一種馬氏體不鏽鋼及其製造方法
2023-10-07 04:11:39
專利名稱：一種馬氏體不鏽鋼及其製造方法
技術領域：
本發明涉及馬氏體不鏽鋼，尤其涉及具有高強塑性、高低溫衝擊韌性和耐腐蝕性 的可用於製造船的液壓缸軸的馬氏體不鏽鋼。
背景技術：
船舶液壓系統是船體動力傳輸的樞紐，以液體作為工作介質，利用液體的壓力 能來實現運動和動力傳遞的一種傳動方式。近年來，隨著船舶向大型化、高速化方向發 展，對艦船用鋼(船用鋼)的綜合使用性能提出了更高的要求，按歐洲船級社的認證要 求(高標準要求)，該類材料的綜合使用性能應達到抗拉強度(Rm)800MPa，屈服強度 (RpO. 2)600MPa，延伸率(A) 15%，斷面收縮率(Z) 50 %，低溫衝擊韌性(_20°C衝擊Akv要達 到27J以上)。按鋼類分布，船用鋼一般可劃分成船用不鏽鋼和船用結構鋼。按鋼的金相組織分 類，船用不鏽鋼的材料主要有奧氏體不鏽鋼、雙相不鏽鋼、馬氏體不鏽鋼。耐海水腐蝕的船 用馬氏體不鏽鋼，是目前用途較為廣泛的船用不鏽鋼。目前，船用馬氏體不鏽鋼主要分為不含Ni不鏽鋼(Ni含量小於5% )和含Ni不鏽 鋼。不含Ni不鏽鋼(例如17Crl6Ni2、14Crl6Ni2和X17CrNil6_2)的材料製造成本 較低(低Ni，或不含M)，其能滿足普通的海洋運輸需要，但是，其低溫衝擊韌性較差，僅為 10-20J (例如 17Crl6Ni2 的 _20°C衝擊 Akv 僅為 10-15J，14Crl6Ni2 和 X17CrNil6_2 的 _20°C 衝擊Akv僅為15-20J)，這不能滿足低溫海洋環境的海洋運輸需要(歐洲船級社的高標準認 證要求_20°C衝擊Akv大於27J)。含Ni不鏽鋼(例如X4CrNiMo 16-5-1)的低溫衝擊較好(-20 °C衝擊Akv可 以達到100J以上)，能夠滿足低溫海洋環境的海洋運輸需要，然而，其中Ni含量高達 5. 0% -6. 0%，由於Ni是貴重金屬元素，因此鋼材的成本限制了該類材料的普及應用。已有一些專利申請涉及高韌性的馬氏體不鏽鋼，例如CN200710099335. 3和 CN200310104844. 2公開的高韌性馬氏體不鏽鋼，但其中Mo、Ti元素的含量較高，因此冶煉 成本明顯過高。由此可見，設計一種經濟型的高性能的馬氏體不鏽鋼，以滿足低溫海洋環境的海 洋運輸要求，尤其是滿足歐洲船級社的高標準認證要求，已成為鋼鐵製造商的技術追求。
發明內容
本發明的目的在於提供一種馬氏體不鏽鋼，其綜合使用性能達到船用鋼的標 準(即抗拉強度(Rm) 800MPa,屈服強度(RpO. 2) 600MPa,延伸率(A) 15 %，斷面收縮率 (Z) 50% )，低溫衝擊韌性符合歐洲船級社的高標準認證要求(即-20°C衝擊Akv達到27J以 上)，並且製造成本低。本發明所提供的馬氏體不鏽鋼，其成分質量百分比為碳0. 10-0. 15%，矽0. 20-0. 50 %，猛0. 50-1. 50 %, If 2. 00-4. 00 %，鉻15. 00-17. 00 %，銀0. 03-0. 30 %， 氮0. 020-0. 200%，稀土 0. 01-0. 10%，銅彡 0. 25%，硫彡 0. 025%，磷彡 0. 040%，餘為 Fe
和不可避免雜質。
優選地，上述馬氏體不鏽鋼，其成分質量百分比為碳0. 10-0. 15 %、矽 0. 30-0. 50 %、猛0. 60-1. 00 %, Il 2. 40-4. 00 %、鉻15. 30-17. 00 %、銀0. 04-0. 20 %、 氮0. 024-0. 160%、稀土 0. 01-0. 10%、銅彡 0. 25%、硫彡 0. 025%、磷彡 0. 040%，餘為 Fe
和不可避免雜質。優選地，上述馬氏體不鏽鋼，其中Cr eq = 16. 00-17. 73 %, Ni eq = 6. 35-11. 92%，並且 Cr eq/Ni eq 為1· 30-2. 20 ；所述Cr eq = Cr+2Si+l. 5Mo+5V+5. 5A1+1. 5Τ +1. 75Nb+0. 75W ；所述Ni eq = Ni+0. 5Mn+30C+25N+Co+0. 3Cu。優選地，其中所述稀土是鑭系稀土元素鑭。優選地，上述馬氏體不鏽鋼，其屈服強度RpO. 2為600_750MPa，抗拉強度Rm為 800-950MPa，延伸率 A 為 15-25%，斷面收縮率 Z 為 55-60%，-20°C衝擊 Akv 為 35-65J。本發明的另一個目的在於提供所述馬氏體不鏽鋼的一種製造方法，該方法包括(1)熔煉、精煉、採用模鑄工藝生產鋼錠和退火，所述退火包括720 士 10°C保溫，然後以不超過50°C /小時的速度冷卻到 1500C -250°C後空冷；(2)熱鍛、第一次退火和第二次退火，所述熱鍛的保溫溫度為1150士 10°C，開鍛溫度不低於1050°C，終鍛溫度不低於 900 °C,所述第一次退火包括690士 10°C保溫，然後以不超過50°C /小時的速度冷卻到 1500C 士50°C後空冷，所述第二次退火包括690士 10°C保溫，然後以不超過20°C /小時的速度冷卻到 150士50°C後空冷；(3)調質熱處理，包括淬火、第一次回火、第二次回火，其中淬火包括950 1050°C保溫，空冷至200°C 士50°C，其中第一次回火包括700士 10°C保溫，然後以不超過30°C /小時的速度緩冷至 200 0C 士 50°C，其中第二次回火包括690士 10°C保溫，空冷至室溫。優選地，步驟(1)中退火在鋼錠脫模後30分鐘內進行。優選地，步驟(1)中退火的保溫時間彡16小時。優選地，步驟(1)中的鋼錠是2. 3噸錠型，其退火保溫時間優選為16-18小時。優選地，步驟(1)中的鋼錠是3. 7噸錠型，其退火保溫時間優選為18-20小時。優選地，步驟(2)中第一次退火在終鍛後30分鐘內進行。優選地，步驟(2)中熱鍛的保溫時間不低於4小時。優選地，步驟(2)中第一和第二次退火的保溫時間為24小時以上。優選地，步驟(2)中第一次退火的空冷時間為2-4小時。優選地，步驟(2)中獲得鍛棒，其規格為Φ 100mm-400mm，
對於φ 100mm-150mm的鍛棒，步驟(3)中的淬火保溫時間優選為2_2. 5h，第一和第 二次回火的保溫時間優選為3-4h ；對於φ 151mm-250mm的鍛棒，步驟(3)中的淬火保溫時間優選為3. 5_4h，第一和第 二次回火的保溫時間優選為5-6h ；對於φ 250mm-400mm的鍛棒，步驟(3)中的淬火保溫時間優選為4_6h，第一和第二 次回火的保溫時間優選為6-8h。本發明合金成分設計的說明如下碳是穩定奧氏體的元素，同時碳在不鏽鋼中與Cr、Mn、Mo等合金元素形成碳化物 固溶於鐵素體中強化基體，使鋼的強度和硬度大幅度提高，但C過高則對韌性及晶間腐蝕 不利，因此碳控制為0. 10-0. 15可以在獲得高強度的同時確保良好的韌性及耐腐蝕性。錳是奧氏體穩定化元素，但錳的作用不在於形成奧氏體，而是在於它降低鋼的臨 界淬火速度，在冷卻時增加奧氏體的穩定性，抑制奧氏體的分解。因此錳可以強烈增加鋼的 淬透性，有利於在生產中採用直接空冷淬火就可得到馬氏體組織。同時，Mn還起到脫氧劑 和脫硫劑的作用，可淨化鋼液，但過高會促使晶粒粗大，此外，在提高鋼的耐腐蝕性能方面， 錳的作用不大，因此控制為0. 50-1. 50。矽是鐵素體形成元素，對形成奧氏體有不良的影響，矽固溶於鐵素體和奧氏體中， 有明顯的強化作用。矽降低碳在奧氏體中的溶解度，促使碳化物析出，提高強度和硬度。同 時，矽和氧的親和力僅次於鋁和鈦，而強於錳、鉻、釩，是良好的還原劑和脫氧劑，可提高鋼 的緻密度，但矽過高將顯著降低鋼的塑性和韌度，因此控制為0. 20-0. 50可以保證良好的 強韌性及耐晶間腐蝕性能。鉻是碳化物形成元素，促進了鋼的鈍化並使鋼保持穩定鈍態的結果。同時，鉻又是 強烈形成並穩定鐵素體的元素，溶於奧氏體中強化基體且不降低韌度，縮小奧氏體區，推遲 過冷奧氏體轉變，增加鋼的淬透性。使鋼的強度和硬度明顯提高，對抗晶間腐蝕和抗氧化能 力是有益的。此外鉻能細化晶粒，提高調質鋼的回火穩定性，因此，本發明鋼設計鉻含量為 15. 00-17. 00%。鎳是形成並穩定奧氏體的元素，改善高鉻鋼的組織，使不鏽鋼的耐腐蝕性能及工 藝性能獲得改善，使鋼具有良好的強度和塑性、韌性的配合。但鎳是影響不鏽鋼成本的主要 合金元素，因此，控制鎳含量為2. 00-4. 00%。氮是不鏽鋼中的重要合金元素，是一種提高不鏽鋼強度、耐腐蝕性和奧氏體穩定 性的有效元素，除可代替部分鎳以節約貴重的鎳元素外，主要是作為固溶強化元素提高鋼 的強度和耐腐蝕性能，因此從強塑性和冷熱加工性能、疲勞性能及耐高溫腐蝕性能考慮，本 發明加入0. 020-0. 200%的氮是最合適的含量。鉬是形成和穩定鐵素體並擴大鐵素體相區的元素，可強化鋼中鉻的耐蝕作用。但 是鉬會促進不鏽鋼中金屬間相(如ο相)的沉澱，對鋼的塑性和韌性會產生不利影響。因 此，綜合考慮，加入0. 03-0. 30 %。稀土在不鏽鋼中改善熱加工性是很有效的，稀土有淨化和變質作用，可以改善夾 雜物形態，減少ο相的析出，又可以細化晶粒，因此可以提高鋼的塑性和韌性。此外稀土還 可提高耐熱鋼的抗氧化性。加入0.01-0. 10%的稀土能起到上述作用，本發明優選加入鑭系 稀土元素鑭(La)。
硫、磷在技術條件允許情況下應儘可能降低其含量，以減少原奧氏體晶界處的偏 聚，提高韌性。殘餘元素(例如銅)和氣體含量控制在相當低含量水平，使鋼具有相當高的 純淨度，溶於奧氏體中的碳元素與各元素之間達到理想的最佳配比含量，從而使材料具有 良好的強度、韌性、耐腐蝕性等綜合性能。本發明通過優化和嚴格控制鋼的化學成分(增加MruN含量，降低Cr、Si含量)並 適當添加稀土元素，提高了鋼的強塑性和衝擊韌性；本發明還通過適當的退火工藝及調質 工藝，最終獲得穩定、均勻的調質組織。具體地說，本發明具有以下優點(1)本發明降低了鎳含量，降低了合金成本，有效的節約了鎳資源，與 X4CrNiMo 16-5-1馬氏體不鏽鋼相比，鎳下降了 2個百分點；(2)和常規Cr-17型馬氏體不鏽鋼相比，本發明馬氏體不鏽鋼的抗拉強度(Rm) (800-950Mpa)和屈服強度(RpO. 2) (600_750Mpa)稍有提高，伸長率(A) (15-25% )和斷面 收縮率⑵(55-60% )有較大(約20% )的提高，-20°C衝擊值(Akv) (35-65J)提高了 2倍 以上。總體上，本發明在不增加冶煉成本的基礎上解決了現有馬氏體不鏽鋼的低溫衝擊 韌性偏低及易發生應力裂紋和低溫脆斷的問題，本發明的馬氏體不鏽鋼可用作船用鋼，其 能提高船用設備的整體穩定性，進一步滿足海洋運輸工業發展的要求。本發明的馬氏體不 鏽鋼尤其適合用於製造船用液壓缸軸。
圖1是X17CrNi 16-2鋼的組織金相圖；圖2是實施例3的馬氏體不鏽鋼的組織金相圖。本發明將在下面通過優選的具體實施方式
進行說明，應當注意的是，這些具體實 施方式僅僅是示範性的，不對本發明的範圍進行限制。
具體實施例方式實施例化學成分見表1，製備工藝參數見表2，力學性能見表3，其製備過程如下。 實施例和X17CrNil6-2的化學成分以及力學性能的對比見表4。第一步冶煉40噸EAF電弧爐初煉，底攪拌模式採用氮氣，電爐還原劑使用碳化矽、矽球；初煉 結束後轉40噸A0D/LF爐精煉，出鋼前拉清還原渣，1680°C時加入合金，吹氧脫碳至0. 30% 時，加入石灰800kg，吹氧脫碳至0. 10%時，再加入石灰800kg。終點碳控制< 0.03%，吊 包溫度1540-1550°C ；模鑄2. 3噸鋼錠澆畢120分鐘後起吊；鋼錠脫模後30分鐘進行熱裝 720°C保溫退火，退火時間16小時。第二步鍛造鋼錠冷送至4000噸快鍛開坯為280八角鍛造自用坯，回爐加熱至1050°C保溫1. 5 小時後送至1300噸徑鍛成品(^110讓鍛棒，終鍛9001熱裝退火，6901兩段退火，保溫48 小時後隨爐緩冷至200°C出爐。第三步成品調質成品鍛棒整體調質處理，淬火工藝為550°C進爐，以每小時不大於50°C的升溫速度加熱至950°C保溫2. 5小時後出爐空冷淬火；空冷至200°C時進爐回火，回火工藝為 700°C保溫4小時後緩冷至200°C然後再次進爐加熱至650°C保溫4小時後隨爐冷卻至 250 °C出爐。機械性能測試方法布氏硬度(HBW)測試方法為GB/T 231. 1金屬布氏硬度試驗第1部分試驗方法； 室溫拉伸(Rm，RpO. 2，Α, Ζ)測試方法為GB/T 228金屬材料室溫拉伸試驗方法；衝擊韌性 (Akv)測試方法為GB/T 229金屬夏比缺口衝擊試驗方法。比較圖1和圖2的可知，本發明馬氏體不鏽鋼的基體組織比X17CrNil6_2不鏽鋼 更加細緻和均勻。通過表4的對比可知，本發明的馬氏體不鏽鋼在不降低強度指標的同時 較大的提高了塑性指標，其低溫衝擊性能明顯高於X17CrM16-2，能夠滿足船用的要求，尤 其對於解決低溫下船用軸衝擊韌性低的問題，以及提高遠洋運輸效率具十分重要的現實意 義。
表4實施例和X17CrNil6_2的化學成分及性權利要求
1.一種馬氏體不鏽鋼，其成分質量百分比為碳0· 10-0. 15 矽0· 20-0. 50 猛0· 50-1. 50 鎳2· 00-4· 00 %、鉻 15. 00-17. 00%、鉬0. 03-0. 30%、氮0. 020-0. 200%、稀土 0. 01-0. 10%、銅;^ 0. 25%、硫 ^ 0. 025%、磷< 0. 040%，餘為Fe和不可避免雜質。
2.如權利要求1所述的馬氏體不鏽鋼，其成分質量百分比為碳0· 10-0. 15 矽0· 30-0. 50 猛0· 60-1. 00 鎳2· 40-4. 00 %、鉻 15. 30-17. 00%、鉬0. 04-0. 20%、氮0. 024-0. 160%、稀土 0. 01-0. 10%、銅彡 0. 25%、硫 ^ 0. 025%、磷< 0. 040%，餘為Fe和不可避免雜質。
3.如權利要求1或2所述的馬氏體不鏽鋼，其中Creq = 16. 00-17. 73%, Nieq = 6. 35-11. 92%，並且 Cr eq/Ni eq 為1. 30-2. 20 ；所述 Cr eq = Cr+2Si+l. 5Mo+5V+5. 5A1+1. 5Τ +1. 75Nb+0. 75W ；所述 Ni eq = Ni+0. 5Mn+30C+25N+Co+0. 3Cu。
4.如權利要求1-3任何一項所述的馬氏體不鏽鋼，其中所述稀土是鑭系稀土元素鑭。
5.如權利要求1-4任何一項所述的馬氏體不鏽鋼，其屈服強度RpO.2為600-750MPa， 抗拉強度Rm為800-950MPa，延伸率A為15-25%，斷面收縮率Z為55-60%，-20°C衝擊Akv 為 35-65J。
6.如權利要求1-5任何一項所述的馬氏體不鏽鋼的製備方法，包括(1)熔煉、精煉、採用模鑄工藝生產鋼錠和退火，所述退火包括720士 10°C保溫，然後以不超過50°C /小時的速度冷卻到150°C -250°C 後空冷；(2)熱鍛、第一次退火和第二次退火，所述熱鍛的保溫溫度為1150士 10°C，開鍛溫度不低於1050°C，終鍛溫度不低於900°C，所述第一次退火包括690 士 10°C保溫，然後以不超過50°C /小時的速度冷卻到 1500C 士50°C後空冷，所述第二次退火包括690 士 10°C保溫，然後以不超過20°C /小時的速度冷卻到 150士50°C後空冷；(3)調質熱處理，包括淬火、第一次回火、第二次回火，其中淬火包括950 1050°C保溫，空冷至200°C 士50°C，其中第一次回火包括700 士 10°C保溫，然後以不超過30°C /小時的速度緩冷至 200 0C 士 50°C，其中第二次回火包括690士 10°C保溫，空冷至室溫。
7.如權利要求6所述的方法，其中步驟(1)中退火在鋼錠脫模後30分鐘內進行。
8.如權利要求6或7所述的方法，其中步驟(1)中退火的保溫時間>16小時。
9.如權利要求6-8任何一項所述的方法，其中步驟(1)中的鋼錠是2.3噸錠型或3. 7 噸錠型，所述2. 3噸錠型的退火保溫時間為16-18小時，所述3. 7噸錠型的退火保溫時間為 18-20小時。
10.如權利要求6-9任何一項所述的方法，其中步驟(2)中第一次退火在終鍛後30分 鍾內進行。
11.如權利要求6-10任何一項所述的方法，其中步驟(2)中熱鍛的保溫時間不低於4小時。
12.如權利要求6-11任何一項所述的方法，其中步驟(2)中第一和第二次退火的保溫 時間為24小時以上。
13.如權利要求6-12任何一項所述的方法，其中步驟(2)中第一次退火的空冷時間為 2-4小時。
14.如權利要求6-13任何一項所述的方法，其中步驟⑵中獲得鍛棒，其規格為 Φ 100mm-400mm ；對於Φ 100mm-150mm的鍛棒，步驟(3)中的淬火保溫時間為2_2. 5h，第一 和第二次回火的保溫時間為3-4h ；對於(M51mm-250mm的鍛棒，步驟(3)中的淬火保溫時 間為3. 5-4h，第一和第二次回火的保溫時間為5-6h ；對於(j5 251mm-400mm的鍛棒，步驟(3) 中的淬火保溫時間為4-6h，第一和第二次回火的保溫時間為6-8h。
全文摘要
本發明公開了一種馬氏體不鏽鋼，其成分質量百分比為碳0.10-0.15％、矽0.20-0.50％、錳0.50-1.50％、鎳2.00-4.00％、鉻15.00-17.00％、鉬0.03-0.30％、氮0.020-0.200％、稀土0.01-0.10％、銅≤0.25％、硫≤0.025％、磷≤0.040％，餘為Fe和不可避免雜質。本發明的馬氏體不鏽鋼具有高強塑性、高低溫衝擊韌性和耐腐蝕性，可用於製造船的液壓缸軸。本發明還公開了所述馬氏體不鏽鋼的一種製造方法。
文檔編號C21D1/18GK102102163SQ20091020144
公開日2011年6月22日 申請日期2009年12月18日 優先權日2009年12月18日
發明者王凱 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司