极低脆性转变温度的中铬无钼铁素体不锈钢及其制备方法技术

一种极低脆性转变温度的中铬无钼铁素体不锈钢及其制备方法，成分按质量百分比含C 0.005～0.015%，N 0.005～0.015%，Si≤0.5%，Mn≤0.2%，P≤0.03%，S≤0.01%，O≤0.005%，Cr 18～22%，Nb 0.08～0.18%，Ti 0.05～0.1%，Ni 0.2～0.4%，Al 0.1～0.2%，Cu 0.3～0.5%，余量为铁和不可避免的杂质，脆性转变温度在‑120～‑100℃；制备方法为：（1）在真空感应熔炼炉中冶炼并浇注；（2）加热至1000～1200℃保温60～150min，然后热轧，累积压下量为96～98%；（3）加热至850～950℃，保温6～8min。本发明专利技术方法提高了其在低温等苛刻服役环境下的使用寿命和安全性，降低钢的生产成本，最终实现不锈钢生产节约资源、节能减排并防止环境污染等目标。

Very low brittle transition temperature of the non chromium molybdenum ferritic stainless steel and preparation method thereof

A very low brittle transition temperature of the non chromium molybdenum ferritic stainless steel and its preparation method, composition containing C by weight percentage from 0.005 to 0.015%, N 0.005 ~ 0.015%, Si = 0.5%, Mn = 0.2%, P = 0.03%, S = 0.01%, O = 0.005%, Cr 18 ~ 22%, Nb 0.08 ~ 0.18%, Ti 0.05 ~ 0.1%, 0.2 ~ 0.4% Ni, Al 0.1 ~ 0.2%, 0.3 ~ 0.5% Cu, iron and unavoidable impurities in balance, brittle transition temperature in 120 ~ 100 DEG C; the preparation method is as follows: (1) smelting and casting in vacuum induction melting furnace; (2) is heated to 1000 to 1200 DEG C for 60 ~ 150min, and then rolled, the accumulated amount of 96 ~ 98%; (3) heating to 850 to 950 DEG C, holding 6 ~ 8min. The method of the invention improves the low temperature in harsh service life and safety of the environment, reduce the production costs of steel, stainless steel production and ultimately save resources, energy saving and emission reduction and prevent environmental pollution etc..

【技术实现步骤摘要】
极低脆性转变温度的中铬无钼铁素体不锈钢及其制备方法
本专利技术属于冶金
，特别涉及一种极低脆性转变温度的中铬无钼铁素体不锈钢及其制备方法。
技术介绍
铁素体不锈钢是指具有体心立方晶体结构，在高温和室温均具有完全铁素体或以铁素体为主体结构，其Cr含量大于10.5%的一系列铁基合金，为了赋予此类合金一些特定性能，还常加入适量的Mo、Ni、Al、Cu、Nb、Ti或Nb+Ti等元素。按钢中的Cr含量可分为低铬、中铬和高铬铁素体不锈钢三类。按钢中的合金元素构成可分为Fe-Cr系铁素体不锈钢和Fe-Cr-Mo系铁素体不锈钢两类。铁素体不锈钢除具有良好的不锈性和耐全面腐蚀性能外，其耐氯化物应力腐蚀、耐点蚀和耐缝隙腐蚀等性能优良。与铬镍奥氏体不锈钢相比，铁素体不锈钢不含镍或仅含少量镍，因而是一类无镍和节镍不锈钢。铁素体不锈钢强度高，冷加工硬化倾向低，导热系数为奥氏体不锈钢的130～150%，线膨胀系数仅为奥氏体不锈钢的60～70%，且具有磁性。正是由于铁素体不锈钢具有这些独特的优势，在家用电器、厨房用具、交通运输、建筑装饰、海水淡化、石油精炼、制碱工业、核能及舰船等民用和工业领域有着广阔的应用前景。但是自1912年铁素体不锈钢问世以来，与铬镍奥氏体不锈钢相比，产量比较低且用途受到诸多限制，这与铁素体不锈钢，特别是含铬量大于16%时存在脆性转变温度尚需改善这一不足和缺点密切相关。这一不足和缺点突出表现在，一方面，与铬镍奥氏体不锈钢相比，铁素体不锈钢的脆性转变温度高。这与铁素体不锈钢的晶体结构及较高Cr含量存在一定联系。与面心立方金属相比，体心立方铁素体不锈钢中滑移面原子排列密度小，滑移面面间距小，面与面之间结合力强；滑移方向数目少，滑移方向上原子密度小，在这些方向上原子间距大，位错的柏氏矢量大；Cr原子抑制某些滑移系的开动。这均导致滑移阻力增加，变形协调性降低，利于尖锐裂纹的萌生和扩展，最终造成脆性破坏并降低脆性转变温度。并且，这种恶化效果在低温状态下表现尤为明显。另一方面，铁素体不锈钢的脆性转变温度对钢板厚度非常敏感，即存在厚度效应。也就是说，钢板越厚，脆性转变温度越高。例如，对于普通中铬铁素体不锈钢439在厚度达到5～6mm时，其相应的脆性转变温度就达到室温及以上；而在厚度达到8mm时，脆性转变温度要远高于室温，如图1所示。这一厚度效应与材料在冲击过程中不同厚度尺寸样品缺口尖端所处的应力状态相关。在冲击过程中，当厚度较薄时，缺口尖端处，在垂直于板厚方向基本可以自由变形，应力状态大体为两向拉伸的平面应力状态；当厚度增加时，缺口尖端处，在垂直于板厚方向的变形受到约束，应力状态为三向应力状态；另外，受到约束的塑性变形将促使脆性转变的发生。因此，当钢板厚度增加，脆性转变温度增加。这种特殊表现正严重制约着铁素体不锈钢的应用，尤其是在极寒环境下，且进一步限制了铁素体不锈钢作为结构材料时的应用厚度，直接应用厚度应限制在不超过6mm。目前，国内外诸多学者已就铁素体不锈钢的性能改善及其制造方法提出了多项专利。日本专利JP63-219551A公开了一种具有较好低温韧性的铁素体不锈钢，即通过添加0.2～0.8%的Ni来获得具有较好低温韧性的铬含量为11～18%的铁素体不锈钢。与原有技术相比，专利技术的铁素体不锈钢的脆性转变温度均在-80℃以下。然而，从上述专利的实施例中可发现，对于铬含量为18.1%的铁素体不锈钢，虽然添加0.53%的Ni，但是脆性转变温度仅为-3℃，表明此专利并未针对铬含量为18%以上的铁素体不锈钢中厚板的脆性转变温度进行控制和改善。日本专利JP2008-189974A公开了一种具有较好热疲劳性能和低温韧性的汽车排气系统用铁素体不锈钢，即通过添加0.5～0.7%的Nb、0.05～0.3%的Ti和1～2%的Cu来获得具有较好热疲劳性能和低温韧性的汽车排气系统用铬含量为10～20%的铁素体不锈钢。但是，从上述专利的实施例中可发现专利技术铁素体不锈钢的脆性转变温度仅仅达到-25℃以下，与-100℃以下的脆性转变温度相比还存在一定差距。而且上述专利主要针对汽车排气系统用铁素体不锈钢（厚度不超过5.0mm）的使用性能进行控制和改善，并未针对厚度在5mm以上的铁素体不锈钢中厚板的脆性转变温度进行控制和改善。欧洲专利EP0478790A1公开了一种具有较好低温韧性、焊接性及耐热性的耐热铁素体不锈钢，即通过控制Mn/S≥200、Nb≥0.2+8（C+N）及Ni+Cu≤4%等指标来获得具有较好低温韧性、焊接性及耐热性的汽车排气系统用铬含量为17～25%的Fe-Cr-Mo系铁素体不锈钢。然而，从上述专利的实施例中可发现专利技术的铁素体不锈钢(厚度：4.5mm）在-25℃条件下的冲击韧性约为25℃条件下的30～80%。根据GB/T229-2007中脆性转变温度的规定，上述专利技术的铁素体不锈钢的脆性转变温度接近-25℃，未能促使铁素体不锈钢的脆性转变温度降至极低（-100℃以下）。这将难以满足铁素体不锈钢中厚板在寒冷条件下，尤其是极寒环境的使用要求。而且，上述专利并未针对Fe-Cr系铁素体不锈钢中厚板力学性能，尤其是脆性转变温度进行控制和改善。中国专利CN101168822A公开了一种高韧性无镍铁素体不锈钢的制造方法，即通过添加0.02～0.1%的稀土元素来改善铬含量为16～20%的铁素体不锈钢的室温及低温韧性，并指出在-20℃、0℃及20℃条件下专利技术的铁素体不锈钢的冲击韧性最高约为原有技术的5倍。但是，从上述专利的实施例中可发现专利技术的铁素体不锈钢在20℃条件下的冲击韧性为32～130J/cm2,冲击功为25.6～104J；在-20℃条件下的冲击韧性为15～50J/cm2,冲击功为12～40J，均不足20℃条件下的50%。根据GB/T229-2007中脆性转变温度的规定，可以确定上述专利技术的铁素体不锈钢的脆性转变温度基本接近-20℃，未能促使铁素体不锈钢的脆性转变温度降至极低（-100℃以下）。这将难以满足铁素体不锈钢在寒冷条件下，尤其是极寒环境的使用要求。而且，此专利并未添加Nb、Ti、Ni、Al及Cu。中国专利CN105051234A公开了一种铁素体系不锈钢热轧钢板及其制造方法以及钢带，即通过成分设计和退火工艺控制来改善铬含量为14～18%的铁素体不锈钢的韧性及耐蚀性，与原有技术相比，专利技术的铁素体不锈钢（厚度：5.0～9.0mm）在0℃条件下的冲击韧性均在10J/cm2以上。然而，从上述专利的实施例中可发现，对于铬含量为20.1%的铁素体不锈钢，虽然其余合金元素含量均在此专利规定范围内，但是其在0℃条件下的冲击韧性不足10J/cm2，表明此专利并未针对铬含量为18%以上的铁素体不锈钢中厚板的脆性转变温度进行控制和改善。中国专利CN104195451A公开了一种中铬铁素体不锈钢及其制造方法，即通过成分设计和热轧、热轧后退火、冷轧、冷轧后退火以及卷取等工艺控制来改善铬含量为16.5～19.5%的中铬铁素体不锈钢的强韧性、耐蚀性和冲击性。但是，上述专利并未添加Cu，Mn含量高，Al含量低，而且专利技术铁素体不锈钢的制造工序较为复杂（除采用热轧、热轧后退火，还需采用冷轧、冷轧后退火等）。中国专利CN102643968A公开了一种提高中铬铁素体不锈本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种极低脆性转变温度的中铬无钼铁素体不锈钢，其特征在于成分按质量百分比含C 0.005～0.015%，N 0.005～0.015%，Si≤0.5%，Mn≤0.2%，P≤0.03%，S≤0.01%，O≤0.005%，Cr 18～22%，Nb 0.08～0.18%，Ti 0.05～0.1%，Ni 0.2～0.4%，Al 0.1～0.2%，Cu 0.3～0.5%，余量为铁和不可避免的杂质，厚度5.5～8mm，脆性转变温度在‑120～‑100℃。

【技术特征摘要】
1.一种极低脆性转变温度的中铬无钼铁素体不锈钢，其特征在于成分按质量百分比含C0.005～0.015%，N0.005～0.015%，Si≤0.5%，Mn≤0.2%，P≤0.03%，S≤0.01%，O≤0.005%，Cr18～22%，Nb0.08～0.18%，Ti0.05～0.1%，Ni0.2～0.4%，Al0.1～0.2%，Cu0.3～0.5%，余量为铁和不可避免的杂质，厚度5.5～8mm，脆性转变温度在-120～-100℃。2.一种权利要求1所述的极低脆...

【专利技术属性】
技术研发人员：高飞，于福晓，张向军，李成刚，曹光明，刘振宇，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21