本發(fā)明涉及含鈦奧氏體不銹鋼材料領(lǐng)域，具體涉及一種具有良好抗氧化性能的含鈦奧氏體不銹鋼及其制造方法。
背景技術(shù)：
含鈦奧氏體不銹鋼具有良好的耐晶間腐蝕性能和焊接性能，在化工、航天、壓力容器等領(lǐng)域得到較廣的應(yīng)用。但含Ti奧氏體不銹鋼生產(chǎn)有很大難度，主要存在三大難點(diǎn)問題：一是浸入式水口結(jié)瘤；二是結(jié)晶器“結(jié)魚”(指結(jié)塊)；三是板坯和鋼板表面質(zhì)量問題。具體來說，鋼水連鑄過程中浸入式水口結(jié)瘤嚴(yán)重，導(dǎo)致連鑄生產(chǎn)困難，而且結(jié)晶器中常常出現(xiàn)“結(jié)魚”現(xiàn)象導(dǎo)致無法連續(xù)生產(chǎn)。
研究表明，由于上述問題的存在，致使最終產(chǎn)品-不銹鋼工業(yè)板、薄板表面易產(chǎn)生條鱗、線鱗、結(jié)疤等大量缺陷。不銹鋼表面存在缺陷不僅會影響產(chǎn)品成材率，也會影響它的正常使用。
現(xiàn)有的含鈦奧氏體不銹鋼321成份中C、N含量較高，所需要的Ti含量也較高；冶煉過程中加入的Ti一部分用于微合金化，其它大部分被氧化形成Ti的夾雜物。Ti的夾雜物含量過高導(dǎo)致澆鑄水口結(jié)瘤、表面質(zhì)量差。因此，亟需對含鈦奧氏體不銹鋼的成分和工藝進(jìn)行改進(jìn)，研發(fā)一種具有良好可制造性、抗氧化性、且高表面質(zhì)量的含Ti奧氏體不銹鋼。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種具有良好抗氧化性能的含鈦奧氏體不銹鋼及其制造方法，以提高含鈦奧氏體不銹鋼的可制造性，同時(shí)提高最終鋼產(chǎn)品的表面質(zhì)量和高溫使用條件下的抗氧化性能，具體保證該鋼在800℃氧化100小時(shí)條件下的氧化增重＜0.05mg/cm2，有利于產(chǎn)品的批量生產(chǎn)和推廣使用。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：
一種具有良好抗氧化性能的含鈦奧氏體不銹鋼，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為：C：0.025～0.035％，Si：0.6～1.0％，Mn：1.2～2.0％，P≤0.035％，S≤0.030％，Cr：17.0～19.0％，Ni：9.00～12.00％，N：0.01～0.03％，Ti≤0.2％，Nb≤0.2％，Ce：0.01～0.03％，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)，且上述元素同時(shí)需滿足如下關(guān)系：Ti+Nb≥5C或Ti+Nb≥5(C+N)。
進(jìn)一步，本發(fā)明所述含鈦奧氏體不銹鋼在800℃氧化100小時(shí)條件下的氧化增重＜0.05mg/cm2。
本發(fā)明鋼的成分設(shè)計(jì)中：
C：C在奧氏體不銹鋼中是強(qiáng)烈形成并穩(wěn)定奧氏體且擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素。同時(shí)C是一種間隙元素，通過固溶強(qiáng)化可顯著提高鋼的強(qiáng)度。但在一些條件下C與鋼中的鉻結(jié)合形成高鉻的Cr23C6型碳化物，使鋼的耐蝕性特別是耐晶間腐蝕性能下降。含Ti奧氏體不銹鋼正是利用Ti與C的強(qiáng)親和力來固定C，減少Cr的C化物析出，提高耐晶間腐蝕性能。因此，需要5倍C含量的Ti來固定C，所以，C含量越高所需要的Ti含量也越高。從減少Ti含量同時(shí)保證一定的強(qiáng)度角度來考慮，本發(fā)明控制C含量為0.025～0.035％。
Si：Si是強(qiáng)烈形成鐵素體的元素，在奧氏體不銹鋼中，隨著Si含量的提高，鐵素體含量將增加，但Si有助于在不銹鋼表面形成富Si氧化膜，提高不銹鋼的抗氧化性能。在本發(fā)明鋼中，還可以利用Si較快的擴(kuò)散和氧化能力，在氧化氣氛下迅速擴(kuò)散到表面和鋼中添加的稀土元素共同作用提高鉻氧化膜的粘附性，使氧化膜作為保護(hù)層和潤滑劑，從而提高表面質(zhì)量和抗氧化性能。因此，本發(fā)明控制Si含量為0.6～1.0％。
Mn：Mn是比較弱的奧氏體形成元素，但具有強(qiáng)烈穩(wěn)定奧氏體組織的作用。研究表明，鋼中Mn含量小于2％時(shí)，Mn含量的變化常對鉻鎳奧氏體不銹鋼的組織沒有明顯影響。在本發(fā)明鋼中，Mn除了可以穩(wěn)定奧氏體組織外，還可以降低鋼中的自由氧含量，同時(shí)是借助Mn和S形成MnS來消除鋼中殘余S的有害作用。因此，本發(fā)明控制Mn含量控制為1.2～2.0％。
P和S均為不可避免的雜質(zhì)元素，對性能有不利的影響，盡量按下限控制，因此控制P≤0.035％，S≤0.030％。
Cr：Cr是不銹鋼中最主要的合金元素，決定不銹鋼的耐腐蝕性能。Cr是強(qiáng)烈形成并穩(wěn)定鐵素體的元素，縮小奧氏體區(qū)。隨著鋼中Cr含量的增加，奧氏體不銹鋼中可能出現(xiàn)鐵素體組織。Cr還是強(qiáng)碳化物形成元素，由于本發(fā)明鋼中C含量控制較低，加之一定的Ti含量，Cr的碳化合物可以得到適當(dāng)?shù)目刂?。Cr對本發(fā)明鋼的最大影響是抗氧化性和高溫耐蝕性。綜合考慮，本發(fā)明控制Cr含量為17～19％。
Ni：Ni是奧氏體不銹鋼中主要合金元素，強(qiáng)烈形成并穩(wěn)定奧氏體，用于本發(fā)明鋼中形成完全的奧氏體組織。Ni使鋼具有良好的強(qiáng)度和塑性、韌性的配合，并具有優(yōu)良的冷、熱加工性能和冷成形性以及焊接性能。但Ni含量對制造成本影響較大，從抗氧化性能、奧氏體組織穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性考慮，Ni控制在下限水平，含量范圍為9.0～12.0％。
N：N是強(qiáng)烈形成并穩(wěn)定和擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的元素。形成奧氏體的能力與C相當(dāng)，約為Ni的30倍。N在奧氏體不銹鋼中可以代替部分Ni，增加N可以降低鋼中的鐵素體含量，可以使奧氏體組織更加穩(wěn)定。但N也會與Ti結(jié)合形成TiN來消耗用于固定C的Ti。為避免更多的Ti加入量，提高鋼的可制造性，本發(fā)明將N控制在0.03％以下。
Ti：Ti在奧氏體不銹鋼中是作為穩(wěn)定化元素添加的，用于提高奧氏體不銹鋼的耐晶間腐蝕性能。鋼中的C在加熱到高溫時(shí)可以固溶到奧氏體基體中并可以通過快冷的方式保持到室溫，形成過飽和奧氏體。但這時(shí)的奧氏體是不穩(wěn)定的，在400～800℃溫度區(qū)間內(nèi)加熱時(shí)，C便會以碳化物的形式從基體析出。由于Cr易與C結(jié)合，并且優(yōu)先沿晶界沉淀，從而導(dǎo)致晶界貧Cr，在腐蝕介質(zhì)作用下便會產(chǎn)生晶間腐蝕。由于Ti與C的親和力遠(yuǎn)大于Cr，因此常常向奧氏體不銹鋼中加入Ti，作為固定鋼中C的穩(wěn)定化元素，析出的C優(yōu)先與Ti結(jié)合形成TiC，防止或減少Cr的碳化物的的形成，從防止晶間貧Cr，提高奧氏體不銹鋼的耐晶間腐蝕性能，這正是含Ti奧氏體不銹鋼存在的意義。但Ti易于氧化，在鋼水澆鑄過程會堵塞水口，降低了不銹鋼的可制造性。根據(jù)C含量的多少，一般需5倍C含量的Ti來固定C，本發(fā)明控制Ti含量≤0.2％。
Nb：Nb是有著和Ti一樣作用的穩(wěn)定化元素，它與C、N結(jié)合形成Nb的碳氮化物抑制鋼中Cr的碳氮化物的形成，從而提高不銹鋼的耐晶間 腐蝕性能。同時(shí)Nb不易氧化，不會帶來因氧化物堵塞水口降低不銹鋼可制造性的問題，對提高表面質(zhì)量也有利，但Nb的價(jià)格要高于Ti。本發(fā)明從經(jīng)濟(jì)型、可制造性和表面質(zhì)量三方面考慮，用一部份Nb來代替Ti滿足Ti+Nb≥5C或Ti+Nb≥5(C+N)，Nb≤0.2％，避免晶間腐蝕發(fā)生，同時(shí)提高可制造性和表面質(zhì)量。
稀土(Ce)：在本發(fā)明鋼中Ce有三方面的作用：首先在冶煉過程中利用其與氧的強(qiáng)結(jié)合力，來降低鋼液中自由氧的濃度，避免Ti的氧化，使Ti充分發(fā)揮穩(wěn)定化元素的作用，同時(shí)避免Ti的氧化物堵塞水口，提高可制造性；再者，稀土元素Ce和硅共同作用可以提高鉻氧化膜的粘附性，不銹鋼板坯在加熱和熱軋過程中形成的含稀土Ce的氧化膜可以充當(dāng)保護(hù)膜和潤滑劑的作用，有利于提升表面質(zhì)量；另外，鋼基體中一定含量的稀土Ce可以顯著提高奧氏體不銹鋼的抗氧化性能。但Ce易氧化、收得率低，且其氧化物也會堵塞水口，因此，本發(fā)明將稀土Ce含量控制為0.01～0.03％，且要與后續(xù)的關(guān)鍵生產(chǎn)工藝相結(jié)合。
本發(fā)明所述的具有良好抗氧化性能的含鈦奧氏體不銹鋼的制造方法，其包括如下步驟：
1)冶煉、連鑄
按上述化學(xué)成分經(jīng)電爐、AOD爐冶煉、LF精煉爐精煉，澆鑄成板坯；其中，AOD爐中鋼水的終點(diǎn)C含量控制為0.015～0.025％；在LF精煉爐中待合金成分調(diào)整到位后喂入稀土Ce，稀土Ce總喂入量按Ce收得率30～50％計(jì)算，充分?jǐn)嚢韬?，保證夾雜物上浮時(shí)間≥15min；出鋼前加入鈮鐵和鈦鐵，鈮、鈦加好后再控制夾雜物上浮時(shí)間≥10min。
澆鑄時(shí)，結(jié)晶器水口插入深度為100～110mm，澆鑄過熱度為30～45℃。
2)板坯表面修磨
采用砂輪修磨去除板坯表面缺陷。
3)板坯加熱
板坯出爐溫度為1200～1240℃，加熱時(shí)間按每毫米板坯厚度加熱1.0～2min計(jì)算。
4)熱軋
熱軋的終軋溫度≥900℃。
5)熱處理
加熱溫度為1080℃+ΔT，ΔT＝(Nb/0.1％)*20℃。
本發(fā)明制造過程中的關(guān)鍵工藝控制：
(1)將AOD爐冶煉鋼水的終點(diǎn)C含量控制為0.015～0.025％，避免后續(xù)因增C導(dǎo)致C含量過高而不滿足成份要求。
(2)在LF精煉爐工位待主要合金成份調(diào)整到位后喂入稀土Ce，按Ce收得率30～50％計(jì)算總喂入量，充分?jǐn)嚢韬蟊ＷC夾雜物上浮時(shí)間在15分鐘以上，使得已產(chǎn)生的氧化去除干凈。
澆鑄時(shí)在出鋼前加入鈮鐵和鈦鐵，保證Ti+Nb≥5C或Ti+Nb≥5(C+N)，且鈦鐵須選用低鋁鈦鐵(低Al高Ti)，鈮、鈦加好后再保證10分鐘以上的夾雜物上浮時(shí)間。
本發(fā)明先喂入稀土Ce，進(jìn)行深脫氧，為后續(xù)Ti、Nb的加入創(chuàng)造了低氧條件，保證了Ti、Nb的收得率，也防止產(chǎn)生過多Ti氧化物，帶來水口堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。
(3)在澆鑄工位做好大包到中間包的氬封、中間包的密封、無氧化保護(hù)、結(jié)晶器的無氧化保護(hù)等措施，防止Ti和Ce的過程氧化損失。
(4)澆鑄時(shí)，結(jié)晶器水口插入深度嚴(yán)格控制在100～110mm，防止鋼水二次氧化的同時(shí)保證夾雜物充分上浮。嚴(yán)格控制澆鑄過熱度為30～45℃，澆鑄過熱度過低，鋼水流動(dòng)性不好，不利于夾雜物上浮，也不利于澆鋼；澆鑄過熱度過高則會導(dǎo)致Ti、Nb和Ce的過度燒損，增加水口堵塞和漏鋼的風(fēng)險(xiǎn)。
(5)板坯澆鑄完成后，采用砂輪機(jī)修磨板坯表面，去除板坯表面夾(渣)雜物等影響產(chǎn)品表面質(zhì)量的缺陷。
(6)板坯加熱和熱軋：板坯加熱時(shí)間隨厚度而增加，按1～2min/mm的原則確定，保證加熱后的組織為單相奧氏體，板坯出爐溫度控制為1200～1240℃，保證板坯溫度均勻。
終軋溫度≥900℃：在900℃以上完成熱軋，保證軋制處于單相奧氏體區(qū)，同時(shí)保證一定的熱塑性。
(7)板坯熱軋后的加熱溫度為1080℃+ΔT，ΔT按每0.1％的Nb為20℃計(jì)算。Nb的添加會提高再結(jié)晶溫度，隨Nb含量的增加提高熱處理的加熱 溫度，保證晶粒組織再結(jié)晶充分。
本發(fā)明的有益效果：
本發(fā)明合理控制了C、N的含量，采用Nb來替代一部分Ti，降低了Ti的需求量，大大降低成本，且提高了可制造性。
本發(fā)明在冶煉過程中喂入稀土Ce，利用稀土Ce的強(qiáng)吸氧能力來降低鋼液中的自由氧濃度，避免Ti的大量氧化形成夾雜物；鋼液中一定含量的稀土Ce還可以提高不銹鋼氧化膜的黏附性和潤滑性，從而提高產(chǎn)品的表面質(zhì)量和抗氧化性能。
本發(fā)明在制造工藝上，先喂入稀土Ce，進(jìn)行深脫氧，為后續(xù)Ti、Nb的加入創(chuàng)造了低氧條件，保證了Ti、Nb的收得率，也防止過多Ti氧化物的產(chǎn)生帶來水口堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)鋼水可連續(xù)澆鑄。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實(shí)施例3鋼的微觀組織照片。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
表1為本發(fā)明實(shí)施例鋼的成分，表2為本發(fā)明實(shí)施例鋼的制造工藝，表3為本發(fā)明實(shí)施例鋼的性能。
由表3可知，本發(fā)明鋼在高溫下抗氧化性能大大提高，具體是在800℃氧化100小時(shí)條件下的氧化增重＜0.05mg/cm2，同時(shí)具有良好的表面質(zhì)量。
由圖1可知，本發(fā)明鋼的晶粒組織均勻、再結(jié)晶充分，晶界和晶內(nèi)均無碳化物析出，保證了良好的抗晶間腐蝕性能。