.0040％的B；通过调整镍铬当量形成元素Ni、Mn、C、N和Cr、Mo、Si，将奥氏体不锈钢铸态中高温铁素体δ含量控制为小于2％。

Nb除了有固溶强化的作用，还可和稀土元素、奥氏体不锈钢的碳氮在钢液中形成细小的第二相，从而为钢液的凝固提供了形核质点，使铸态奥氏体不锈钢的晶粒细化。且Nb可和奥氏体不锈钢中的碳氮结合而避免了其耐晶间腐蚀性能的降低。

稀土元素具有细化奥氏体不锈钢的作用，添加到钢液中，可以增加钢液凝固过程中的形核质点，从而达到细化连铸坯原始铸态组织的目的，原始铸态组织晶粒的细化有利于最终产品晶粒的细化。此外稀土元素在凝固过程中形成的微小质点还可降低奥氏体不锈钢在加热过程中的长大倾向。

由于本发明成分奥氏体不锈钢中铁素体含量的减少，杂质元素硫磷易偏聚在晶间，而降低其热加工塑性，在表面形成微裂纹，因此通过添加晶界强化元素B以提高其热塑性。

通过平衡镍铬当量形成元素，将奥氏体不锈钢铸态高温铁素体δ含量控制为小于2％，主要是为了保证材料中奥氏体组织的稳定性，使在40～100℃预拉伸变形时不会产生马氏体组织，而只会产生加工硬化作用。而这种加工硬化作用在20～350℃不会降低或消失，从而提高了材料在该温度下的强度。

奥氏体不锈钢在加热过程中加热温度不能太高，若过高就会导致铸态组织粗大，而由于组织的传递性，粗大的铸态组织就会导致粗大的热轧态组织，从而不利于细化材料晶粒，但过低会造成热加工变形抗力提高，增加了材料的制造难度，因此将加热温度制定为1220～1270℃。加热时间过短，会导致钢锭表面和心部存在加热不均，加热温度过长会导致连铸坯晶粒长大，因此加热时间按1～1.5min/mm来确定。终轧温度要大于1010℃，如果终轧温度太低，其动态再结晶速度会降低，从而组织中轧制流线过多，在随后的低温热处理过程中不易完成静态再结晶过程，导致组织再结晶不完全。在热轧后以20～40℃/s快速冷却至卷曲温度，也是为防止晶粒长大。

传统的奥氏体不锈钢退火温度一般控制在1050～1150℃，而本发明考虑到热轧过程中部分晶粒已实现动态再结晶，因此其退火温度控制在较低温度850～1050℃，以防止晶粒长大。退火时间的控制原理与退火温度相同，也控制在较短时间内，即退火时间按5mm厚板2～5min来控制。

退火后直接水冷至40～100℃，然后对材料进行0.5～5％的预拉伸加工，酸洗后得到中低温性能优异的奥氏体不锈钢卷板。在此温度进行预拉伸工序，主要是本发明所述的成分在此温度下进行拉伸变形不会产生马氏体相变，而只会产生加工硬化，从而提高材料的中低温强度。此外，研究表明对该专利成分退火后进行预变形，材料的强度会明显提高，而塑性和耐蚀性基本不变。

具体地，本发明通过添加一种或复合添加微量的晶粒细化元素稀土、晶界强化元素硼、添加固溶强化和晶粒细化元素Nb来控制铸态晶粒度，通过采用较低的加热温度和短的加热时间、高的终轧温度、低的热处理温度来进一步细化奥氏体不锈钢晶粒。通过成分控制以保证其奥氏体组织中的铁素体含量小于2％，从而保证在40～100℃进行预拉伸变形0.5～5％后会产生加工硬化，而不会产生马氏体转变；从而通过晶粒细化和预拉伸变形产生的硬化使奥氏体不锈钢卷板具有优异的中低温强度。

此加热温度的选择主要是：加热温度不能太高，若过高就会导致铸态组织粗大，而由于组织的传递性，粗大的铸态组织就会导致粗大的热轧态组织，从而不利于细化材料晶粒，但过低会造成材料变形抗力提高，增加了材料的制造难度，因此将加热温度制定为1220～1270℃。

加热时间控制按照1～1.5min/mm来确定，其目的也是为了防止原始晶粒在加热过程中长大，因为如果加热温度过长回导致连铸坯晶粒长大。

终轧温度1010～1050℃，如果终轧温度太低，其动态再结晶速度会降低，从而组织中轧制流线过多，在随后的低温热处理过程中不易完成静态再结晶过程，导致组织再结晶不完全。在热轧后以20～40℃/s快速冷却至卷曲温度，以防止晶粒长大。

而本发明考虑到热轧过程中部分晶粒已实现动态再结晶，因此其退火温度控制在较低温度850～1050℃，以防止晶粒长大。退火时间的控制原理与退火温度相同，也控制在较短时间内，即退火时间按5mm厚板2～5min来退火。

退火后在40～100℃对材料进行0.5～5％的预拉伸加工，在此温度进行预拉伸工序，主要是本发明所述的成分在此温度下进行拉伸变形不会产生马氏体相变，而只会产生加工硬化，而研究表明奥氏体不锈钢的加工硬化可以明显提高材料的中低温强度。

本发明所获得的奥氏体不锈钢卷板，既具有良好的强度，还具有良好的塑韧性和耐蚀性。相比于常规产品316L卷板，本发明所制备的奥氏体不锈钢卷板，最终产品中低温屈服强度和抗拉强度都得到明显提高，塑性仍维持在较高水平，且材料具有良好的耐腐蚀性能。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

根据本发明所述的奥氏体不锈钢成分，见表1，采用电炉+AOD熔炼，浇注成200mm厚连铸坯，在1250℃加热，保温240min，进行轧制，工艺参数主要为：开轧温度1230℃，终轧温度为1025℃，卷板厚度为5mm，轧后以25℃/min冷却至670℃卷曲，空冷至室温后进行退火。退火温度为1010℃，在炉时间为3.5min，水冷至50℃，进行2.5％的预拉伸，然后酸洗。

为了对比，对目前通用的316L也进行了冶炼，未添加稀土、硼和铌合金，成分见表1，并采用常规工艺进行了热轧和退火，其保温温度为1275℃，保温时间为350min，开轧温度为1240℃，终轧温度为1000℃，退火温度为1100℃，然后酸洗。为了对比，冶炼了一炉和本发明成分相似的奥氏体不锈钢，但其δ含量大于2％，其轧制工艺、连退酸洗工艺与本实施例工艺相同，发现该类钢表面质量存在较多线缺陷，且热轧过程中出现边裂现象。可见本发明钢种δ含量控制在2％以内的必要性。

从表1、表2可以看出，本实施例制造的奥氏体不锈钢卷板在20～350℃范围内，其晶粒细小，力学性能明显高于对比例316L，延伸率和耐腐蚀性能和316L相当。和对比例2相比，实施例1制造的奥氏体不锈钢卷板在300℃力学性能明显高于对比例2，这主要是对比例2中的镍铬当量比，即δ含量不在本发明控制范围内。

表2实施例1与对比例力学性能和腐蚀性能

备注：点腐蚀采用GB/T 17897-1999，FeCl₃/HCl溶液中，35℃下浸泡24h；均匀腐蚀采用GB/T 4334.6-2000，5％H₂SO₄沸腾溶液中，浸泡6h。

实施例2

根据本发明所述的奥氏体不锈钢成分，见表1，采用电炉+AOD+VOD熔炼，浇注成200mm厚连铸坯，在1240℃加热，保温270min，进行轧制，工艺参数主要为：开轧温度1210℃，终轧温度为1010℃，卷板厚度为6mm，轧后以23℃/min冷却至660℃卷曲，空冷至室温后进行退火。退火温度为1030℃，在炉时间为4.5min，水冷至55℃，进行3.5％的预拉伸，然后酸洗。

对比表1和表2可以看出，本实施例(见表3)制造的奥氏体不锈钢卷板在20～350℃范围内，其晶粒细小，力学性能明显高于对比例316L，延伸率和耐腐蚀性能和316L相当。

表3实施例2力学性能和腐蚀性能

实施例3

根据本发明所述的奥氏体不锈钢成分，见表1，采用电炉+AOD+VOD熔炼，浇注成200mm厚连铸坯，在1255℃加热，保温230min，进行轧制，工艺参数主要为：开轧温度1220℃，终轧温度为1035℃，卷板厚度为8mm，轧后以29℃/min冷却至680℃卷曲，空冷至室温后进行退火。退火温度为1040℃，在炉时间为6min，水冷至45℃，进行0.5％的预拉伸，然后酸洗。

对比表1和表2可以看出，本实施例(见表4)制造的奥氏体不锈钢卷板在20～350℃范围内，其力学性能明显高于对比例316L，延伸率和耐腐蚀性能和316L相当。

表4实施例3力学性能和腐蚀性能

实施例4

根据本发明所述的奥氏体不锈钢成分，见表1，采用电炉+AOD熔炼，浇注成200mm厚连铸坯，在1250加热，保温240min，进行轧制，工艺参数主要为：开轧温度1210℃，终轧温度为1015℃，卷板厚度为7mm，轧后以32℃/min冷却至670℃卷曲，空冷至室温后进行退火。退火温度为1040℃，在炉时间为5.5min，水冷至50℃，进行1.5％的预拉伸，然后酸洗。

对比表1和2可以看出，本实施例(见表5)制造的奥氏体不锈钢卷板在20～350℃范围内，其力学性能明显高于对比例316L，延伸率和耐腐蚀性能和316L相当。

表5实施例4力学性能和腐蚀性能

实施例5

根据本发明所述的奥氏体不锈钢成分，成分见表1，采用电炉+AOD+VOD熔炼，浇注成200mm厚连铸坯，在1265加热，保温280min，进行轧制，工艺参数主要为：开轧温度1245℃，终轧温度为1030℃，卷板厚度为5mm，轧后以35℃/min冷却至650℃卷曲，空冷至室温后进行退火。退火温度为1010℃，在炉时间为4min，水冷至50℃，进行3％的预拉伸，然后酸洗。

对比表1和表2可以看出，本实施例(见表6)制造的奥氏体不锈钢卷板在20～350℃范围内，其力学性能明显高于对比例316L，延伸率和耐腐蚀性能和316L相当。

表6实施例5力学性能和腐蚀性能

实施例6

根据本发明所述的奥氏体不锈钢成分，成分同实施例1，采用电炉+AOD+VOD熔炼，浇注成200mm厚连铸坯，在1260加热，保温270min，进行轧制，工艺参数主要为：开轧温度1230℃，终轧温度为1025℃，卷板厚度为6mm，轧后以35℃/min冷却至650℃卷曲，空冷至室温后进行退火。退火温度为1030℃，在炉时间为5min，水冷至50℃，进行5％的预拉伸，然后酸洗。

对比表1和表2可以看出，本实施例(见表7)制造的奥氏体不锈钢卷板在20～350℃范围内，其力学性能明显高于对比例316L，延伸率和耐腐蚀性能和316L相当。

表7实施例6力学性能和腐蚀性能

Claims (2)

1.一种中低温强度优异的奥氏体不锈钢板，其成分重量百分比为：

C≤0.030%

Si≤1.00%

Mn≤2.00%

P≤0.045%

S≤0.030%

Ni 10.00～13.00%

Cr 16.00～18.00%

Mo 2.00～3.00%

N 0.04～0.10%

0＜Nb≤0.30%

B 0.0015～0.0040%

稀土元素Ce、Dy、Y、Nd中一种以上，小于0.30%；且铸态奥氏体不锈钢中的高温铁素体δ含量小于2%，其中δ含量采用下式计算：

Cont(δ)=3*(Cr+Mo)+4.5*Si-2.8*Ni-1.4*Mn-84*(C+N)-19.8；

所述奥氏体不锈钢板采用下述制造方法获得：

1)冶炼，按上述成分冶炼、铸造成钢坯；

2)热轧，

加热温度1220～1270℃，在炉加热时间按照1～1.5min/mm来确定，终轧温度1010～1050℃，以20～40℃/s冷却至卷曲温度，然后空冷至室温；

3)退火，退火温度850～1050℃，退火时间按5mm厚板2～5min来退火；

4)退火后水冷至40～100℃，在此温度下进行预拉伸变形0.5～5%；

5)酸洗，酸洗后得到中低温性能优异的奥氏体不锈钢卷板。

2.中低温强度优异的奥氏体不锈钢的制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼，铸造；

按下述成分冶炼、铸造成钢坯，奥氏体不锈钢板成分重量百分比为C≤0.030%、Si≤1.00%、Mn≤2.00%、P≤0.045%、S≤0.030%、Ni 10.00～13.00%、Cr 16.00～18.00%、Mo 2.00～3.00%、N 0.04～0.10%、0＜Nb≤0.30%、B  0.0015～0.0040%、稀土元素Ce、Dy、Y、Nd中一种以上，小于0.30%；且铸态奥氏体不锈钢中的高温铁素体δ含量小于2%，其中δ含量采用下式计算：

Cont(δ)=3*(Cr+Mo)+4.5*Si-2.8*Ni-1.4*Mn-84*(C+N)-19.8；

2)热轧，

加热温度1220～1270℃，在炉加热时间按照1～1.5min/mm来确定，终轧温度1010～1050℃，以20～40℃/s冷却至卷曲温度，然后空冷至室温；

3)退火，退火温度850～1050℃，退火时间按5mm厚板2～5min来退火；

4)退火后水冷至40～100℃，在此温度下进行预拉伸变形0.5～5%；

5)酸洗，酸洗后得到中低温性能优异的奥氏体不锈钢卷板。