具有優(yōu)良韌性與焊接性的經(jīng)濟型雙相不銹鋼及其制造方法
【專利摘要】具有優(yōu)良韌性及焊接性的經(jīng)濟型雙相不銹鋼及其制造方法，其化學成分重量百分比為：C0.01～0.05％，Si0.2～1.0％，Mn4.0～6.0％，Cr20.0～21.5％，Ni1.7～3.0％，N0.15～0.20％，Mo≤0.5％，W≤0.5％，Cu≤0.5％，B≤0.006％，其余為Fe和不可避免雜質(zhì)。本發(fā)明不銹鋼重點使用4.0-6.0％的Mn代替Ni，同時將Mo、Cu含量控制在0.5％以下，顯著降低合金的原材料成本；將Ni含量控制在1.7-3.0％，N含量控制在0.15-0.2％，并將高溫熱影響區(qū)鐵素體當量Pα控制在20.5以下，既可以保證母材的低溫沖擊韌性，又能獲得良好的焊接性能，使得焊接接頭具有良好的低溫沖擊韌性。在室溫及低溫條件下取代含鎳量高達8％以上的304奧氏體不銹鋼。
【專利說明】具有優(yōu)良韌性與焊接性的經(jīng)濟型雙相不銹鋼及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及雙相不銹鋼及其制造方法，尤其是一種具有優(yōu)良韌性與焊接性的經(jīng)濟型雙相不銹鋼及其制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]雙相不銹鋼室溫下由鐵素體與奧氏體雙相組成，而且其中每相比例不少于30%。由于兩相組織的存在使雙相不銹鋼兼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的特性，是一類高強度和高耐蝕性匹配最佳的不銹鋼。與鐵素體不銹鋼比，其韌性高、脆性轉(zhuǎn)變溫度低、耐晶間腐蝕和焊接性顯著改善，同時保留了鐵素體鋼導(dǎo)熱系數(shù)高、膨脹系數(shù)小的優(yōu)點。與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的強度，特別是屈服強度顯著提高，耐晶間腐蝕、耐應(yīng)力腐蝕、耐腐蝕疲勞和耐磨性能顯著改善，且具有磁性。
[0003]雙相不銹鋼的發(fā)展經(jīng)歷了三個重要階段。1971年以前所開發(fā)的牌號為第一代雙相不銹鋼，由于含N量處于電弧爐冶煉的常規(guī)水平，其焊接后性能急劇下降。1971~1989年開發(fā)的牌號屬于第二代雙相不銹鋼。借助于1968年不銹鋼精煉工藝-氬氧脫碳(AOD)的發(fā)明和應(yīng)用，可以使雙相不銹鋼中氮含量顯著提高，從而顯著改善焊縫、熱影響區(qū)的韌性和耐腐蝕性能。2205是第二代雙相鋼的代表鋼種并廣泛應(yīng)用于海上石油平臺、化工、造紙等多個領(lǐng)域。1990年以后出現(xiàn)的牌號為第三代雙相不銹鋼，進入2000年以后雙相不銹鋼的發(fā)展呈現(xiàn)2種趨勢。一方面進一步提高鋼中合金元素含量以獲得更高強度和更加優(yōu)良的耐腐蝕性能，另一方面開發(fā)低鎳含量且不含Mo或僅含少量Mo的經(jīng)濟型雙相不銹鋼，以降低成本。
[0004]經(jīng)濟型雙相不銹鋼特指一類Cr含量在22%以下，且含鎳量低，同時不含鑰、鎢或僅含少量的鑰、鎢的雙相不銹鋼。要實現(xiàn)鐵素體與奧氏體含量各占約50%的比例，必須使得奧氏體當量與鐵素體當量的平衡。常用的奧氏體當量計算公式如式(I)所示:
[0005]Nieq = Ni+30(C+N)+0.5Mn+0.25Cu.(1)
[0006]根據(jù)公式(I)，可以采用Mn、N、Cu取代Ni，從而降低成本，取代傳統(tǒng)的高鎳含量的奧氏體不銹鋼。但是在Mn、N代Ni也會有負面影響。錳會降低雙相不銹鋼的耐腐蝕性能。評價雙相不銹鋼耐點腐蝕性能的經(jīng)驗公式如公式(2)所示:
[0007]PREN(耐點蝕當量)=Cr% +3.3Mo% +30N% ~Mn% (2)
[0008]每添加I %的猛，將使合金PREN值降低I,相當于抵消了添加I %的Cr對耐點蝕性能的提高。N是很強的奧氏體形成元素，有利于提高雙相不銹鋼的強度、耐蝕性和焊接性。但是過高的N含量會造成冶煉難度增加，熱加工性下降，同時易導(dǎo)致氮化物的析出。
[0009]雙相不銹鋼的韌性限定了其應(yīng)用范圍。Ni含量是決定雙相不銹鋼韌性最重要的元素，Ni含量的降低帶來的不利影響是沖擊韌性降低。此外，N含量對沖擊韌性也有顯著影響。一定的N含量可以保證兩相比例協(xié)調(diào)，從而提高材料的韌性，但是N含量過高反而會導(dǎo)致雙相不銹鋼的韌性下降。
[0010] 雙相不銹鋼的焊接性是決定雙相不銹鋼應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。雙相不銹鋼焊接接頭最薄弱區(qū)域通常為高溫熱影響區(qū)。該區(qū)域經(jīng)歷升溫和降溫的過程，升溫時奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變，降溫過程中發(fā)生鐵素體相向奧氏體轉(zhuǎn)變，在經(jīng)歷焊接熱循環(huán)后，通常會導(dǎo)致該區(qū)域鐵素體含量增加，并伴隨晶粒長大。如果高溫熱影響區(qū)鐵素體含量過高，則會導(dǎo)致韌性下降、耐腐蝕性能下降。
[0011]目前為止，經(jīng)濟型雙相不銹鋼的專利主要集中在如何降低成本、提高耐腐蝕性能或者強度，對韌性及焊接性考慮極少。
[0012]歐洲專利EP1327008公布了一種奧氏體一鐵素體雙相不銹鋼，其成分范圍(重fi% ):0.02 ~0.07% C、3.0 ~8.0% Μη、19.0 ~23.0% CrU.1 ~1.7% Ni,0.1 ~2.0%Si,0.15~0.3% N、可能包含的合金元素有不大于1.0%的Mo或W、不大于1.0%的Cu、0.003~0.005% B，余量為Fe或不可避免的雜質(zhì)。由于N含量較高，該雙相鋼具有較高的強度、優(yōu)良的耐腐蝕性能和焊接性能。但鋼中較低的Ni含量(1.1~1.7% )與較高的N含量降低了低溫沖擊韌性。
[0013]中國專利CN101215674公布的一種奧氏體一鐵素體雙相不銹鋼，其成分范圍其成分范圍(重量％ ):0~0.04% C、5.0~7.0%Mn、18.0~20.0% Cr、0 ~1.0% Si,0.15 ~
0.25% N。該雙相不銹鋼不含貴金屬N1、Mo，所以成本顯著下降，但是同時無Ni的雙相鋼沖擊韌性也比較低。
[0014]中國專利CN101090988則提高Ni含量與Mo含量，降低了 Mn含量。其Ni含量為
1.0~3.0，Mo提高至0.5~2.5，Mn含量為1.5~4.5%。其專利申請的合金組分的組成范圍確保合金CPT高于20°C，其耐蝕性能達到甚至優(yōu)于316L不銹鋼。但是N1、Mo含量的提高將顯著提高合金的成本，因此經(jīng)濟性下降。
[0015]美國專利US4828630公布了一種經(jīng)濟型雙相不銹鋼，其主要成分為:4.0~8.0%Mn, 17.0 ~21.5% Cr, 1.0 ~4.0% Ni,0.05 ~0.15% N，不大于 2.0%的 Mo，不大于 1.5%的Cu。該鋼種Mn含量高，而Ni含量低，經(jīng)濟性突出。但是由于N含量與Ni含量都較低，因此其焊接接頭的低溫韌性將顯著下降。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的目的在于提供一種具有優(yōu)良韌性及焊接性的經(jīng)濟型雙相不銹鋼及其制造方法，具有低成本、優(yōu)良的低溫韌性及焊接性，母材_40°C的V型缺口沖擊功達到90J以上，焊接熱影響區(qū)_40°C的V型缺口沖擊功達到50J以上；同時降低冶煉、熱加工、冷加工的難度，可大量應(yīng)用于石化、建筑、交通運輸?shù)葘σ箜g性和焊接性較高的領(lǐng)域，在室溫及低溫條件下取代含鎳量高達8%以上的304奧氏體不銹鋼。
[0017]為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0018]本發(fā)明重點在于，為獲得較低的成本，使用4-6%的Mn代替部分Ni，Mo元素控制在0.5%以下；為保證母材在_40°C的低溫沖擊韌性，提高Ni含量控制在1.7~3.0%，將N含量控制在0.15-0.2%。為進一步保證焊接高溫熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性，需要控制焊縫高溫熱影響區(qū)的鐵素體含量。通過大量的理論與實驗研究，本發(fā)明通過控制高溫熱影響區(qū)鐵素體當量Pa來控制該區(qū)域鐵素體含量。
[0019]Pa = 2Cr+Mo+2S1-90C-75N-3N1-0.75Mn-Cu (3)
[0020]迄今為止，還沒有專利對高溫熱影響區(qū)鐵素體當量進行描述。結(jié)合對N1、N等合金元素的控制，本發(fā)明將Pa控制在20.5以下，從而可以使得高溫熱影響區(qū)的沖擊功達到50J以上。
[0021]具體地，本發(fā)明具有優(yōu)良韌性及焊接性的經(jīng)濟型雙相不銹鋼，其化學成分重量百分比為:C0.01 ~0.05%，S1.2 ~1.0 %，Μη4.0 ~6.0%，Cr20.0 ~21.5 %，Nil.7 ~
3.0%, N0.15 ~0.20%, Mo ^ 0.5%, W ^ 0.5%, Cu ^ 0.5%, B ^ 0.006%，其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)；Pa (2Cr+Mo+2S1-90C-75N-3N1-0.75Mn-Cu) <20.5。
[0022]在本發(fā)明成分設(shè)計中:
[0023]碳碳是強奧氏體形成元素，促進奧氏體形成，并穩(wěn)定奧氏體組織。根據(jù)奧氏體當量計算公式(I)，Nieq = Ni+30(C+N) +0.5Mn+0.25Cu，可見碳的奧氏體形成作用可以達到Ni的30倍，因此碳可以部分取代Ni。根據(jù)公式(3)，C可顯著降低高溫熱影響區(qū)的鐵素體含量。但是另一方面，在焊接過程中碳極易與鉻結(jié)合形成碳化物，反而導(dǎo)致晶間腐蝕，并顯著降低沖擊韌性。過低的碳含量則將增加制備過程中的難度和成本，同時降低奧氏體的穩(wěn)定性、破壞奧氏體與鐵素體的相平衡。因此，本發(fā)明鋼中設(shè)計碳含量為0.01~0.05%。
[0024]硅硅是鋼鐵熔煉中通常含有的元素。在雙相不銹鋼中，硅是鐵素體形成和穩(wěn)定元素。硅在熔煉過程中用于脫氧，因此一般雙相不銹鋼中含有0.2%以上的硅。但是硅含量過高時會加速焊縫低溫熱影響區(qū)金屬間相的析出，對材料耐腐蝕性能與韌性不利。因此，本發(fā)明鋼中設(shè)計硅含量為0.2~1.0%。
[0025]錳錳是一種奧氏體形成和穩(wěn)定元素，由公式(I)可知，利用錳一定程度上取代鎳；此外錳的添加可以顯著提高氮的溶解度。因此Mn是經(jīng)濟型雙相不銹鋼降低成本非常重要的合金化元素。根據(jù)公式(3)，錳對降低高溫熱影響區(qū)鐵素體含量有一定作用，但不顯著。但是錳對不銹鋼的耐腐蝕性的影響基本上都是負面的。根據(jù)公式(2)，每添加I %的錳，將使合金PREN值降低1，因此本發(fā)明鋼中重點控制Mn含量為4.0%~6.0%。
[0026]鉻鉻是鋼獲得耐腐蝕性能的最重要元素，是一種鐵素體形成元素。對雙相不銹鋼而言，當鉻含量較低時，耐蝕性將下降，同時有可能出現(xiàn)馬氏體相，對力學與耐腐蝕性能均不利；而當鉻含量過高時，會增加焊縫熱影響區(qū)金屬間相、碳化物和氮化物的析出傾向，而且需要相應(yīng)高含量的Ni元素相匹配，從而增加成本。此外，根據(jù)公式(3)，鉻含量過高時，會導(dǎo)致高溫熱影響區(qū)的鐵素體含量提高，降低低溫沖擊韌性。會導(dǎo)致因此本發(fā)明鋼中Cr含量控制在20.0~21.5%。
[0027]氮氮元素是一種形成奧氏體相的重要元素。在奧氏體當量計算公式(I)中，氮的奧氏體形成能力是鎳的30倍，因此用N代替Ni可以顯著降低成本。氮可以提高奧氏體相的耐腐蝕性能，尤其是耐點腐蝕性能和耐縫隙腐蝕性能，在PREN值的計算公式(2)，其耐點蝕當量是鉻的30倍。根據(jù)計算公式(3)，N可以顯著提高焊接熱循環(huán)過程中鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，降低高溫熱影響區(qū)鐵素體含量，從而提高焊縫高溫熱影響區(qū)的低溫韌性。因此，為提高雙相不銹鋼的焊接性，通常添加較高的氮含量。但是氮含量過高時，會降低母材的韌性；同時增大熱影響區(qū)氮化物形成的風險，反而降低焊接熱影響區(qū)的韌性。因此，本發(fā)明鋼中氮含量控制在0.15~0.20%。
[0028]鑰鑰非常有利于提高鋼的耐腐蝕性能。根據(jù)RREN值計算公式(2)，其耐點蝕當量是鉻的3.3倍。其機理是穩(wěn)定鈍化膜及促進鉻元素在鈍化膜中的富集，添加鑰的主要作用是提高耐腐蝕性。根據(jù)公式(3)，鑰含量提高會提高高溫熱影響區(qū)鐵素體含量，降低耐腐蝕性能與韌性。此外，鑰含量過高將導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)脆性金屬間相的加速析出，同時增加合金成本，因此本發(fā)明鋼中的鑰含量控制在0.5%以下。
[0029]銅銅也是本發(fā)明中可選元素之一。銅是一種奧氏體形成元素，銅的加入可以提高雙相鋼在還原性酸中的耐腐蝕性，同時有利于提高耐縫隙腐蝕性能。根據(jù)公式(3)，提高Cu含量其對降低高溫熱影響鐵素體含量的貢獻不顯著，但是銅含量過高時不利于熱加工性能，同時增加成本。因此本發(fā)明鋼中氮含量控制在0.5%以下。
[0030]鎢鎢是本發(fā)明中可選元素之一。鎢在雙相鋼中的作用與鑰相似，可以提高鋼的耐腐蝕性能。鎢還可以降低奧氏體/鐵素體相界面的活性，抑制金屬間相的形成。但是鎢含量過高時反而促進金屬間相生成。因此本發(fā)明鋼中鎢含量控制在0.5%以下。
[0031]硼微量硼的添加可以細化組織，提高晶界強度，改善熱塑性，但是過量添加硼將導(dǎo)致材料熱加工性反而惡化，因此本發(fā)明經(jīng)過探索，發(fā)現(xiàn)在本合金體系中，因此本發(fā)明鋼中硼含量控制在0.006%以下。
[0032]本發(fā)明的雙相不銹鋼的制造方法，包括以下步驟:
[0033]I)冶煉、鑄造
[0034]按如下成分重量百分比冶煉:C0.01~0.05%，S1.2~1.0%，Μη4.0~〈6.0%，Cr20.0 ~21.5%，Nil.7 ~3.0%，Ν0.15 ~0.20%，Mo ≤ 0.5%，W ≤ 0.5%，Cu ≤ 0.5%，B^0.01%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)；冶煉方法選擇真空感應(yīng)冶煉，電爐一氬氧脫碳AOD或電爐一氬氧脫碳AOD —爐外精煉LF爐冶煉；將鋼液進行模鑄或連鑄，模鑄時控制過熱度為20~50°C ;或采用連鑄方法，避免氮的逸出，連鑄時控制過熱度為20~50°C，板坯拉速為0.8~2m/min ；
[0035]2)將模鑄坯或連鑄板坯放入加熱爐中加熱到1100~1250°C并保溫，在鍛造生產(chǎn)線或熱軋機組上加工至所需厚度，然后進行退火或退火酸洗；為保證最終的低溫沖擊韌性，其熱軋壓縮比大于10，退火溫度控制在1030~1150°C，退火保溫時間t≥lh，t的單位為分鐘；h為厚度，單位為
[0036]對相關(guān)專利分析可以看出，現(xiàn)有經(jīng)濟型雙相不銹鋼成分設(shè)計的基本思路為以Cr、Mn、N1、N等為主加元素，通過Mn和N取代Ni，從而顯著降低成本，取代高成本的奧氏體不銹鋼。
[0037]中國專利CN101215674和歐洲專利EP1327008即是典型的高Mn、高N代Ni的經(jīng)濟型雙相不銹鋼設(shè)計方式，用于取代目前廣泛使用的304奧氏體不銹鋼。但是，由于Ni含量過低、N含量較高，其低溫沖擊韌性受到不利影響。
[0038]美國專利US4828630在設(shè)計較高Mn含量的同時，Ni含量得到提高，但N含量顯著下降，但這對焊接后的性能帶來不利影響。
[0039]中國專利CN101090988則適當提高Ni含量，降低N含量，使得沖擊韌性及耐蝕性都得到改善，但是由于N1、Mo含量顯著提高，其成本顯著提高，其設(shè)計目的主要是取代316L奧氏體不銹鋼。為了在保持降低成本的同時，獲得良好的沖擊韌性，尤其是焊接后的沖擊韌性，本發(fā)明在添加一定Mn含量以降低成本，適當提高Ni含量，并設(shè)計適中的0.15-0.2%的
N含量。
[0040]最重要的是，為保證焊接之后的熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性，將高溫熱影響區(qū)鐵素體當量 P a (2Cr+Mo+2S1-90C-75N-3N1-0.75Mn_Cu) <20.5。
[0041]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和積極效果:
[0042](I)使用4.0-6.0%的Mn代替Ni，同時將Mo、Cu含量控制在0.5%以下，顯著降低合金的原材料成本。
[0043](2)將Ni含量控制在1.7-3.0%，N含量控制在0.15_0.2%，可以保證母材的低溫沖擊韌性，使得_40°C沖擊功大于90J。
[0044](3)為保證焊接熱影響區(qū)獲得優(yōu)良的低溫沖擊韌性，在保證Ni在1.7-3.0%，N含量在0.15-0.2%的前提下，控制高溫熱影響區(qū)鐵素體當量Pa (2Cr+Mo+2S1-90C-75N-3N1-0.75Mn-Cu) <20.5，從而使得焊接高溫熱影響區(qū)在_40°C沖擊功大于50J。
[0045](4)該雙相不銹鋼可利用現(xiàn)有的不銹鋼產(chǎn)線批量生產(chǎn)，具體制備方法為經(jīng)真空感應(yīng)爐、電爐-AOD爐冶煉或電爐-AOD-LF爐冶煉后澆鑄，在模鑄時控制過熱度為20~50°C左右，并配合快速冷卻，或采用冷速較快的連鑄方法，避免氮的逸出，連鑄時控制過熱度為20~50<€,板還拉速為0.8~2m/min。熱軋壓縮比大于10,熱軋后的退火溫度控制在1030~1150度之間,退火保溫時間t≥lh, t的單位為分鐘；h為厚度，單位為mm。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0046]圖1為本發(fā)明的實施例1合金金相組織。
[0047]圖2為本發(fā)明的實施例2合金進行焊接后高溫熱影響區(qū)組織。

【具體實施方式】
[0048]下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0049]本發(fā)明實施例以電爐-AOD冶煉的生產(chǎn)流程為例:將鉻鐵、鎳鐵以及廢鋼等加入電爐進行熔化，熔清后將鋼液倒入AOD爐，在AOD爐內(nèi)進行脫C、脫S和增N、控N的吹煉，當冶煉成分達到要求時，將鋼液倒入中間包，并在立彎式連鑄機上進行澆鑄；連鑄的過熱度為20~50°C，板坯拉速為0.8~2m/min ;將連鑄板坯放入加熱爐加熱到1100~1250°C，在熱軋機組上軋制到15_，然后進行連續(xù)退火酸洗，獲得鐵素體-奧氏體雙相結(jié)構(gòu)的組織；退火溫度控制在1030~1150°C，退火時間為20min。
[0050]表1所示為本發(fā)明實施例鋼種的化學成分，表1同時給出了作為對比例的目前典型的經(jīng)濟型雙相不銹鋼US4828630和本發(fā)明鋼計劃取代的對象304奧氏體不銹鋼的化學成分。焊接方法為:鎢極氬弧焊(TIG)，填2209焊絲。表1給出了母材及焊接熱影響區(qū)在-40°C的沖擊功(全樣，V型)，均高于US4828630。
[0051]實施例1的合金的金相組織如圖1所示。將試樣打磨并拋光后進行電解腐蝕,腐蝕劑為40gK0H+100mlH20，腐蝕電流0.3~0.8A/cm2，最后在金相顯微鏡下通過定量金相法對奧氏體比例進行分析。圖中黑色組織為鐵素體，白色組織為奧氏體，奧氏體相約占53%。實施例2焊接熱影響區(qū)的金相組織如圖2所示。
[0052]表1單位:重量百分比
[0053]

【權(quán)利要求】
1.具有優(yōu)良韌性及焊接性的經(jīng)濟型雙相不銹鋼，其化學成分重量百分比為:c0.0i~0.05 %, S1.2 ~1.0 %，Mn4.0 ~6.0 %，Cr20.0 ~21.5 %，Nil.7 ~3.0 %，N0.15 ~0.20%, Mo ^ 0.5%, W ^ 0.5%, Cu ^ 0.5%, B ^ 0.006%，其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)；Pa (2Cr+Mo+2S1-90C-75N-3N1-0.75Mn_Cu)〈20.5。
2.具有優(yōu)良韌性及焊接性的經(jīng)濟型雙相不銹鋼的制造方法，包括以下步驟: 1)冶煉、鑄造 按如下成分重量百分比冶煉:C0.01~0.05%, S1.2~1.0%，Mn4.0~〈6.0 %，Cr20.0 ~21.5%, Ni 1.7 ~3.0%, N0.15 ~0.20%, Mo ≤ 0.5%, W ≤ 0.5%, Cu ≤ 0.5%，B^0.01%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)；冶煉方法選擇真空感應(yīng)冶煉，電爐一氬氧脫碳AOD或電爐一氬氧脫碳AOD —爐外精煉LF爐冶煉；將鋼液進行模鑄或連鑄，模鑄時控制過熱度為20~50°C ;或采用連鑄方法，避免氮的逸出，連鑄時控制過熱度為20~50°C，板坯拉速為0.8~2m/min ； 2)將模鑄坯或連鑄板坯放入加 熱爐中加熱到1100~1250°C并保溫，在鍛造生產(chǎn)線或熱軋機組上加工至所需厚度，然后進行退火或退火酸洗；為保證最終的低溫沖擊韌性，其熱軋壓縮比大于10，退火溫度控制在1030~1150°C，退火保溫時間t≤lh，t的單位為分鐘；h為厚度，單位為mm。
【文檔編號】C22C38/58GK104131237SQ201410275932
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】胡錦程, 宋紅梅, 楊宴賓, 張偉, 王治宇, 江來珠 申請人:寶鋼不銹鋼有限公司