CN117107166B

CN117107166B - 一种低成本铁素体不锈钢及其制造方法

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Publication number: CN117107166B
Application number: CN202310893809.0A
Authority: CN
Inventors: 吴开明; 向绍观
Original assignee: Wuke Composite Materials Haikou Technology Co ltd; Wuke Xincai Wuhan Technology Co ltd; Zhongneng Huayuan Intelligent Equipment Research And Design Institute Qingdao Co ltd; Wuhan University of Science and Technology WHUST
Current assignee: Wuke Composite Materials Haikou Technology Co ltd; Wuke Xincai Wuhan Technology Co ltd; Zhongneng Huayuan Intelligent Equipment Research And Design Institute Qingdao Co ltd; Wuhan University of Science and Technology WHUST
Priority date: 2023-07-20
Filing date: 2023-07-20
Publication date: 2025-07-25
Anticipated expiration: 2043-07-20
Also published as: CN117107166A

Abstract

本发明涉及一种低成本铁素体不锈钢及其制造方法，涉及金属材料领域，其包括按质量百分含量计的如下化学成分：C≤0.009％，Si：0.19‑0.49％，S≤0.0014％，P≤0.009％，Ni：1.1‑1.9％，Cr：19.1‑19.9％，Cu：0.19‑0.49％，N≤0.008％，70×10^‑4％≤Mg+Zr≤290×10^‑4％，且Zr、Mg的含量满足Zr/Mg＝3‑6，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明利用红土镍矿冶炼的富含铬和镍的铁水作为冶炼原料，节约了贵重金属Ni、Mo，制得的低成本铁素体不锈钢，不含Nb等高成本合金元素，利用低成本的硅、铜、铬等元素获得良好的力学性能；同时，复合添加了锆、镁元素，在改善焊接性能的同时，获得了良好的耐腐蚀性能。

Description

一种低成本铁素体不锈钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及金属材料领域，具体涉及一种低成本铁素体不锈钢及其制造方法。

背景技术

铁素体不锈钢在从高温到常温的整个温度范围内都是α相为主的稳定相，含11-30％Cr含C在0.1％以下，即使淬火也不可能使钢硬化。另外，铁素体不锈钢还包含稳定化元素Al、Si、Mo、Ti、Nb等。根据钢中含铬量的不同，此类不锈钢又可分为低铬型(铬含量10.5-15％)，中铬型(铬含量在16-22％)和高铬型(铬含量在23-32％)。铁素体不锈钢产量仅次于铬镍奥氏体不锈钢，在世界不锈钢总产量中，铁素体不锈钢的产量一般占30％左右，铁素体不锈钢应用范围广，在薄截面条件下，综合性能优良，由于不含镍或个别牌号仅含少量的镍，成本和价格相对较低，是不锈钢中最主要的节镍型不锈钢。

铁素体不锈钢冷加工硬化倾向低，对于较大冷变形，一般也不需要中间退火或处理，易于冷弯、冲压、扩管、卷边、旋压、冷锻和切削。铁素体不锈钢有优良的耐全面腐蚀和耐各种局部腐蚀的性能，特别是耐氯化物应力腐蚀性能优异。热导率高，约为奥氏体不锈钢的135％，非常适用于有热交换的用途，热胀系数小，约为奥氏体不锈钢的60％，非常适用于有热胀冷缩和热循环的使用条件。例如，以水为介质的蒸发器和热交换器的传热管的隔板等典型用途。在水介质的服役环境下，由水介质引发的局部腐蚀如何提高成为在这方面需要迫切解决的重要技术、工程和应用问题。

另外，常规铁素体不锈钢还有其它缺点和不足。概括起来，常规铁素体不锈钢有以下缺点和不足：铁素体不锈钢的室温韧性低、晶间腐蚀更敏感，冷成型性尚需进一步改进。当经焊接后，这些缺点更明显地显示出来，性能进一步恶化，严重影响了传统铁素体不锈钢在焊接用途方面的应用。如何提高韧性、焊接性成为铁素体不锈钢亟需解决的重要应用性能。鉴于此，本发明提供一种低成本铁素体不锈钢及其制造方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低成本铁素体不锈钢及其制造方法。目的是提高铁素体不锈钢的韧性、焊接性能及晶间腐蚀性能。

本发明为了解决上述技术问题，第一方面提供的技术方案如下：一种低成本铁素体不锈钢，其包括按质量百分含量计的如下化学成分：C≤0.009％，Si：0.19-0.49％，S≤0.0014％，P≤0.009％，Ni：1.1-1.9％，Cr：19.1-19.9％，Cu：0.19-0.49％，N≤0.008％，70×10^-4％≤Mg+Zr≤290×10^-4％，且Zr、Mg的含量满足Zr/Mg＝3-6，余量为Fe及不可避免的杂质。

上述各成分在微合金铁素体不锈钢中所起作用如下：

Cr：铁素体不锈钢中Cr元素含量越高，越容易钝化，会使铁素体不锈钢表面不易被氧化，从而拥有更好的耐腐蚀性能，同时耐点蚀、耐缝隙腐蚀和耐晶间腐蚀的能力也会得到提高；与此同时，当Cr的质量分数越高时，铁素体不锈钢中脆性相形成的速度会越快。另外，α'和σ相形成和析出的快慢也与Cr的质量分数有关，Cr质量分数越高，析出速度越快，且析出相会使钢的韧性下降、脆性转变温度显著提高。

C、N：C、N在铁素体不锈钢中除了能使不锈钢强化外，对不锈钢的其他性能的影响几乎都是有害的，例如脆性转变温度高，缺口敏感性大，焊后耐蚀性下降等都与钢中的C、N有关，但目前又没有办法完全避免C、N在铁素体不锈钢中的存在。由于C和N都是强烈形成并稳定奥氏体，扩大Fe-Cr合金中γ区的元素，因而，C和N对铁素体不锈钢组织的重要影响是使α+γ两相区向更高Cr含量的方向移动，从而使含C、N量较高的铁素体不锈钢有可能出现铁素体+马氏体(奥氏体)双相结构。另外，由于C、N在铁素体中的溶解度很低，因而在高温加热后的随后冷却过程中会有碳氮化物的析出，它们对铁素体不锈钢的性能产生非常重要的影响。

Cu：是非常弱的奥氏体形成元素少量的加入对铁素体不锈钢的组织结构一般不产生重大影响其主要作用是提高铁素体不锈钢的耐蚀性和冷加工成形性。

Ni：与C、N相似，同样可使Fe-Cr合金的α+γ两相区向更高Cr浓度的方向移动。Ni可使铁素体不锈钢的室温力学性能，特别是强度和韧性显著提高并使钢的脆性转变温度下移。向铁素体不锈钢中加入Ni，在某些介质中可进一步提高钢的耐一般腐蚀、耐点蚀和耐缝隙腐蚀性能，但对铁素体不锈钢的耐氯化物应力腐蚀性能却是有害的。为了使含Ni的铁素体不锈钢具有单一的纯铁素体组织，随Ni量的增加，不仅需要提高钢中的Cr量，有时还要加入Mo、Ti和Nb等铁素体形成元素。

S：硫在奥氏体不锈钢中被视为有害杂质，硫的有害作用主要是：降低奥氏体不锈钢的热塑性，影响钢的热加工性，这是由于在高温下MnS或(Fe,Mn)S沿晶界析出有关；硫还降低奥氏体不锈钢的耐蚀性，MnS易溶于酸性氯化物溶液，常成为腐蚀源导致耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀性能的显著降低。

P：磷在奥氏体不锈钢中一般被视为有害杂质。磷的有害作用主要是：显著降低铬镍奥氏体不锈钢在固溶态和敏化态下耐各种浓度硝酸腐蚀的性能；明显增强铬镍奥氏体不锈钢在浓硝酸和含Cr⁵⁺的硝酸中固溶态晶间腐蚀的敏感性，降低在这些使用条件下的耐蚀性。

Zr：锆是与C、N亲和力很强的稳定化元素，也是强脱氧元素和复合氧硫化物形成元素，加入少量锆有脱气、净化和细化晶粒作用，有利于提高不锈钢的低温性能，改善冲压性能，溶入奥氏体时显著提高钢的淬透性。在奥氏体钢中可以防止氧化介质对钢的晶间腐蚀。由于固定碳和沉淀硬化作用，能提高热强钢的高温性能，如蠕变强度等。

Mg：镁是强脱氧元素和复合氧硫化物形成元素，镁能使钢中夹杂物数量减少、尺寸减小、分布均匀、形态改善等。微量镁能改善不锈钢的碳化物尺寸及分布，碳化物颗粒细小均匀，形成的MgO夹杂物具有钉扎奥氏体晶界的作用，对晶粒尺寸有良好的控制作用。

综上所述，本发明利用红土镍矿冶炼的富含铬和镍的铁水作为冶炼原料，节约了贵重金属Ni、Mo，制得的低成本铁素体不锈钢不含Nb等高成本合金元素，利用低成本的硅、铜、铬等元素获得良好的力学性能；同时，复合添加了锆、镁元素，在改善焊接性能的同时，获得了良好的耐腐蚀性能。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的不锈钢除超低碳和氮外，还有较多的的镍(1.1-1.9wt％)，在适宜的热处理态具有铁素体组织，因此具有上述发明低铬铁素体不锈钢的性能外，还具有良好的强韧性，且成型性、焊接性、耐蚀性、耐磨性优良，由于Zr、Mg的加入，焊后也没有晶间腐蚀敏感性。因此其可以用于不锈、耐磨蚀等用途，代替有涂层和不加涂层的低碳钢和耐蚀低合金钢，且寿命周期成本低。也可以应用矿石车和罐车运煤车车辆，大轿车、货车、公交车等车身底盘、骨架和外部面板，市政设施中的电话分线箱，开关装置和人行道、楼梯、大型建筑物入口的照明灯柱和发射天线等。

(2)本发明利用红土镍矿冶炼的富含铬和镍的铁水作为冶炼原料，节约了贵重金属Ni、Mo；制得的低成本铁素体不锈钢不含Nb等高成本合金元素，利用低成本的硅、铜、铬等元素获得良好的力学性能；复合添加了锆、镁元素，在改善焊接性能的同时，获得了良好的耐腐蚀性能，尤其是耐海水腐蚀性能。

(3)本发明的微合金铁素体不锈钢的组织稳定性强、高温热塑性和抗高温氧化性能良好、综合力学性能更加优异。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，其包括按质量百分含量计的如下化学成分：C≤0.006％，Si：0.29-0.49％，S≤0.0010％，P≤0.005％，Ni：1.5-1.9％，Cr：19.5-19.9％，Cu：0.29-0.49％，N≤0.006％，165×10^-4％≤Mg+Zr≤290×10^-4％，且Zr、Mg的含量满足Zr/Mg＝3-6，余量为Fe及不可避免的杂质。

进一步，其包括按质量百分含量计的如下化学成分：C≤0.008％，Si：0.19-0.29％，S≤0.0013％，P≤0.008％，Ni：1.1-1.5％，Cr：19.1-19.5％，Cu：0.19-0.29％，N≤0.007％，70×10^-4％≤Mg+Zr≤200×10^-4％，且Zr、Mg的含量满足Zr/Mg＝3-6，余量为Fe及不可避免的杂质。

进一步，其包括按质量百分含量计的如下化学成分：C：0.008％，Si：0.29％，S≤0.0013％，P：0.008％，Ni：1.5％，Cr：19.5％，Cu：0.29％，N：0.007％，Mg：0.0050％，Zr：0.0150％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明第二个方面提供一种低成本铁素体不锈钢的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，按照重量比取以下原材料：超低P工业纯铁35-40％，高碳铬铁10-15％，红土镍矿冶炼的铁水50-60％；先将所述超低P工业纯铁和所述高碳铬铁加入中频炉进行熔化，后将所述红土镍矿冶炼的铁水加入所述中频炉中，得到冶炼低成本铁素体不锈钢原料；

步骤2：将步骤1得到的所述冶炼低成本铁素体不锈钢原料依次进行精炼、连铸、轧制和热处理，得到低成本铁素体不锈钢。

进一步，步骤1中，按照重量比取以下原材料：超低P工业纯铁34-40％，高碳铬铁10-14％，红土镍矿冶炼的铁水52-60％。

进一步，步骤1中，所述超低P工业纯铁中化学成分P和C的重量含量分别为：P≤0.0035％，C≤0.01％；所述高碳铬铁中化学成分Cr和C的重量含量分别为：Cr≥60％，C≤9.5％。

进一步，步骤1中，所述红土镍矿冶炼的铁水中化学成分Cr和P的重量含量分别为：Cr≥60％，P≤0.03％。

进一步，步骤2中，将步骤1得到的所述冶炼低成本铁素体不锈钢原料依次进行精炼、连铸、轧制和热处理的具体步骤为：

步骤2-1，精炼：将所述冶炼低成本铁素体不锈钢原料在LF炉中进行炉外精炼，且根据所述低成本铁素体不锈钢中的化学成分进行合金微调与微合金化处理，得到微合金化的不锈钢；

步骤2-2，连铸：将所述微合金化的不锈钢在中间包温度为1465-1480℃，工作拉速1.05-1.20m/min条件下进行连铸，得到连铸坯；

步骤2-3，轧制：将所述连铸坯在温度为1150-1250℃条件下进行轧制，得到热轧黑皮卷；

步骤2-4，热处理：将所述热轧黑皮卷加热至温度为950-1050℃，保温60-120min，冷却至室温，即得到低成本铁素体不锈钢。

进一步，步骤2-1中，所述精炼的时间为为45-90min，出炉温度≥1530℃。

附图说明

图1为本发明常规技术铁素体不锈钢中的夹杂物形貌图；

图2为本发明制备的铁素体不锈钢中的夹杂物形貌图；

图3为本发明图基材的光学显微组织图；

图4为本发明焊接热影响区光学显微组织图；

图5为本发明图氯化钠溶液(50±5g/L)腐蚀后30天的实物照片。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本实施例涉及一种低成本铁素体不锈钢，其包括按质量百分含量计的如下化学成分：0.006wt％C、0.19wt％Si、0.0010wt％S、0.005wt％P、1.1wt％Ni、19.1wt％Cr、0.19wt％Cu、0.006wt％N、0.0030wt％Mg、0.0135wt％Zr、余量为Fe及不可避免的杂质。

本实施例涉及一种低成本铁素体不锈钢的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：按照以下方式进行配料：利用超低P工业纯铁作为冶炼基料，质量占比为40％；配加高碳铬铁，质量占比为10％；然后再加入利用红土镍矿冶炼的铁水，质量占比为50％。其中超低P工业纯铁中的P≤0.0035wt％，C≤0.005wt％。高碳铬铁中的Cr≥60wt％，C≤6.5wt％。红土镍矿冶炼的铁水的Cr≥60wt％，P≤0.01wt％。采用中频炉熔化超低P工业纯铁(质量占比40％)和高碳铬铁(质量占比10％)，然后再加入利用红土镍矿冶炼的铁水(质量占比50％)，得到冶炼低成本铁素体不锈钢原料，冶炼后不锈钢中的P≤0.014wt％；

优选的，步骤2中所述冶炼低成本铁素体不锈钢原料依次进行精炼、连铸、轧制和热处理，包括如下的具体的步骤：

步骤2-1，LF炉外精炼：出钢前流渣、扒渣，尽量把炉渣清理干净；白渣出钢，可用少量石灰、萤石调整炉渣还原性及流动性；出钢温度≥1530℃；先通电将顶渣熔化，再进行合金微调与微合金化，得到按重量百分比其化学成分包括：0.006wt％C、0.19wt％Si、0.0010wt％S、0.005wt％P、1.1wt％Ni、19.1wt％Cr、0.19wt％Cu、0.006wt％N、N、0.0030wt％Mg、0.0135wt％Zr、余量为Fe及不可避免的杂质；LF精炼炉冶炼的时间为45min。

步骤2-2，连铸：中间包温度1465℃；工作拉速1.05m/min；结晶器宽面水量为175m³/h，窄面水量为20m³/h，进出水温差为5℃；结晶器采用非正弦振动，振频为140CPM，振幅为3.0mm；结晶器保护渣为铁素体不锈钢保护渣。

步骤2-3，轧制：连铸坯先经加热，再热轧得到热轧黑皮卷；所述热轧的温度为1150℃。

步骤2-4，热处理：在780℃加热、保温、然后空冷或炉冷。

实施例2

本实施例涉及一种低成本铁素体不锈钢，其包括按质量百分含量计的如下化学成分：0.008wt％C、0.29wt％Si、0.0013wt％S、0.008wt％P、1.5wt％Ni、19.5wt％Cr、0.29wt％Cu、0.007wt％N、0.0050wt％Mg、0.0150wt％Zr、余量为Fe及不可避免的杂质。

步骤1：按照以下方式进行配料：利用超低P工业纯铁作为冶炼基料，质量占比为34％；配加高碳铬铁，质量占比为14％；然后再加入利用红土镍矿冶炼的铁水，质量占比为52％。其中工业纯铁中的P≤0.005wt％，C≤0.01wt％。高碳铬铁中的Cr≥60wt％，C≤9.5wt％。红土镍矿冶炼的铁水的Cr≥60wt％，P≤0.03wt％。采用中频炉熔化超低P工业纯铁(质量占比34％)和高碳铬铁(质量占比14％)，然后再加入利用红土镍矿冶炼的铁水(质量占比52％)，得到冶炼低成本铁素体不锈钢原料，冶炼后不锈钢中的P≤0.015wt％；

步骤2-1，LF炉外精炼：出钢前流渣、扒渣，尽量把炉渣清理干净；白渣出钢，可用少量石灰、萤石调整炉渣还原性及流动性；出钢温度≥1530℃；先通电将顶渣熔化，再进行合金微调与微合金化，得到按重量百分比其化学成分包括：0.008wt％C、0.29wt％Si、0.0013wt％S、0.008wt％P、1.5wt％Ni、19.5wt％Cr、0.29wt％Cu、0.007wt％N、0.0050wt％Mg、0.0150wt％Zr、余量为Fe及不可避免的杂质；所述LF精炼炉冶炼的时间为60min。

步骤2-2，连铸：中间包温度1470℃；工作拉速1.10m/min；结晶器宽面水量为185m³/h，窄面水量为22m³/h，进出水温差为6℃；结晶器采用非正弦振动，振频为140CPM，振幅为3.0mm；结晶器保护渣为铁素体不锈钢保护渣。

步骤2-3，轧制：连铸坯先经加热，再热轧得到热轧黑皮卷；所述热轧的温度为1200℃。

步骤2-4，热处理：在800℃加热、保温、然后空冷或炉冷。

实施例3

本实施例涉及一种低成本铁素体不锈钢，其包括按质量百分含量计的如下化学成分：0.009wt％C、0.49wt％Si、0.0014wt％S、0.009wt％P、1.9wt％Ni、19.9wt％Cr、0.49wt％Cu、0.008wt％N、0.0020wt％Mg、0.0120wt％Zr、余量为Fe及不可避免的杂质。

步骤1：照以下方式进行配料：利用超低P工业纯铁作为冶炼基料，质量占比为35％；配加高碳铬铁，质量占比为15％；然后再加入利用红土镍矿冶炼的铁水，质量占比为60％。其中工业纯铁中的P≤0.005wt％，C≤0.01wt％。高碳铬铁中的Cr≥60wt％，C≤9.5wt％。红土镍矿冶炼的铁水的Cr≥60wt％，P≤0.03wt％。采用中频炉熔化超低P工业纯铁(质量占比35％)和高碳铬铁(质量占比15％)，然后再加入利用红土镍矿冶炼的铁水(质量占比60％)，得到冶炼低成本铁素体不锈钢原料，冶炼后不锈钢中的P≤0.012wt％；

步骤2-1，LF炉外精炼：出钢前流渣、扒渣，尽量把炉渣清理干净；白渣出钢，可用少量石灰、萤石调整炉渣还原性及流动性；出钢温度≥1530℃；先通电将顶渣熔化，再进行合金微调与微合金化，得到按重量百分比其化学成分包括：0.01wt％C、0.49wt％Si、0.0015wt％S、0.010wt％P、1.9wt％Ni、19.9wt％Cr、0.49wt％Cu、0.008wt％N、0.0020wt％Mg、0.0120wt％Zr、余量为Fe及不可避免的杂质；LF精炼炉冶炼的时间为90min。

步骤2-2，连铸：中间包温度1480℃；工作拉速1.20m/min；结晶器宽面水量为195m³/h，窄面水量为25m³/h，进出水温差为7℃；结晶器采用非正弦振动，振频为140CPM，振幅为3.0mm；结晶器保护渣为铁素体不锈钢保护渣。

步骤2-3，轧制：连铸坯先经加热，再热轧得到热轧黑皮卷；所述热轧的温度为1250℃。

步骤2-4，热处理：在850℃加热、保温、然后空冷或炉冷。

实验例

下面结合实施例1制备得到的低成本铁素体不锈钢对主要其夹杂物特征、焊接性、耐蚀性进行各测试，结果如下：

超纯(超低碳氮元素含量)铁素体不锈钢是一种具有成本低，综合性能好的不锈钢，与奥氏体不锈钢相比，其物理性能与低碳钢接近，如有铁磁性，导热导电性好、热胀系数小等。薄截面(厚度≤2mm)规格的铁素体不锈钢具有优良的综合性能，如力学性能、成形性、焊接性、和耐蚀性能等，应用领域越来越广。中铬含量超纯铁素体不锈钢通过降低碳和氮含量并添加铌、钛等微合金元素，其焊接性和耐蚀性大大提高，可在许多领域替代AISI 304L奥氏体不锈钢。

然而，由于该类铁素体不锈钢为单相铁素体不锈钢，热敏感性强，焊接过程中晶粒受热粗化导致性能恶化，塑韧性降低而脆性增加，由于在加热和冷却过程中无相变发生，不能通过热处理改善组织和性能；同时，在焊接过程中容易发生合金元素的烧损影响耐蚀性，因此，焊接接头的力学性能和耐蚀性能一直是该类不锈钢的技术瓶颈。其中铬含量铁素体不锈钢中最重要合金元素是钛、铌和钼等元素，常见的第二相粒子为铌和钛的碳氮化物，这些粒子的析出行为特征对铁素体不锈钢的组织和性能具有重要的影响。

(1)夹杂物特征及其形成机理

采用SEM对试验样品中的夹杂物形貌进行了观察，结果如图1和2。由图1可知，常规铁素体不锈钢中夹杂物呈现长条状或者不规则形状，夹杂物尺寸约为2-5μm。由图2可知，本发明实施例1制备的铁素体不锈钢中夹杂物呈现球形或者等轴形，夹杂物尺寸约为1-3μm。细小和球形的夹杂物对于提高不锈钢的塑性和韧性具有重要的积极作用。

根据冶金热力学基本原理，Zr、Mg都是强氧化物形成元素，采用Zr、Mg进行复合脱氧，有利于去除钢液中的自由氧含量。ZrO₂的密度为5.68g/cm³，大于Al₂O₃的密度(3.97g/cm³)，尤其是ZrO₂和钢水的密度(7.15g/cm³)更接近，所以一旦在高温下形成了稳定的氧化物，ZrO₂能在钢液中均匀地漂浮而Al₂O₃会碰撞和聚集到钢液表面成为钢渣的组成部分，未能上浮的部分Al₂O₃会以团簇状的大型夹杂物残留在钢中。氧化物的电导率是其在钢液中运动的关键因素。根据现有的研究结果可知，钢液中Al₂O₃运动的驱动力大于ZrO₂运动的驱动力。在通电精炼过程中，ZrO₂颗粒倾向于相互排斥而很难团聚，Al₂O₃则容易相互碰撞而形成大颗粒，漂浮到钢水表面，被钢水表面覆盖剂所吸收。因此，与常规Al、Si脱氧相比，通过Zr、Mg复合脱氧可以形成细小、弥散分布的复合氧化物，其中图2的实验结果证明了这一点。

另外，MnS和ZrO₂有极为相似的晶格常数，具体数据见表1。由于MnS和ZrO₂有很好的晶格匹配关系，这将降低两者之间的界面能。较低的界面能会使得不同界面的晶粒之间有较好的附着性。这进一步证明了试验样品中没有形成条状、串状硫化物的原因。这是因为MnS倾向于在先形成的ZrO₂颗粒上形成的，硫化物因此进行了细化、球化和分散化。从而有利于Zr、Mg复合脱氧铁素体不锈钢的塑性和韧性提高。

表1 MnS和ZrO₂的晶格常数

(2)基材与焊接接头的微观组织形貌

晶粒尺寸是评价铁素体不锈钢综合性能的一个关键指标，晶粒尺寸越小，不锈钢在宏观上表现出的塑性和韧性越好，越不易发生脆性导致的失效。因此试验结果中将焊接接头微观组织的形貌和晶粒尺寸作为一项重要的评价指标进行分析。图3为试验样品母材的光学显微组织，可以看出晶粒尺寸较小，平均晶粒尺寸约为20-30μm之间。图4是试验样品焊缝的的光学显微组织，由于采用无填充焊丝母材自熔化焊接，焊缝是母材熔化后的熔池凝固形成的焊态组织，热影响区与焊缝金属成分、组织和晶体结构相同，因此没有明显的熔合线。Zr的碳氮化物是在高温下很稳定的第二相粒子，熔点远高于不锈钢。Mg的氧化物的高温稳定性也非常优越。当不锈钢在电弧热作用下熔化时，由于加热速度快，这些粒子来不及分解，在随后的结晶过程中作为形核剂，可以促进液态熔池结晶，同时也起到阻止晶界迁移，细化焊缝金属晶粒的作用。

(3)微合金元素对焊接接头耐蚀性能的影响

为了超纯铁素体不锈钢中的微合金元素及显微组织对焊接接头耐蚀性的影响，将焊接接头制备成盐雾腐蚀试样，置于充满中性盐雾的腐蚀试验机中，盐溶液由氯化钠溶于蒸馏水或去离子水中制成，其浓度为50±5g/L。经过30天后，取出观察焊接接头区域的腐蚀情况。结果表明，试样表面光洁，无锈蚀产生，如图5所示。复合微合金化提高了焊接接头的耐蚀性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种低成本铁素体不锈钢，其特征在于，其包括按质量百分含量计的如下化学成分：C≤0.009％，Si：0.19-0.49％，S≤0.0014％，P≤0.009％，Ni：1.1-1.9％，Cr：19.1-19.9％，Cu：0.19-0.49％，N≤0.008％，70×10^-4％≤Mg+Zr≤290×10^-4％，且Zr、Mg的含量满足Zr/Mg＝3-6，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述一种低成本铁素体不锈钢，其特征在于，其包括按质量百分含量计的如下化学成分：C≤0.006％，Si：0.29-0.49％，S≤0.0010％，P≤0.005％，Ni：1.5-1.9％，Cr：19.5-19.9％，Cu：0.29-0.49％，N≤0.006％，165×10^-4％≤Mg+Zr≤290×10^-4％，且Zr、Mg的含量满足Zr/Mg＝3-6，余量为Fe及不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述一种低成本铁素体不锈钢，其特征在于，其包括按质量百分含量计的如下化学成分：C≤0.008％，Si：0.19-0.29％，S≤0.0013％，P≤0.008％，Ni：1.1-1.5％，Cr：19.1-19.5％，Cu：0.19-0.29％，N≤0.007％，70×10^-4％≤Mg+Zr≤200×10^-4％，且Zr、Mg的含量满足Zr/Mg＝3-6，余量为Fe及不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述一种低成本铁素体不锈钢，其特征在于，其包括按质量百分含量计的如下化学成分：C：0.008％，Si：0.29％，S≤0.0013％，P：0.008％，Ni：1.5％，Cr：19.5％，Cu：0.29％，N：0.007％，Mg：0.0050％，Zr：0.0150％，余量为Fe及不可避免的杂质。

5.基于权利要求1至4任一项所述一种低成本铁素体不锈钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述一种低成本铁素体不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤1中，按照重量比取以下原材料：超低P工业纯铁34-40％，高碳铬铁10-14％，红土镍矿冶炼的铁水52-60％。

7.根据权利要求5或6所述一种低成本铁素体不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述超低P工业纯铁中化学成分P和C的重量含量分别为：P≤0.0035％，C≤0.01％；所述高碳铬铁中化学成分Cr和C的重量含量分别为：Cr≥60％，C≤9.5％。

8.根据权利要求5或6所述一种低成本铁素体不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述红土镍矿冶炼的铁水中化学成分Cr和P的重量含量分别为：Cr≥60％，P≤0.03％。

9.根据权利要求5或6所述一种低成本铁素体不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤2中，将步骤1得到的所述冶炼低成本铁素体不锈钢原料依次进行精炼、连铸、轧制和热处理的具体步骤为：

10.根据权利要求9所述一种低成本铁素体不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤2-1中，所述精炼的时间为为45-90min，出炉温度≥1530℃。