專利名稱：高性能稀土雙相不銹鋼合金材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于雙相不銹鋼技術領域，特別是涉及一種高性能稀土雙相不銹鋼合金材 料及其制備方法。
背景技術：
中國的雙相不銹鋼目前只是處于國外第二代雙相不銹鋼的發(fā)展水平，鋼中的含氮 量在0. 2%以下。至于目前國外已步入市場的含氮在0. 25 0. 35%的超級雙相不銹鋼，中 國仍處于實驗室開發(fā)階段。而國內(nèi)雙相不銹鋼的使用也是有一定局限性的，像國外大量使 用雙相不銹鋼的諸如紙漿和造紙工業(yè)、油氣工業(yè)、運輸業(yè)、甚至建筑業(yè)等幾個大的領域我們 涉及得不多，有的還只是剛剛開始。這些領域用鋼除了要求鋼材有良好的耐腐蝕性能外，還 同時要求有較高的強度和韌性，對于綜合性能的提高稀土能起到關鍵作用。近來世界不銹鋼產(chǎn)量的增長已經(jīng)導致鎳價的大幅上漲。鎳、鉻資源的稀缺將嚴重 限制我國不銹鋼產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而我國的稀土資源比較豐富，從長遠看，研究開發(fā)稀土雙相不 銹鋼能夠節(jié)約寶貴的鎳資源，因此發(fā)展稀土雙相不銹鋼也是符合中國國情的選擇。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高性能稀土雙相不銹鋼合金材料及其制備方法，實現(xiàn) 了工藝簡單、稀土回收率高、精煉效果好。為達到上述目的，本發(fā)明的機理如下根據(jù)氮可以代替鎳在鋼中的作用原理，大量 的試驗研究發(fā)現(xiàn)，用適量的廉價氮可以穩(wěn)定雙相不銹鋼中的奧氏體，從而降低貴重鎳的用 量；同時向該雙相不銹鋼合金中加入適量稀土，合金中的硫含量大大降低，形成高熔點的球 形稀土硫化物彌散在基體中，避免了低熔點的硫化物存在于相界上，凈化了晶界，從而提高 了晶界的抗腐蝕能力，改善了鋼的高溫熱塑性。根據(jù)上述機理，本發(fā)明采用如下技術方案—種高性能稀土雙相不銹鋼合金材料，該合金材料的組成及質(zhì)量百分比為 C^O. 045%, S ^ 0. 020%, Si ^ 2. 00%, P ^ 0. 030%, Mn 1. 00 2. 00%，，Cr 18. 00 24. 00%, Ni3. 0 6. 0%，Mo 1. 0 3. 5%，N 0. 10 0. 40%, B 0. 001 0. 01%，以鋪為
主的混合稀土 0. 01 0. 25%，F(xiàn)e余量。本發(fā)明所述的混合稀土以Ce為主是指Ce ^ 45%，含有鑭、鐠、釹、钷、釤稀土元素 的一種或幾種，稀土含量> 99. 5%。本發(fā)明的合金材料以質(zhì)量百分比計，還含有W、Cu中的至少一種，其含量為0. 1 1. 0%的 W，0. 1 1. 0%的 Cu。本發(fā)明高性能含稀土的雙相不銹鋼合金材料的制備方法，包括如下工藝步驟冶 煉、鑄造、鑄錠或鑄坯開坯、熱軋和固溶處理。(1)冶煉在真空感應爐、非真空感應爐、電爐+爐外精煉、轉爐+爐外精煉中任一 種工藝進行冶煉。
要求在出鋼澆鑄前加入稀土金屬。澆鑄溫度控制在1500-1650°C。非真空冶煉時需調(diào)整合適的保護渣層，以防止二次氧化，配氮采用添加氮化 鉻鐵合金和/或吹氮氣；真空爐冶煉澆鑄時必須在澆鑄室內(nèi)充入一定壓力的高純氮氣 (0. 01-0. 13MPa)，配合添加氮化鉻鐵合金。本發(fā)明適應于大生產(chǎn)電爐+爐外精煉+連鑄、轉爐+爐外精煉+連鑄，若采用連鑄 時可采用現(xiàn)有的2205雙相不銹鋼的連鑄工藝。(2)鑄錠或鑄錠開坯鑄錠或鑄坯可采用鍛造開坯或連鑄連軋，加熱溫為度 1150-1260°C，開坯時始鍛溫度控制在1100-1250°C，終鍛溫度950-1000°C。(3)熱軋鑄錠或鑄錠開坯后根據(jù)用戶要求的鋼材規(guī)格進行熱軋。熱軋時坯料加 熱溫度1150-1250°C，開軋溫度控制在1150-12001，終軋溫度950-10001。(4)固溶處理鋼熱軋后在熱處理爐中進行固溶處理，溫度為1020-1150°C，保溫 30-60分鐘。冷卻方式采用水冷或空冷。通過固溶處理后即可獲得本發(fā)明高性能含稀土雙 相不銹鋼。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所采用的技術方案，是在改進超高強度不銹鋼的冶煉過 程中用稀土金屬處理鋼液，達到脫硫、變質(zhì)夾雜物和微合金化的目的，從而改善鋼的力學性 能和耐腐蝕性能。該工藝不僅優(yōu)化了化學組分和質(zhì)量百分比，而且在鋼的成分中添加適量 稀土變質(zhì)夾雜物并微合金化稀土變質(zhì)硫化物夾雜帶來的好處就是能夠形成高熔點的在 晶內(nèi)任意分布的球形稀土夾雜，取代沿晶界分布的硫化物，并且細化鋼的凝固組織，減少偏 析；另外，稀土的微合金化作用使得固溶在鋼中的稀土通過擴散機制富集于晶界，減少了雜 質(zhì)元素在晶界的偏聚，改善了晶界強度，提高了晶界的抗腐蝕能力和機械性能。該工藝同時 以氮代鎳，適當調(diào)整了 Cr、Ni、Si、Mn、Mo等合金元素，并添加了 W、Cu元素，提高了鋼的強 度和耐腐蝕性能。經(jīng)測試新的合金材料抗拉強度提高了 120MPa，沖擊功Akv提高了 25J左 右，改善了鋼的熱加工性能和耐鹽酸腐蝕性能，且生產(chǎn)成本低，冶煉簡單。試驗結果表明，該 合金具有良好的耐腐蝕性能，稀土使該合金在室溫5% (wt)HCl水溶液中的腐蝕速率有不 加稀土時的1. 106g/m2 · h降為0. 064g/m2 · h，在沸騰溫度5% (Wt)H2SO4水溶液中的耐蝕 性明顯優(yōu)于奧氏體不銹鋼316L和OCr18Ni12Mo2Ti鋼，其中，316L和OCr18Ni12Mo2Ti鋼的腐蝕 速率都大于10g/m2*h，分別比本發(fā)明合金高12倍和10倍以上(見表4)。在室溫苯酚污 水中，本發(fā)明合金的腐蝕速率僅分別為316L和OCr18Ni12Mo2Ti鋼的1/40和1/150。本發(fā)明 合金在3 75% NH4Cl+0. 5 1. 5% NaCl沸騰水溶液中對氯離子腐蝕不敏感，其腐蝕速率 小于0. lg/m2 · h，而奧氏體型不銹鋼ICr18Ni9Ti等對氯離子點蝕非常敏感。有以上試驗數(shù) 據(jù)可知，本發(fā)明合金在不同介質(zhì)中的綜合耐蝕性能優(yōu)于原技術雙相不銹鋼，更優(yōu)于316L和 OCr18Ni12Mo2Ti等奧氏體不銹鋼。本發(fā)明合金的耐熱性和熱加工性能良好，在1150 1250°C長時間加熱后鍛造 時不起皮，在850 1300°C范圍，具有良好的延展性和塑性，均易于鍛軋成形。該合金具 有優(yōu)良的力學性能。經(jīng)真空感應爐冶煉、鍛造并固溶處理后，其室溫力學性能可達σ s 650MPa, σ b 850MPa，δ 5 55 %，Ψ 75 %，Akv 275J，HRB 99. 0，-40 "C 時 Akv 160J。其屈服強度約為316L的2倍以上，比OCr18Ni12Mo2Ti約提高300MPa以上，具有良好 的延展性、塑性和沖擊韌性。
此外，本發(fā)明合金還具有良好的冶鑄、冷加工和焊接性能，適于制造各種鑄件、鍛件以及管、棒、線和板等各種型材和焊接構件。其焊接工藝和設備與一般不銹鋼相同，且在 一般氣溫下焊前不用預熱，焊后不需回火。本發(fā)明合金以氮代鎳，所以生產(chǎn)成本較低。按煉鋼用鐵合金原料成本核算，以鎳 價格每噸15萬元計算，其每噸鑄生產(chǎn)成本可比OCr18Nil2Mo2Ti降低16%左右，節(jié)約費用約 2500元。此夕卜，由于本發(fā)明合金耐蝕性較好，所以如果以其取代316L和OCr18Ni12Mo2Ti等奧 氏體型不銹鋼將導致工件壽命大幅度提高，由此帶來的經(jīng)濟和社會效益將更為顯著。本發(fā)明中的真空感應爐冶煉工藝的最大優(yōu)點是在出鋼前迅速加入稀土，減少了稀 土燒損，顯著提高了稀土回收率，并有效地達到了脫硫、除氣和去除夾雜的目的。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明所設定的化學成分范圍，在真空感應爐中冶煉了 5爐鋼，其具體成分 見表1。出鋼前2分鐘加入混合稀土(以Ce為主，Ce >45%，其它含有鑭、鐠、釹、钷、釤等 稀土元素，稀土含量> 99. 5% )，然后出鋼澆注成錠。鋼錠鍛造成20X50X200mm的板坯， 鍛造溫度950 1250°C。本發(fā)明合金鍛態(tài)的力學性能試樣、腐蝕試驗用試樣和工業(yè)性掛片 均直接從鍛態(tài)的板坯上橫向取樣，經(jīng)1050°C X Ih水冷固溶處理后測試性能。為便于對比， 還同時在真空感應爐中冶煉了 316L和OCr18Ni12Mo2Ti兩種奧氏體不銹鋼。對比試驗均在相 同的冶煉、鍛造、熱處理和腐蝕試驗等條件下進行。本發(fā)明合金和各對比鋼的化學成分、力 學性能和耐腐蝕性能數(shù)據(jù)分別列于表1 4。表1本發(fā)明合金和對比鋼號的化學成分(wt% )
權利要求
一種高性能稀土雙相不銹鋼合金材料，其特征在于，該合金材料的組成及質(zhì)量百分比為C≤0.04％，S≤0.020％，Si≤2.00％，P≤0.030％，Mn 1.00～2.00％，，Cr18.00～24.00％，Ni 3.0～6.0％，Mo 1.0～3.5％，N 0.10～0.40％，B 0.001～0.01％，以鈰為主的混合稀土0.01～0.25％，F(xiàn)e余量。
2.根據(jù)權利要求1所述的雙相不銹鋼合金材料，其特征在于，所述的混合稀土以Ce為 主是指Ce ^ 45%，含有鑭、鐠、釹、钷、釤稀土元素的一種或幾種，稀土含量> 99. 5%。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的雙相不銹鋼合金材料，其特征在于，該合金材料的以質(zhì)量 百分比計，還含有W、Cu中的至少一種，其含量為0. 1 1.0%&W，0. 1 1.0%的Cu。
4.一種權利要求1所述的雙相不銹鋼合金材料的制備方法，工藝包括冶煉、鑄造、鑄錠 或鑄坯開坯、熱軋和固溶處理；其特征在于，工藝中控制如下技術參數(shù)(1)冶煉采用真空感應爐、非真空冶煉、電爐+爐外精煉、轉爐+爐外精煉中任一種；在 出鋼澆鑄前加入以鈰為主的混合稀土 0. 01 0. 25%，澆鑄溫度控制在1500-1650°C ；(2)鑄錠或鑄錠開坯加熱溫度1150-1260°C，開坯時始鍛溫度控制在1100-1250°C，終 鍛溫度控制在950-1000°C ；(3)熱軋鑄錠或鑄錠開坯后根據(jù)用戶要求的鋼材規(guī)格進行熱軋，熱軋時坯料加熱溫 度1150-1250°C，開軋溫度控制在1150-1200°C，終軋溫度控制在950-1000°C ；(4)固溶處理鋼熱軋后在熱處理爐中進行固溶處理，溫度為1020-1150°C，保溫30-60 分鐘，冷卻方式采用水冷或空冷。
全文摘要
一種高性能稀土雙相不銹鋼合金材料及其制備方法，屬于雙相不銹鋼技術領域。組成及質(zhì)量百分比為C≤0.04％，S≤0.020％，Si≤2.00％，P≤0.030％，Mn 1.00～2.00％，Cr 18.00～24.00％，Ni 3.0～6.0％，Mo 1.0～3.5％，N 0.10～0.40％，B 0.001～0.01％，以鈰為主的混合稀土0.01～0.25％，F(xiàn)e余量。其工藝步驟包括冶煉和鑄造、鑄錠或鑄坯開坯、鋼材軋制和固溶處理。在出鋼前，加入稀土金屬，鋼液澆鑄溫度控制在1500-1650℃，開坯始鍛溫度控制在1100-1250℃，終鍛溫度≥950℃；軋制時開軋溫度控制在1150-1200℃，終軋溫度≥950℃；固溶處理溫度1020-1150℃，保溫30-60分鐘。優(yōu)點在于，顯著提高了機械強度，并改善了熱加工、耐高溫和耐鹽酸等腐蝕性能，生產(chǎn)成本低，稀土回收率高。
文檔編號C21D8/00GK101935809SQ201010279509
公開日2011年1月5日 申請日期2010年9月10日 優(yōu)先權日2010年9月10日
發(fā)明者劉曉, 劉瀏, 王龍妹, 陳雷 申請人:鋼鐵研究總院