專利名稱：稀土低鎳鉻錳氮不銹鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種稀土低鎳鉻錳氮不銹鋼，屬于不銹鋼材料。本發(fā)明通過優(yōu)化鉻錳氮不銹鋼的合金元素配比，降低鎳元素的含量；利用稀土改善工藝性能，使材料的成分配比更能適應(yīng)生產(chǎn)和使用的要求。
背景技術(shù)：
鉻錳氮系列不銹鋼(以下簡稱200系鋼)以Mn-N代Ni，材料成本顯著降低，性能也出現(xiàn)一系列變化。降低Ni后，為了保證奧氏體組織必須有足夠高的Mn、C和N來增加鎳當量，因此造成鉻錳氮系列不銹鋼具有下列問題(1)固溶處理后的抗拉強度偏高，一般為800～1100MPa；(2)冷加工硬化率急劇上升，冷加工強化系數(shù)K＞15，加工難度大，過程成本增加；(3)200系鋼彎曲成形、冷鐓和沖壓性能較差；(4)傳統(tǒng)的200系鋼對晶間腐蝕很敏感，而且加穩(wěn)定化元素也無法改變其敏感性；(5)200系鋼使用性能研究數(shù)據(jù)缺乏；(6)部分鋼由于其穩(wěn)定奧氏體元素含量比304相對要高，抗磁性能優(yōu)于304，但奧氏體元素的配比需要優(yōu)化。
表1列出了印度、美國、日本、中國等國家200系鋼的主要鋼種及化學成分。
表1 各國200系列不銹鋼主要鋼種及化學成分(質(zhì)量分數(shù)/％)

從表1中可看出，各國經(jīng)過不斷探索和研究，開發(fā)出了各類以錳、氮代鎳型200系鋼，這些不銹鋼中Mn含量除印度牌號的稍高外其它較低，Cr含量均較高，在16～18％內(nèi)，印度J1、J3、J4的Cr含量也都在14％以上。而Ni元素含量除印度JINDAL公司的J3、J4外其它牌號較高。
200系不銹鋼是在冶煉中提高了錳的含量增加了氮，用這兩個元素代替了鎳，使鎳的含量降低到2.5％～5％的范圍，最低鉻含量約為12％，為了在室溫得到穩(wěn)定的奧氏體，必須向Fe-Cr二元合金中加入奧氏體形成元素來擴大γ相區(qū)。奧氏體形成元素主要有Ni、Mn、C、N、Cu、Zn、Au等。除C、N外，這些元素本身是面心立方點陣結(jié)構(gòu)，加入鋼中后，使γ-Fe面心立方點陣結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。隨著Ni含量的增加，A3點降低，A4點升高；超過一定的Ni含量后，F(xiàn)e-Ni合金就不再出現(xiàn)α相，這樣在高溫和室溫都是面心立方點陣。
采用中圖分類號TG142.5；專利分類號C22C38/38；檢索式(稀土+氮+銅)*(奧氏體不銹鋼+200系列不銹鋼+鉻錳氮不銹鋼)檢索策略，在上述范圍檢索，查得相關(guān)文獻四十余篇。現(xiàn)摘錄較密切文獻8篇，列舉及論述如下1、丁暉，袁文銀等.稀土對鉻錳氮不銹鋼在稀硫酸介質(zhì)中腐蝕磨損性能的影響中國稀土學報，1997，1592)146～1502、高振寰.稀土對奧氏體不銹鋼熱塑性的影響稀土，1993，14(4)18～233、張翔，張俊.不銹鋼加鐵稀土離子硫氮碳共滲工藝的研究表面技術(shù)，2004，(2)40～424、遼特集團試制201Cu盤條取得成功 重鋼技術(shù)，2004，47(1)185、袁志鐘，戴起勛等.氮在奧氏體不銹鋼中的作用江蘇大學學報(自然科學版)，2002，23，(3)72～756、天津大學.奧氏體不銹鋼專利號93106802.9 中國專利數(shù)據(jù)庫7、燕山大學.鐵路轍叉專用含氮奧氏體錳鉻鋼專利號03128763.8 中國專利數(shù)據(jù)庫8、東北重型機械學院秦皇島分校.水輪機轉(zhuǎn)輪用鉻錳氮系不銹鋼專利號90102197.8 中國專利數(shù)據(jù)庫文獻[1]介紹了作者所在單位沈陽工業(yè)大學研究了稀土對鉻錳氮不銹鋼的腐蝕性能及腐蝕磨損性能的影響。試驗表明，稀土使鉻錳氮不銹鋼的腐蝕電位正移、維鈍電流降低、熱力學穩(wěn)定性提高，故期耐蝕性提高，抗磨性改善。作者認為，鉻錳氮不銹鋼的最佳稀土含量0.02～0.06％，該研究為生產(chǎn)提供了必要的工藝參數(shù)，文獻[2]介紹了作者采用高溫沖擊法、熱扭轉(zhuǎn)法及楔形軋制法研究了稀土對多元Cr-Ni奧氏體不銹鋼熱塑性的影響，也對軋制裂紋的形成、沖擊斷口的形貌以及合金的偏折做了金相與掃描電鏡觀測。實驗證明，試驗鋼加稀土可使950～1200℃的沖擊力提高20％，900～1200℃的臨界壓下率提高15％，950～1200℃的熱扭轉(zhuǎn)數(shù)提高20～30％。作者認為，熱塑性改善的主要原因是稀土改善凝固過程、細化鑄態(tài)組織、減少合金偏折、強化晶界的結(jié)果。文獻[3]介紹了作者對1Cr18Ni12Mo2Ti奧氏體不銹鋼在稀土催滲條件下進行了加與未加輔助鐵板的離子硫氮共滲對比試驗。試驗表明，稀土具有很強的催滲作用。在與輔助鐵板的共同作用下，可使奧氏體不銹鋼的氮化溫度降低60℃，減小了進零件的變形在相同的共滲溫度條件下，可使氮化層深度比離子硫氮碳共滲增加30％以上，比未加輔助鐵板的稀土離子硫氮碳增加10％，且稀土元素可滲入鋼表層，細化滲層組織，促進氮碳化合物彌散細小析出，提高滲層硬度。文獻[4]介紹了遼寧特鋼集團開發(fā)成功的一種具有廣闊發(fā)展前景的201Cu高Mn低Ni奧氏體不銹鋼。該201Cu高Mn低Ni奧氏體不銹鋼是在200系列不銹鋼基礎(chǔ)上加Cu發(fā)展起來的，由于用Mn和N代替了Ni，降低了不銹鋼的生產(chǎn)成本，具有較大的經(jīng)濟性。而加入部分Cu，又改善了200系列不銹鋼的性能。文獻[5]介紹了在奧氏體不銹鋼中適量加入氮可以提高奧氏體組織穩(wěn)定性、力學性能和部分抗腐蝕能力。研究結(jié)果表明，由于氮價格十分低廉、可以部分甚至全部取代鎳以及合金化后展現(xiàn)出的優(yōu)良性能。文獻[6]為一專利項目，介紹了一種0Cr12Mn12Ni3Cu2RE奧氏全體不銹鋼，以廉價錳代替貴金屬鎳，并加入稀土元素，制造成本低，與國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的1Cr18Ni9類奧氏體不銹鋼相比，有較好的加工性能，其熔煉、加工、熱處理等工藝較易控制和實現(xiàn)。對于要求耐蝕性較高，加工性好及一定強度的構(gòu)件，零件等應(yīng)用均可代替18-8型奧氏體不銹鋼。文獻[7]專利項目，介紹了一種鐵路轍叉專用含氮奧氏體錳鉻鋼，其化學成分為(wt％)C1. 0-1.2，Mn 10-13，N 0.03-0.15，Cr 1.5-2.5，Cu 0.1-1.0，Re 0.1-0.3，Si＜0.5，S＜0.03，P＜0.03；熱處理工藝為加熱到1000℃-1100℃保溫后水淬，獲得單相奧氏體組織；常規(guī)力學性能為抗拉強度＞900MPa，沖擊韌度＞150J/cm2。文獻[8]為專利項目，介紹了一種用Mn、N代替Ni的水輪機轉(zhuǎn)輪用鉻錳氮系不銹鋼，該合金含有C 0.02～0.1％，Cr 11～16％，Mn 5～10％，N 0.03～0.18％，Mo 0.3～1.0％，Si 0.17～1.0％，P≤0.035％，S≤0.03％，余量為Fe和稀土，優(yōu)先選擇的合金含C 0.03～0.07％，Cr 12～14％，Mn 7～9％，N 0.05～0.12％，Mo 0.4～0.8％，Si 0.25～0.6％。其抗汽蝕抗泥沙磨損性能優(yōu)于鉻鎳鉬系不銹鋼。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的主要是通過在印度J4牌號基礎(chǔ)上添加稀土鈰、分析C、Ni、Cr當量等重要方法重新設(shè)計鉻錳氮不銹鋼成分并優(yōu)化其性能，提高鉻錳氮系列不銹鋼連鑄、軋制性能；改善鉻錳氮系列不銹鋼的沖壓及使用性能，達到降低生產(chǎn)成本、拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域的效果。
本發(fā)明的稀土低鎳鉻錳氮不銹鋼的材料成分按重量比為C≤0.1％、Si≤1.00％、Mn 8.5～12.0％、S≤0.030％、P≤0.060％、Ni 0.6～1.3％、Cr 12.5～15.0％、Cu 0.80～2.0％、N≤0.15％、稀土鈰0.005～0.030(小批量生產(chǎn)可控為0.01～0.03)、余量為Fe。
選擇上述材料成分的理由是通過對C、N、Mn、Cr、Ni的含量與性能關(guān)系進行現(xiàn)場取樣分析，并利用碳當量、鎳當量、鉻當量等分析，結(jié)合201不銹鋼各項性能，重新設(shè)計優(yōu)化鉻錳氮不銹鋼成分，并得出其化學組成及含量與硬度的關(guān)系(1)碳氮總量在0.12％～0.2％之間，在成分范圍內(nèi)，材料的硬度變化幅度不大，硬度在HB175～HB190范圍內(nèi)；(2)碳大于0.09％，碳氮總量大于0.2％，在成分范圍內(nèi)材料的硬度可能上升到HB200以上，且不同批次材料的硬度波動加大；(3)錳含量在9％～12％之間，碳氮總量在0.12％～0.2％之間材料的硬度在HB180～HB200之間；(4)通過回復再結(jié)晶和添加0.015％～0.018％的稀土元素，可以增加材料的滑移系，改善夾雜的性能提高材料的冷軋性能；(5)材料的最佳成分范圍為C在0.055％～0.075％，Mn在9％～12％，N在0.10％～0.13％，C+N在0.12％～0.2％之間，材料性能最佳；(6)碳當量在4.7～5.1，Cr當量在14.8～16，Ni當量在10～12時，可以得到良好的奧氏體組織，且硬度在HB185～HB190之間變化。
在大生產(chǎn)條件下，稀土對改善軋制、連鑄性能的作用進行了詳細研究，取得了一定的進展(1)稀土對普通200系列不銹鋼熱軋影響試驗，碎邊是不銹鋼熱軋過程中產(chǎn)生廢品較普遍的現(xiàn)象，在生產(chǎn)工藝穩(wěn)定的條件下，產(chǎn)生碎邊的主要原因包括晶粒的大小、化學成分，加熱制度、變形(道次和總的變形量等)參數(shù)等。參照附圖，1#試樣未加稀土、2#試樣稀土加入量為0.005％。在相同軋制工藝下進行軋制，未加稀土的鋼錠軋制過程中出現(xiàn)明顯的碎邊現(xiàn)象，加稀土處理的鋼錠軋制后碎邊現(xiàn)象有很大改善。
通過對圖1、圖2的1#、2#試樣觀察發(fā)現(xiàn)，添加稀土后鋼中硫化物級別較低，熱軋后夾雜物的形態(tài)由球狀變?yōu)闂l塊狀，因此認為在稀土元素的作用下，硫化物夾雜變成多相的塑性夾雜，有利于變形。有碎邊的1#試樣的夾雜在熱軋后仍為塊狀，由于夾雜物不容易變形，在軋制力作用下存在明顯的顯微裂紋，產(chǎn)生碎邊現(xiàn)象。因此，向鋼中加入適量的稀土元素，可以使鋼中的非金屬夾雜的性質(zhì)發(fā)生變化，軋制過程中夾雜物的變形減弱了熱軋板產(chǎn)生碎邊的可能性。
(2)稀土對連鑄坯顯微組織的影響，為了研究稀土改善碎邊問題的機理，試生產(chǎn)500噸稀土連鑄坯，從中選取了5個批次，利用顯微鏡對連鑄坯的低倍組織分析其結(jié)果如下參照附圖3、4、5、6，連鑄坯1#為冶煉過程未添加稀土的鑄坯，2#、3#、4#稀土加入量依次遞增。從夾雜物分析圖可見2#、3#、4#中均有鉻的氧化物及由稀土形成的少量氧化物，且由于稀土加入量的不同，非金屬氧化物的數(shù)量也逐步上升。由低倍組織可見稀土加入改善了連鑄坯的夾雜物形態(tài)，使得條狀夾雜物變成細小顆粒，呈彌散分布。
(3)稀土對熱軋板硬化指數(shù)、強度、韌性的影響，材料的強度、韌性、硬化指數(shù)是決定熱軋板冷軋性能以及材料深沖性能的關(guān)鍵，適當?shù)慕档蜔彳埌宓挠捕?、提高材料的韌性可以提高冷軋板加工的單道次壓下量，減少碎邊現(xiàn)象的的出現(xiàn)；而適當?shù)卣{(diào)節(jié)材料的強度、硬化指數(shù)使之達到合理的匹配可以提高冷軋板的深沖性能，降低產(chǎn)品的材料消耗，減少工藝環(huán)節(jié)，節(jié)約生產(chǎn)工藝成本。經(jīng)過比對，測試結(jié)果見附圖7、8、9，從附圖中可以看到，稀土的添加具有明顯的效果，使得韌性、硬化指數(shù)得到了提高，材料的強度降低，為生產(chǎn)的工藝改進提供了理論指導。
本發(fā)明的優(yōu)點是提高了鉻錳氮系列不銹鋼連鑄、軋制性能；改善鉻錳氮系列不銹鋼的沖壓及使用性能，達到降低生產(chǎn)成本、拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域的效果。


圖1是1#試樣產(chǎn)生碎邊軋板夾雜物形態(tài)100×照片；圖2是2#試樣無碎邊軋板夾雜物形態(tài)100×照片；圖3是1#連鑄坯低倍組織結(jié)構(gòu)圖；圖4是2#連鑄坯低倍組織結(jié)構(gòu)圖；圖5是3#連鑄坯低倍組織結(jié)構(gòu)圖；圖6是4#連鑄坯低倍組織結(jié)構(gòu)圖；圖7是稀土含量與硬化指數(shù)關(guān)系示意圖；圖8是稀土含量與斷面收縮率關(guān)系示意圖；圖9是稀土含量與斷裂強度關(guān)系示意圖；圖10是小批量生產(chǎn)稀土低鎳鉻錳氮不銹鋼的工藝流程圖。
具體實施例方式
例一以爐容100kg中頻感應(yīng)爐為例。
1.選料選取本鋼種返回料，冶煉前經(jīng)壓塊處理以便于熔化，應(yīng)當注意的是，由于奧氏體不銹鋼均無磁性，不可以通過有無磁性來篩選，所以在返回料挑選時應(yīng)多加注意，以防止混料而導致的成分不合格；選料還應(yīng)注意原料表面清潔度、氧化度，以及原料尺寸是否適合爐口等問題。
2.準備工作檢查電柜、水循環(huán)系統(tǒng)、爐襯密實程度、鑄模、感應(yīng)圈是否漏水等，準備就緒即可開始冶煉；打爐襯北方地區(qū)以堿性材料為主，南方可選酸性材料作為爐襯。
3.重熔期重熔期升溫至1600℃。
4.化鋼周期第一爐1小時30分，其后1小時。
5.精煉期溫度要求≥1580℃，加入精煉劑脫氧、硫，此時應(yīng)待脫氧反應(yīng)5～10分鐘后加入除渣劑，稍后扒渣。
6.出鋼經(jīng)除渣處理后，溫度達到1630℃～1650℃，可稍做保溫，即可出鋼。
7.澆鑄可根據(jù)后續(xù)處理工藝，通過頂鑄或底鑄澆鑄合適軋制尺寸的鋼錠以待軋制處理，或直接澆鑄成各類鑄件。
8.工藝流程見附圖10。
例二以30噸電爐+40噸AOD爐二步法冶煉不銹鋼為例。
1.原料、電爐化鋼要求原料工序根據(jù)料源和鋼成份精心備料，盡量減少裝料次數(shù)，合理布料，防止塌料斷電極，實現(xiàn)快速化鋼。
配料要求Ni1.0-1.2％ Cr12.5～15.0％ P≤0.040(1)電爐包內(nèi)鋼水成分控制標準

(2)電爐出鋼溫度≥1630℃，包中溫度≥1550℃，要求鋼水出盡，爐內(nèi)無剩余鋼水或廢鋼。
(3)化鋼周期第一爐2小時，其后1小時30分。
(4)裝入量連鑄第一爐40噸，其后38噸。
2.AOD爐(1)兌鋼前PO≥1.5Mpa；PAr≥1.7Mpa；PN≥1.7Mpa。
(2)兌鋼前吹氮氣800m3/h，兌鋼后取樣，測溫，溫度低于1530℃，加Al升溫。
(3)吹煉各期控制總流量2000-2500m3/h。
I期氧∶氮＝8∶1～3∶1終點C0.20～0.30％溫度1680～1700℃。
II期氧∶氮＝1∶1～1∶3終點C0.06～0.08％溫度1720～1740℃。
兌鋼前爐內(nèi)加入石灰500kg，10分鐘后分4批加石灰總量4噸，同時調(diào)整Cr、Ni、Cu。
(4)加入電解錳(根據(jù)鋼水量和鋼中Mn含量確定)，同時加入硅鐵500～700kg，吹氧助熔升溫。氧∶氮＝1000～1100m3/h，吹煉約3～6分鐘，測溫度。
(5)純吹氮1200m3/h 2～3分鐘。鋼水溫度高可延長吹氮時間。適量加入硅鐵予還原。
純吹氬流量900m3/h 3～5分鐘，確保氮在鋼水中充分溶解。
(6)取樣全分析，測溫、扒渣60％，按噸鋼1～3kg加入硅鈣粉還原。
(7)調(diào)整成份出鋼，出鋼前純吹A(chǔ)r氣4分鐘以上，包中加硅鈣亞合金或硅鈣塊80kg(根據(jù)鋼中Si含量調(diào)整)。
(8)出鋼溫度連鑄第一爐出鋼溫度1700℃，包中溫度1650±10℃。
連鑄第二爐出鋼溫度1680℃，包中溫度1630±10℃。
AOD爐操作要點(1)控制好終點C≤0.10％(≮0.03)，嚴禁過氧化操作。
(2)鋼包中按規(guī)定1.5～2kg加入CaSi塊。
(3)出鋼前用CaSi粉調(diào)渣后出鋼。
(4)鋼水必須保證3～5分鐘的吹A(chǔ)r時間，不得大翻花，Ar氣壓力≤3kg，同時進行喂稀土線操作，每爐按計算喂稀土40kg(每米按0.35kg計算)。
(5)出鋼前鋼水成份以分析為準，要求C≤0.10％，Si≥030％，Cr≥13.3％，Mn≥9.5％，S≤0.025％，出鋼時進行成份調(diào)整，成份符合內(nèi)控標準，補加合金總量≤合金總含量的3％。
(6)出鋼前嚴禁返吹，如因溫度低造成返吹時，返吹后必須保證純吹A(chǔ)r氣3～5分鐘，確保脫氧良好。
(7)出鋼鋼水溫度符合規(guī)程要求。
3.連鑄控制要點(1)澆注用原材料保護渣、覆蓋劑要求按烘烤制度進行烘烤；鋼筋棒、引錠鉤頭清潔無銹；石棉布、石棉繩要干燥；廢鋼屑使用前經(jīng)烘烤去除污垢和水份。
(2)嚴禁結(jié)晶器漏水情況下澆鋼。
(3)中間包烘烤要求大于1小時30分，同時烘烤侵入式水口，中間包烘烤溫度≥1000℃，侵入式水口烘烤溫度≥850℃，水口與塞棒頭部完全烤紅狀態(tài)，防止開澆塞棒沾上水口出現(xiàn)散流或炸裂。
(4)澆注過程保持中間包液面穩(wěn)定，保持中包正常工作液面在400mm左右。
(5)隨時補加中間包覆蓋劑，防止鋼液裸漏吸氣。
(6)澆注中控制好結(jié)晶器液面，保持平穩(wěn)，使結(jié)晶器液面保持在距結(jié)晶器上口50～70mm的位置，塞棒正常使用時由塞棒調(diào)整，塞棒不能調(diào)整時，由拉速控制液面，同時注意隨時添加保護渣，注意內(nèi)弧兩角的渣圈。
(7)觀察鑄坯出二冷室的坯溫，隨時調(diào)節(jié)二冷水量。
連鑄澆注過程中，應(yīng)保持拉速的穩(wěn)定，正常工作拉速由機長據(jù)情而定，參考值如下130×400mm的斷面，溫度＜1500℃拉速0.8～1.0m/mim，溫度＞1500℃拉速0.6～0.8m/mim；130×510mm的斷面，溫度＜1500℃拉速0.7～0.8m/mim，溫度＞1500℃拉速0.6～0.7m/mim。
權(quán)利要求
1.一種稀土低鎳鉻錳氮不銹鋼，其特征是不銹鋼的材料成分按重量比為C≤0.1％、Si≤1.00％、Mn 8.5～12.0％、S≤0.030％、P≤0.060％、Ni 0.6～1.3％、Cr 12.5～15.0％、Cu0.80～2.0％、N≤0.15％、稀土鈰0.005～0.030、余量為Fe。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不銹鋼，其特征是C 0.055％～0.075％、Mn 9％～12％、N0.10％～0.13％、C+N 0.12％～0.2％。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種稀土低鎳鉻錳氮不銹鋼，屬于不銹鋼材料。其材料成分按重量比為C≤0.1％、Si≤1.00％、Mn 8.5～12.0％、S≤0.030％、P≤0.060％、Ni 0.6～1.3％、Cr 12.5～15.0％、Cu 0.80～2.0％、N≤0.15％、稀土鈰0.005～0.030(小批量生產(chǎn)可控為0.01～0.03)、余量為Fe。其優(yōu)點是提高了鉻錳氮系列不銹鋼連鑄、軋制性能；改善鉻錳氮系列不銹鋼的沖壓及使用性能，達到降低生產(chǎn)成本、拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域的效果。
文檔編號C22C38/58GK1876882SQ20061010336
公開日2006年12月13日 申請日期2006年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月21日
發(fā)明者袁書強, 史紹斐, 陳國豪, 梁義光, 邢勇, 張貴才, 李亞哲 申請人:內(nèi)蒙古華業(yè)特鋼股份有限公司