稀土低镍奥氏体不锈钢 【技术领域】
本发明涉及一种奥氏体不锈钢合金材料，特别是一种含稀土金属低镍奥氏体不锈钢的合金材料。
背景技术
随着我国经济的不断发展，人民生活水平的不断提高，不锈钢制品越来越多地受到人们的青睐。其中奥氏体不锈钢因其良好的耐蚀性、漂亮的外观及易加工成型性等良好的性能，广泛用于五金制品及建筑装饰等行业，建筑的结构件及玻璃幕墙不锈钢连接件。
在奥氏体不锈钢中，较为典型的钢种有304、304L、316、316L等，304系列不锈钢广泛应用于家庭用品、汽车配件、医疗器具、建材、化学、食品工业、农业及船舶部件等领域；316系列则广泛应用在海水用设备、化学、染料、造纸、草酸、肥料等生产设备、照像、食品工业、沿海地区设施、绳索、CD杆、螺栓、螺母等领域。该系列钢种的突出特点是有良好的综合性能，但由于其中稀缺金属镍含量较高，都达到8％以上，随着镍资源的日益紧缺，不锈钢成本和价格大幅增加是必然趋势，而无论是钢厂还是不锈钢用户历来都十分注重经济效益，因此，开发节镍型奥氏体不锈钢，具有重大的经济价值和重要的社会意义。
目前，节镍型奥氏体不锈钢以形成奥氏体的C、Mn、N、Cu等元素来部份取代稀缺金属镍。如中国发明专利授权公开号(CN 1772942A)节镍型奥氏体含稀土不锈钢及其制备方法，其化学成份(Wt％)为：C≤0.08，Si：0.3～0.8，Mn：5.0～8.5，S≤0.05，P≤0.04，Ni：3.0～5.5，Cr：14～19，Cu：1.0～4.0，N≤0.20，[O]总≤0.005，Re：0.05～0.30。中国发明专利授权公开号(CN100432262C)含稀土金属的双相不锈钢合金材料及其制备方法，其化学成份(Wt％)为：C：0.01～0.02，Mn：8～12，Ni：1.0～2.0，Cr：24～26，Mo：3.5～4.5，N：0.3～0.45，稀土Ce或Y：0.05～0.20。该类节镍型不锈钢均具有较高的锰含量，而高锰含量又削弱了钢的抗腐蚀能力，降低了焊接性能，使不锈钢性能下降，实际使中受到很大的限制，尤其是在要求高耐蚀性的化学、煤炭、石油产业等行业及沿海地区建筑结构件的应用中。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是提供了一种稀土低镍奥氏体不锈钢，它不仅能降低镍元素的含量，从而使钢材成本大幅减少；而且具有良好的机械性能，相比现在通用的304、316系列不锈钢而言性价比更高。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，该不锈钢的组成及质量百分比(Wt％)为：C：0.03～0.08，Mn：2.50～5.00，Si：0.50～1.00，S：0.01～0.03，P：0.02～0.045，Ni：2.50～5.00，Cr：16.00～19.00，Mo：2.00～3.00，N：0.10～0.30，Al：0.05～0.20，Re：0.01～0.10，杂质≤1.00，余量为Fe。
本发明含稀土金属低镍奥氏体不锈钢可用真空感应炉、非真空感应炉、电阻炉、电弧炉+炉外精炼等任意一种冶炼方法进行冶炼。具体工艺步骤如下：首先根据本发明的元素组成及质量百分比(Wt％)，确定具体的钢种成分要求，结合各种原材料的成分综合配料；按照密、实、顺的装料原则依次装入电炉进行熔化、造渣、预脱氧、合金化、调整成分、调整钢液温度、终脱氧、出钢(含包内合金化)、浇铸；炉料要按大小比例搭配，已达到好装快熔的目的；具体装料顺序为有锈蚀、油污等的废零件，废钢料加入底部，小块回炉料加入中部，要装紧，大块松散的原料放到上部，使其自重下落；在用含镁复合脱氧精炼剂进行终脱氧后，出钢浇铸前加入稀土金属，即稀土金属加入后立即浇铸；浇铸温度控制在1550～1650℃，最终制得稀土低镍奥氏体不锈钢合金材料。所述调整成分是将钢的组成元素质量百分比调整至预定的具体钢种成分要求，以得到一定元素组成和质量百分比的低镍奥氏体不锈钢。
上述镍在不锈钢中的作用是在与铬配合后才发挥出来的，镍是优良的耐腐蚀材料，也是合金钢的重要合金化元素。它的主要作用是形成并稳定奥氏体组织，促进铬的钝化，改善材料的加工性能，使其有良好的综合机械性能。
本发明的技术方案中，由于采用合理的锰含量，发挥锰在奥氏体不锈钢中扩大奥氏体区以及强烈的稳定奥氏体组织作用，当钢碳含量一定时，随着锰含量的增加，钢的组织逐渐由珠光体变为马氏体并进一步转为奥氏体型，因此锰有利于奥氏体的形成，以提高奥氏体不锈钢的性能；同时锰能显著提高氮在奥氏体钢中的溶解度，氮是强烈形成奥氏体元素，主要节镍元素之一，在钢中能起到固溶强化作用提高奥氏体不锈钢的强度，同时氮能提高钢的耐腐蚀性能，特别是耐晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀性能等；锰、氮的复合加入能代替稀缺的战略资源镍，从而达到节镍降低成本的效果。当然过高的锰含量，会促使奥氏体晶粒粗化，使不锈钢出现回火脆性；因此本发明通过反复研究和试验分析各种合金元素对不锈钢成本及性能的影响，合理确定锰在上述不锈钢中的含量比例，在保证并提高不锈钢性能的基础上，实现低镍和降低成本。
又由于在本发明的不锈钢中添加了铝，铝作为脱氧剂，在不锈钢中可细化晶粒，提高冲击韧性；铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。
还由于在不锈钢中添加稀土元素首先能净化钢水，消除气体，改善夹杂物的形态、大小、分布，起到晶界强化作用，从而改善钢地热塑性，热加工性，减少热轧碎边缺陷，提高成材率；其次Re能细化晶粒，提高晶界结合强度，提高材料的综合性能；Re既能促进材料表面迅速形成氧化皮保护膜，提高钢材的抗腐蚀性和耐热性等；Re还能起到固溶强化和弥散强化的作用，并抑制铸态组织碳化物在晶间析出，大幅提高了钢材的力学性能和抗腐蚀性能。本发明在机械性能与SUS304钢相当甚至超过的基础上，实现了节镍25～40％，降低了生产成本；冶炼工艺也相对简单，设备要求较低，可操作性强。
本发明奥氏体不锈钢的化学成分中，C、Mn、N、Ni均为奥氏体形成元素，Si、Cr为铁素体形成元素，本发明采用铬、镍当量控制各元素范围，将铬、镍当量比值控制在一定数值区间，其中合金元素中Cr为最主要的合金元素，对奥氏体不锈钢的耐蚀性影响最大，铬在不锈钢表面形成一层很薄的铬膜，这个膜阻止氧继续渗入基体氧化从而起耐腐蚀的作用。
本发明奥氏体不锈钢中其它主要元素的作用机理如下：
C：碳是工业用钢的主要元素之一，碳在不锈钢中对组织的影响主要表现在两方面：一方面碳是稳定奥氏体的元素，并且作用的程度很大(约为镍的30倍)；另一方面由于碳和铬的亲和力很大，与铬形成一系列复杂的碳化物，易于不锈钢晶界析出，造成基体Cr贫乏，使钢的耐腐蚀性特别是耐晶间腐蚀性能下降。所以，从强度与耐腐烛性能两方面来看，碳在不锈钢中的作用是互相矛盾的，据此本发明综合确定并控制碳含量。
Si：在炼钢中加硅主要作为还原剂和脱氧剂、净化钢液，硅是铁素体形成元素，在一般不锈钢中为常存杂质元素。
【具体实施方式】
实施例
下面是三个具体实施例的元素组成成分及质量百分比，如表1所示。
表1三个实施例的元素成分及质量百分比(Wt％)
实施例1、2、3的力学性能测试结果，与对比例SUS304的力学性能比较如下表2所示。材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率和断面收缩率的测试采用国家标准GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》。
表2三个实施例与对比例的机械性能对比
对实施例1、2、3分别在5％NaCl溶液、5％H2S04溶液、5％NaOH溶液环境下，在室温条件下进行耐腐蚀性能测试，其结果如下表3所示。
表3三个实施例耐腐蚀性能测试结果
从以上对比表中可以看出，实施例所得合金材料的机械性能跟常用SUS304相当，但耐酸碱腐蚀性要明显好于该钢种。上述实施例只是本发明的具体的优选方案，但本发明并不限于上述实施例，比如在本发明成份保护的范围内是可以任意变化的，冶炼工艺也可以在真空感应炉、非真空感应炉、电弧炉、电阻炉等中的任意一种熔炼炉中进行。
上述三个实施例的冶炼工艺方法是，首先根据钢种的成分要求，结合各种原材料的成分综合配料；炉料要按大小比例搭配，已达到好装快熔的目的；按照密、实、顺的装料原则依次装入电炉进行熔化、造渣、预脱氧、合金化、调整成分、调整钢液温度、终脱氧、出钢(含包内合金化)、浇铸；具体装料顺序为有锈蚀、油污等的废零件，废钢料加入底部，小块回炉料加入中部，要装紧，大块松散的原料放到上部，使其自重下落；在用含镁复合脱氧精炼剂进行终脱氧后，出钢浇铸前加入稀土金属，其中Ce/Re的百分含量为54.9％；浇铸温度控制在1550～1650℃，最终制得新型含稀土低镍奥氏体不锈钢合金材料。实施例1、2、3是在中频感应炉上冶炼的，浇铸温度分别为1630℃、1605℃、1580℃，最终制得实施例所列成分的新型含稀土低镍奥氏体不锈钢合金材料。