高性能無(wú)氣孔缺陷的高氮奧氏體不銹鋼及其冶煉方法與流程

本發(fā)明屬于鋼鐵冶煉領(lǐng)域，涉及了一種鑄造用高性能無(wú)氣孔缺陷的高氮奧氏體不銹鋼及其常壓冶煉方法。

背景技術(shù)：

隨著海洋和石油行業(yè)的不斷發(fā)展，不銹鋼和耐蝕鋼的需求量不斷增加，尤其是奧氏體不銹鋼。但是，由于國(guó)際市場(chǎng)鎳資源的限制，鎳的價(jià)格顯著推升高鎳不銹鋼的價(jià)格。因此，世界各國(guó)大力研發(fā)用氮元素代替含鎳元素，氮或者錳-氮聯(lián)合加入不銹鋼中擴(kuò)大奧氏體相區(qū)獲得奧氏體不銹鋼。

目前世界各國(guó)在常壓冶煉的高氮鋼中氮含量很難超過(guò)0.5wt%，現(xiàn)階段有兩種常用方法獲得超過(guò)0.5wt%含量高氮奧氏體不銹鋼：一種是美國(guó)、奧地利和保加利亞等國(guó)家采用高壓（4~20mpa）冶煉的方式獲得高氮奧氏體不銹鋼；另一種是以氮化鉻、氮化錳等化合物方式存在高氮鋼中，通過(guò)固體加熱擴(kuò)散的方式使元素?cái)U(kuò)散到高氮合金中獲得高氮奧氏體不銹鋼。

已有技術(shù)（申請(qǐng)?zhí)枺?00810050792.8）提供了在常壓下冶煉氮含量達(dá)0.8~1.2wt%的高氮鋼鑄坯的方法，其方法是將待澆注的微碳cr-mn基礎(chǔ)鋼液在澆注前或澆注時(shí)快速加入高氮合金，快速攪拌后澆注成鋼坯，然后再進(jìn)行熱變形加工和固溶處理，可獲得氮含量0.6~1.2wt%的單相奧氏體不銹鋼。然而，此種方法在實(shí)際操作過(guò)程中極難控制，若不進(jìn)行快速澆注，高氮合金會(huì)分解為氮?dú)?，在鋼液表面大量溢出，?dǎo)致氮含量降低；同時(shí)澆注鋼件后，過(guò)飽和氮的析出和氮?dú)庖绯鰰?huì)在鋼坯內(nèi)部形成明顯的氮?dú)饪锥?，這種結(jié)構(gòu)是不能作鑄件直接使用的，致使高氮不銹鋼鑄造產(chǎn)品不能普及應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是通過(guò)合金調(diào)制方法，并結(jié)合冶煉工藝，解決常壓（101.1kpa）冶煉制造高氮奧氏體不銹鋼鑄件時(shí)存在的氣孔缺陷這一技術(shù)難題。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)合金中元素含量cr為20~22wt%，mn含量超過(guò)19.5wt%時(shí)，鋼的鑄件不會(huì)出現(xiàn)氮?dú)饪?，但是由于錳含量的增加，高氮奧氏體不銹鋼冷卻鑄件嚴(yán)重的鑄造內(nèi)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鑄件開(kāi)裂，不能投入工業(yè)制造和應(yīng)用，因此本發(fā)明通過(guò)進(jìn)一步的研究工作發(fā)現(xiàn)，通過(guò)向鋼中加入一些改性的合金元素，改變?cè)摵辖鸬奈锢硇阅芎统尚涡阅?，使其能夠滿(mǎn)足使用性能要求，其中，所述的改性合金元素為mo、nb、n、ni、v、cu、ti，這樣既解決了原常壓冶煉下獲得的高氮鋼鑄件中氮大于0.65wt%時(shí)出現(xiàn)氮?dú)庖绯龅默F(xiàn)象，又解決了當(dāng)mn超過(guò)19.5wt%時(shí)存在的嚴(yán)重的鑄造內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致鑄件開(kāi)裂的問(wèn)題。

本發(fā)明最終通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)確定了組分及配比最為合理，成本最為低廉、且力學(xué)性能好，能夠滿(mǎn)足使用要求的高性能無(wú)氣孔缺陷的高氮奧氏體不銹鋼，該高氮奧氏體不銹鋼按重量百分比（wt%）計(jì)含有：cr20~22、mn19.5~24、mo1~3、nb0~1、n0.65~1.3、ni2~5、v0~1、cu0~5、ti0~2.5、c≤0.035、p≤0.02、s≤0.02、余量為鐵。

本發(fā)明的另一目的是提供一種冶煉上述高性能無(wú)氣孔缺陷的高氮奧氏體不銹鋼的冶煉方法，保證制得的高氮奧氏體不銹鋼內(nèi)無(wú)氣孔缺陷，其冶煉方法具體包括：

（1）向中頻感應(yīng)爐中加入純鐵或純鐵和鉻鐵后提升中頻感應(yīng)爐輸出功率，加熱升溫，待其熔化后，控制中頻感應(yīng)爐輸出功率，測(cè)試溫度，鋼液溫度范圍控制在1550~1700℃之間；

（2）待純鐵或純鐵和鉻鐵熔化后，加入鉬鐵、鈮鐵和鎳等改性合金元素；提升中頻感應(yīng)爐輸出功率，待改性合金熔化后，測(cè)試溫度并控制中頻爐輸出功率，鋼液的溫度范圍控制在1650~1700℃，保持這個(gè)溫度范圍，使用中頻感應(yīng)爐具的電磁攪拌功能進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間3~5min，使改性合金完全熔化后和鋼液充分混合；

（3）當(dāng)改性合金完全熔化混合后，向鋼液中加入溶氮合金錳鐵，控制中頻感應(yīng)爐輸出功率，待錳鐵合金熔化后，控制中頻感應(yīng)爐輸出功率，測(cè)試溫度，鋼液的溫度控制范圍在1400~1500℃，攪拌時(shí)間5~10min；

（4）在溶氮合金完全熔化后，向中頻感應(yīng)爐中加入高氮鉻鐵合金塊（合金塊的最大尺寸不宜超過(guò)50mm），加入的高氮鉻鐵合金分多次或者緩慢均勻的加入到鋼液中，同時(shí)也要使高氮合金在鋼液中分布均勻；

（5）待高氮合金完全熔化后，控制中頻感應(yīng)爐輸出功率，溫度控制在1450~1600℃，攪拌10-30min，使鋼液充分的混合均勻；

（6）加入集渣劑，扒渣3-8次；

（7）澆注，先將冶煉好的鋼液導(dǎo)入烘烤好澆包（澆包烘烤溫度700~1000℃），再使用澆包進(jìn)行澆注，澆口壓頭高度水平高出冒口水平高度200-300mm，澆注鋼液溫度1530~1580℃，澆注速度3~10kg/s進(jìn)行澆注；

（8）將澆注好的鋼件移出澆注車(chē)間，冷卻到室溫即可。

本發(fā)明所述的中頻感應(yīng)爐也可以使用其它加熱升溫熔煉設(shè)備；同時(shí)，攪拌過(guò)程可以使用電磁攪拌、攪拌棒或者底吹氣體的攪拌辦法或者使用其中的兩者或者兩者以上方法對(duì)鋼液進(jìn)行攪拌，同樣可以達(dá)到該冶煉效果。

本發(fā)明步驟（1）、步驟（2）、步驟（3）向加熱升溫熔煉設(shè)備中加入合金時(shí)，可以每次只加入一種冶煉合金進(jìn)行分步冶煉，也可以全部加入到加熱升溫熔煉設(shè)備中升溫到1650~1700℃后，攪拌3~10min，進(jìn)行一次冶煉。

本發(fā)明采用上述冶煉方法制得n元素含量1.1~1.3wt%時(shí)，制得的產(chǎn)品經(jīng)xrd衍射分析樣品組織為奧氏體和氮化物時(shí)，可再進(jìn)行1100~1150℃熱處理，熱處理時(shí)間4~8h，冷卻方式水冷，即成為單相奧氏體組織合金。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例1澆注得到的鑄錠經(jīng)過(guò)無(wú)齒鋸切割后截面圖。

圖2是對(duì)比例1澆注得到的鑄錠經(jīng)過(guò)無(wú)齒鋸切割后截面圖。

圖3是對(duì)比例2澆注得到的鑄錠經(jīng)過(guò)無(wú)齒鋸切割后截面圖。

圖4是對(duì)比例3澆注得到的鑄錠經(jīng)過(guò)無(wú)齒鋸切割后截面圖。

圖5是對(duì)比例4澆注得到的鑄錠經(jīng)過(guò)無(wú)齒鋸切割后截面圖。

圖6是實(shí)施例1澆注得到的高氮奧氏體不銹鋼鑄錠為奧氏體和氮化物混合相xrd衍射圖像。

圖7是實(shí)施例3澆注得到的高氮奧氏體不銹鋼鑄棒取樣檢測(cè)得到的單相奧氏體xrd衍射圖像。

圖8是實(shí)施例3和對(duì)比例4進(jìn)行30min熔煉，n元素含量隨時(shí)間對(duì)比折線(xiàn)圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

1、目標(biāo)成分（wt%）：cr21、mn24、mo2.5、nb0.15、n1.25、ni2.5、余fe。實(shí)際熔煉總重量200.9kg，使用中頻感應(yīng)爐融化純鐵63kg，加熱升溫，待其熔化后，控制中頻感應(yīng)爐輸入功率，測(cè)試溫度為1570℃。

2、加入鉬鐵(femo60-a)8.3kg、鎳（ni）5.1kg、鈮鐵（fenb60-a）0.5kg，加熱升溫，鉬鐵、鎳和鈮鐵完全融化后，調(diào)整中頻感應(yīng)爐輸入功率后，測(cè)試溫度為1677℃，電磁攪拌3min；

3、加入錳鐵（jcmn97-a）54kg，待錳鐵融化后，調(diào)整中頻感應(yīng)爐輸入功率，測(cè)試溫度為1463℃，電磁攪拌8min；

4、將70kg（fencr3-a）氮化鉻鐵合金分三次（第一次加入30kg、第二次加入20kg、第三次加入20kg）加入到中頻感應(yīng)爐中，待氮化鉻鐵完全融化后，調(diào)整中頻感應(yīng)爐輸入功率，測(cè)試溫度為1512℃，進(jìn)行混合攪拌；攪拌時(shí)間10min；

5、加入集渣劑，扒渣5次；

6、提升中頻感應(yīng)爐輸入功率，測(cè)試鋼液溫度為1558℃，將熔煉出的高氮合金鋼液澆入到事先烘烤到900℃的澆包；

7、將澆包中的鋼液（測(cè)試溫度為1542℃）澆注到150×150mm長(zhǎng)1200mm方形組合鋼錠模具中，澆口壓頭高出冒口200-300mm高度，澆注速度3~10kg/s。

8、將澆注好的鋼件移出澆注車(chē)間，冷卻到室溫。

9、打開(kāi)組合模具，切割、取樣、加工成試驗(yàn)樣品進(jìn)行測(cè)試。

樣品檢測(cè)：

（1）無(wú)齒鋸切割，觀察截面，在截面上沒(méi)有缺陷（如圖1所示）；磁性測(cè)試鑄件沒(méi)有磁性，x射線(xiàn)衍射分析進(jìn)行組織分析，如圖6所示，顯示實(shí)施例1冶煉得到的高氮鋼為奧氏體和氮化物混合組織。

（2）成分檢測(cè)（wt%）：cr21.83、mn23.56、mo2.72、nb0.167、n1.222、ni2.69、c0.028、p≤0.02、s≤0.02、余量為鐵。

性能測(cè)試：

按照gb/t228.1-2010方法進(jìn)行測(cè)試；其抗拉強(qiáng)度rm=720mpa；屈服強(qiáng)度r0.2=520mpa；延伸率a10=43%，硬度22~24hrc，符合使用要求。

實(shí)施例2

目標(biāo)成分（wt%）：cr21、mn22、mo2.5、nb0.15、n1.0、ni2.5、v0.25、cu3.5、ti0.5、余fe。熔煉總重量140kg，參照實(shí)施例1的方法熔煉，區(qū)別在于在步驟（2）中將鈦鐵（feti30-a）、釩鐵（fev60）、銅（cu）與鉬鐵、鎳、鈮鐵一起加入中頻感應(yīng)爐加熱融化；1558℃出爐，重力澆鑄成150×150mm長(zhǎng)1200mm方形鋼錠。

樣品檢測(cè)：

（1）無(wú)齒鋸切割加工時(shí)，硬度增加加工困難，切割后沒(méi)有開(kāi)裂且表面沒(méi)有孔洞缺陷。

（2）成分檢測(cè)（wt%）：cr21.28、mn22.62、mo2.51、nb0.154、n0.9644、ni2.53、v0.262、cu3.47、ti0.49、c0.031、p≤0.02、s≤0.02、余量為鐵。

性能測(cè)試：

按照gb/t228.1-2010方法進(jìn)行測(cè)試；其抗拉強(qiáng)度rm=583mpa；屈服強(qiáng)度r0.2=518mpa；延伸率a10=11%，硬度28~30hrc，符合使用要求。

實(shí)施例3

1、目標(biāo)成分（wt%）：cr21、mn21.5、mo2.5、nb0.15、n1.00、ni2.5、余fe。實(shí)際熔煉總重量500.6kg。使用中頻感應(yīng)爐熔化純鐵167.3kg、鉻鐵36kg，加熱升溫，待其熔化后，控制中頻感應(yīng)爐輸入功率，測(cè)試鋼液的溫度為1612℃。

2、加入鉬鐵20.7kg、鈮鐵1.2kg和鎳12.5kg加熱升溫，鉬鐵、鈮鐵和鎳完全融化后，調(diào)整中頻感應(yīng)爐輸入功率后，測(cè)試鋼液的溫度為1681℃，電磁攪拌3min。

3、加入錳鐵124kg，待錳鐵融化后，調(diào)整中頻感應(yīng)爐輸入功率，測(cè)試溫度為1480℃，電磁攪拌時(shí)間10min。

4、將138.9氮化鉻鐵合金分四次（第一次加入50kg、第二次加入40kg、第三次加入30kg、第四次加入18.9kg）加入到中頻感應(yīng)爐中。待氮化鉻鐵完全融化后，調(diào)整中頻感應(yīng)爐輸入功率，測(cè)試溫度1498℃，進(jìn)行混合攪拌；攪拌時(shí)間30min。每間隔5min取樣一次，檢測(cè)n含量，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6。

5、加入集渣劑，扒渣8次。

6、提升中頻感應(yīng)爐輸入功率，測(cè)試鋼液溫度1563℃，將熔煉出的高氮合金鋼液澆入到事先烘烤到900℃的澆包。

7、將熔煉出的高氮合金鋼液澆（測(cè)試溫度1548℃）注到準(zhǔn)備好的φ180mm

長(zhǎng)2500mm圓形內(nèi)腔組合鋼錠模具中，澆口壓頭高出冒口200-300mm高度，澆注速度3~10kg/s。

8、將澆注好的鋼件移出澆注車(chē)間，冷卻到室溫。

9、打開(kāi)組合模具，切割、取樣、加工成試驗(yàn)樣品進(jìn)行測(cè)試。

樣品檢測(cè)：

（1）無(wú)齒鋸切割觀察，切割面沒(méi)有氣孔缺陷，磁性測(cè)試鑄件沒(méi)有磁性，x射線(xiàn)衍射分析進(jìn)行組織分析，如圖7所示，證明冶煉得到高氮鋼為單相奧氏體組織。同時(shí)，從圖8可知，本實(shí)施例（cr21mn21.5n1.00）n含量熔煉隨時(shí)間增加n含量沒(méi)有降低。

（2）成分檢測(cè)（wt%）：cr21.18、mn21.49、mo2.53、nb0.153、n0.9851、ni2.25、c0.024、p≤0.02、s≤0.02、余量為鐵。

性能測(cè)試：

按照gb/t228.1-2010方法進(jìn)行測(cè)試；其抗拉強(qiáng)度rm=745mpa；屈服強(qiáng)度r0.2=500mpa；延伸率a10=50%，硬度22~26hrc，符合使用要求。

實(shí)施例4

目標(biāo)成分（wt%）：cr21、mn19.5、mo2.5、nb0.15、n1.0、ni2.5、v0.25、cu3.5、ti0.5、余fe。熔煉總重量140kg，參照實(shí)施例2的方法熔煉；1558℃出爐，重力澆鑄成150×150mm長(zhǎng)1200mm方形鋼錠。

樣品檢測(cè)：

（1）無(wú)齒鋸切割加工時(shí)，切割后沒(méi)有開(kāi)裂且表面沒(méi)有孔洞缺陷。

（2）成分檢測(cè)（wt%）：cr21.10、mn19.66、mo2.58、nb0.152、n1.092、ni2.55、v0.259、cu3.42、ti0.536、c≤0.035、p≤0.02、s≤0.02、余量為鐵。

性能測(cè)試：

按照gb/t228.1-2010方法進(jìn)行測(cè)試；其抗拉強(qiáng)度rm=590mpa；屈服強(qiáng)度r0.2=532mpa；延伸率a10=14%，硬度27~29hrc，符合使用要求。

對(duì)比例1

目標(biāo)成分（wt%）：cr21、mn18、mo2.5、nb0.15、n0.85、余fe。熔煉總重量140kg，使用已有技術(shù)（申請(qǐng)?zhí)枺?00810050792.8）熔煉，嚴(yán)格控制熔煉溫度和熔煉時(shí)間，1550℃出爐，重力澆鑄成150×150mm長(zhǎng)1200mm方形鋼錠，無(wú)齒鋸切割，觀察截面如圖2所示，在鑄錠心部有孔洞。成分檢測(cè)（wt%）：cr21.26、mn18.57、mo2.61、nb0.162、n0.8572。

對(duì)比例2

目標(biāo)成分（wt%）：cr21、mn19.5、mo2.5、nb0.15、n1.25、ni1.5、余fe。熔煉總重量140kg，參照實(shí)施例1的方法熔煉，1547℃出爐，重力澆鑄成150×150mm長(zhǎng)1200mm方形鋼錠，無(wú)齒鋸切割，切割時(shí)有開(kāi)裂響聲，觀察截面如圖3所示，在鑄錠內(nèi)部沒(méi)有孔洞，有裂紋。熔煉后，成分檢測(cè)（wt%）：cr21.26、mn19.69、mo2.47、nb0.157、n1.21、ni1.52、p≤0.02、s≤0.02。

對(duì)比例3

目標(biāo)成分（wt%）：cr21、mn24、mo2.5、nb0.15、n1.25、余fe。熔煉總重量140kg，使用實(shí)施例1的方法熔煉，1558℃出爐，重力澆鑄成150×150mm長(zhǎng)1200mm方形鋼錠，無(wú)齒鋸切割，切割時(shí)有開(kāi)裂響聲，觀察截面如圖4所示，在鑄錠內(nèi)部沒(méi)有孔洞，有裂紋。熔煉后，成分檢測(cè)（wt%）：cr21.22、mn23.86、mo2.55、nb0.160、n1.22。

對(duì)比例4

目標(biāo)成分（wt%）：cr21、mn19、mo2.5、nb0.15、n1.25、ni2.5、余fe。熔煉總重量140kg，參照實(shí)施例1的方法熔煉，1547℃出爐，重力澆鑄成150×150mm長(zhǎng)1200mm方形鋼錠，無(wú)齒鋸切割，切割時(shí)在鑄錠內(nèi)部有氣孔缺陷，觀察截面如圖5所示，無(wú)開(kāi)裂。成分檢測(cè)（wt%）：cr21.02、mn19.20、mo2.51、nb0.153、n0.842、ni2.52。

對(duì)比例5

目標(biāo)成分（wt%）：cr21、mn18、mo2.5、nb0.15、n0.85、余fe。熔煉總重量100kg，參照實(shí)施例3方法熔煉，攪拌30min，每間隔5min取樣一個(gè)，檢測(cè)n含量，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖8。從圖8可發(fā)現(xiàn)，隨著熔煉保溫時(shí)間的增加，n元素含量降低，保溫時(shí)間超過(guò)10min時(shí)，氮含量接近0.5wt%，保溫時(shí)間繼續(xù)增加氮含量沒(méi)有明顯變化，此合金成分氮含量接近平衡溶解度。熔煉后，成分檢測(cè)（wt%）：cr21.02、mn18.12、mo2.51、nb0.148、n0.47、p≤0.02、s≤0.02。