CN102002646A - 具有高力学性能和优良耐腐蚀性能的经济双相不锈钢 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有高力学性能和优良耐腐蚀性能的经济双相不锈钢，其成分及重量百分比为：C：≤0.03％，Cr：21.5～23.0％，Ni：1.50～2.50％，N：0.20～0.40％，Mo：0.20～0.40％，Cu：0.20～0.50％，Mn：0.5～2.0％，S：＜0.005％，P：＜0.005％，其余为Fe及不可避免的杂质。该钢材在980～1080℃温度范围进行热处理后，获得的双相组织中铁素体和奥氏体含量大致相当，耐局部腐蚀和均匀腐蚀能力均优于304奥氏体不锈钢，力学性能类似于316L，可作为目前广泛使用的304、316L奥氏体不锈钢的替代材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有高力学性能和优良耐腐蚀性能的经济双相不锈钢，可以作为结构用途、饮用水系统、纸浆、造纸业中使用的典型奥氏体不锈钢304及316L的替代材料。
背景技术
目前应用最为广泛的奥氏体不锈钢，使用量约占不锈钢总量60％以上，其特点为耐腐蚀性能好，加工制造容易，而其缺点为强度性能较低，并受合金成本价格波动的影响较大。铁素体不锈钢尽管在薄规格用途中使用越来越多，但由于其本身所具有的晶粒粗化趋势(尤其是在焊缝热影响区域)，要在3mm以上规格中替代奥氏体不锈钢难于实现。200系列的锰氮代镍奥氏体不锈钢由于铬含量低，只限于在腐蚀性能较低的环境中使用。而基于Fe-Cr-Ni合金系列的双相不锈钢，一般由铁素体(30％～70％)和奥氏体组成，力学性能较高而且耐腐蚀性能好，已在石油、天然气、造纸、海水淡化和化工等领域得到广泛应用。其典型代表牌号2205双相不锈钢已在空气污染控制设备、化学品运输船等领域成功代替了316L奥氏体不锈钢。开发已二十余年的2304双相不锈钢尽管在性能上不如2205双相不锈钢，但在镍、钼价格波动大，其原料价格超过奥氏体不锈钢和双相不锈钢之间差价的情况下，2304双相不锈钢就成为了成本极佳的替代316L不锈钢的理想材料。近年来，根据氮锰代镍的思路开发了新型双相不锈钢，如公开号CN 101613839A，镍含量可控制在1.0％以下，能有效降低生产成本；此外，通过添加微量稀土元素来降低双相不锈钢中稀贵金属也可以获得综合性能优良的双相不锈钢，如公开号CN 101215674A和CN 101768705A。在保证特有的综合优良性能的同时，为了更好的提高经济性，降低镍、钼等资源，进一步研究开发资源节约的双相不锈钢就成为了必然的发展趋势。
发明内容
本发明目的在于提供一种资源节约、力学性能和耐蚀性能优良，且在焊接热影响区具有良好机械稳定性和韧性，性价比高，可以替代304及316L奥氏体不锈钢的经济双相不锈钢。
为实现上述目的，本发明双相不锈钢的成分设计原则为：要耐各种形式的腐蚀，铬含量必须保持较高水平；为了不增加成本，获得好的耐缝隙腐蚀性能和韧性，对镍含量进行优化，并调整碳、氮含量，使其在高温热处理后获得大致相同含量的铁素体和奥氏体组织；较低的钼含量，以保证双相钢的组织稳定性高并降低成本；严格控制锰含量以及硫、磷有害元素，减少各种锰的化合物对耐点蚀和耐均匀腐蚀性能的不利影响；添加少量的铜元素，利于奥氏体形成并提高耐腐蚀性能。
根据上述原则，本发明借助thermo-calc热力学软件，计算并参考多元合金体系中某一元素含量变化对相图中不同相稳定性的影响，对成分进行最优化设计，提出如下技术方案：
一种具有高力学性能和优良耐腐蚀性能的经济双相不锈钢，其特征在于它的组成及重量百分比为：C：≤0.03％、Cr：21.5～23.0％、Ni：1.5～2.5％、N：0.20～0.40％、Mo：≤0.40％、Cu：0.20～0.50％、Mn：0.5～2.0％、S：＜0.005％、P：＜0.005％，其余为Fe及不可避免的杂质。
根据上述成分范围配比熔炼双相不锈钢，浇铸成200mm以下的铸坯，用水冷却到520℃的温度，然后以0.6℃/s以上的冷却速度冷却，接着将铸坯在1250℃温度下加热3小时以上进行热轧，终轧温度控制在830℃以上。热轧后以10℃/s以上的冷却速度进行强制水冷，退火在960～1140℃的温度范围内进行。退火后以10℃/s以上的冷却速度进行强制水冷。这样可以最终获得大致相同含量的铁素体和奥氏体双相组织。在退火处理或焊接冷却过程中，不易生成硬且脆的σ相，及Ф、R和碳化物等析出相。因此，本发明双相不锈钢组织稳定，尤其是焊接热影响区的机械稳定性高，并且具有较高的韧性，可以依据不同生产工艺分别制造板、管、线材等。
与现有技术相比，本发明经济双相不锈钢碳含量低、铬含量适中、镍、钼含量相对较低，对原料价格波动不敏感，经济性更好且稳定。经980～1080℃退火处理后，室温屈服强度和极限抗拉强度分别高于500MPa和710MPa，延伸率大于36％。在同样腐蚀环境下，其耐缝隙腐蚀和耐均匀腐蚀能力均优于奥氏体不锈钢304，与316L相当；耐点蚀当量值PREN≥25，耐点蚀性能好于304L和316L奥氏体不锈钢；临界点蚀温度也高于304L和316L，接近于316LN水平。
发明效果
本发明经济双相不锈钢可以生产热轧中板、冷轧薄版、热轧线材、冷拔线材，可用来替代建筑结构、石油化工、造纸等行业中所使用的标准奥氏体不锈钢(304、316L)。
附图说明
图1.本发明经济双相不锈钢熔点计算范围
图2.本发明经济双相不锈钢热轧板室温下的显微组织
图3.本发明经济双相不锈钢在高温区域中两相组织的比例分配
图4.本发明经济双相不锈钢在600～1000℃内各种组成相及含量变化规律
图5.本发明经济双相不锈钢时效处理后的显微组织
图6.本发明实施钢和对比钢316L的点蚀电位
图7.本发明实施钢和对比钢316L的临界点蚀温度(CPT)
具体实施方式
实施例
1.实施钢的成分及工艺
根据本发明经济双相不锈钢的成分范围内进行配比，用真空感应炉法进行熔炼，得到实施钢的化学成分(重量百分比)见表1。按照表1中条件进行浇铸，浇铸后从1000℃到500℃的温度范围内进行喷水冷却，微观组织中均没有σ相析出，板坯表面也未出现裂纹，能获得高质量的铸坯。
表1发明不锈钢的化学成分及浇温(重量百分比，％)
将铸坯在1250℃进行3小时均热处理，经多道次分别热轧成厚度6mm、10mm和16mm的热轧板，终轧温度控制在1000℃，均没有裂纹产生并且能顺利轧制。轧制后用水冷却，防止了σ相等有害相析出。
将此热轧板进行1050℃保温30分钟固溶处理，随后快速水冷而得到成品。
2.微观组织及相含量变化情况
采用thermo-calc软件确定了实施钢的熔点范围，约为1435～1478℃，如图1所示。图2为热轧板进行1050℃×30分钟固溶处理之后得到的显微组织照片(白色为奥氏体，深色部分为铁素体)，铁素体和奥氏体两相比例大致相等且均匀分布。实施钢在高温区域(950～1250℃)两相组织的比例分配情况见图3。图4为实施钢在600～1000℃内计算得到的相组成及相含量随温度的变化规律。在600～700℃温度范围有σ相存在，同时也显示有极少量的碳化物等析出。图5为本实施钢进行700℃×15分钟时效处理后的微观组织，晶界及晶粒内部上没有发现二次相析出。
3.力学性能测试
表2为本发明实施钢不同厚度热轧板的室温力学性能测试结果，可见该经济双相不锈钢的综合力学性能优良。
表2本实施例双相不锈钢热处理后的力学性能
4.耐腐蚀性能测试(与316L对比)
根据ASTM B117标准对本发明实施钢和对比钢316L进行耐腐蚀能力测试，对比结果见图6。根据ASTM G150标准对本发明实施钢和对比钢316L测量了临界点蚀温度(CPT)，对比结果见图7。可见，该经济双相不锈钢的耐点蚀性能明显好于316L奥氏体不锈钢。此外，耐缝隙腐蚀、耐均匀腐蚀和耐大气腐蚀能力也均好于304，与316L相当。
应当强调的是，本发明的实施例只是用于说明本发明而不是限制本发明，本发明不限于本文中描述的细节，只要在本发明的实质核心范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
Claims (1)
1.一种具有高力学性能和优良耐腐蚀性能的经济双相不锈钢，其特征在于它的组成及重量百分比为：C：≤0.03％、Cr：21.5～23.0％、Ni：1.5～2.5％、N：0.20～0.40％、Mo：0.20～0.40％、Cu：0.20～0.50％、Mn：0.5～2.0％、S：＜0.005％、P：＜0.005％，其余为Fe及不可避免的杂质。
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