[发明专利]一种无镍亚稳奥氏体不锈钢材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无镍亚稳奥氏体不锈钢材料及其制备方法。

背景技术

奥氏体不锈钢中奥氏体的稳定性随成分的不同而存在差异。当奥氏体组织为亚稳状态时，奥氏体晶粒冷变形后会转变为应变诱导马氏体，这类板条状组织含有高密度的位错和缺陷，为奥氏体逆转变提供了大量形核位置。亚稳奥氏体不锈钢的这一特性在铬镍系和铬锰系不锈钢中普遍存在，在改善材料冷成型性的同时，还大幅度提高了材料强度。以AISI 301、AISI 201 等为代表的亚稳奥氏体不锈钢已经广泛应用于交通、建筑等领域。

传统亚稳奥氏体不锈钢中，诸如AISI 301等铬镍系不锈钢由于添加了大量镍元素导致原材料成本较高，而诸如AISI 201 等铬锰系不锈钢虽然降低了成本，但室温力学性能和耐蚀性偏低。以上因素严重制约了这类钢种的应用和发展。

中国专利CN 101077425 A、CN 102787277 A、CN 1519387 A、CN 102888566 A中公开了无镍奥氏体不锈钢虽然具有优良的力学性能，但由于其氮含量较高，属于高氮稳定奥氏体不锈钢，并不能产生应变诱导马氏体。

中国专利CN 101289729 A公开了一种“无镍亚稳奥氏体不锈钢”，虽然其具有宽广的高强度范围，但延伸率普遍较低（A₅₀<30%），没有表现出良好的综合力学性能。

由此可见，无镍亚稳奥氏体不锈钢需要在保持低成本及高强度等优点的同时，进一步提高塑韧性，以期获得优良的室温综合力学性能，达到拓展其应用领域的目的。

发明内容

本发明旨在提供一种具有优良强韧性的无镍亚稳奥氏体不锈钢材料。本发明还提供了无镍亚稳奥氏体不锈钢材料的制备方法。

本发明提供的一种无镍亚稳奥氏体不锈钢材料，化学成分以重量百分比计，含有碳C：0.05～0.10%、硅Si：0.2～0.5%、锰Mn：9～11%、铬Cr：16～17%、氮N：0.30～0.35%、钼Mo：0.8～1.5%、磷P < 0.01%、硫S < 0.01%，余量为铁Fe和不可避免杂质。

本发明的无镍亚稳奥氏体不锈钢由于不含贵重元素镍，需要通过其它奥氏体化合金元素（诸如氮、锰、碳等）的含量控制和元素配比来得到单相亚稳态奥氏体组织。下面将本发明无镍亚稳奥氏体不锈钢材料的主要化学成分的作用做详细叙述：

氮是一种非常廉价的奥氏体化元素，能够形成、稳定和扩大奥氏体相区。在奥氏体不锈钢中，氮元素的奥氏体化能力是镍元素的20~30倍，可替代镍元素进行奥氏体化。氮的加入可以提高奥氏体不锈钢的强度，同时不会明显降低塑韧性。氮元素还可以提高奥氏体不锈钢的耐缝隙腐蚀、耐晶间腐蚀和点腐蚀性能。为确保氮以间隙原子的形式固溶于奥氏体不锈钢的晶格中，同时保证室温组织为单相亚稳态奥氏体，氮含量应控制在0.30～0.35（wt）%之间。

锰是一种强烈的奥氏体稳定化元素，可提高氮元素在奥氏体不锈钢中的溶解度，形成奥氏体的能力较弱。较高的锰含量是奥氏体不锈钢无镍化的重要特征，同时为了得到亚稳态奥氏体组织，锰含量应控制在9～11（wt）%之间。

铬是奥氏体不锈钢中主要的抗腐蚀性元素，固溶于钢中的铬可显著提高固溶体中的氮含量。由于铬元素会缩小奥氏体相区，为保证耐蚀性，亚稳态奥氏体不锈钢中的铬含量应控制在16～17（wt）%之间。

碳是重要的奥氏体化元素，与氮、锰等其它元素一起作用可确保得到单相奥氏体组织，但碳含量过多会严重影响奥氏体不锈钢的塑性和耐蚀性，因此碳含量应控制在0.05～0.10（wt）%之间。

钼是提高奥氏体不锈钢耐腐蚀性能的重要元素，可进一步提高钢中的氮含量。钼与氮结合更有利于奥氏体不锈钢的钝化，但含量过多会降低钢的韧性，因此钼含量应控制在0.8～1.5（wt）%之间。

硅是不锈钢中的铁素体形成元素，钢中硅含量应控制在0.2～0.5（wt）%之间。

磷、硫是不锈钢中的有害元素，含量越低越好，应控制在0.01（wt）%以下。

通过研究各化学成分对奥氏体稳定性及材料性能的影响，最终设计出合理的元素配比，得到了亚稳奥氏体结构的无镍不锈钢材料。

本发明提供的无镍亚稳奥氏体不锈钢材料的制备方法，包括以下步骤：

① 采用真空感应炉在氮气保护气氛下进行冶炼；

② 步骤①冶炼出的铸锭在加热炉内加热至期望温度，所述期望温度范围在1200℃～1250℃之间，保温时间100～150分钟；