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耐热耐蚀奥氏体不锈钢及其制备方法与流程

作者:新2直营现金网 发布于:2020-11-09 00:38 点击量:

  本发明属于金属材料技术领域,涉及一种耐热耐蚀奥氏体不锈钢及其制备方法,尤其涉及一种电热水器加热管用耐热耐蚀奥氏体不锈钢及其制备方法。

  随着科技的不断进步以及经济的高速发展,电气化已逐渐深入社会的方方面面,在家电领域,例如电热水器、烤箱等已进入千家万户,丰富了我们的生活。然而,对于电加热热水器关键加热元件—加热管外壳管材,由于其长期服役于复杂的冷热循环交替环境,不同地区水质差异较大,且水中普遍存在氯离子,因此,电加热管腐蚀穿孔、曝管等失效事件时有发生,轻则影响热水器的使用寿命,增加生产厂家的维护成本,重则危害消费者的人身安全。

  对于电热水器用加热管,由于使用环境的特殊性,要求材料具有优良的耐点蚀、抗应力腐蚀性能以及良好的抗高温氧化性能和较高的高温强度。目前,电热水器加热管用材料,中低端用材主要采用奥氏体不锈钢SUS304和SUS316,其具有一定的耐腐蚀、耐热性能以及成本低的优势,但是使用寿命短,尤其在氯离子浓度较高的腐蚀水介质环境中,极易发生电加热管腐蚀时效;高端用材主要为镍基合金,其具有优异的抗高温氧化和耐腐蚀性能,但价格昂贵,且主要依赖进口。鉴于此,需要开发一种满足电热水器加热管用的经济型耐热耐蚀不锈钢材料,以满足日益发展的电加热行业的需求。

  为了克服现有电热水器加热管用不锈钢的上述不足,本发明提供一种用于电热水器加热管用耐热耐蚀奥氏体不锈钢。所述不锈钢其具有优异的耐腐蚀、抗高温氧化性能以及良好的高温强度,并具有较好的经济性。

  另一方面,本发明提供了一种上述耐热耐腐蚀奥氏体不锈钢材料的制备方法,包括以下步骤:

  开轧温度为1150℃-1180℃,轧制五道次,各道次变形率为18%-35%,各道次轧制速度为2.0m/s-5.0m/s,粗轧出口温度为1100±20℃;

  精轧完毕投入层流冷却,冷却速度≥50℃/s,卷取温度为650℃-700℃;

  采用连续式退火酸洗线.0min/mm,退火出炉后水冷,冷却后板温不高于100℃。

  优选的,所述铸坯加热包括在步进式加热炉中加热,所述加热炉温为1280℃-1290℃,所述保温时间为150min-160min。

  优选的,所述粗轧包括:采用可逆式轧制机轧制,所述开轧温度为1160℃-1180℃,轧制五道次,所述各道次变形率为18%-33%,所述各道次轧制速度逐渐增加,所述粗轧出口温度为1110℃-1120℃。

  优选的,所述冷却速度为60℃/s-65℃/s,所述卷取温度为650℃-680℃。

  优选的,所述热处理包括:采用连续式退火酸洗线进行热处理,所述板温为1080℃-1100℃,所述保温时间为1.5min/mm-1.6min/mm,退火出炉后水冷,冷却后所述板温为85℃-90℃。

  本发明的耐热耐蚀奥氏体不锈钢成分设计合理,通过控制各元素在较佳含量范围,适当加入合金化元素Al、Ti、Nb、Mo等,并对其含量进行合理匹配,保证了材料的抗腐蚀、抗氧化性能以及高温强度。

  本发明通过选择合理的铸坯加热制度,合理匹配轧制道次、道次变形率和轧制速度,轧制过程温度控制,以及卷取温度和轧后冷却速度控制等工艺措施,确保组织在热加工过程中的恢复和再结晶更充分,改善热塑性,降低裂纹产生的敏感性,有效保证该材料的热加工性能,避免析出相析出,为成品卷的组织控制提供了较好的组织基础。

  本发明通过合理控制退火处理工艺,确保成品卷组织为单一奥氏体,晶粒度在5-6级,具有优异的耐氯离子点蚀、抗应力腐蚀和抗高温氧化性能以及良好的高温强度,能够满足电热水器用电加热管外壳材料的使用要求。

  为了充分了解本发明的目的、特征及功效,通过下述具体实施方式,对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外,其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明,否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。

  本发明的耐热耐蚀奥氏体不锈钢成分设计合理,保证了材料的抗腐蚀、抗氧化性能以及高温强度。具体的,采用上述含量的化学元素的优点分别如下:

  C:C是固溶强化元素,起到固溶强化的作用。在奥氏体不锈钢中,C易与Cr形成碳化物Cr23C6,其在晶内和晶界析出导致该处贫铬降低合金抗腐蚀性能。另外,C含量过高还会降低材料的焊接性能。因此,本发明将C含量控制在0.006%-0.030%范围,优选为0.008%-0.020%,最优选为0.011%-0.013%。

  Si:Si在炼钢时,常常用作还原剂和脱氧剂,但是,Si含量过多会降低不锈钢的韧性和塑性,因此,本发明将Si含量控制0.20%-0.70%范围,优选为0.30%-0.50%,最优选为0.30%-0.40%。

  Mn:Mn是良好的脱氧、脱硫剂,Mn能消除或减轻不锈钢中由硫引起的热脆性,改善钢的热加工性能,同时Mn能抑制薄膜状的FeS在晶界析出,提高焊缝的抗热烈性。但是Mn含量过多,会导致晶粒粗化倾向,并降低钢的耐蚀性能。因此,将Mn含量限定在0.30%-1.0%范围,优选为0.30%-0.70%,最优选为0.45%-0.55%。

  Cr:Cr是提高不锈钢高温抗氧化性能以及耐点蚀、均匀腐蚀以及耐应力腐蚀开裂性所必需的关键元素,在高温时形成的保护性氧化膜Cr2O3使得不锈钢在高温下具有良好的抗氧化性能和耐蚀性能,但是Cr含量过高则会增加晶间腐蚀敏感性。因此,本发明将Cr含量限定在18.0%-20.0%范围,优选为18.5%-20.0%,最优选为19.0%-19.50%。

  Ni:Ni是优良的耐全面腐蚀性的奥氏体形成元素,它能够增强氧化膜的保护性能,尤其能够提高不锈钢的循环氧化性能,同时它还可以提高不锈钢抵抗应力腐蚀以及均匀腐蚀的能力。但是Ni含量过高会导致不锈钢成本大幅上升。因此,本发明将Ni含量限定在18.0%-20.0%范围,优选为18.5%-20.0%,最优选为18.50%-19.0%。

  Mo:Mo元素有助于促进Cr元素在不锈钢表面富集,增强钝化膜的稳定性,提高不锈钢抗局部点蚀能力,尤其是提高氯化物腐蚀环境的耐蚀性能。另外,Mo元素可提高焊缝金属的热强性,提高焊缝的抗热裂性。但是Mo含量过高会增大σ相的析出倾向,同时增加成本。因此,将Mo含量限定在0.75%-1.50%范围,优选为1.0%-1.50%,最优选为1.20%-1.30%。

  Al:Al是本发明合金所必需的元素,它是形成γ'(Ni3Al)相的主要元素,其在高温下起析出强化作用,可确保钢的高温强度,但是,Al含量过高会影响钢的热加工性能。因此,为了保证钢在高温下的组织稳定性以确保高温强度,本发明将Al含量限定在0.20%-0.50%范围,优选为0.20%-0.40%,最优选为0.30%-0.35%。

  Ti:Ti是强碳化物形成元素,在不锈钢中常用Ti来固定钢中的碳以消除铬在晶界处的贫化而避免晶间腐蚀,同时,Ti原子还可代替γ(Ni3Al)相中的Al原子形成强化相Ni3(Al,Ti),但是Ti元素过多会引起较多的产品表面质量问题。因此,在合金中Al含量为0.20-0.40%的前提下,本发明将Ti含量控制在0.20%-0.50%范围,优选为0.20%-0.40%,最优选为0.30%-0.35%,并且Al+Ti≥0.45%,优选为Al+Ti≥0.60%,最优选为Al+Ti为0.60%-0.70%。

  Nb:Nb是主要的碳化物形成元素,可以在热加工以及热处理过程中,与钛一起与碳反应形成细小的碳化物钉扎晶界控制晶粒大小,并通过稳定碳、氮元素从而提高钢的耐蚀性能,当Nb含量过高时,会形成较多的一次碳化物MC,对合金的热加工性能不利。因此,本发明将Nb含量限定在0.10%-0.30%范围,优选为0.10%-0.20%,最优选为0.11%-0.15%,并且,9≤(Nb+0.4Ti)/(C+N)≤18,优选为10≤(Nb+0.4Ti)/(C+N)≤16,最优选为11.7≤(Nb+0.4Ti)/(C+N)≤13.8。

  P、S:P和S均为杂质元素,它们与钢中的Ni形成低熔点共晶化合物会导致热加工开裂。因此,本发明将将P含量控制在不高于0.020%,S含量控制在不高于0.002%。

  N:N是杂质元素,它在凝固过程中与钢中的Al、Ti生成AlN、TiN化合物,会降低钢的耐点蚀性能。因此,本发明将N含量限定在不高于0.015%。

  B:B是一种晶界强化元素,B原子在晶界偏聚,减少晶界缺陷,提高晶界结合力,降低晶界的扩散速率,减缓位错攀移,强化晶界,有效保证钢的高温强度,此外,B原子在晶界偏聚,可阻止P、S及低熔点有害元素在晶界偏聚,增强晶界的共格性,有利于材料的热加工性能,但是B含量过高对焊接性能不利。因此,本发明将B含量控制在0.002%-0.006%,优选为0.0025%-0.0055%,最优选为0.0035%-0.0045%。

  以上各化学成分的选用及其含量的确定,均是发明人通过创造性劳动获得的。各化学成分通过发挥协同作用,使耐热耐蚀奥氏体不锈钢材料具有优异的耐氯离子点蚀、抗应力腐蚀和抗高温氧化性能以及良好的高温强度,能够满足电热水器用电加热管外壳材料的使用要求。

  另一方面,本发明还提供了一种耐热耐腐蚀奥氏体不锈钢的制备方法,包括以下步骤:

  上述含量的各化学组分通过发挥协同作用,使由所述铸坯制备得到的不锈钢材料具有优异的耐氯离子点蚀、抗应力腐蚀和抗高温氧化性能以及良好的高温强度。

  将加热炉温控制在1250℃-1300℃之间,保温时间控制在100min-160min,可以保证合金化元素充分扩散,析出相充分回溶,为热加工提供较佳的组织状态。优选的,将铸坯加在步进式加热炉中加热,并将加热炉温控制在1280℃-1290℃,保温时间控制在150min-160min之间,可以使铸坯的组织状态更均一。

  开轧温度为1150℃-1180℃,轧制五道次,各道次变形率为18%-35%,各道次轧制速度为2.0m/s-5.0m/s,粗轧出口温度为1100±20℃;优选的,所述粗轧包括:采用可逆式轧制机轧制,所述开轧温度为1160℃-1180℃,轧制五道次,所述各道次变形率为18%-33%,所述各道次轧制速度逐渐增加,所述粗轧出口温度为1110℃-1120℃。本发明通过轧制五道次,并限定各道次变形率在18%-33%范围内逐渐增加,可以保证铸坯晶粒全部完成动态再结晶,避免不锈钢板局部晶粒粗大。

  在某些实施方式中,粗轧后坯料厚度为28-32mm。在其它实施方式中,本发明粗轧后钢板的厚度可以根据铸坯的厚度及实际生产需要确定,本发明在此不做具体限定。

  采用精轧机组轧制,终轧温度为1000℃-1050℃,优选为1020℃-1040℃,能够保证合金组织发生完全动态再结晶,获得细小均匀的再结晶组织。

  精轧完毕投入层流冷却,通过设置冷却速度≥50℃/s,优选为60℃/s-65℃/s;卷取温度为650℃-700℃,优选为650℃-680℃,能够使组织和析出物得到有效控制。

  采用连续式退火酸洗线.0min/mm,退火出炉后水冷,冷却后板温不高于100℃。

  优选的,所述板温为1080℃-1100℃,所述保温时间为1.5min/mm-1.6min/mm,退火出炉后水冷,冷却后所述板温为85℃-90℃。

  按照上述条件进行热处理使得不锈钢中析出物充分回溶,充分静态再结晶,获得单一、均匀的奥氏体组织,保证板材具有优异的耐蚀性能。

  本发明通过选择合理的铸坯加热制度,合理匹配轧制道次、道次变形率和轧制速度,轧制过程温度控制,以及卷取温度和轧后冷却速度控制等工艺措施,确保组织在热加工过程中的恢复和再结晶更充分,改善热塑性,降低裂纹产生的敏感性,有效保证该材料的热加工性能,避免析出相析出,为成品卷的组织控制提供了较好的组织基础。

  经过上述成分和工艺方案制备的耐热耐蚀奥氏体不锈钢,具有单一的奥氏体结构,组织均匀,晶粒度在5-6级,具有优异的耐氯离子点蚀、抗应力腐蚀性能和抗氧化性能以及良好的高温强度。

  下面通过实施例的方式进一步说明本发明,但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法,按照常规方法和条件。下列实施例中使用的原料均为常规市购获得。

  按照相同的方法制备实施例1-6的耐热耐蚀奥氏体不锈钢,不同的是实施例1-6的不锈钢中除Fe和不可避免的杂质外,各组分含量如表1所示。

  铸坯在步进式加热炉中加热,加热炉温为1280℃,保温时间为150min。

  采用可逆式轧机轧制,铸坯开轧温度为1160℃,轧制五道次,各道次变形率分别为:18%、27%、30%、31%、33%,各道次轧制速度分别为:2.0m/s、2.5m/s、3.0m/s、4.0m/s、5.0m/s,粗轧出口温度为1110℃,轧后坯料厚度为30mm。

  对中间坯料经过精轧机组轧制,终轧温度为1020℃,轧制的成品厚度为5.0mm。

  采用连续式退火酸洗线对热卷进行热处理,板温为1100℃,保温时间为1.5min/mm,退火出炉后水冷,冷却后板温为90℃。

  铸坯在步进式加热炉中加热,加热炉温为1290℃,保温时间为160min。

  采用可逆式轧机轧制,铸坯开轧温度为1180℃,轧制五道次,各道次变形率分别为:22%、28%、33%、33%、30%,各道次轧制速度分别为:2.2m/s、2.7m/s、3.2m/s、4.3m/s、5.0m/s,粗轧出口温度为1120℃,轧后坯料厚度为28mm。

  对中间坯料经过精轧机组轧制,终轧温度为1040℃,轧制的成品厚度为3.0mm。

  采用连续式退火酸洗线对热卷进行热处理,板温为1080℃,保温时间为1.6min/mm,退火出炉后水冷,冷却后板温为85℃。

  铸坯在步进式加热炉中加热,加热炉温为1250℃,保温时间为160min。

  采用可逆式轧机轧制,铸坯开轧温度为1150℃,轧制五道次,各道次变形率分别为:18%、24%、29%、32%、33%,各道次轧制速度分别为:2.0m/s、2.6m/s、3.2m/s、4.3m/s、4.9m/s,粗轧出口温度为1100℃,轧后坯料厚度为32mm。

  对中间坯料经过精轧机组轧制,终轧温度为1000℃,轧制的成品厚度为3.0mm。

  采用连续式退火酸洗线对热卷进行热处理,板温为1080℃,保温时间为2.0min/mm,退火出炉后水冷,冷却后板温为86℃。

  铸坯在步进式加热炉中加热,加热炉温为1300℃,保温时间为100min。

  采用可逆式轧机轧制,铸坯开轧温度为1170℃,轧制五道次,各道次变形率分别为:22%、26%、30%、32%、35%,各道次轧制速度分别为:2.1m/s、2.8m/s、3.3m/s、4.4m/s、5.0m/s,粗轧出口温度为1120℃,轧后坯料厚度为28mm。

  对中间坯料经过精轧机组轧制,终轧温度为1050℃,轧制的成品厚度为3.0mm。

  采用连续式退火酸洗线对热卷进行热处理,板温为1120℃,保温时间为1.5min/mm,退火出炉后水冷,冷却后板温为80℃。

  对实施例1-9得到的耐热耐蚀奥氏体不锈钢及SUS304不锈钢、SUS316L不锈钢开展理化性能测试实验。测试项目、测试条件和测试结果具体如下:

  抗氧化性能试验按照GB/T13303-91标准进行,试样尺寸为30mm*10mm,采用电阻加热炉,在自然气氛中保温100h,然后从炉膛中取出,冷却至室温后称重,计算样品的增重及氧化速率。测试结果见表2。

  按照GB17897-99标准进行,试验条件为:6%FeCl3溶液,35℃,连续进行24h,测试结果见表2

  抗应力腐蚀试验按照ASTM G36-94标准进行,试验条件为:42%MgCl2溶液,沸腾,110h,测试结果见表2

  通过表2的测试结果可知,与SUS304和SUS316L不锈钢相比,采用本发明制备得到的奥氏体不锈钢板材具有良好的高温强度以及优良的抗氧化性能、抗点蚀和抗应力腐蚀开裂能力,能够满足电热水器用电加热管外壳材料的使用要求。

  本发明在上文中已以优选实施例公开,但是本领域的技术人员应理解的是,这些实施例仅用于描绘本发明,而不应理解为限制本发明的范围。应注意的是,凡是与这些实施例等效的变化与置换,均应设为涵盖于本发明的权利要求范围内。因此,本发明的保护范围应当以权利要求书中所界定的范围为准。

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