本發(fā)明涉及雙相不銹鋼領(lǐng)域，尤其涉及一種雙相不銹鋼及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
雙相不銹鋼固溶處理后，在室溫下由約50％鐵素體與50％的奧氏體雙相組成。兩相組織的存在使雙相不銹鋼兼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的特點。與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的強度，特別是屈服強度顯著提高，耐晶間腐蝕、耐應(yīng)力腐蝕、耐磨性能顯著改善。與鐵素體不銹鋼比，其韌性提高、脆性轉(zhuǎn)變溫度降低、耐晶間腐蝕和焊接性顯著改善，同時保留了鐵素體鋼導(dǎo)熱系數(shù)高、膨脹系數(shù)小的優(yōu)點。
目前，雙相不銹鋼已在石油、天然氣、造紙、海水淡化和化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是用于特殊化工環(huán)境的設(shè)備部件。其典型代表牌號2205雙相不銹鋼已在空氣污染控制設(shè)備、化學(xué)品運輸船等領(lǐng)域成功代替了316L奧氏體不銹鋼。開發(fā)已二十余年的2304雙相不銹鋼盡管在性能上不如2205雙相不銹鋼，但在鎳、鉬價格波動大，其原料價格超過奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼之間差價的情況下，2304雙相不銹鋼就成為了成本極佳的替代316L不銹鋼的理想材料。
目前國內(nèi)外對雙相不銹鋼的研究很多，如中國專利申請CN 101613839A中，將鎳含量控制在1.0％以下，能有效降低生產(chǎn)成本；如中國專利申請CN 101215674A和CN 101768705A中，通過添加微量稀土元素來降低雙相不銹鋼中稀貴金屬同時獲得綜合性能優(yōu)良的雙相不銹鋼。又如美國專利US6551420提供一種EN 1.4401(ASTM 316)型奧氏體不銹鋼以及對雙相不銹鋼種2205的低成本替代品，實施例中描述了兩種組合物，每種元素的范圍在下面通過重量％表示：0.018-0.021％碳，0.46-0.50％錳，0.022％磷，0.0014-0.0034％硫，0.44-0.45％硅，20.18-20.25％鉻，3.24-3.27％鎳，1.80-1.84％鉬，0.21％銅，0.166-0.167％氮和0.0016％硼，其具有比EN 1.4401更高的耐腐蝕性，且對于在含氯環(huán)境中使用是特別有利的。針對焊芯方面的研究，中國專利CN104668819B提供一種2205雙相不銹鋼用金屬型藥芯焊絲，由以下質(zhì)量百分比的組分組成：Ni10％-15％，Cr30％-40％，Mo8％-14％，Mn2％-4％，其余為鐵，以上組分質(zhì)量百分比之和為100％，但是該焊絲的機械性能遠(yuǎn)不能滿足特殊的化工設(shè)備的需要。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供一種雙相不銹鋼材料及其制備方法和應(yīng)用，用雙相不銹鋼材料制備的焊芯，能夠得到鐵素體與奧氏體雙相焊縫組織，焊接部位具有優(yōu)異的機械性能和耐腐蝕能力。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種雙相不銹鋼材料，按質(zhì)量百分比由以下組分組成：
C≤0.03％，
Cr 24.00～26.00％，
Ni 6.00～7.50％，
Mo 2.50～3.00％，
N 0.14～0.20％，
余量是Fe及不可避免的雜質(zhì)。
在本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式中，所述雜質(zhì)為：
Si≤0.80％，
P≤0.020％，
S≤0.010％。
在本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式中，所述雙相不銹鋼材料由以下組分組成：
C≤0.02％，
Cr 24.00～25.00％，
Ni 6.00～7.00％，
Mo 2.80-3.00％，
N 0.15～0.20％，
余量是Fe及不可避免的雜質(zhì)。
在本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式中，所述雙相不銹鋼材料由以下組分組成：
C≤0.01％，
Cr 24.00％，
Ni 6.00％，
Mo 3.00％，
N 0.20％，
余量是Fe及不可避免的雜質(zhì)。
本發(fā)明還保護(hù)上述雙相不銹鋼材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)取所需元素于非真空感應(yīng)爐中熔煉，熔煉溫度1400～1600℃；在熔煉過程中調(diào)節(jié)各元素的含量，使其重量比符合設(shè)計要求，控制雜質(zhì)元素的含量盡量低，溶液澆注成自耗電極；
(2)將自耗電極于電渣爐中重熔精煉，進(jìn)一步降低雜質(zhì)元素的含量，使其符合設(shè)計要求，重熔成電渣錠，其中渣系為CaF2:Al2O3:CaO:MgO＝60:25:10:5(質(zhì)量百分比)，電壓56V±2V；電流7500±300A；
(3)將電渣錠加熱鍛造制成鋼棒，將鋼棒加熱至1100-1300℃保溫2～4小時，開始鍛造；
(4)鋼棒鍛后攤開空冷至室溫；
(5)鋼棒表面處理，對成品鋼棒表面進(jìn)行車光處理，消除表面缺陷并使鋼棒尺寸、形狀、表面質(zhì)量滿足設(shè)計要求。
在本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式中，所述熔煉溫度為1530～1550℃。
在本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式中，步驟(3)中鋼棒加熱的溫度為1190℃。
本發(fā)明還保護(hù)上述雙相不銹鋼材料在制備化工設(shè)備用焊芯中的應(yīng)用，其中焊芯按質(zhì)量百分比由以下組分組成：
C≤0.03％，
Cr 24.00～26.00％，
Ni 6.00～7.50％，
Mo 2.50～3.00％，
N 0.14～0.20％，
余量是Fe及不可避免的雜質(zhì)。
在本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式中，所述雜質(zhì)為：
Si≤0.80％，
P≤0.020％，
S≤0.010％。
在本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式中，所述焊芯由以下組分組成：
C≤0.02％，
Cr 24.00～25.00％，
Ni 6.00～7.00％，
Mo 2.80～3.00％，
N 0.15～0.20％，
余量是Fe及不可避免的雜質(zhì)。
在本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式中，所述焊芯由以下組分組成：
C≤0.01％，
Cr 24.00％，
Ni 6.00％，
Mo 3.00％，
N 0.20％，
余量是Fe及不可避免的雜質(zhì)。
本發(fā)明所述的焊芯可以采用現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法進(jìn)行制備。
本發(fā)明的具有優(yōu)異機械性能和耐蝕性的雙相不銹鋼的化學(xué)成分的設(shè)計中：
碳：碳是強奧氏體形成元素，其奧氏體形成作用相當(dāng)于Ni的30倍，因此一定程度上可以取代Ni，促進(jìn)奧氏體組織的形成。但是當(dāng)碳含量過高時，碳與鉻結(jié)合后在晶界形成富鉻碳化物，導(dǎo)致晶間腐蝕。尤其是在焊接過程中，碳化物迅速析出，將導(dǎo)致焊接區(qū)的耐腐蝕性能與力學(xué)性能顯著下降。過低的碳含量將增加制備過程中的難度和成本。因此，本發(fā)明鋼中碳含量控制為≤0.03％，最優(yōu)為≤0.01％。
鉻：鉻是不銹鋼中最重要元素。鉻是決定不銹鋼耐蝕性的最主要元素，也是一種鐵素體形成元素，同時可穩(wěn)定奧氏體。對雙相不銹鋼而言，當(dāng)鉻含量較低時，耐蝕性將下降，同時降低組織的穩(wěn)定性，對力學(xué)與耐腐蝕性能均不利，但當(dāng)鉻含量過高時，不但會增加金屬間相、碳化物和氮化物的析出傾向，增加成本，更重要的是對其機械性能會不利。因此本發(fā)明鋼中Cr含量控制為24.00-26.00％，最優(yōu)為24.00％
氮：氮元素是現(xiàn)代雙相不銹鋼中不可或缺的重要元素。首先N是一種形成和穩(wěn)定奧氏體相的元素，氮的奧氏體形成能力是鎳的30倍。此外，氮可以提高奧氏體相的耐腐蝕性能，尤其是耐點腐蝕性能和耐縫隙腐蝕性能，盡管有如上優(yōu)點，但氮會顯著降低雙相不銹鋼的機械性能。因此，本發(fā)明鋼中氮含量控制在0.14～0.20％，最優(yōu)為0.20％
鉬：鉬非常有利于提高鋼的耐腐蝕性能，尤其是在與鉻復(fù)合作用的情況下，其耐點蝕當(dāng)量是鉻的3.3倍。更為重要的是，Mo可以提高雙相不銹鋼的熱塑性，因此將Mo含量控制在2.5％以上。但是鉬含量過高將導(dǎo)致脆性金屬間相的加速析出，不利于生產(chǎn)和應(yīng)用，因此本發(fā)明鋼中的鉬含量控制在2.50～3.00％，最優(yōu)為3.00％。
鎳：鎳是奧氏體化元素，與其他組分配合設(shè)計時，可以有效的調(diào)節(jié)雙相不銹鋼材料的機械性能。
雜質(zhì)Si、S和P對于雙相不銹鋼的機械性能危害很大，所以要盡量降低雙相不銹鋼中的雜質(zhì)含量，本發(fā)明中Si≤0.80％，P≤0.020％，S≤0.010％。。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：采用如上所述的配方設(shè)計和工藝方法制備得到的雙相不銹鋼材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和機械性能，并且耐腐蝕性良好，其中抗拉強度Rm≥750Mpa；屈服強度Rp0.2≥580Mpa；伸長率A≥30％，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有技術(shù)中的產(chǎn)品316L以及背景技術(shù)中的相關(guān)雙相不銹鋼。本發(fā)明尤其適用于特殊的化工設(shè)備制備過程中的焊接用焊條，如那些極限的高的拉伸強度，高酸高堿以及高壓環(huán)境。
具體實施方式
制備雙相不銹鋼材料，包括以下步驟：
(1)取所需元素于非真空感應(yīng)爐中熔煉，熔煉溫度1550℃；在熔煉過程中調(diào)節(jié)各元素的含量，使其重量比符合設(shè)計要求，控制雜質(zhì)元素的含量盡量低，溶液澆注成自耗電極；
(2)將自耗電極于電渣爐中重熔精煉，進(jìn)一步降低雜質(zhì)元素的含量，使其符合設(shè)計要求，重熔成電渣錠，其中渣系為CaF2:Al2O3:CaO:MgO＝60:25:10:5(質(zhì)量百分比)，電壓56V±2V；電流7500±300A；
(3)將電渣錠加熱鍛造制成鋼棒，將鋼棒加熱至1190℃保溫2～4小時，開始鍛造；
(4)鋼棒鍛后攤開空冷至室溫；
(5)鋼棒表面處理，對成品鋼棒表面進(jìn)行車光處理，消除表面缺陷并使鋼棒尺寸、形狀、表面質(zhì)量滿足設(shè)計要求。
以下各實施例1-4的雙相不銹鋼材料的合金化學(xué)成分如表1所示。
表1實施例以及對比例的化學(xué)組成(單位為％)
注：其中316L為市售。
在成品鋼棒上取樣檢驗力學(xué)性能，試樣熱處理步驟及工藝參數(shù)如下：固溶處理：1060±10℃，保溫≥0.5h，水冷。在室溫(25℃)下進(jìn)行拉伸試驗，結(jié)果如表2所示。
表2實施例的各項機械性能
可見，采用上述材料及相應(yīng)工藝方法制備的雙相不銹鋼材料，經(jīng)室溫機械性能試驗，結(jié)果表明其力學(xué)性能優(yōu)異，且遠(yuǎn)高于對比例1以及市售316L，實施例4的機械性能尤為突出。采用上述配方制備得到的焊芯，其各項機械性能經(jīng)測試與上述相同，將其用于硫酸生產(chǎn)設(shè)備以及尿素合成設(shè)備中，與普通市售焊芯相比，其耐腐蝕時間和使用壽命都有2-3倍的增加。
以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所限定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。