專利名稱：一種中氮高錳奧氏體不銹鋼的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種奧氏體不銹鋼，特指一種中氮高錳奧氏體不銹鋼。

背景技術：
奧氏體不銹鋼是最重要的一類不銹鋼，其生產量和使用量約占不銹鋼總產量及用量的70％，鋼號也最多。幾十年來，國內外使用最廣泛的是鎳鉻不銹鋼。但是這樣的不銹鋼有兩個比較嚴重的問題。首先是強度、硬度偏低，限制其廣泛使用；其次，是由于鎳和鉻元素的地礦藏量相對較少，所以制取成本高昂。針對第一個問題，人們開展了奧氏體不銹鋼中摻雜氮的研究，發(fā)現氮可以穩(wěn)定奧氏體組織，可以提高強度，其作用比碳及其他合金元素強，氮減少奧氏體密排面上不全位錯，限制了含間隙雜質原子團的Splintered位錯運動；摻雜氮同樣可以提高耐腐蝕性能，特別是耐局部腐蝕、如晶間腐蝕、點腐蝕和縫隙腐蝕。氮作為合金化元素使用最早報道于1938年。由于鋼鐵冶煉條件的限制。在常壓下能加入的氮濃度比較低，因此作用不明顯。隨著加壓冶金技術的發(fā)展，氮作為強烈間隙元素，以廉價、易得等特點再次引起人們的注意。僅從1988年到1995年，高氮鋼的國際性會議便召開了6次。日前高氮鋼的研究在俄羅斯、瑞典、德國、法國和日本等國家迅速發(fā)展，給材料學科提供了更加廣闊的天地。根據氮在奧氏體不銹鋼中的含量，可將含氮奧氏體不銹鋼大致分為控氮型(氮含量在0.05％～0.10％)、中氮型(氮含量0.10％～0.40％)和高氮型(氮含量在0.40％以上)3類。國內對控氮型和中氮型奧氏體不銹鋼的研究、開發(fā)作了大量工作，對高氮型奧氏體不銹鋼的研究工作還剛剛開始。針對第二個問題，目前學術界和產業(yè)界開展了高錳低鎳、高錳無鎳鋼的研究，首先，該類鋼可以極大地降低成本；其次，高的錳含量可以提高氮在奧氏體中的固溶度，氮的溶解度會隨合金中鉻和錳含量的增加而增大，并隨著鎳含量的增加而減少。因而用錳取代鎳作為主要的奧氏體化合金元素是必然趨勢。錳和氮的共同作用，可以穩(wěn)定奧氏體組織并提高材料的強度，而且其耐蝕性不受影響。最后，降低鎳含量可以提高奧氏體不銹鋼的生物相容性，擴大該類材料的使用范圍。因此，含氮的高錳奧氏體不銹鋼將會是新一代奧氏體不銹鋼，將會得到越來越廣泛的重視。
最近也出現了一些合理降低奧氏體不銹鋼中鎳成分的設計及專利，如專利號為01111434.7公布的“一種奧氏體不銹鋼”，它含有一定量的Mo和Al，具有良好的耐酸堿腐蝕性能，但強度不高。專利號為200410041285.X公布的一種“奧氏體不銹鋼”，這種鋼雖然降低了鎳成分，但是其抗拉強度等力學性能有所減弱。專利號為200510063018.7提到的少鎳奧氏體不銹鋼含有較低含量的錳，不含氮，因此其抗拉強度等力學性能也較低。


發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種原料豐富、成本低廉、綜合力學性能良好、使用溫度范圍寬、耐腐蝕性能、生物相容性良好的奧氏體不銹鋼。
一種中氮高錳奧氏體不銹鋼，其特征在于按質量分數計算，包含以下組分0.25～0.45％的N、≤0.10％的C、20.0～26.0％的Mn、0～2.0％的Ni、13.0～19.0％的Cr、≤0.05％的S、≤0.05％的P、≤1.0％的Si、余量為Fe。
優(yōu)選含量為 ①0.35～0.45％N、≤0.05％C、23.0～25.0％Mn、≤0.5％Ni、13.0～14.0％Cr、≤0.05％S、≤0.05％P、≤1.0％Si、余量為Fe。
②0.30～0.40％N、≤0.05％C、24.0～26.0％Mn、≤1.0％Ni、18.0～19.0％Cr、≤0.05％S、≤0.05％P、≤1.0％Si、余量為Fe。
確定上述主要化學成分范圍的理由如下 1.錳錳是奧氏體形成元素，具有強烈的穩(wěn)定奧氏體組織的作用，并且提高氮在鋼中的溶解度。在節(jié)鎳奧氏體不銹鋼中，錳是非常重要的合金元素之一，常與鎳等元素共同加入到鋼中，以節(jié)約鎳或取代鎳。
2.鉻鉻是不銹鋼中最重要的元素，是鋼獲得不銹性、抗蝕性的重要元素。本發(fā)明的奧氏體不銹鋼的鉻含量范圍既保證鋼有良好的不銹耐蝕性能，又保證獲得奧氏體組織。
3.鎳鎳是強烈的形成、穩(wěn)定奧氏體組織并擴大奧氏體區(qū)的元素。但是鎳降低了氮在合金中的溶解度，降低鋼的熱加工性能，而且惡化鋼的生物相容性。因此，本發(fā)明的奧氏體不銹鋼基本上無鎳或含有少量的鎳，目的是降低鋼的制造成本，并且改善熱加工性能，提高生物相容性。
4.氮氮是非常強烈地形成并穩(wěn)定奧氏體組織的元素，可以使得鋼在低溫下也保持奧氏體組織。氮在奧氏體不銹鋼中可以代替部分鎳，從而降低鋼的制造成本。氮屬于固溶強化元素，可以提高奧氏體不銹鋼的強度但是并不顯著損害鋼的塑性和韌性。而且，氮的加入可以延緩碳化物的析出，從而使其耐晶間腐蝕性能得到提高。
5.碳碳在奧氏體不銹鋼中是強烈形成、穩(wěn)定并擴大奧氏體區(qū)的元素。但是碳含量過高影響鋼的塑性，不利于冷加工，并且降低鋼的耐蝕性能。
6.硅硅是脫氧元素，另外也是提高抗氧化性、耐水蒸汽氧化性等的有效元素。但是硅是強烈的鐵素體形成元素，另外，當硅含量超過2％時，會促進金屬間化合物在高溫情況下的析出，因此為了保護本發(fā)明的不銹鋼獲得奧氏體組織，并且提高奧氏體組織的穩(wěn)定性，必須限制硅的含量。
7.磷磷是鋼在冶煉過程中極難避免的有害元素，應盡量控制在0.05％(質量分數)以下。
8.硫硫是鋼在冶煉過程中極難避免的有害元素，應盡量控制在0.05％(質量分數)以下。
本發(fā)明的奧氏體不銹鋼具有以下優(yōu)點 1)成本低。本發(fā)明的奧氏體不銹鋼采用了高錳、中氮的合金成分，其熔煉的原材料可以采用常用的工業(yè)電解錳，低碳鉻鐵，來源充足，價格低廉，成本低于18-8鎳鉻不銹鋼。
2)強度高、韌性好、耐磨損性能好。室溫屈服強度(σs)大于430MPa，比常用的鎳鉻不銹鋼1Cr18Ni9Ti高60％以上，室溫強度極限(σb)大于790MPa，比1Cr18Ni9Ti高30％以上。由于氮的加入，極大地提高了鋼的強度，并且經過退火，可以得到細小的氮化物析出物，因此，鋼的耐磨損性能得到了提高。
3)本合金的延伸率高達40％，具有良好的冷加工性能。
4)本合金具有良好的耐腐蝕性能。尤其在強堿、氧化性酸(如HNO3)等溶液中的耐全面腐蝕性、耐晶間腐蝕性、抗應力腐蝕開裂等方面具有優(yōu)良的性能。
5)本合金具有良好的室溫疲勞性能，其條件疲勞極限(σ-1)為341MPa，循環(huán)次數大于1×107次。
6)本合金具有優(yōu)良的低溫力學性能和組織穩(wěn)定性。相變臨界點Ms低于77K溫度；在低溫和超低溫下具有高的沖擊韌度和高的強度?？稍诔蜏叵率褂?。

具體實施例方式 實施例 材料1(質量分數)0.44％N、0.05％C、24.62％Mn、0.10％Ni、13.18％Cr、0.01％S、0.01％P、0.57％Si、余Fe。
材料2(質量分數)0.35N、0.05C、25.10Mn、18.20Cr、0.01％S、0.01％P、0.50Si、余Fe。
兩種材料采用真空爐中冶煉，去冒口、及鋼錠底部后進行鍛造，鍛造工藝為加熱溫度1100℃，加熱2小時，保溫半小時，開鍛溫度1030℃左右，終鍛溫度950℃以上。然后將兩種材料進行固溶處理，溫度為1050℃、保溫一小時，然后水冷。本發(fā)明的奧氏體不銹鋼可以根據需要進行鑄造或軋制成材，或再鍛打。工藝為加熱溫度1100℃，加熱2小時，保溫半小時，開鍛溫度1030℃左右，終鍛溫度950℃以上。經鍛打成坯，然后經過機械加工成零件。本發(fā)明的兩實施例的中氮奧氏體不銹鋼力學等性能如表1所示。部分對比奧氏體鋼的力學性能列于表2，可以看出本發(fā)明的奧氏體不銹鋼的力學性能得到了很大的提高；其疲勞強度較高，并且在173K下，仍然具有較好的沖擊韌性，表2部分對比奧氏體不銹鋼材料的力學性能。
本發(fā)明的奧氏體不銹鋼可以廣泛用于機械、農業(yè)工程、化工、食品、生物醫(yī)學、石油煤炭、核工業(yè)、建筑、民生用具等領域。表1中氮奧氏體不銹鋼的力學性能
注材料的屈服強度、抗拉強度、斷后延伸率和斷面收縮率的測試采用國家標準GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》；疲勞強度的測試采用國家標準GB/T4337-1984《金屬旋轉彎曲疲勞試驗方法》；(夏比V型缺口)沖擊實驗采用國家標準GB4159-84《金屬低溫夏比沖擊實驗方法》。表2部分對比奧氏體不銹鋼材料的力學性能
權利要求
1、一種中氮高錳奧氏體不銹鋼，其特征在于按質量分數計算，包含以下組分0.25～0.45％的N、≤0.10％的C、20.0～26.0％的Mn、0～2.0％的Ni、13.0～19.0％的Cr、≤0.05％的S、≤0.05％的P、≤1.0％的Si、余量為Fe。
2、根據權利要求1所述的一種中氮高錳奧氏體不銹鋼，其特征在于按質量分數計算，包含以下組分0.35～0.45％N、≤0.05％C、23.0～25.0％Mn、≤0.5％Ni、13.0～14.0％Cr、≤0.05％S、≤0.05％P、≤1.0％Si、余量為Fe。
3、根據權利要求1所述的一種中氮高錳奧氏體不銹鋼，其特征在于按質量分數計算，包含以下組分0.30～0.40％N、≤0.05％C、24.0～26.0％Mn、≤1.0％Ni、18.0～19.0％Cr、≤0.05％S、≤0.05％P、≤1.0％Si、余量為Fe。
4、根據權利要求2所述的一種中氮高錳奧氏體不銹鋼，其特征在于按質量分數計算，包含以下組分0.44％N、0.05％C、24.62％Mn、0.10％Ni、13.18％Cr、0.01％S、0.01％P、0.57％Si、余量Fe。
5、根據權利要求3所述的一種中氮高錳奧氏體不銹鋼，其特征在于按質量分數計算，包含以下組分0.35％N、0.05％C、25.10％Mn、18.20％Cr、0.01％S、0.01％P、0.50Si、余量Fe。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種奧氏體不銹鋼，特指一種中氮高錳奧氏體不銹鋼，其特征在于按質量分數計算，包含以下組分0.25～0.45％的N、≤0.10％的C、20.0～26.0％的Mn、0～2.0％的Ni、13.0～19.0％的Cr、≤0.05％的S、≤0.05％的P、≤1.0％的Si、余量為Fe。本發(fā)明的奧氏體不銹鋼降低了生產成本；該種材料含有一定含量的氮，可以有效地提高奧氏體不銹鋼的抗拉強度等力學性能，并具有良好的韌性與加工性能；另外，該種材料耐大氣、酸腐蝕能力較強，且鎳含量極少，對人體有害作用小，具有良好的生物相容性。
文檔編號C22C38/58GK101250674SQ200810023408
公開日2008年8月27日 申請日期2008年4月11日 優(yōu)先權日2008年4月11日
發(fā)明者袁志鐘, 戴起勛, 王安東, 陳康敏, 程曉農 申請人:江蘇大學