CN116397164A

CN116397164A - 一种连接件用奥氏体不锈钢及其制备方法

Info

Publication number: CN116397164A
Application number: CN202310307143.6A
Authority: CN
Inventors: 黄俊霞; 戴科栋; 毕洪运; 陈旭
Original assignee: Ningbo Baoxin Stainless Steel Co Ltd
Current assignee: Ningbo Baoxin Stainless Steel Co Ltd
Priority date: 2023-03-27
Filing date: 2023-03-27
Publication date: 2023-07-07
Anticipated expiration: 2043-03-27
Also published as: CN116397164B

Abstract

本发明涉及一种连接件用奥氏体不锈钢及其制备方法，一种连接件用奥氏体不锈钢按照质量百分比计，包括有以下组分：C：0.04～0.06％，Si：＜1.0％，Mn：3.0～4.0％，Cr：17.0～18.0％，Ni：5.0～6.0％，N：0.15～0.25％，Cu：2.0～3.0％，Mo：0.2～0.6％，P：≤0.040％，S：≤0.030％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，同时满足Creq大于18％，Nieq大于12％，Md₃₀<0和高温铁素体含量δ：0＜δ≤3％。使奥氏体不锈钢在凝固过程中产生0～3％的高温铁素体，先析出的高温铁素体降低了奥氏体相中的Cr含量，降低材料的层错能，提高位错增殖速率，最终使得奥氏体不锈钢具有高屈服强度、抗拉强度和延伸率。

Description

一种连接件用奥氏体不锈钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种低成本的奥氏体不锈钢及其制备方法，主要用于制造汽车、管道、食品和医疗等行业的连接件。

背景技术

用于制造连接件的不锈钢要具有良好的塑韧性和耐蚀性，特别是连接件卡头要经历大塑性变形以保证连接的紧固性。目前用于制造连接件的材料有奥氏体不锈钢304和热镀锌的高强钢。304不锈钢耐蚀性好，塑性好，延伸率一般高于40％，但是屈服强度低，一般低于300MPa。而且304不锈钢含有8％以上的Ni，成本较高。而用于制造连接件的热镀锌高强钢成本较304不锈钢低，但是屈服强度一般为380～480MPa，而延伸率低于20％。因此，热镀锌高强钢与奥氏体不锈钢304相比，其强度较高，但塑韧性相比较低，无法满足高屈服强度的同时具有高的延伸率。另外，热镀锌的耐腐蚀性依赖于镀层的质量，若镀层有缺陷，基体很快就会发生腐蚀，导致连接件失效。

为此，如中国发明专利《一种高强度含氮经济型奥氏体不锈钢及其制造方法》，其专利号为ZL201711225914.8(授权公开号为CN109837470B)公开了一种高强度含氮经济型奥氏体不锈钢，该钢化学成分重量百分比为：C：0.05～0.15％，Si：0.3～1％，Mn：8.5～11.0％，Cr：14.0～16.0％，Ni：1.0～2.5％，N：0.10～0.25％，P<0.08％，S<0.01％，Cu：0.5～2.0％，Mo：0.1～0.5％，其余为Fe和不可避免杂质，且Md_30/50≥20℃。屈服强度≥650MPa，抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥35％，但是因Md_30/50≥20℃，制作连接件时有变形，极易产生大量的形变马氏体，经历变形后强度提高，但是会导致延迟开裂，降低连接件的使用寿命。

又如中国发明专利申请《奥氏体不锈钢》，其专利申请号为CN201910070342.3(申请公布号为CN109913747A)公开了奥氏体不锈钢，该不锈钢以重量％计含有小于0.03％的碳(C)、0.2-0.6％的硅(Si)、1.0-2.0％的锰(Mn)、19.0-21.0％的铬(Cr)、7.5-9.5％的镍(Ni)、0.4-1.4％的钼(Mo)、小于1.0％的铜(Cu)、0.10-0.25％的氮(N)、任选小于1.0％的钴(Co)、任选小于0.006％的硼(B)，其余为铁(Fe)和偶存杂质。所述钢具有保证强度Rp_0.2320-450MPa和保证强度Rp_1.0 370-500MPa，并且拉伸强度R_m为630-800MPa，且耐点蚀性当量数(PREN)大于24，并且奥氏体不锈钢具有小于-80℃的Md₃₀温度，此处Md₃₀＝551-462x(％C+％N)–9.2x％Si–8.1x％Mn–13.7x％Cr-29x(％Ni+％Cu)–18.5x％Mo-68x％Nb。该专利含有含量较高的贵重合金元素Cr、Ni和Mo，可能还含有Co。不仅增加成本，而且提高了材料的层错能，层错能高的金属材料在冷变形过程中位错容易发生交滑移，降低位错增值速率，不利于通过加工硬化提高强度。

又如申请号为CN200880121552.0(申请公开号为CN101903549A)的《耐腐蚀的低组分奥氏体不锈钢》公开的奥氏体不锈钢含有，以重量％计，至多0.20C，2.0-6.0Mn，至多2.0Si，16.0-23.0Cr，5.0-7.0Ni，至多3.0Mo，至多3.0Cu，0.1-0.35N，至多4.0W，至多0.01B，至多1.0Co，铁和杂质。该奥氏体不锈钢具有的铁素体数小于11，MD₃₀值小于-10℃。该专利与本申请相比，其区别在于，该专利中含有至多4.0W，至多0.01B，至多1.0Co，屈服强度52.2～59.3ksi，抗拉强度为105～111.1ksi，延伸率在32％～42％。换算成国际单位为：屈服强度360～409MPa，抗拉强度为727～766MPa，延伸率为32％～42％。该专利通过使用元素Mn、Cu和N的组合替代Ni和Mo，制备出具有与某些高镍钼合金相当的或更好的耐腐蚀性、可成形性和其他属性，目标是降低成本而达到含有高镍钼合金具有的性能。但相比于304不锈钢仍具有较高的成本，而且其力学性能不能满足连接件的特定要求，如屈服强度Rp0.2为410～480MPa，抗拉强度Rm为650～800MPa，延伸率A大于40％。

如申请号为CN201080056955.9(申请公开号为CN102695815A)的《贫奥氏体不锈钢》公开的奥氏体不锈钢含有，其包含相对低的镍和钼含量，并且表现出与包含较高镍和钼含量的某些合金相当的耐腐蚀性、耐高温变形性和可成形性。奥氏体不锈钢的实施方案以重量％计包含：至多0.20碳,2.0-9.0锰，至多2.0硅，15.0-23.0铬,1.0-9.5镍,至多3.0钼，至多3.0铜，0.05-0.35氮，(7.5(％碳))≤(％铌+％钛+％钒+％钽+％锆)≤1.5，铁和偶然存在的杂质。所获得的屈服强度为46.1～53.7ksi，抗拉强度为102～106.4ksi，延伸率在41～49％，该专利通过经济型元素的使用来实现含钛奥氏体不锈钢具有的耐蚀性、强度和硬度，而且其成分范围很宽，比不锈钢的标准成分还要宽，对实际应用几乎没有指导意义。仅从实施例公布的性能来看，比如屈服强度为43.4～50.1ksi，抗拉强度为90.2～118.2ksi，换算成国际单位分别为299～345MPa，621～814MPa，达不到连接件用不锈钢所需的屈服强度要求。

因此，需要对现有的不锈钢作进一步的改进。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种同时获得高屈服强度和抗拉强度的同时保持延伸率在46％以上的连接件用奥氏体不锈钢。

本发明所要解决的第二个技术问题是，提供了一种上述奥氏体不锈钢的制备方法。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种连接件用奥氏体不锈钢，其特征在于，按照质量百分比计，包括有以下组分：C：0.04～0.06％，Si：＜1.0％，Mn：3.0～4.0％，Cr：17.0～18.0％，Ni：5.0～6.0％，N：0.15～0.25％，Cu：2.0～3.0％，Mo：0.2～0.6％，P：≤0.040％，S：≤0.030％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，同时满足Creq≥18％，Nieq≥12％，Md₃₀<0和高温铁素体含量δ：0＜δ≤3％，其中，Creq＝％Cr+1.5*％Si+％Mo，Nieq＝％Ni+30*(％C+％N)+0.5*％Mn，Md₃₀(℃)＝551-462(％C+％N)-9.2*％Si-8.1*％Mn-13.7*％Cr-29*％Ni-18.5*％Mo-29*％Cu；δ＝((％Cr+％Mo+1.5*％Si+18)/(Ni+30*(％C+％N)+0.5*％Mn+36)-0.738)*166.7。

上述奥氏体不锈钢中：

C是强奥氏体形成元素，通过固溶强化可显著提高钢的强度。但碳在400～700℃温度区间容易形成高铬的Cr₂₃C₆型碳化物，并在晶界析出，从而使晶界附近出现贫铬区，最终导致钢的耐晶间腐蚀性能下降。因此，C应被定义为0.04～0.06％。

Si是一种常用的脱氧元素，固溶在基体中的Si提高钢的晶间腐蚀敏感性和强度。因此，Si含量被定义为＜1.0％。

Mn是奥氏体形成元素并强烈稳定奥氏体，可以提高钢的强度并改善其热塑性。适当提高Mn含量会弥补镍含量降低所导致的奥氏体稳定性下降的问题，因此，Mn被定义为3.0～4.0％。

Cr是强烈形成并稳定铁素体的元素，缩小奥氏体区，在室温下与氧形成一层氧化铬的钝化膜使钢具有不锈性。铬提高钢耐氧化性介质和酸性氯化物介质的能力，但过量的Cr会造成不锈钢的脆性。因此，Cr被定义为17.0～18.0％。

Ni是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素。随着镍含量的增加，钢的塑韧性提高，但镍含量对制造成本影响较大，因此，Ni被定义为5.0～6.0％。

N是强奥氏体形成元素，作为间隙原子通过固溶强化可以提高奥氏体不锈钢的强度。但过量的N含量易与铬形成析出物，降低钢的冷热加工性能。根据其他元素的含量合适的氮含量为0.15～0.25％。

Cu是奥氏体形成元素，有利于氮元素的固溶并提高钢在室温下的塑性和深冲性能，因此，Cu被定义为2.0～3.0％。

Mo是铁素体形成元素，有利于耐点蚀性能的提高。但过高Mo含量会导致成本的增加。因此，Mo被定义为0.2～0.6％。

P和S均为不可避免的杂质元素，但对性能有不利的影响，应分别小于0.04质量％和0.005％。

Creq≥18％，Nieq≥12％保证了室温时为奥氏体组织，如果Creq＜18％，室温的组织中会有一定量的马氏体，马氏体能提高强度，但降低塑形，作为连接件使用时容易发生开裂。

所述奥氏体不锈钢的屈服强度为410～480MPa，抗拉强度为650～800MPa，延伸率大于40％。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种所述的连接件用奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：依次包括有以下步骤：

1)冶炼：通过炉子按照上述成分配比冶炼成钢水，随后将冶炼的钢水倒入至烘烤后的钢包中，并吊至精炼工位进行精炼，在精炼时微合金化，保证成分满足Md₃₀<0和δ<2，然后喂硼线和硅钙线，确保钢水成分满足上述要求，再经过连铸获得板坯或者钢坯；

2)热轧和退火：将步骤1)中的板坯或者钢坯进行热轧和退火；

3)冷轧：将步骤2)的产品进行冷轧；

4)退火酸洗：将冷轧后的产品进行退火，并酸洗去除表面的氧化铁皮。

优选地，在步骤4)之后进行平整调整轧制，获得平整的钢板。如此，可获得所需平整度的钢板。

进一步优选地，平整的延伸率为2％～4％，按3～11个道次进行。小变形量多道次的平整，可以增加制备材料的位错积累速率，提高制备材料的加工硬化效果，通过加工硬化提高强度。

在步骤1)中，喂硼线和硅钙线，确保软搅拌的镇静时间≥15分钟。

优选地，在步骤2)中，加热温度为1180～1240℃，退火温度为1080～1120℃。

进一步优选地，在步骤3)中，冷轧总压下量≥50％，每道次的压下量为8％～12％，冷轧后目标厚度为1.0mm～1.2mm。总压下率≥50％确保积累足够多的变形能，增加后续退火过程中晶粒的形核点以及形核速率，细化退火后的晶粒尺寸；总压下率≥50％也可以降低制备产品表面的粗糙度，满足连接件用不锈钢对粗糙度的要求。限制道次压下率有利于变形储能的累积，提高后续退火中晶粒再结晶的动力，达到细化晶粒提高强度的目的。

优选地，在步骤2)中，热轧后的目标厚度为2mm～3.5mm，退火温度为1080℃～1120℃。连接件成品厚度一般为1.0mm～1.2mm，为保证冷轧总压下量≥50％时，热轧的目标厚度最好为2mm～3.5mm，退火温度为1080℃保证了热轧过程中产生的碳化物全部固溶到基体中，避免因碳化物析出使晶界周围出现贫铬区。

优选地，步骤4)中，退火温度为1060～1070℃。

与现有技术相比，本发明的优点在于：该奥氏体不锈钢通过C、Si、Mn、Cr、Ni、N、Cu、Mo等元素和含量相互配合，主要通过降低贵重元素镍的含量，提高氮和锰的含量，确保室温下的组织为稳定的奥氏体相，但稳定奥氏体的性能特别是屈服强度较低，很难达到410MP以上。奥氏体不锈钢获得屈服强度大于410MPa的通用方法是使室温下的组织处于亚稳定，亚稳定奥氏体不锈钢通过变形产生一定量的形变马氏体提高强度，因形变马氏体与奥氏体相是两相，容易造成服役过程中的时效开裂。本发明通过采用C：0.04～0.06％，Si：＜1.0％，Mn：3.0～4.0％，Cr：17.0～18.0％，Ni：5.0～6.0％，N：0.15～0.25％，Cu：2.0～3.0％，Mo：0.2～0.6％，P：≤0.040％，S：≤0.030％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，使奥氏体不锈钢在凝固过程中产生0～3％的高温铁素体，先析出的高温铁素体降低了奥氏体相中的Cr含量，降低材料的层错能，提高位错增殖速率。Creq≥18％，Nieq≥12％保证了室温时为奥氏体组织，Nieq≥12％保证高温凝固时先析出的铁素体相随着凝固温度的降低能转变为奥氏体相，保证室温下的铁素体相在一定的范围内。同时Md₃₀小于0保证了在一定量的冷变形后不发生相变，变形仅发生奥氏体相的加工硬化即位错塞积，同时通过控制冷变形的速率提高位错增殖速率，以提高加工硬化效率，进而保证力学性能在连接件要求的特定范围内，如屈服强度Rp_0.2为410～480MPa，抗拉强度R_m为650～800MPa，延伸率A大于46％。

具体实施方式

以下实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

本实施例中的奥氏体不锈钢的制备方法依次包括有以下步骤：

1)冶炼：电炉和AOD炉将下表1中对应的成分冶炼成的钢水，并将钢水倒入至烘烤好的钢包中，并吊至精炼工位进行精炼，在精炼时微合金化，保证成分满足Md₃₀<0和δ<2，并喂硼线和硅钙线，软搅拌镇静15分钟，确保钢水成分满足上述要求，再经过连铸获得板坯或者钢坯；

2)热轧和退火：将步骤1)中的板坯或者钢坯进行热轧，经热轧至目标厚度2mm后水冷，经1080℃退火后酸洗至白皮状态；

3)冷轧：将步骤2)的产品进行冷轧；具体地，经50％压下量共7道次的冷轧，轧制到1.0mm；

4)退火酸洗：将步骤3)后的产品进行退火，并酸洗去除表面的氧化铁皮。具体退火温度为1060℃；

5)将步骤4)的产品平整调整轧制，获得平整的钢板，其中，平整延伸率为3％，分5个道次平整。

上述实施例1所制备出的奥氏体不锈钢的性能如表2所示。

实施例2：

与上述实施例1的区别仅在于：1、不锈钢的化学成分不同，具体参见下表1所示；2、步骤1)中，软搅拌镇静20分钟；步骤2)中热轧至的目标厚度为3mm，退火温度为1120℃；

步骤3)中压下量为60％，共9道次的冷轧，轧制到1.2mm后退火酸洗；

步骤4)中，退火温度为1070℃；

该实施例2所制备出的奥氏体不锈钢的性能如表2所示。

实施例3：

与上述实施例1的区别仅在于：1、不锈钢的化学成分不同，具体参见下表1所示；2、步骤1)中，软搅拌镇静18分钟；步骤2)中热轧至的目标厚度为2.5mm，退火温度为1100℃；

步骤3)中压下量为60％，共11道次的冷轧，轧制到1.0mm后退火酸洗；

步骤4)中，退火温度为1060℃；

步骤5)中，平整延伸率为2％，分3个道次平整。

该实施例3所制备出的奥氏体不锈钢的性能如表2所示。

实施例4：

步骤3)中压下量为68％，共9道次的冷轧，轧制到1.0mm后退火酸洗；

步骤4)中，退火温度为1070℃；

步骤5)中，平整延伸率为2％，分5个道次平整。

该实施例4所制备出的奥氏体不锈钢的性能如表2所示。

实施例5：

与上述实施例1的区别仅在于：1、不锈钢的化学成分不同，具体参见下表1所示；2、步骤1)中，软搅拌镇静15分钟；步骤2)中热轧至的目标厚度为3.5mm，退火温度为1120℃；

步骤3)中压下量为50％，共11道次的冷轧，轧制到1.0mm后退火酸洗；

步骤4)中，退火温度为1065℃；

步骤5)中，平整延伸率为3％，分3个道次平整。

该实施例5所制备出的奥氏体不锈钢的性能如表2所示。

实施例6

与上述实施例1的区别仅在于：1、不锈钢的化学成分不同，Cr为17.0，Ni为6.0％，Cu为3.0％，N为0.25％，Ni为6.0％，Si为0.8％，Creq为18.15％，Nieq为13.2％，δ为0.3％，步骤5)中，平整延伸率为4％，分3个道次平整。

表1实施例的化学成分(质量百分比％)

上述Creq＝％Cr+1.5*％Si+％Mo；Nieq＝％Ni+30*(％C+％N)+0.5*％Mn；

Md₃₀(℃)＝551-462(％C+％N)-9.2*％Si-8.1*％Mn-13.7*％Cr-29*％Ni-18.5*％Mo-29*％Cu；

δ＝((％Cr+％Mo+1.5*％Si+18)/(Ni+30*(％C+％N)+0.5*％Mn+36)-0.738)*166.7。

表2实施例的力学性能

	屈服强度(MPa)	抗拉强度(MPa)	延伸率(％)
				实施例1	410	670	49
实施例2	420	675	48
				实施例3	425	700	46
实施例4	430	695	47
				实施例5	415	680	48

由上表1可知，Creq≥18％，Nieq≥12％，Md₃₀＜0，0＜δ＜3％。

由上表2可知，本发明所制备的奥氏体不锈钢的屈服强度为410～430MPa，抗拉强度为670～700MP，延伸率为46～49％，则本发明所制备的奥氏体不锈钢同时满足高屈服强度和高抗拉强度的同时，保证延伸率在46％以上。

Claims

1.一种连接件用奥氏体不锈钢，其特征在于，按照质量百分比计，包括有以下组分：C：0.04～0.06％，Si：＜1.0％，Mn：3.0～4.0％，Cr：17.0～18.0％，Ni：5.0～6.0％，N：0.15～0.25％，Cu：2.0～3.0％，Mo：0.2～0.6％，P：≤0.040％，S：≤0.030％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，同时满足Creq≥18％，Nieq≥12％，Md₃₀<0和高温铁素体含量δ：0＜δ≤3％，其中，Creq＝％Cr+1.5*％Si+％Mo，Nieq＝％Ni+30*(％C+％N)+0.5*％Mn，Md₃₀(℃)＝551-462(％C+％N)-9.2*％Si-8.1*％Mn-13.7*％Cr-29*％Ni-18.5*％Mo-29*％Cu；δ＝((％Cr+％Mo+1.5*％Si+18)/(Ni+30*(％C+％N)+0.5*％Mn+36)-0.738)*166.7。

2.根据权利要求1所述的连接件用奥氏体不锈钢，其特征在于：所述奥氏体不锈钢的屈服强度为410～480MPa，抗拉强度为650～800MPa，延伸率大于40％。

3.根据权利要求2所述的连接件用奥氏体不锈钢，其特征在于：所述奥氏体不锈钢的屈服强度410～430MPa，抗拉强度为670～700MPa，延伸率为46～49％。

4.一种权利要求1至3中任一项权利要求所述的连接件用奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：依次包括有以下步骤：

2)热轧和退火：将步骤1)中的板坯或者钢坯进行热轧和退火；

3)冷轧：将步骤2)的产品进行冷轧；

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：在步骤4)之后进行平整调整轧制，获得平整的钢板。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：平整的延伸率为2％～4％，按3～11个道次进行。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：在步骤1)中，喂硼线和硅钙线确保软搅拌的镇静时间≥15分钟。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：在步骤2)中，热轧后的目标厚度为2mm～3.5mm，退火温度为1080℃～1120℃。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：在步骤3)中，冷轧的总压下量≥50％，每道次的压下量为8％～12％，冷轧后目标厚度为1.0mm～1.2mm。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：步骤4)中，退火温度为1060～1070℃。