專利名稱：抗腐蝕不銹鋼及其制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于不銹鋼材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種抗腐蝕金屬材料及其制造工藝，特別是一種抗腐蝕不銹鋼及其制造工藝。
背景技術(shù)：
硼是一種特殊的元素，原子序數(shù)為5，介于金屬與非金屬之間，既能與金屬化合又能與非金屬化合。硼是高鉻鑄鋼中的主要合金元素，在高硼高鉻鑄鋼中加入適量的B，即可以置換碳化物中的部分碳原子，形成含硼的合金碳化物，并使碳化物體積分?jǐn)?shù)隨著硼含量的增大而增加。而且含硼碳化物平均硬度比(Cr，F(xiàn)e)7C3型碳化物提高，含硼高不銹鋼更易于摩擦誘發(fā)馬氏體相變，產(chǎn)生加工硬化，其抗磨性也較無硼不銹鋼高。同時(shí)，由于原子尺寸的差異，造成晶格扭曲，使基體組織的顯微硬度提高。再者，由于硼原子半徑較小，極易在晶界產(chǎn)生偏聚。偏聚在晶界上的硼可以抑制鐵素體新相形核，有利于提高高鉻鑄鋼的淬透性 和淬硬性。硼的這些作用對提高高鉻鑄鋼抗磨性能是有利的。但是硼元素加入量過多，將造成脆性硼化物數(shù)量增加，引起不銹鋼韌性的下降，損害不銹鋼的強(qiáng)度和韌性，當(dāng)硼元素加入量較少，不銹鋼中硼化物數(shù)量較少，對改善鑄鋼的耐磨性作用不明顯。硼在鐵中的溶解度小，因此加入鐵中的硼大部分將形成硼化物。通過控制硼含量來控制硼化物硬質(zhì)相的體積百分?jǐn)?shù)，通過控制碳含量來控制基體碳含量，進(jìn)而控制基體的性能，即通過分別控制硼和碳的含量，以實(shí)現(xiàn)材料的耐磨性和韌性。鋼中加鎳可以提高淬透性，加入鑰可以形成鑰的碳化物，提高鋼的耐磨性。而鋼中加硼可以形成硼化物，由于硼化物硬度高，耐磨性高，紅硬性好，可以代替鑰，由于硼可以提高鋼的淬透性，并且由于含硼鋼組織中含有韌、塑性優(yōu)異的無析出物鐵素體區(qū)包括住了脆性的共晶硼化物，從而吸收了在淬火過程中產(chǎn)生的各種應(yīng)力，并且抑制了裂紋從脆性的共晶硼化物處產(chǎn)生和擴(kuò)展。因此，鋼中加硼可以代替鎳和鑰。而在鋼中加入一定含量的鉻可以提高硼在奧氏體里的含量，鐵合金中加入比鐵原子半徑大的鉻、鑰和釩等元素，有助于提高硼在鐵基合金中的固溶度，改善鐵基合金性能。利用硼(B)的優(yōu)良的熱中子吸收作用，添加有硼的不銹鋼可用作核燃料輸送用容器、用畢核燃料保管架等熱中子控制材及遮斷材。一般，核能發(fā)電廠所用的用畢核燃料，于再處理工廠未處理前是被保管在發(fā)電廠內(nèi)的水池中。由于有在有限場地內(nèi)能盡可多地保管用畢核燃料的需求，所以就有在含硼不銹鋼中增加硼含量、使鋼材板厚度變薄的趨勢。奧氏體不銹鋼因其表面形成有鈍態(tài)皮膜，所以抗腐蝕性優(yōu)秀，由于使其含有硼可改善電阻特性，所以其可用作對抗腐蝕性有要求的通電用電零件。作為既要求優(yōu)秀抗腐蝕性、又要求低接觸電阻的通電用電零件的用途例，例如有利用氫和氧進(jìn)行直流電發(fā)電的燃料電池用隔板。含硼不銹鋼的熱加工，是反復(fù)進(jìn)行用加熱爐對鋼坯加熱和鍛造或壓延等加工防止被加工材溫度下降，以便在確保熱加工性能的同時(shí)進(jìn)行熱加工。由于硼含量增加時(shí)熱加工性能會下降，所以就需要邊防止被加工材溫度下降邊進(jìn)行加工，其結(jié)果是，必需增加加熱和加工的反復(fù)次數(shù)。因此，硼含量的增加或鋼的厚度薄加工將導(dǎo)致制造成本上升。另外，在對含硼不銹鋼堆焊時(shí)，為防止裂紋而確保足夠的焊接厚度，導(dǎo)致焊道數(shù)增多，焊接工數(shù)增加。此外，當(dāng)產(chǎn)生焊接裂紋時(shí)，這將成為起點(diǎn)繼而引發(fā)邊裂的產(chǎn)生，所以，很難完全防止邊裂的產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，克服和避免了前面所提到的問題，通過Cr、B、Ni、Nb、Re等元素的組合，提供一個(gè)具有優(yōu)越的抗腐蝕性能的耐熱耐腐蝕奧氏體不銹鋼，從而滿足核電工業(yè)和鍍鋅工業(yè)對該項(xiàng)目抗腐蝕性能耐熱耐腐蝕不銹鋼的要求，具有在電工業(yè)和鍍鋅工業(yè)、大型電力、石化、環(huán)保設(shè)備以及在加熱爐中使用的廣闊應(yīng)用前景。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明可以通過以下基本化學(xué)成分的設(shè)計(jì)和技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所提供的一種抗腐蝕不銹鋼化學(xué)成分及其質(zhì)量百分比為；C < 0. 10%,Cr 15 22%，Mo 0. 6 3. 0%,Ni 9. 0 10. 5%,B 0. 40 2. 0%，Cu < 0. 5%，Si < l%，Mn < 0. 9%，Ti 0. 2 0. 6%，A1 < 0. 3%,N < 0. 05%,P < 0. 04%,S < 0. 01,和不可避免的雜質(zhì)元素。本發(fā)明所提供的抗腐蝕不銹鋼及其制造工藝，其制造工藝步驟是(I)將廢鋼、鉻鐵在電爐中熔化，鋼水熔清后加入銅板、硅鐵、錳鐵，控制碳含量達(dá)到要求，爐前調(diào)整成分合格后，將熔體溫度升高至1560 1620°C，加入硅鈣合金進(jìn)行預(yù)脫氧,加入鋁終脫氧,然后依序加入鈦鐵和硼鐵熔化；(2)當(dāng)鈦鐵和硼鐵全部熔化后，將小于12mm以下的顆粒狀稀土鎂合金和金屬鈰、Si3N4^Nb和K所組成的復(fù)合變質(zhì)孕育劑用薄鐵皮包好，經(jīng)160 200°C的溫度烘烤后放在鋼水包的底部，用包內(nèi)沖入法對冶煉好的鋼水進(jìn)行變質(zhì)孕育處理；(3)將經(jīng)過包內(nèi)變質(zhì)孕育處理過的鋼水在砂型或金屬型內(nèi)澆注成鑄件，熔體澆注溫度 1400 1450 0C ；(4)鑄件清理后，在700 750°C溫度下保溫4_6小時(shí)進(jìn)行亞臨界退火，將基質(zhì)分解成鐵素體和碳化物的混合體，使其硬度降低到30 35HRC，以便于進(jìn)行機(jī)械加工；(5)鑄件清理后，或經(jīng)機(jī)械加工后，將鑄件或加工件在920 1150°C保溫2_4小時(shí)進(jìn)行熱處理，使其硬化以形成奧氏體，然后進(jìn)行空冷到室溫，以便在合金基質(zhì)中形成馬氏體顯微組織，經(jīng)過該熱處理工藝處理后的材料的硬度可以達(dá)到HRC50 65。如果需要，可以將熱處理后的材料在150 200°C進(jìn)行回火處理，回火保溫時(shí)間2-4小時(shí)，隨爐空冷至室溫，以進(jìn)一步調(diào)整硬度。合金材質(zhì)的性能是由金屬材料的金相組織決定的，而一定的材料組織取決于材料的化學(xué)成分及其熱處理工藝，本發(fā)明的化學(xué)成分的確定依據(jù)為C，C為具有確保強(qiáng)度作用的元素。但當(dāng)其含量多達(dá)超過0.08%時(shí)，就會成為抗 腐蝕性變差、熱加工性能變差等的原因。因此，其含量優(yōu)選為在0.08%以下。并優(yōu)選為在0. 01%以上。Cr，為具有提高抗腐蝕性作用的元素，由于其含量為5%以上時(shí)可達(dá)到預(yù)期效果。Cr是本發(fā)明合金中的主要元素。在含硼不銹鋼中加入Cr可以提高鋼的淬透性，細(xì)化鋼的組織，有利于降低硼化物的脆性。當(dāng)鋼中Cr的含量大于12%時(shí)，碳化物主要為高硬度的(Cr，F(xiàn)e) A型碳化物，從而使合金具有良好的抗磨性，同時(shí)Cr還具有良好的抗氧化性和耐腐蝕性能。在含硼不銹鋼中加鉻一方面可以固溶于基體，提高基體淬透性，另一方面鉻還有固溶于硼化物并降低硼化物脆性的作用，鉻還促進(jìn)硼元素在基體中固溶量的增加，具有間接提高鑄鋼淬透性，提高回火穩(wěn)定性的作用。但當(dāng)Cr含量過高時(shí)，材料的冶煉困難，鑄造性能惡化，成本增加。綜合以上因素，本發(fā)明將Cr含量控制在15 22%。
B B是一種特殊的元素，原子序數(shù)為5，介于金屬與非金屬之間，既能與金屬化合又能與非金屬化合。硼是高鉻鑄鋼中的主要合金元素，在高硼高鉻鑄鋼中加入適量的B，即可以置換碳化物中的部分碳原子，形成含硼的合金碳化物，并使碳化物體積分?jǐn)?shù)隨著硼含量的增大而增加。而且含硼碳化物平均硬度比(Cr，F(xiàn)e)7C3型碳化物提高，含硼高鉻鋼更易于摩擦誘發(fā)馬氏體相變，產(chǎn)生加工硬化，其抗磨性也較無硼高鉻鋼高。同時(shí)，由于原子尺寸的差異，造成晶格扭曲，使基體組織的顯微硬度提高。再者，由于硼原子半徑較小，極易在晶界產(chǎn)生偏聚。偏聚在晶界上的硼可以抑制鐵素體新相形核，有利于提高高鉻鑄鋼的淬透性和淬硬性。硼的這些作用對提高高鉻鑄鋼抗磨性能是有利的。但是硼元素加入量過多，將造成脆性硼化物數(shù)量增加，引起高鉻鑄鋼韌性的下降，損害鑄鋼的強(qiáng)度和韌性，當(dāng)硼元素加入量較少，鑄鋼中硼化物數(shù)量較少，對改善鑄鋼的耐磨性作用不明顯。綜合以上原因，本發(fā)明將B含量控制在O. 4 2. 0%Cu Cu是非碳化物和硼化物形成元素，主要溶于基體，可以明顯提高基體的淬透性，溶于基體中的銅還有改善高硼鑄鋼耐腐蝕性的作用。銅加入量過少，對改善高硼鑄鋼的淬透性作用不明顯，加入量過多，部分銅還會在晶界沉淀析出，反而降低高硼鑄鋼的耐磨性，綜合考慮，將銅含量控制在O. 3 2. 6%。Ti :在高硼中加入適量的鈦，可以細(xì)化凝固組織，還可以細(xì)化硼化物，促進(jìn)硼化物網(wǎng)絡(luò)的斷網(wǎng)和孤立分布。鈦加入高硼鑄鋼中發(fā)生Ti+2B = TiB2反應(yīng)，形成塊狀的TiB2，對促進(jìn)鐵硼化合物形態(tài)和分布的改善具有明顯的效果，有利于改善含硼鑄鋼的力學(xué)性能。高硼鑄鋼熔體在加硼之前先加入鈦元素固定氮，可以穩(wěn)定和提高硼收得率。另外，鈦是強(qiáng)碳、氮化合物形成元素，鈦的碳化物、氮化物和碳氮化合物會在凝固過程中作為先析出相而析出，促進(jìn)凝固組織的細(xì)化，并減輕硼元素的偏析，有利于改善和提高高鉻鑄鋼的強(qiáng)度和韌性。鈦加入量過多，導(dǎo)致鈦的化合物數(shù)量增加，將出現(xiàn)粗大的塊狀TiB2，反而降低鑄鋼的強(qiáng)度和韌性，綜合考慮，將鈦含量控制在O. 2 O. 6%。Si，所添加的Si用作去氧劑，是具有提高抗氧化性作用的元素。但當(dāng)其含量超過I %時(shí)，會增高焊接裂紋敏感度。因此，其含量優(yōu)選為在I %以下。Mn Mn能強(qiáng)烈增加鋼的淬透性，淬火后易得到馬氏體組織。錳還能起到脫氧劑和脫硫劑的作用，可以凈化鋼液。高硼鋼中加入適量的錳，主要是為了提高鋼的淬透性，加入量過多，將會粗化鋼的組織，增大高硼鋼的熱裂傾向。綜合考慮，錳控制在< 0.9%。N，N和B結(jié)合導(dǎo)致韌性變差。為確保足夠的韌性，其含量優(yōu)選為在O. 05%以下。Mo為5%以下，Cu為O. 5%以下，Al為O. 3%以下這些元素只要視需要將其含量控制在上述含量范圍內(nèi)，就可進(jìn)一步發(fā)揮提高抗腐蝕性的效果。因此，當(dāng)需要這些效果時(shí)，可單獨(dú)或組合含有在上述含量范圍內(nèi)的上述元素。P，為鋼中的雜質(zhì)元素，因其含量超過O. 04%時(shí)，焊接裂紋敏感度會增高，所以其含量優(yōu)選為在O. 04%以下。
S，為鋼中的雜質(zhì)元素，因其含量超過O. 01 %時(shí)焊接裂紋敏感度會增高，所以其含量優(yōu)選為在O. 01 %以下。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的抗腐蝕不銹鋼具有由于基體中含碳量極低，因而具有較高的耐冷熱疲勞性、抗斷裂韌性和抗熱沖擊性能，具有良好的的熱加工性能和焊接性能，且冶煉工藝簡單，加工成本低。由于含有大量的鉻，具有良好的抗氧化性能、耐腐蝕性能。由于在不銹鋼成分中加入適量的鑰、鎳等合金元素，從而進(jìn)一步的提高了材料的可淬性和硬度，改進(jìn)高溫下的 抗軟化性、耐磨性能。本發(fā)明的抗腐蝕不銹鋼適用范圍廣，可以廣泛應(yīng)用于核燃料輸送用容器、用畢核燃料儲藏架等核能相關(guān)設(shè)備的中子遮蔽材、以及燃料電池用隔離材等領(lǐng)域。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。(I)將廢鋼、鉻鐵在電爐中熔化，鋼水熔清后加入銅板、硅鐵、錳鐵，控制碳含量達(dá)到要求，爐前調(diào)整成分合格后，將熔體溫度升高至1560 1620°C，加入硅鈣合金進(jìn)行預(yù)脫氧,加入鋁終脫氧,然后依序加入鈦鐵和硼鐵熔化；(2)當(dāng)鈦鐵和硼鐵全部熔化后，將小于12mm以下的顆粒狀稀土鎂合金和金屬鈰、Si3N4^Nb和K所組成的復(fù)合變質(zhì)孕育劑用薄鐵皮包好，經(jīng)160 200°C的溫度烘烤后放在鋼水包的底部，用包內(nèi)沖入法對冶煉好的鋼水進(jìn)行變質(zhì)孕育處理；(3)將經(jīng)過包內(nèi)變質(zhì)孕育處理過的鋼水在砂型或金屬型內(nèi)澆注成鑄件，熔體澆注溫度 1400 1450 0C ；(4)鑄件清理后，在700 750°C溫度下保溫4_6小時(shí)進(jìn)行亞臨界退火，將基質(zhì)分解成鐵素體和碳化物的混合體，使其硬度降低到30 35HRC，以便于進(jìn)行機(jī)械加工；(5)鑄件清理后，或經(jīng)機(jī)械加工后，將鑄件或加工件在920 1150°C保溫2_4小時(shí)進(jìn)行熱處理，使其硬化以形成奧氏體，然后進(jìn)行空冷到室溫，以便在合金基質(zhì)中形成馬氏體顯微組織，經(jīng)過該熱處理工藝處理后的材料的硬度可以達(dá)到HRC50 65。如果需要，可以將熱處理后的材料在150 200°C進(jìn)行回火處理，回火保溫時(shí)間2-4小時(shí)，隨爐空冷至室溫，以進(jìn)一步調(diào)整硬度。表I抗腐蝕不銹鋼化學(xué)成分(重量百分比)
元素 C__B Ni Cr Si Mn Cu Ti Al SP Fe
含量O O 余量
0.08 1.25 9.50 18.5 0.8 0.85 0.40 0.3 0.10 0.02 . ,、
I_^_ II l I 丨_ 丨 4 I
權(quán)利要求
1.一種抗腐蝕不銹鋼及其制造工藝，其特征在于以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，含有C < 0. 10%，Cr、15 22%，Mo 0. 6 3. 0%，Ni 9. 0 10. 5%, B 0. 40 2. 0%，Cu < 0. 5%，Si < I %，Mn < 0. 9%, Ti 0. 2 0. 6%，Al < 0. 3%，N < 0. 05%, P < 0. 04%, S < 0. 01，和不可避免的雜質(zhì)元素；其制造工藝步驟是 (1)將廢鋼、鉻鐵在電爐中熔化，鋼水熔清后加入銅板、硅鐵、錳鐵，控制碳含量達(dá)到要求，爐前調(diào)整成分合格后，將熔體溫度升高至1560 1620°C，加入硅鈣合金進(jìn)行預(yù)脫氧，力口入鋁終脫氧，然后依序加入鈦鐵和硼鐵熔化； (2)當(dāng)鈦鐵和硼鐵全部熔化后，將小于12mm以下的顆粒狀稀土鎂合金和金屬鈰、Si3N4、Nb和K所組成的復(fù)合變質(zhì)孕育劑用薄鐵皮包好，經(jīng)160 200°C的溫度烘烤后放在鋼水包的底部，用包內(nèi)沖入法對冶煉好的鋼水進(jìn)行變質(zhì)孕育處理； (3)將經(jīng)過包內(nèi)變質(zhì)孕育處理過的鋼水在砂型或金屬型內(nèi)澆注成鑄件，熔體澆注溫度、1400 1450。。； (4)鑄件清理后，在700 750°C溫度下保溫4-6小時(shí)進(jìn)行亞臨界退火，將基質(zhì)分解成鐵素體和碳化物的混合體，使其硬度降低到30 35HRC，以便于進(jìn)行機(jī)械加工； (5)鑄件清理后，或經(jīng)機(jī)械加工后，將鑄件或加工件在920 1150°C保溫2-4小時(shí)進(jìn)行熱處理，使其硬化以形成奧氏體，然后進(jìn)行空冷到室溫，以便在合金基質(zhì)中形成馬氏體顯微組織，經(jīng)過該熱處理工藝處理后的材料的硬度可以達(dá)到HRC50 65。如果需要，可以將熱處理后的材料在150 200°C進(jìn)行回火處理，回火保溫時(shí)間2-4小時(shí)，隨爐空冷至室溫，以進(jìn)一步調(diào)整硬度。
全文摘要
一種抗腐蝕不銹鋼及其制造工藝，其化學(xué)組成，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，化學(xué)成分及其質(zhì)量百分比為；C＜0.10％，Cr 15～22％，Mo 0.6～3.0％，Ni 9.0～10.5％，B 0.40～2.0％，Cu＜0.5％，Si＜1％，Mn＜0.9％，Ti 0.2～0.6％，Al＜0.3％，N＜0.05％，P＜0.04％，S＜0.01，和不可避免的雜質(zhì)元素。因而具有較高的耐冷熱疲勞性、抗斷裂韌性和抗熱沖擊性能，具有良好的熱加工性能和焊接性能，且冶煉工藝簡單，加工成本低。
文檔編號C22C38/54GK102634739SQ201210132908
公開日2012年8月15日 申請日期2012年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月3日
發(fā)明者丁家偉, 孫健, 毛征東, 耿德英, 蔣紅軍 申請人:江蘇錦越航空合金材料有限公司