一種馬氏體不銹鋼及其制造方法
【專利摘要】一種馬氏體不銹鋼及其制造方法，馬氏體不銹鋼的化學(xué)成分按重量百分比為：C：0.05～0.10%，Si≤1.0%，Mn：0.5～1.2%，P≤0.035%，S：0.02～0.05%，Ni：0.3～0.8%，Cr：12.5～14.0%，Mo：0.2～0.7%，N：0.02～0.05%，Ca：0.001～0.003%，C+N=0.08～0.12%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明通過合理的化學(xué)成分控制，使得所述馬氏體不銹鋼具有高的室溫強(qiáng)度、中溫強(qiáng)度、良好的韌性和優(yōu)異的機(jī)加工性能。
【專利說明】一種馬氏體不銹鋼及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于不銹鋼材料領(lǐng)域，尤其涉及一種馬氏體不銹鋼及其制造方法，馬氏體不銹鋼具有高的室溫強(qiáng)度(室溫時(shí)屈服強(qiáng)度大于450MPa)、中溫強(qiáng)度((300°C時(shí)屈服強(qiáng)度大于400MPa)、良好的韌性(0°C時(shí)V型沖擊功大于50J)和優(yōu)異的機(jī)加工性能，尤其適用于核電、水電等設(shè)備支撐板的制造。
【背景技術(shù)】
[0002]伴隨著核電、水電等綠色能源工業(yè)的發(fā)展，對(duì)材料的要求也越來越高。核電、水電等設(shè)備支撐板用馬氏體不銹鋼除了要求較高的室溫強(qiáng)度、良好的韌性外，因使用溫度達(dá)到300°C，因此需要良好的中溫強(qiáng)度，另外因支撐其他部件需要在板上加工孔或槽等，因此需要良好的機(jī)加工性能。
[0003]一般低鉻馬氏體不銹鋼用于對(duì)強(qiáng)度和韌性要求都較高的領(lǐng)域。對(duì)于常規(guī)成分的中、高碳低鉻馬氏體不銹鋼，如2Crl3、3Crl3、4Crl3，其碳含量高，雖然具有良好的中低溫力學(xué)性能，但其塑性、韌性較差，且由于硬度較高造成機(jī)加工困難，因此不適用于制造需要同時(shí)具有高的室溫強(qiáng)度、中溫強(qiáng)度、良好的韌性和優(yōu)異的機(jī)加工性能的核電、水電等設(shè)備支撐板。
[0004]而對(duì)于常規(guī)成分的低碳低鉻馬氏體不銹鋼，如410S，其碳含量低，塑性較好，但材料中溫力學(xué)性能難以滿足支撐板用鋼要求，另外機(jī)加工性能也不十分理想，因此也不適用于制造核電、水電等設(shè)備支撐板。
[0005]基于此，中國(guó)專利CN200910201443.6公開了一種高強(qiáng)塑性、高低溫沖擊韌性和耐腐蝕性馬氏體不銹鋼，其化學(xué)成分為:碳:0.10-0.15%、硅:0.20-0.50%、錳:0.50-1.50%、鎳:2.00-4.00%、鉻:15.00-17.00%、鑰:0.03-0.30%、氮:0.020-0.200%、稀土:0.01-0.10%、銅≤ 0.25%、硫≤ 0.025%、磷≤ 0.040%，余為Fe和不可避免雜質(zhì)。該專利是利用高的碳氮含量來達(dá)到高強(qiáng)度，同時(shí)提高鎳含量來保證良好的塑性、韌性,但其成本較高，同時(shí)其機(jī)加工性能難以保證。
[0006]中國(guó)專利CN200710164219.5公開了一種易切削馬氏體不銹鋼化學(xué)成分:C:0.10%至 1.20%、S1:0.10% 至 2.00%、Mn:0.80% 至 2.00%、S:0.10% 至 0.30%、Cr:10.5% 至 18.0%、Pb:0.03% 至 0.30%、Te:0.01% 至 0.10%、B:0.0005% 至 0.010%、和 O:0.005% 至 0.030%,余量基本為Fe和不可避免的雜質(zhì)。該鋼種含Pb和S較高，具有良好的機(jī)加工性能，但其韌性較差，另外含Pb冶煉時(shí)容易造成其他鋼種污染以及存在環(huán)保問題。
[0007]美國(guó)專利US6146475公開了一種易切削馬氏體不銹鋼化學(xué)成分:C:0.06-0.10%、Si ≤ 0.4%、Mn ≤0.5%、P ≤ 0.06%、S:0.15-0.55%、Ni ≤ 0.25%、Cr: 12.00-12.60%、Mo ≤ 0.10%,Cu ≤0.5%、N ≤0.04%，余量為Fe和不可避免雜質(zhì)。該鋼種通過控制極高的硫含量來獲得良好的機(jī)加工性能，但該鋼種韌性和耐蝕性較差。
[0008]美國(guó)專利US2003138342公開了一種耐蝕性和韌性良好的馬氏體不銹鋼化學(xué)成分:C ≤0.02%、Si ≤1.0%、Mn ≤1.5%、P ≤ 0.04%、S ≤ 0.01%、Al ≤0.1%、Ni:1.5-4.0%、Cr:ll-15%、Mo:0.5-2.0%、N ^ 0.02%，余量為Fe和不可避免雜質(zhì)。該專利通過高的鎳含量和控制極低的硫含量，獲得良好的韌性，通過添加鑰過得良好的耐蝕性，但其成本較高和機(jī)加工性能難以保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供一種馬氏體不銹鋼及其制造方法，通過合理的化學(xué)成分控制，使得馬氏體不銹鋼具有高的室溫強(qiáng)度(室溫時(shí)屈服強(qiáng)度大于450MPa)、中溫強(qiáng)度(300°C時(shí)屈服強(qiáng)度大于400MPa)、良好的韌性(0°C時(shí)V型沖擊功大于50J)和優(yōu)異的機(jī)加工性能。
[0010]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明主要采用如下技術(shù)方案:
[0011]一種馬氏體不銹鋼，其化學(xué)成分按重量百分比為:C:0.05~0.10%, Si ≤1.0%，Mn:0.5 ~1.2%, P ≤ 0.035%, S:0.02 ~0.05%, Ni:0.3 ~0.8%, Cr:12.5 ~14.0%, Mo:
0.2 ~0.7%, N:0.02 ~0.05%, Ca:0.001 ~0.003%, C+N=0.08 ~0.12%,其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)。
[0012]本發(fā)明的馬氏體不銹鋼的化學(xué)成分的確定原理如下:
[0013]碳:是強(qiáng)奧氏體形成元素，能提高鋼的強(qiáng)度。碳含量不能太低，否則室溫和中溫強(qiáng)度偏低，不宜過多，超過0.08%時(shí)會(huì)降低耐蝕性和降低韌性，因此碳含量?jī)?yōu)先在0.05~
0.10% O
[0014]硅:是作為脫氧劑加入的，當(dāng)含量較低時(shí)，對(duì)鋼的機(jī)械性能沒有大的影響，但加入過多，則會(huì)使加工和韌性劣化，因此硅的加入控制在1.0%以下為好。
[0015]錳:是弱奧氏體元素，起到穩(wěn)定奧氏體的作用，可以抑制不銹鋼中硫的有害作用，提高熱塑性，但過高會(huì)增大金屬間化合物形成的傾向，還會(huì)降低耐蝕性，應(yīng)控制在0.5~
1.2%之間。
[0016]磷:是鋼中的雜質(zhì)元素，出于熱塑性和耐蝕性的考慮，這個(gè)元素含量越少越好，應(yīng)控制在P≤0.035%。
[0017]硫:是鋼中的雜質(zhì)元素，出于熱塑性和耐蝕性的考慮，這個(gè)元素含量越少越好，但硫在鋼中形成硫化物，對(duì)材料的機(jī)加工性能有利，因此優(yōu)選硫含量在0.02~0.05%。
[0018]鉻:改善耐蝕性的重要元素，能提高不銹鋼在氧化性酸中耐蝕性，提高其在氯化物溶液中的耐應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕等局部腐蝕能力。過低時(shí)耐蝕性較差,但鉻含量過高，會(huì)增大鐵素體及金屬間化合物析出傾向，因此優(yōu)選為12.5~14.0%。
[0019]鎳:作為強(qiáng)烈的形成和擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素，可以提高奧氏體組織的穩(wěn)定性和提高熱加工性能，但鎳的價(jià)格較高，因此優(yōu)選鎳含量應(yīng)控制在0.3~0.8%之間。
[0020]鑰:為鐵素體形成元素，可改善合金耐蝕性，在馬氏體不銹鋼中添加鑰可以提高馬氏體不銹鋼的回火穩(wěn)定性，提高其中溫強(qiáng)度，但考慮價(jià)格因素不宜多加，因此優(yōu)選控制在
0.2~0.7%之間。
[0021]氮:是強(qiáng)奧氏體形成元素，提高鋼的淬硬性及強(qiáng)度，但加入量過多會(huì)使韌性變差，因此優(yōu)選控制在0.02~0.05%之間。
[0022]鈣:鈣處理可以控制硫化物形態(tài)，并且通過氧化物-硫化物復(fù)合，可以改善韌性、切削和機(jī)加工性能，但鈣含量過多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致夾雜物過多反而影響材料的韌性，因此優(yōu)選控制在 0.001 ~0.003%。[0023]本發(fā)明的馬氏體不銹鋼要具有高的中溫強(qiáng)度、良好的韌性和優(yōu)異的機(jī)加工性能，這首先要從化學(xué)成分上進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。
[0024]要獲得室溫強(qiáng)度和中溫強(qiáng)度良好的馬氏體不銹鋼，氮和碳含量的控制是最有效和最經(jīng)濟(jì)的方法，氮和碳是強(qiáng)奧氏體形成元素，增加碳和氮含量可以增加奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定性，使得淬火和回火的馬氏體強(qiáng)度和硬度增加，另外碳和氮的析出物也能增加材料的強(qiáng)度和硬度，但過量的碳和氮元素，會(huì)使得整個(gè)鋼中全部為馬氏體組織，沒有鐵素體組織的存在，導(dǎo)致馬氏體不銹鋼的塑性、韌性較差，而設(shè)備支撐板屬于工業(yè)用途，對(duì)材料的塑性、韌性要求較高，因此需要在低碳馬氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上，通過提高碳氮含量在合理的范圍內(nèi)，因此本發(fā)明將碳含量控制在0.05~0.10%,氮元素控制在0.02~0.05%,且C + N總含量控制在 0.08 ~0.12%。
[0025]為了進(jìn)一步確保獲得良好的中溫強(qiáng)度，本發(fā)明添加了適量的鑰，鑰的添加不僅可以提高鋼的耐蝕性，在室溫下可以固溶強(qiáng)化來進(jìn)一步保證鋼的室溫強(qiáng)度，在回火過程中可以提高馬氏體回火穩(wěn)定性，從而提高材料的中溫力學(xué)性能。
[0026]為了在確保馬氏體不銹鋼強(qiáng)度的同時(shí)獲得良好的韌性，通過添加適量的鎳是方法之一，另外合理確定鎳當(dāng)量形成元素N1、Mn、N、C和鉻當(dāng)量形成元素Cr、S1、Mo的含量,控制馬氏體不銹鋼中含有少量的鐵素體含量，能使其具有良好的韌性，鐵素體含量過低時(shí)，馬氏體不銹鋼的韌性較差，而鐵素體含量較高時(shí)，材料的室溫強(qiáng)度和中溫強(qiáng)度難以保證。
[0027]通過化學(xué)成分中控制適量的硫含量并且保證硫化物彌散分布來提高材料的易切削和機(jī)加工性能，同時(shí)也不會(huì)因過量的硫化物存在而導(dǎo)致材料的塑韌性和耐蝕性太差。并且通過鈣處理進(jìn)一步控制硫化物形態(tài)，使得氧化物-硫化物復(fù)合，可以進(jìn)一步提高切削和機(jī)加工性能，達(dá)到高硫鋼效果，同時(shí)可以改善韌性。
[0028]本發(fā)明的馬氏體不銹鋼的制造方法，包括如下步驟:1)上述化學(xué)成分的配比進(jìn)行冶煉，澆鑄得到連鑄坯或模鑄`鋼錠；2)加熱，熱軋，所述加熱溫度為1100~1150°C，所述加熱時(shí)間按連鑄坯或模鑄鋼錠厚度確定:1~1.2min/mm ;終軋溫度為960~1020°C;3)冷卻；
4)高溫回火，在700~750°C下進(jìn)行高溫回火，高溫回火時(shí)間按鋼板厚度確定:6~7min/mm ；5)酸洗，得到馬氏體不銹鋼。
[0029]進(jìn)一步地，所述冶煉方式采用電爐+AOD爐+LF爐方式冶煉。
[0030]又，所述冷卻步驟為:以0.5°C /s以上的速度快速冷卻至200°C以下，然后空冷至室溫。
[0031]再有，所述熱軋后得到熱軋板，所述熱軋板的厚度為20~40mm。
[0032]本發(fā)明的馬氏體不銹鋼的制造方法中工藝條件的設(shè)計(jì)原理如下:
[0033]冶煉過程中，在精煉后期(即LF爐冶煉過程中)進(jìn)行鈣處理，確保鈣含量在
0.001~0.003%之間，增加鋼液中的形核質(zhì)點(diǎn)，能使得硫化物變質(zhì)，形成復(fù)合硫化物，使得連鑄坯或模鑄鋼錠中硫化物均勻分布有利于提高材料的塑韌性和機(jī)加工性能。
[0034]熱軋的加熱溫度的選擇主要是:加熱溫度不能太高，若過高就會(huì)導(dǎo)致鑄態(tài)組織粗大，粗大的鑄態(tài)組織就會(huì)導(dǎo)致粗大的熱軋態(tài)組織，從而不利于細(xì)化材料晶粒，但過低會(huì)造成材料變形抗力提高，增加了材料的制造難度，因此將加熱溫度制定為1100~1150°C。
[0035]熱軋加熱時(shí)間控制按照連鑄還或模鑄鋼錠的厚度確定:1~1.2min/mm,其目的:一方面要保證材料熱透和溫度均勻，另一方面防止原始晶粒在加熱過程中長(zhǎng)大，因?yàn)槿绻訜釡囟冗^長(zhǎng)回導(dǎo)致連鑄坯晶粒長(zhǎng)大。
[0036]終軋溫度控制在960~1020°C，在此溫度下有利于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，獲得細(xì)小的高溫奧氏體組織，同時(shí)該溫度略高于奧氏體化溫度以上，可以避免析出相析出，有利于后續(xù)冷卻過程獲得良好的組織。在熱軋后以0.5°C /s的速度快速冷卻至200°C以下，是為了利用高溫軋制快速冷卻起到鋼的正火效果，可以省去后續(xù)的淬火熱處理工序(常規(guī)馬氏體不銹鋼需要淬火工序才能確保材料性能)，節(jié)省該馬氏體不銹鋼的工序成本，同時(shí)也可避免淬火開裂或變形的風(fēng)險(xiǎn)，超長(zhǎng)超厚規(guī)格還可避免需要特殊的淬火設(shè)備。
[0037]高溫回火熱處理溫度控制在700~750°C進(jìn)行，回火時(shí)間按照鋼板厚度來確定:6~7min/mm，可以使得回火馬氏體，使得材料的強(qiáng)度和韌性得到良好的匹配。
[0038]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0039]1、通過提高碳氮含量在合理的范圍內(nèi)，添加了適量的鑰和鎳，另外合理確定鎳當(dāng)量形成元素N1、Mn、N、C和鉻當(dāng)量形成元素Cr、S1、Mo的含量，控制馬氏體不銹鋼中的鐵素體含量，使得馬氏體不銹鋼具有高的室溫強(qiáng)度、中溫強(qiáng)度與良好的韌性的良好匹配；
[0040]2、通過鈣處理和適量的硫含量并且保證硫化物彌散分布來提高材料的易切削和機(jī)加工性能；
[0041]3、通過合理確定熱軋加熱溫度、終軋溫度和冷卻速度等措施減少了淬火工序，降低了生產(chǎn)成本。
[0042] 本發(fā)明通過上述化學(xué)成分設(shè)計(jì)和制造過程控制，獲得的馬氏體不銹鋼具有高的室溫強(qiáng)度(室溫時(shí)屈服強(qiáng)度大于450MPa)、中溫強(qiáng)度(300°C時(shí)屈服強(qiáng)度大于400MPa)、良好的韌性(0°C時(shí)V型沖擊功大于50J)和優(yōu)異的機(jī)加工性能。
【具體實(shí)施方式】
[0043]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的闡述，應(yīng)當(dāng)明確，這些實(shí)施例僅用于對(duì)本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的描述，并不用于對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍構(gòu)成任何限制。
[0044]表1所示為本發(fā)明實(shí)施例鋼和對(duì)比例鋼的成分，成分其余為鐵。表2所示為本發(fā)明實(shí)施例鋼和對(duì)比例鋼的性能。
[0045]實(shí)施例1
[0046]采用電爐+ A0D+LF熔煉，澆鑄成200mm連鑄坯，加熱溫度1120°C，在爐時(shí)間220min,終軋溫度控制在990°C，熱軋板厚度30mm，以0.8°C /s的速度快冷至200°C以下，然后空冷至室溫，在720°C進(jìn)行高溫回火熱處理，回火時(shí)間180min，酸洗后得到馬氏體不銹鋼板材。該板材具有優(yōu)異的室溫、中溫強(qiáng)度和良好的韌性，通過控制鈣含量和硫含量保證了其良好的機(jī)加工性能。所有性能列于表2。
[0047]實(shí)施例2
[0048]采用電爐+ A0D+LF熔煉，澆鑄成150mm連鑄坯，加熱溫度1150°C，在爐時(shí)間160min，終軋溫度控制在1010°C，熱軋板厚度20mm，以1.0°C /s的速度快冷至200°C以下，然后空冷至室溫，在740°C進(jìn)行高溫回火熱處理，回火時(shí)間140min，酸洗后得到馬氏體不銹鋼板材。該板材具有優(yōu)異的室溫、中溫強(qiáng)度和良好的韌性，通過控制鈣含量和硫含量保證了其良好的機(jī)加工性能。所有性能列于表2。
[0049]實(shí)施例3[0050]采用電爐十A0D+LF熔煉，模鑄365mm扁錠，加熱溫度1100°C，在爐時(shí)間420min，終軋溫度控制在970°C，熱軋板厚度40_，以0.6°C /s的速度快冷至200°C以下，然后空冷至室溫，在710°C進(jìn)行高溫回火熱處理，回火時(shí)間240min，酸洗后得到馬氏體不銹鋼板材。該板材具有優(yōu)異的室溫、中溫強(qiáng)度和良好的韌性，通過控制鈣含量和硫含量保證了其良好的機(jī)加工性能。所有性能列于表2。
[0051]實(shí)施例4
[0052]采用電爐+ A0D+LF熔煉，澆鑄成365扁錠，先進(jìn)行軋制開坯，開坯至150mm，然后進(jìn)行熱軋，熱軋加熱溫度1150°C，在爐時(shí)間160min，終軋溫度控制在1010°C，熱軋板厚度20mm,以1.(TC /s的速度快冷至200°C以下，然后空冷至室溫，在740°C進(jìn)行高溫回火熱處理，回火時(shí)間140min，酸洗后得到馬氏體不銹鋼板材。該板材具有優(yōu)異的室溫、中溫強(qiáng)度和良好的韌性，通過控制鈣含量和硫含量保證了其良好的機(jī)加工性能。所有性能列于表2。
[0053]對(duì)比例
[0054]對(duì)比例I為常規(guī)410S低碳馬氏體不銹鋼，對(duì)比例2為類似本發(fā)明的馬氏體不銹鋼成分，但C+N值不在本發(fā)明控制范圍內(nèi)。從性能列表中可以看出，對(duì)比例I由于碳、氮和鑰等元素含量低，使得馬氏體的穩(wěn)定性差，在高溫回火時(shí)出現(xiàn)大量鐵素體，造成室溫、中溫力學(xué)性和沖擊性能都很差，而沒有含硫造成機(jī)加工時(shí)不易斷屑，表面精度差。
[0055]對(duì)比例2由于碳和氮含量過高，使得顯微組織中鐵素體含量低，造成馬氏體不銹鋼室溫、中溫強(qiáng)度偏高，而塑性和韌性較差。因此對(duì)比例的性能不同保證室溫強(qiáng)度、中溫強(qiáng)度、韌性以及機(jī)加工性能的良好匹配。
[0056]表1 單位:重量百分比
[0057]
【權(quán)利要求】
1.一種馬氏體不銹鋼，其化學(xué)成分重量百分比為:c:0.05~0.10%, Si ( 1.0%，Mn:0.5 ~1.2%, P ≤0.035%, S:0.02 ~0.05%, Ni:0.3 ~0.8%, Cr:12.5 ~14.0%, Mo:0.2 ~0.7%, N:0.02 ~0.05%, Ca:0.001 ~0.003%, C+N=0.08 ~0.12%，其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的馬氏體不銹鋼的制造方法，其包括如下步驟: 1)冶煉、鑄造 按權(quán)利要求1所述化學(xué)成分的配比進(jìn)行冶煉，澆鑄得到連鑄坯或模鑄鋼錠； 2)加熱、熱軋 連鑄坯或鋼錠加熱，加熱溫度1100~1150°C，加熱時(shí)間按連鑄坯或 模鑄鋼錠厚度確定:1~1.2min/mm ;終軋溫度960~1020°C ； 3)冷卻； 4)高溫回火 在700~750°C下進(jìn)行高溫回火，高溫回火時(shí)間按鋼板厚度確定:6~7min/mm ； 5)酸洗，得到馬氏體不銹鋼。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的馬氏體不銹鋼的制造方法，其特征在于，所述冶煉方式采用電爐+AOD爐+LF爐方式冶煉。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的馬氏體不銹鋼的制造方法，其特征在于，所述步驟3)冷卻為:以0.5°C /s以上的速度快速冷卻至200°C以下，然后空冷至室溫。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的馬氏體不銹鋼的制造方法，其特征在于，所述熱軋后得到熱軋板，所述熱軋板的厚度為20~40mm。
【文檔編號(hào)】C22C38/44GK103710638SQ201310740156
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】余式昌 申請(qǐng)人:寶鋼特鋼有限公司