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强韧耐腐蚀三相不锈钢、其制备方法和不锈钢制品

文献发布时间：2023-06-19 18:37:28

技术领域

本发明涉及不锈钢技术领域，尤其是涉及一种强韧耐腐蚀三相不锈钢、其制备方法和不锈钢制品。

背景技术

地球表面仅有约29％的面积是陆地，约71％的面积处于海洋的覆盖下。海洋中蕴藏着比陆地上多得多的资源。随着技术的逐渐进步以及科技发展对于资源需求的增多，开发海洋中尚未发现的资源已经成为了急需推进的任务。与陆地上主要暴露于大气中的环境相比，海洋中的环境更为苛刻和复杂，不锈钢铸件还需要面对泥沙冲刷、复杂载荷影响以及更多种形式的腐蚀问题。这要求不锈钢铸件同时具有高强度、高韧性、耐腐蚀和耐磨损等性能，因此不锈钢铸件的性能还需要进一步提高。

目前常用的不锈钢铸件主要是马氏体不锈钢和双相不锈钢。通常，马氏体不锈钢的屈服强度为540MPa～700MPa，抗拉强度为735MPa～1080MPa，伸长率>8％，硬度>30HRC。双相不锈钢的屈服强度为400MPa～550MPa，抗拉强度为600MPa～750MPa，伸长率>20％，硬度<290HBW。而无论是马氏体不锈钢，还是双相不锈钢，均无法同时满足耐腐蚀和高强度、高韧性的性能需求。

发明内容

基于此，有必要提供一种兼具耐腐蚀性和高机械强度的强韧耐腐蚀三相不锈钢。

根据本公开的一些实施例，提供了一种强韧耐腐蚀三相不锈钢，所述强韧耐腐蚀三相不锈钢包括如下质量含量的元素组分：C：≤0.06％，Si：2.0％～4.0％，Mn：0.8％～1.0％，Cr：11.0％～15.0％，Ni：5.5％～7.5％，Mo：1.0％～2.0％，Cu：0.5％～1.5％，Nb：0.2％～0.5％，其余为Fe和不可避免的杂质；

其中，所述强韧耐腐蚀三相不锈钢中包括马氏体、奥氏体以及铁素体，Cu、Ni和Mo在所述强韧耐腐蚀三相不锈钢中参与形成弥散分布的金属间化合物增强相。

在其中一个实施例中，在所述强韧耐腐蚀三相不锈钢中，所述马氏体的体积占比大于所述奥氏体的体积占比，所述马氏体的体积占比大于所述铁素体的体积占比。

在其中一个实施例中，在所述强韧耐腐蚀三相不锈钢中，所述铁素体的体积分数为10％～30％，所述奥氏体的体积分数为10％～30％，所述马氏体的体积分数≥40％。

在其中一个实施例中，所述强韧耐腐蚀三相不锈钢为铸造不锈钢，所述高强韧耐腐蚀三相不锈钢的洛氏硬度为35～45，抗拉强度在1000MPa以上，屈服强度在850MPa以上，伸长率在12％以上，点蚀电位值在300mV以上。

根据本公开的一些实施例，提供了一种强韧耐腐蚀三相不锈钢的制备方法，其包括如下步骤：

提供制备原料，所述制备原料包括如下质量含量的元素组分：C：≤0.06％，Si：2.0％～4.0％，Mn：0.8％～1.0％，Cr：11.0％～15％，Ni：5.5％～7.5％，Mo：1.0％～2.0％，Cu：0.5％～1.5％，Nb：0.2％～0.5％；其余为Fe和不可避免的杂质；

将所述制备原料制备成铸坯；

将所述铸坯进行热处理，热处理的过程包括固溶处理以及于所述固溶处理后进行的一次回火处理和二次回火处理，其中，

所述固溶处理包括：将所述铸坯加热至1030℃～1100℃后保温，再水冷至室温；

所述一次回火处理包括：将所述铸坯加热至600℃～650℃后保温，再水冷至室温；

所述二次回火处理包括：将所述铸坯加热至400℃～550℃后保温，再水冷至室温。

在其中一个实施例中，在将所述制备原料制备成铸坯的步骤中，将所述制备原料通过冶炼和浇铸的方式形成所述铸坯。

在其中一个实施例中，所述固溶处理、所述一次回火处理和所述二次回火处理满足如下条件中的至少一个：

在所述固溶处理的过程中，控制保温时长为1h～10h；

在所述一次回火处理的过程中，控制保温时长为1h～10h；

在所述二次回火处理的过程中，控制保温时长为2h～10h。

在其中一个实施例中，在所述固溶处理、所述一次回火处理和所述二次回火处理中的至少一个热处理过程中，控制加热所述铸坯时的升温速率为5℃/min～20℃/min。

根据本公开的一些实施例，还提供了一种强韧耐腐蚀三相不锈钢制品，其包含有上述任一实施例中所述的强韧耐腐蚀三相不锈钢，或由上述任一实施例所述的强韧耐腐蚀三相不锈钢的制备方法制备得到。

在其中一个实施例中，所述强韧耐腐蚀三相不锈钢制品为水轮机叶片、阀门阀体或螺旋桨。

上述至少一个实施例中的强韧耐腐蚀三相不锈钢中，包括如下质量含量的元素组分：C：≤0.06％，Si：2.0％～4.0％，Mn：0.8％～1.0％，Cr：11％～15％，Ni：5.5％～7.5％，Mo：1.0％～2.0％，Cu：0.5％～1.5％，Nb：0.2％～0.5％；其余为Fe和不可避免的杂质。进一步地，该强韧耐腐蚀三相不锈钢在该原料配比下，经合适热处理调整后，在金相组织结构中同时形成了马氏体、铁素体以及奥氏体，并且使得Cu、Ni和Mo形成弥散分布的纳米级金属间化合物增强相，以起到弥散强化作用。与现有技术相比，其至少具有如下有益效果。

该强韧耐腐蚀三相不锈钢中，通过在金相组织结构中设计马氏体、铁素体以及奥氏体，以保证材料具有出色的强韧匹配性。采用Cu、Ni和Mo在所述强韧耐腐蚀三相不锈钢中参与形成弥散分布的纳米级金属间化合物，该弥散分布的金属间化合物作为增强体，能够起到弥散强化作用。二者共同作用使得不锈钢的抗拉强度和屈服强度得到显著提高。另外，该强韧耐腐蚀三相不锈钢还采用提高Si元素的含量来提高耐腐蚀性及辅助强化，Si元素在腐蚀介质中可以形成稳定的钝化膜，较高含量的Si元素与Cr元素搭配协同能够显著提高耐腐蚀性。Si元素作为合金元素具有明显的固溶强化作用，能够辅助提高铸造不锈钢的硬度和耐磨性，此外Si元素还能够提高钢液流动性，降低形成缺陷的可能性，提升铸件质量。因此相较于传统铸造的马氏体不锈钢或双相不锈钢，该不锈钢兼具更好的腐蚀性和更高的机械强度。

该强韧耐腐蚀三相不锈钢的制备方法中采用特定组分的制备原料形成铸坯，并且，在固溶处理之后还进行了一次回火处理和二次回火处理。Nb元素与少量C元素之间形成稳定碳化物，能够有效避免后续的回火处理过程中产生脆化，还能够抑制Cr元素与C元素形成碳化物而影响腐蚀性；一次回火处理的处理温度条件使得铸坯形成逆转变奥氏体组织，二次回火处理的处理温度条件则使得铸坯中的Cu、Ni、Mo等元素形成细小弥散分布的金属间化合物起到弥散强化作用。

附图说明

图1示出了实施例1～实施例3的不锈钢试样的金相组织图，其中颜色较深的区域为马氏体和奥氏体，其中奥氏体以薄膜状分布在马氏体板条之间，颜色较浅的区域为铁素体；

图2示出了实施例1～实施例3的不锈钢试样的XRD测试图谱，图谱中衍射峰上的数字代表晶面指数，晶面指数的下标γ表示该晶面属于奥氏体，晶面指数无下标则表示该晶面属于马氏体和铁素体；

图3示出了不锈钢试样的点蚀电位的测试方式图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本公开一实施例提供了一种强韧耐腐蚀三相不锈钢，该强韧耐腐蚀三相不锈钢包括如下质量含量的元素组分：C：≤0.06％，Si：2.0％～4.0％，Mn：0.8％～1.0％，Cr：11.0％～15％，Ni：5.5％～7.5％，Mo：1.0％～2.0％，Cu：0.5％～1.5％，Nb：0.2％～0.5％；其余为Fe和不可避免的杂质。其中，强韧耐腐蚀三相不锈钢中包括马氏体、铁素体以及奥氏体，Cu、Ni和Mo在强韧耐腐蚀三相不锈钢中参与形成弥散分布的金属间化合物增强相。

该强韧耐腐蚀三相不锈钢中，通过在金相组织结构中设计马氏体、铁素体以及奥氏体，以保证材料具有出色的强韧匹配性。采用Cu、Ni和Mo在强韧耐腐蚀三相不锈钢中参与形成弥散分布的金属间化合物，该弥散分布的金属间化合物作为增强体，能够起到弥散强化作用。二者共同作用使得不锈钢的抗拉强度和屈服强度得到显著提高。另一方面，该强韧耐腐蚀三相不锈钢还采用提高Si元素的含量来提高耐腐蚀性及辅助强化，Si元素在腐蚀介质中可以形成稳定的钝化膜，较高含量的Si元素与Cr元素搭配协同能够显著提高耐腐蚀性。Si元素作为合金元素还具有固溶强化作用，能够辅助提高铸造不锈钢的硬度和耐磨性。此外，Si元素还能够提高钢液流动性，降低形成缺陷的可能性，提升铸件质量。引入奥氏体则可以在提高韧性的同时抑制裂纹扩展。因此较于传统的马氏体不锈钢或双相不锈钢，该三相不锈钢复合了马氏体、铁素体和奥氏体，复合结果保证了材料具有出色的强韧匹配性。

在该实施例的一些示例中，金属间化合物强化相的尺寸在纳米级。例如，该金属间化合物强化相在长度和/或宽度上的尺寸为1nm～100nm。

可以理解，在该实施例的强韧耐腐蚀三相不锈钢中应当存在C元素，以形成马氏体和奥氏体。C是参与形成奥氏体的元素之一，也是钢获得强韧性能的有效元素，但是含量过高会与Cr形成碳化物，从而导致不锈钢的耐腐蚀性下降，并且不利于焊接。该强韧耐腐蚀三相不锈钢中存在少量C元素，一方面参与形成奥氏体和马氏体，另一方面还能够与少量Nb形成稳定碳化物，起到细化晶粒，防止晶间腐蚀的作用。

在该实施例的一些具体示例中，C元素的质量含量≤0.03％。可选地，C元素的质量含量为0.005％、0.01％、0.015％、0.02％、0.025％、0.03％，或其中各质量含量之间的范围。传统的马氏体不锈钢通常通过回火析出碳化物进行增强，但碳含量过高会影响耐腐蚀性和焊接性能等，与其不同的是，本公开的该实施例通过降低C含量，添加Cu，Nb和Mo等元素并形成金属间化合物，以金属间化合物代替碳化物作为增强相，同时采用Si元素来提高不锈钢的耐腐蚀、耐磨损等性能。

在该实施例的强韧耐腐蚀三相不锈钢中，采用了含量为2％～4％的Si元素。Si元素在腐蚀介质中可以形成稳定的钝化膜，较高含量的Si元素与Cr元素搭配协同能够显著提高耐腐蚀性。同时，Si元素作为合金元素还具有固溶强化作用，能够辅助提高铸造不锈钢的硬度和耐磨性。可选地，Si元素的质量含量为2％、2.5％、3％、3.5％、4％，或其中各质量含量之间的范围。

另一方面，在实际的制备过程中，Si元素能够在铸造过程中提高钢液的流动性，降低形成缺陷的可能性，提升铸件质量。

在该实施例的强韧耐腐蚀三相不锈钢中，还包括Mn元素。Mn元素是促进奥氏体形成的元素之一，其能够降低钢的淬火硬化性，但含量过多会导致回火脆性，并且降低不锈钢的耐腐蚀性。可选地，该实施例中的Mn元素含量为0.8％～1％。可选地，Mn元素的质量含量为0.8％、0.85％、0.9％、0.95％、1％，或其中各质量含量之间的范围。

在该实施例的强韧耐腐蚀三相不锈钢中，还包括Cr元素。Cr元素是不锈钢中铁素体形成的重要影响元素，但其含量过高会导致大量δ铁素体形成，影响不锈钢整体的韧性，可选地，该实施例中强韧耐腐蚀三相不锈钢的Cr元素的含量为11％～15％。另外，Cr元素在该实施例中，还与较高含量的Si元素之间在提高耐腐蚀性方面具有协同作用。可选地，Cr元素的质量含量为11％、12％、13％、14％、15％，或其中各质量含量之间的范围。

在该实施例的强韧耐腐蚀三相不锈钢中，还包括Nb元素。Nb元素能够起到细化晶粒的作用，具有明显的固溶强化作用，可以改善焊接性能，防止晶间腐蚀。但是Nb元素含量过高会生成过多的δ铁素体或其它脆性相，导致不锈钢的塑性和韧性降低。可选地，该实施例中的Nb元素质量含量为0.2％～0.5％。可选地，Nb元素的质量含量为0.2％、0.3％、0.4％、0.5％，或其中各质量含量之间的范围。

在该实施例的强韧耐腐蚀三相不锈钢中，还包括Ni元素。Ni元素本身是促进不锈钢中奥氏体形成的元素之一，可以提高不锈钢的韧性，但是含量偏高时会导致马氏体转变温度降低，影响不锈钢的强度和硬度。

在该实施例的强韧耐腐蚀三相不锈钢中，还包括Cu元素。Cu元素本身是促进不锈钢中奥氏体形成的元素之一，同时还可以析出纳米级增强相提高强度。

在该实施例的强韧耐腐蚀三相不锈钢中，还包括Mo元素。Mo元素本身是促进不锈钢中铁素体形成的元素之一，同时还能够提高不锈钢的耐缝隙腐蚀和孔蚀的能力，提高钝化膜稳定性。但含量过高时还会促使σ相和χ相等金属间相析出，进而增强脆性倾向。

在该实施例的强韧耐腐蚀三相不锈钢中，除Cu元素、Ni元素和Mo元素各自本身的作用之外，还使得Cu、Ni和Mo在强韧耐腐蚀三相不锈钢中参与形成弥散分布的纳米级金属间化合物增强相。为了兼顾形成弥散分布的金属间化合物，可选地，Cu元素的质量含量为0.5％～1.5％，Ni元素的质量含量为5.5％～7.5％，Mo元素的质量含量为1.0％～2.0％。这种弥散分布的金属间化合物能够显著提高铸造不锈钢的强度。

可选地，Cu元素的质量含量为0.5％、0.8％、1.0％、1.2％、1.5％，或其中各质量含量之间的范围。

可选地，Ni元素的质量含量为5.5％、6.0％、6.5％、7.0％、7.5％，或其中各质量含量之间的范围。

可选地，Mo元素的质量含量为1.0％、1.2％、1.5％、1.8％、2.0％，或其中各质量含量之间的范围。

在该实施例的一些具体示例中，该强韧耐腐蚀三相不锈钢的以马氏体为基体组织，在马氏体中形成有奥氏体和铁素体。可以理解，以马氏体为基体组织表示，在马氏体、奥氏体和铁素体三者中，马氏体的体积分数占比最高。

在该实施例的一些具体示例中，在强韧耐腐蚀三相不锈钢中，铁素体的体积分数为10％～30％，奥氏体的体积分数为10％～30％，马氏体的体积分数≥40％。

可选地，铁素体的体积分数为10％、13％、15％、17％、22％、26％、30％，或其中各体积分数之间的范围。

可选地，奥氏体的体积分数为10％、12％、16％、18％、23％、27％、30％，或其中各体积分数之间的范围。

可以理解，马氏体的体积分数在40％～80％之间。可选地，马氏体的体积分数为50％～80％。进一步地，马氏体的体积分数为60％～80％。

为了形成马氏体的体积分数占比较高的强韧耐腐蚀三相不锈钢，可以通过升高温度之后淬火的方式形成，而后再通过回火冷却的方式在不锈钢中形成部分逆转变的奥氏体。

在该实施例的一些具体示例中，强韧耐腐蚀三相不锈钢的洛氏硬度为35～45，屈服强度在850MPa以上，伸长率在12％以上，点蚀电位值在300mV以上。

在该实施例的一些具体示例中，一种强韧耐腐蚀三相不锈钢的制备方法，其包括如下步骤：

提供制备原料，制备原料包括如下质量含量的元素组分：C：≤0.06％，Si：2.0％～4.0％，Mn：0.8％～1.0％，Cr：11.0％～15％，Ni：5.5％～7.5％，Mo：1.0％～2.0％，Cu：0.5％～1.5％，Nb：0.2％～0.5％；其余为Fe和不可避免的杂质；

将制备原料制备成铸坯；

将铸坯进行热处理，热处理的过程包括固溶处理以及于固溶处理后进行的一次回火处理和二次回火处理，其中，固溶处理包括：将铸坯加热至1030℃～1100℃后保温，再水冷至水温；一次回火处理包括：将铸坯加热至600℃～650℃后保温，再水冷至室温；二次回火处理包括：将铸坯加热至400℃～550℃后保温，再水冷至室温。

该强韧耐腐蚀三相不锈钢的制备方法中的制备原料的组分可以参照上述实施例中的强韧耐腐蚀三相不锈钢的元素组分提供。

可以理解，在将制备原料制备形成铸坯的过程中，可以将制备原料熔化，使其均匀混合。

该制备原料中采用了含量较高的Si元素含量，这有助于提高制备原料在熔化时的流动性，使得Cu、Ni和Mo等增强元素弥散分布于铸坯内部，为后续的二次回火处理处理过程中形成金属间化合物做准备。

其中，一次回火处理的作用是在固溶处理后的铸坯中形成逆转变奥氏体。通过在马氏体中形成奥氏体组织，以改善不锈钢的韧性。

本公开上述实施例的制备方法中在固溶处理之后还进行了二次回火处理。二次回火处理的温度较一次回火处理更低，经研究，在二次回火处理的过程中，Cu、Ni和Mo等弥散分布的增强元素在铸坯中能够形成弥散分布的纳米级金属间化合物，该金属间化合物起到强化作用，能够在奥氏体增韧的基础上进一步强化不锈钢。因而，通过在固溶处理后进行一次回火处理和二次回火处理，不仅能够形成包括马氏体、铁素体以及奥氏体的金相组织结构，还能够使得Cu、Ni和Mo参与形成弥散分布的纳米级金属间化合物增强相。二者共同作用，能够大幅度提高铸造不锈钢的拉伸强度、屈服强度和韧性。

在该实施例的一些具体示例中，在将制备原料制备形成铸坯的步骤中，将制备原料通过冶炼和浇铸的方式形成铸坯。

在该实施例的一些具体示例中，在固溶处理的过程中，控制保温时长为1h～2h。控制保温时长为1h～2h。可选地，可以控制保温时长为1h、1.2h、1.5h、1.8h或2h。

在该实施例的一些具体示例中，在一次回火处理的过程中，控制保温时长为1h～2h。可选地，可以控制保温时长为1h、1.2h、1.5h、1.8h或2h。

在该实施例的一些具体示例中，在二次回火处理的过程中，控制保温时长为2h～10h。可选地，可以控制保温时长为2h、4h、6h、8h或10h。

在该实施例的一些具体示例中，在固溶处理的过程中，控制加热铸坯时的升温速率为5℃/min～20℃/min。可选地，控制将铸坯加热时的温度为5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min。

在该实施例的一些具体示例中，在一次回火处理的过程中，控制加热铸坯时的升温速率为5℃/min～20℃/min。可选地，控制将铸坯加热时的温度为5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min。

在该实施例的一些具体示例中，在二次回火处理的过程中，控制加热铸坯时的升温速率为5℃/min～20℃/min。可选地，控制将铸坯加热时的温度为5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min。

可以理解，将制备原料制备形成铸坯之后进行固溶处理、一次回火处理和二次回火处理，形成的强韧耐腐蚀三相不锈钢为铸造不锈钢，此时的铸造不锈钢未经过轧制处理。该铸造不锈钢可以直接进行加工使用，也可以在后续制备过程中经过轧制处理。在实际的制备过程中，铸造不锈钢经过轧制之后其机械强度能够得到进一步增强。

本公开的再一实施例还提供了一种强韧耐腐蚀三相不锈钢制品，其包括上述实施例中的强韧耐腐蚀三相不锈钢，或者由上述实施例中的强韧耐腐蚀三相不锈钢的制备方法制备得到。

在该实施例中的一些具体示例中，强韧耐腐蚀三相不锈钢制品为水轮机叶片、阀门阀体或螺旋桨。类似于水轮机叶片、阀门阀体或螺旋桨等形状较为复杂的不锈钢制品，其难以通过轧制的方式制备得到，通常是以铸造的方式形成。而上述实施例中的强韧耐腐蚀三相不锈钢的制备方法通过铸造即形成了耐腐蚀和高强度的不锈钢，适合于制备在复杂环境工作的水轮机叶片、阀门阀体或螺旋桨等。

为了更易于理解及实现本发明，以下还提供了如下较易实施的、更为具体详细的试验例及对比例作为参考。通过下述具体试验例和对比例的描述及性能结果，本发明的各实施例及其优点也将显而易见。在以下各试验例与对比例中，如无特殊说明，以下各实施例和对比例所用的原材料皆可从市场上常规购得。

实施例1

本实施例中的强韧耐腐蚀三相不锈钢的制备原料包括如下质量含量的元素组分：C：0.017％、Cr：13.1％、Ni：6.9％、Mn：1.0％、Si：2.1％、Mo：1.1％、Cu：1.0％、Nb：0.3％以及余量的Fe。