一种高氮低钼超级奥氏体不锈钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及不锈钢材料技术领域，尤其涉及一种高氮低钼超级奥氏体不锈钢及其制备方法。

背景技术

超级奥氏体不锈钢具有优异的耐腐蚀性能和综合力学性能，在节能环保、石油化工和海洋工程等领域具有广阔应用前景。近年来，随着高端装备服役环境的日益苛刻，对更高性能的超级奥氏体不锈钢的需求更加迫切。超级奥氏体不锈钢的特点之一是合金元素含量(Cr、Mo、N等)很高，相应的原料成本也很高。然而，高含量的合金元素赋予超级奥氏体不锈钢优异性能的同时，也带来了诸多制备难题。传统冶炼过程，添加氮化合金增氮会引入大量杂质，导致钢中夹杂物数量较多、尺寸较大，不仅降低了钢的耐蚀性，还增加了热加工开裂风险。凝固过程元素偏析和析出严重、均质化过程晶粒易长大、高温氧化严重、热加工过程析出敏感性强，均显著降低了钢的成材率。热处理阶段，由于该类钢的析出敏感性较强，既保证析出相充分回溶、又保证晶粒度适宜、耐蚀性和力学性能良好匹配的难度很大。

综上，亟需开发成本和制备难度较低、性能更为优异的新型超级奥氏体不锈钢以及与之配套的冶炼、铸造、热加工和热处理等成套制备方法，从而满足高端装备制造业对更高性能超级奥氏体不锈钢的迫切需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高氮低钼超级奥氏体不锈钢及其制备方法，该超级奥氏体不锈钢具有相对较低的原料成本、较好的组织稳定性、优异的耐腐蚀性能和突出的综合力学性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种高氮低钼超级奥氏体不锈钢，按照质量百分比计，化学成分为：C：≤0.02％、Si：0.5～0.9％、Mn：5.0～8.0％、P：≤0.03％、S：≤0.002％、Cr：23.5～27.5％、Ni：15.5～17.5％、Mo：5.0～6.0％、Cu：0.6～0.9％、N：0.75～1.2％、Co：≤1.5％、Nb：0.04～0.08％、RE：0.008～0.05％、B：0.001～0.006％、Al≤0.02％、O≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质，其中，RE为Ce、La和Y中的一种或多种；

所述高氮低钼超级奥氏体不锈钢的制备方法包括以下步骤：

将所述化学成分对应的制备原料进行加压冶炼，得到不锈钢熔体；

将所述不锈钢熔体依次进行加压浇铸和水冷模铸，得到不锈钢铸锭；

将所述不锈钢铸锭进行分类分级均质化，得到均质化铸锭；

将所述均质化铸锭进行热加工，将所得工件进行热处理，得到所述高氮低钼超级奥氏体不锈钢。

优选的，按照质量百分比计，化学成分为：C：≤0.012％、Si：0.7～0.9％、Mn：6.5～7.5％、P：≤0.02％、S：≤0.001％、Cr：24.5～26.5％、Ni：15.5～16.5％、Mo：5.0～6.0％、Cu：0.6～0.9％、N：0.8～1.1％、Co：0.7～1.3％、Nb：0.04～0.06％、RE：0.025～0.05％、B：0.001～0.002％、Al≤0.01％、O≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质，其中，RE为Ce、La和Y中一种或多种。

本发明提供了上述技术方案所述高氮低钼超级奥氏体不锈钢的制备方法，包括以下步骤：

将所述化学成分对应的制备原料进行加压冶炼，得到不锈钢熔体；

将所述不锈钢熔体依次进行加压浇铸和水冷模铸，得到不锈钢铸锭；

将所述不锈钢铸锭进行分类分级均质化，得到均质化铸锭；

将所述均质化铸锭进行热加工，将所得工件进行热处理，得到所述高氮低钼超级奥氏体不锈钢。

优选的，所述加压冶炼的方式为加压气相渗氮，所述加压冶炼的温度为1510～1560℃，冶炼压力为0.32～1.75MPa，冶炼时间为10～16min。

优选的，所述加压浇铸的浇铸过热度为40～60℃，浇铸压力为0.6～2.0MPa；所述水冷模铸时，当T

T

其中，T

优选的，所述分类分级均质化包括以下步骤：

在所述不锈钢铸锭表面涂刷抗高温氧化涂料后，将所得钢锭升温至一次预热温度500～600℃，保温0.5h以上，以300～350℃/h的速率升温至二次预热温度1180～1220℃；保温0.5h以上，以150～200℃/h的速率升温至均质化温度，根据钢种成分进行分类均质化处理；

在所述分类均质化处理的步骤中，通过常数k将超级奥氏体不锈钢分为3类，k值计算公式为：

其中，W代表对应化学元素的质量百分含量；

根据0.76≤k<0.92、0.92≤k<1.08和1.08≤k≤1.26将超级奥氏体不锈钢分为3类，记作I类钢、II类钢和III类钢；

当所述超级奥氏体不锈钢为I类钢时，所述分类均质化处理的步骤包括：

在一级均质化温度1280～1290℃，保温2.4～3.1min/mm后，将所得铸锭随炉降温至二级均质化温度1210～1220℃，保温时间为3.1～3.9min/mm；

当所述超级奥氏体不锈钢为II类钢时，所述分类均质化处理包括：

在一级均质化温度1240～1250℃，保温0.6～0.9min/mm后，将所得铸锭随炉降温至二级均质化温度1200～1210℃，保温时间为3.9～5.1min/mm；

当所述超级奥氏体不锈钢为III类钢时，所述分类均质化处理的条件包括：均质化温度为1200～1220℃，保温时间为4.5～6.0min/mm。

优选的，所述热加工的步骤中，将所述均质化铸锭随炉升温至预热温度500～600℃，热透后以400～450℃/h的速率升温至驻炉温度1210～1250℃保温后，进行热加工；

根据钢种成分选取热加工温度区间：

I类钢：热加工温度区间为950～1180℃；

II类钢：热加工温度区间为970～1190℃；

III类钢：热加工温度区间为1000～1200℃。

优选的，所述热加工的方式为锻造或热轧；所述锻造的开锻锻造比为1.2～1.5，总锻造比为3～12；

所述热轧的方式为多阶段多道次、变形量逐渐增大的连续轧制方式，所述热轧包括四个阶段，每一阶段包含1～3道次，第一阶段压下率为10.5～12.3％；第二阶段压下率为12.5～14.5％；第三阶段压下率为13.1～15.7％；第四阶段压下率为16.7～18.5％。

优选的，所述热处理的固溶温度按照钢种成分确定：

I类钢：

固溶温度为：

W代表对应元素的质量百分含量，％；

II类钢：

固溶温度为：

W代表对应元素的质量百分含量；

III类钢：

固溶温度为：

W代表对应元素的质量百分含量；

所述热处理的固溶时间为1.5～6.5min/mm。

优选的，所述高氮低钼超级奥氏体不锈钢的晶粒度等级为4～6级，耐点蚀当量指数≥58，抗拉强度≥900MPa，屈服强度≥525MPa；

所述耐点蚀当量指数为：PREN＝W

本发明提供了一种高氮低钼超级奥氏体不锈钢，本发明根据钢种成分特征、制备难度和服役性能要求等，匹配了成套冶炼、铸造、均质化、热加工和热处理工艺；能够解决精确增氮的同时保证较高的纯净度，铸造过程(凝固过程)显著减轻了元素偏析与析出，均质化过程实现了组织和成分均匀化、避免了晶粒过度长大，热加工过程具有良好热塑性、避免了热加工裂纹，热处理后具有适宜晶粒度以及良好匹配的耐腐蚀性能和力学性能。

本发明的有益效果是：

(1)成分设计：本发明通过合金成分优化设计，提供了一种高氮低钼的超级奥氏体不锈钢，减轻了凝固过程中元素偏析和金属中间相的析出，降低了均质化温度或缩短了均质化时间，提升了热塑性和热加工性能；与现有超级奥氏体不锈钢654SMO相比，本发明的新型超级奥氏体不锈钢节约了2％的钼，节约了5％的镍，原料成本显著降低，同时，具有更为优异的耐腐蚀性能(PREN＝％Cr+3.3×％Mo+16×％N≥58)和力学性能(抗拉强度≥900MPa，屈服强度≥525MPa，伸长率≥60％)。

(2)冶炼：本发明采用加压气相渗氮法代替传统的“添加氮化合金+气相渗氮法”，从源头上避免了添加氮化合金引入的大量杂质，提高了钢的纯净度，夹杂物数量和尺寸均显著降低，减少了热加工开裂源。

(3)铸造：本发明的加压浇铸工艺，能够减轻氮元素偏析、抑制氮气孔析出，细化凝固组织，从而提升铸锭质量。同时，本发明采用分阶段冷却的水冷模铸法，根据钢种在凝固过程的偏析和析出倾向，结合铸锭表面温度的实测结果，匹配合理的水冷工艺，进一步减轻凝固偏析与析出，为均质化和热加工提供良好保障。

(4)均质化：本发明针对超级奥氏体不锈钢的成分特点、凝固偏析与析出特征、不同析出相的成分特征和回溶速度差异等，提供了针对性的分类分级均质化工艺，在精准实现组织和成分均匀化的同时，最大限度地避免了晶粒过度长大。

(5)热加工：本发明根据钢种具体成分匹配特定的热加工工艺，既避开了析出敏感温度区间，又保证了充分的动态再结晶。同时，采用逐级增大变形量的加工工艺，始终在热塑性较为理想的状态下进行加工，保证了工件始终具有良好的加工质量，无明显开裂现象。

(6)热处理：本发明根据钢种具体成分匹配特定的热处理工艺。结合钢中Cr、Mo、N具体成分特征，合理设定针对性的固溶温度，结合工件的尺寸特征，精准设定保温时间。在保证析出相充分回溶的前提下，防止晶粒过度长大，使产品具有适宜的晶粒度、良好匹配的耐蚀性和力学性能。

具体实施方式

本发明提供了一种高氮低钼超级奥氏体不锈钢，按照质量百分比计，化学成分为：C：≤0.02％、Si：0.5～0.9％、Mn：5.0～8.0％、P：≤0.03％、S：≤0.002％、Cr：23.5～27.5％、Ni：15.5～17.5％、Mo：5.0～6.0％、Cu：0.6～0.9％、N：0.75～1.2％、Co：≤1.5％、Nb：0.04～0.08％、RE：0.008～0.05％、B：0.001～0.006％、Al≤0.02％、O≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质，其中，RE为Ce、La和Y中的一种或多种；

所述高氮低钼超级奥氏体不锈钢的制备方法包括以下步骤：

将所述化学成分对应的制备原料进行加压冶炼，得到不锈钢熔体；

将所述不锈钢熔体依次进行加压浇铸和水冷模铸，得到不锈钢铸锭；

将所述不锈钢铸锭进行分类分级均质化，得到均质化铸锭；

将所述均质化铸锭进行热加工，将所得工件进行热处理，得到所述高氮低钼超级奥氏体不锈钢。

在本发明中，若无特殊说明，所需材料或试剂均为本领域技术人员熟知的市售商品。

以质量百分含量计，本发明提供的高氮低钼超级奥氏体不锈钢的化学成分为C：≤0.02％，更优选为C≤0.012％。

以质量百分含量计，本发明提供的高氮低钼超级奥氏体不锈钢的化学成分为Si：0.5～0.9％，优选为0.7～0.9％。

以质量百分含量计，本发明提供的高氮低钼超级奥氏体不锈钢的化学成分为Mn：5.0～8.0％，优选为6.5～7.5％。

以质量百分含量计，本发明提供的高氮低钼超级奥氏体不锈钢的化学成分为P：≤0.03％，优选为≤0.02％。

以质量百分含量计，本发明提供的高氮低钼超级奥氏体不锈钢的化学成分为S：≤0.002％，优选为≤0.001％。

以质量百分含量计，本发明提供的高氮低钼超级奥氏体不锈钢的化学成分为Cr：23.5～27.5％，优选为24.5～26.5％。

以质量百分含量计，本发明提供的高氮低钼超级奥氏体不锈钢的化学成分为Ni：15.5～17.5％，优选为15.5～16.5％。

以质量百分含量计，本发明提供的高氮低钼超级奥氏体不锈钢的化学成分为Mo：5.0～6.0％，优选为5.0～6.0％。

以质量百分含量计，本发明提供的高氮低钼超级奥氏体不锈钢的化学成分为Cu：0.6～0.9％，优选为0.6～0.9％。

以质量百分含量计，本发明提供的高氮低钼超级奥氏体不锈钢的化学成分为N：0.75～1.2％，优选为0.8～1.1％。

以质量百分含量计，本发明提供的高氮低钼超级奥氏体不锈钢的化学成分为Co：≤1.5％，优选为0.7～1.3％。

以质量百分含量计，本发明提供的高氮低钼超级奥氏体不锈钢的化学成分为Nb：0.04～0.08％，优选为0.04～0.06％。

以质量百分含量计，本发明提供的高氮低钼超级奥氏体不锈钢的化学成分为RE：0.008～0.05％，优选为0.025～0.05％。在本发明中，RE为Ce、La和Y中一种或多种。

以质量百分含量计，本发明提供的高氮低钼超级奥氏体不锈钢的化学成分为B：0.001～0.006％，优选为0.001～0.002％。

以质量百分含量计，本发明提供的高氮低钼超级奥氏体不锈钢的化学成分为Al≤0.02％，优选≤0.01％。

以质量百分含量计，本发明提供的高氮低钼超级奥氏体不锈钢的化学成分为O≤0.003％，优选≤0.002％。

以质量百分含量计，本发明提供的高氮低钼超级奥氏体不锈钢的化学成分余量为Fe。

本发明所述高氮低钼超级奥氏体不锈钢的合金成分设计原理：

超级奥氏体不锈钢中的较高的Mo含量在凝固过程中极易偏析和析出，因而导致均质化时间过长，引发过热、过烧、晶粒粗大等一系列问题；此外严重的Mo偏析会导致硬脆金属间相析出；Mo元素极易氧化挥发，引起严重的灾难性氧化等。本发明所述超级奥氏体不锈钢从“降钼”的角度出发，将钢中Mo元素含量控制在5.0～6.0％。但是“降钼”必然会影响超级奥氏体不锈钢的耐蚀性能和综合力学性能，于是将钢中N元素的含量适当提升至0.75～1.2％，用以弥补“降钼”带来的不利影响。随着钢中N元素的含量的提升，提升钢中Cr、Mn等元素用以扩大体系的氮溶解度。Mn元素可以代替一部分的Ni元素，从而达到控制成本的作用。其次，在钢中加入0.7～1.5％的Co元素，用以提升钢的抗高温氧化能力以及高温下抑制金属间化合物的析出；加入0.04～0.08％的Nb元素提升钢的耐腐蚀能力和强度。最后，向钢中添加0.008～0.05％的RE元素起到净化晶界、强化晶界、细化晶粒以及提升抗氧化性等微合金化的作用；添加0.001～0.006％的B元素，一方面抑制有害的金属间相的析出，另一方面促进热变形过程中动态再结晶的发生，从而改善钢的热加工性能。基于上述合金成分优化设计原理，原料成本和制备难度相对较低、耐腐蚀性能和综合力学性能更为优异的高氮低钼新型超级奥氏体不锈钢。

本发明提供了上述技术方案所述高氮低钼超级奥氏体不锈钢的制备方法，包括以下步骤：

将所述化学成分对应的制备原料进行加压冶炼，得到不锈钢熔体；

将所述不锈钢熔体依次进行加压浇铸和水冷模铸，得到不锈钢铸锭；

将所述不锈钢铸锭进行分类分级均质化，得到均质化铸锭；

将所述均质化铸锭进行热加工，将所得工件进行热处理，得到所述高氮低钼超级奥氏体不锈钢。

本发明将所述化学成分对应的制备原料进行加压冶炼，得到不锈钢熔体。

本发明对所述化学成分对应的制备原料没有特殊的限定，本领域熟知的相应原料即可。

本发明优选将对应的制备原料装入真空/加压感应炉内，将炉内真空抽至4Pa以下，随后向炉内通入氮气至炉内压力稳定在0.05MPa，线圈通电升温使坩埚内原料融化，控制冶炼温度进行加压冶炼。

在本发明中，所述加压冶炼的方式优选为加压气相渗氮，所述加压冶炼的温度优选为1510～1560℃，冶炼压力优选为0.32～1.75MPa，冶炼时间优选为10～16min。

本发明优选在冶炼后期向钢液中投入硼和稀土原料，每吨所述高氮低钼超级奥氏体不锈钢中，硼投入量为11～75g，稀土原料投入量为0.16～2.5kg。

所述加压冶炼的过程中，本发明优选同时用小流量氮气底吹钢液，所述氮气的流量优选为0.10～0.15Nm

本发明采用加压气相渗氮的冶炼工艺，避免传统添加氮化合金增氮的操作，减少因氮化合金引入的外来杂质，从源头上提升钢的纯净度，减少热加工裂纹源，为后续热加工顺利进行提供良好的源头保障。

在本发明中，所述加压冶炼所用设备优选为真空冶炼炉或加压冶炼炉。

本发明提供的超级奥氏体不锈钢氮含量较高，在冶炼过程中必须采用加压冶金技术来达到目标N含量。本发明采用加压感应熔炼方式制备超级奥氏体不锈钢，充分利用加压气相渗氮原理提高增氮速率和熔体氮含量。本发明提出了加压气相渗氮的氮合金化方法，给出了与钢种成分配套的加压冶炼工艺；与传统的“添加氮化合金+加压气相渗氮”联合增氮的氮合金化方式相比，本发明避免了由添加氮合金化而引入的大量杂质，从而从源头上提升了超级奥氏体不锈钢的纯净度，减少了热加工过程的开裂源。

得到不锈钢熔体后，本发明将所述不锈钢熔体依次进行加压浇铸和水冷模铸，得到不锈钢铸锭。

在本发明中，所述加压浇铸的浇铸过热度优选为40～60℃，浇铸压力优选为0.6～2.0MPa；浇铸温度优选为1470～1520℃。

在所述加压冶炼和加压浇铸的过程中，优选均采用氮气加压。

所述加压浇铸结束后，依次进行冷却和卸压，取出铸锭，进行水冷模铸。本发明对所述冷却和卸压没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。

本发明采用水冷模铸冷却，避免铸锭冷却时在高温段析出大量二次相，在锭模侧壁距离内壁d

在本发明中，所述水冷模铸时，当T

T

其中，T

氮在超级奥氏体不锈钢凝固过程中易偏析与析出，尤其是超出体系氮溶解度后，极易形成氮气孔，而加压凝固能够有效抑制氮的偏析与析出。本发明采用加压凝固手段减轻氮元素偏析、抑制氮气孔析出；同时，加压还能强化冷却，从而细化凝固组织、提升铸锭质量。对此，本发明提供了加压浇铸工艺。在凝固过程，由于钢中合金元素含量较高，在高温段易发生严重的元素偏析和析出有害金属间相，增大后续热加工开裂风险；并且，如果凝固降温速率过慢，会导致晶粒生长。因此，本发明采用水冷模铸法，并在铸模内壁植入热电偶，通过测得的温度控制冷却水流量，当温度高于900℃时，采用大流量冷却，减轻元素偏析和金属间相的析出，当温度小于900℃时，采用小流量冷却，在保证晶粒尺寸不过度长大的同时，尽量节约用水。

得到不锈钢铸锭后，本发明将所述不锈钢铸锭进行分类分级均质化，得到均质化铸锭。

在本发明中，所述分类分级均质化优选包括以下步骤：

在所述不锈钢铸锭表面涂刷抗高温氧化涂料后，将所得钢锭升温至一次预热温度500～600℃，保温0.5h以上，以300～350℃/h的速率升温至二次预热温度1180～1220℃，保温0.5h以上，以150～200℃/h的速率升温至均质化温度，根据钢种成分进行分类均质化处理。

在本发明中，所述抗高温氧化涂料优选为SiO

在所述分类均质化处理的步骤中，通过常数k将超级奥氏体不锈钢分为3类(通过常数k来衡量钢在凝固过程二次相的析出情况和组织稳定性)，k值计算公式为：

其中，W代表对应化学元素的质量百分含量；

根据0.76≤k<0.92、0.92≤k<1.08和1.08≤k≤1.26将超级奥氏体不锈钢分为3类，记作I类钢、II类钢和III类钢；

当所述超级奥氏体不锈钢为I类钢时，所述分类均质化处理的步骤包括：

在一级均质化温度1280～1290℃，保温2.4～3.1min/mm后(确保σ相等金属间相完全回溶，枝晶组织初步消融)，将所得铸锭随炉降温至二级均质化温度1210～1220℃，保温时间为3.1～3.9min/mm；

当所述超级奥氏体不锈钢为II类钢时，所述分类均质化处理包括：

在一级均质化温度1240～1250℃，保温0.6～0.9min/mm后，将所得铸锭随炉降温至二级均质化温度1200～1210℃，保温时间为3.9～5.1min/mm(在确保元素偏析充分减轻和枝晶组织充分消融的前提下，避免晶粒过度长大和铸锭过度氧化，从而实现成分和组织充分均匀化的目的)；

当所述超级奥氏体不锈钢为III类钢时，所述分类均质化处理的条件包括：均质化温度为1200～1220℃，保温时间为4.5～6.0min/mm(在确保氮化物完全回溶、元素偏析充分减轻和枝晶组织充分消融的前提下，避免晶粒过度长大和铸锭过度氧化，从而实现成分和组织充分均匀化的目的)。

在本发明中，单位“min/mm”是工业上常用的考虑厚度的时间记法。

在本发明中，I类钢凝固过程以析出大量σ相等金属间相和少量氮化物为主，II类钢凝固过程同时析出大量σ相等金属间相和氮化物，而III类钢凝固过程以氮化物析出为主；σ相等金属间相主要富含Cr、Mo等元素，氮化物主要富含Cr、N等元素，而Cr、Mo、N等元素在高温下扩散速率明显不同。

本发明所述分类分级均质化的方法基于三类钢凝固组织中含有的主要析出相类型不同，回溶所需的温度和时间不同，能够提高析出相回溶效率、避免过度均质化导致晶粒长大和大量能源消耗。

在本发明中，计算均质化保温时间所涉及的铸锭尺寸为圆锭的直径或方锭的厚度，不锈钢铸锭进行上述分类分级均质化过程中温度改变均为随炉升降。

超级奥氏体不锈钢在凝固过程存在着严重的偏析与析出，显著降低了成分和组织的均匀性，使得热加工过程容易开裂。本发明通过高温均质化处理保证热加工的顺利进行。在均质化过程，为了防止铸锭温度不均存在热应力，在500～600℃保温一段时间使铸锭热透，之后快速升温至均质化温度，减少铸锭在析出温度段的停留时间。钢中主合金元素含量的差异会导致析出二次相的类型、含量等均明显不同，因此本发明根据钢种具体成分匹配特定的均质化工艺。σ相等金属间相主要富含Cr、Mo等元素，氮化物主要富含Cr、N等元素，而Cr、Mo、N等元素在高温下扩散速率明显不同。针对含有数量较多、回溶较慢的σ相等金属间相以及Cr、Mo偏析较重的铸锭，匹配温度较高、时间较长的均质化工艺；针对含有数量较多、回溶较快的氮化物以及Cr、N偏析较重的铸锭，匹配温度较低、时间较短的均质化工艺；针对既含有σ相等金属间相又含有氮化物以及Cr、Mo、N偏析中等的铸锭，匹配温度和时间适中的均质化工艺。待析出相完全回溶、枝晶组织初步消融后，立刻随炉降温至第二阶段均质化，防止温度过高造成高温氧化和晶粒粗大。均质化后，直接热加工或随炉冷却至1000℃，之后快速空冷和喷雾冷却，防止冷却过程中再析出。通过本发明上述均质化工艺控制，充分精准实现了组织和成分的均匀化，有效避免了晶粒过度长大和严重的高温氧化等问题，为后续热加工顺利进行提供了良好的前提保障。

完成所述分类分级均质化后，本发明优选将所得铸锭直接进行热加工或将钢锭随炉冷却至1000℃后快速空冷或喷雾冷却，再依次进行加热和热加工。

得到均质化铸锭后，本发明将所述均质化铸锭进行热加工，将所得工件进行热处理，得到高氮低钼超级奥氏体不锈钢。

在本发明中，所述热加工的步骤中，将所述均质化铸锭随炉升温至预热温度500～600℃，热透后以400～450℃/h的速率升温至驻炉温度1210～1250℃保温后，进行热加工；

根据钢种成分选取热加工温度区间：

I类钢：热加工温度区间为950～1180℃；

II类钢：热加工温度区间为970～1190℃；

III类钢：热加工温度区间为1000～1200℃。

在本发明中，所述热加工的方式优选为锻造或热轧；所述锻造优选采用逐渐增大变形量的拔长成型工艺，采用压压停停的操作方式，所述锻造的开锻锻造比优选为1.2～1.5，总锻造比优选为3～12。本发明采用自由锻，将铸锭沿长边横卧在锻造设备的上、下砧铁之间，直接对铸锭施加外力，使铸锭产生变形而获得所需的几何形状及内部质量的锻件。

在本发明中，所述热轧的方式优选为多阶段多道次、变形量逐渐增大的连续轧制方式，所述热轧优选包括四个阶段，每一阶段优选包含1～3道次，第一阶段压下率优选为10.5～12.3％；第二阶段压下率优选为12.5～14.5％；第三阶段压下率优选为13.1～15.7％；第四阶段压下率优选为16.7～18.5％。

在所述热加工的过程中，当坯料温度低于热加工温度区间时，坯料回炉加热至1050～1200℃，保温25～35min后继续进行锻造或热轧。

合金元素含量的高低会直接影响热加工过程二次相的析出相和动态再结晶程度，进而影响热加工性能和表面质量。本发明根据钢种具体成分匹配特定的热加工工艺，既避开了析出敏感温度区间，又保证了充分的动态再结晶。同时，锻造或热轧均选用逐级增大变形量的加工工艺。开锻或开轧时，温度较高，动态再结晶比较容易发生，初始组织比较粗大。因此，采用小变形量即可通过动态再结晶使组织破碎，防止大应变放热造成过热、过烧。随着热加工进行，组织逐渐细化，但温度降低致使动态再结晶不易发生。此时，采用大变形量工艺，通过大应变速率诱导动态再结晶，保证组织细化同时减小应力残留。同时，大应变放热缓解温度降低带来变形困难的问题。当温度低于终锻或终轧温度时，立刻将加工件回炉升温，防止大量二次相析出恶化热加工性能，保证顺利加工至目标尺寸。通过本发明所述热加工工艺控制，始终保证在热塑性较为理想的状态下进行加工，充分实现了组织细化，有效避免了由大量二次相析出和动态再结晶不充分造成的热加工开裂问题，保证了工件始终具有良好的表面质量。

本发明优选将热加工所得工件直接传送至加热炉中，进行热处理。

在本发明中，所述热处理的固溶温度优选按照钢种成分确定：

I类钢(热加工过程以析出少量σ相等金属间相为主)：

固溶温度为：

W代表对应元素的质量百分含量，％；固溶温度更优选为1160～1180℃；/>

II类钢(热加工过程以同时析出少量σ相等金属间相和氮化物为主)：

固溶温度为：

W代表对应元素的质量百分含量；固溶温度更优选为1180～1200℃；

III类钢(热加工过程以析出少量氮化物为主)：

固溶温度为：

W代表对应元素的质量百分含量；更优选为1200～1220℃。

在本发明中，所述热处理的固溶时间优选为1.5～6.5min/mm。本发明优选根据工件尺寸确定I类钢、II类钢和III类钢的固溶时间，当钢为棒材时，固溶时间优选为1.5～4.5min/mm，当钢为板材时，固溶时间优选为4.5～6.5min/mm，计算固溶时间所涉及的工件尺寸为棒材的直径或板材的厚度。

在热加工过程及其冷却过程，难免会析出少量的二次相，如果二次相得不到充分的消除，会严重恶化产品的耐蚀性能和力学性能。本发明在热加工后匹配合理的热处理工艺，保证二次相充分回溶的同时，避免晶粒过度长大。钢中主合金元素含量的差异会导致析出二次相的类型、含量等均明显不同，因此，本发明根据钢种具体成分匹配特定的热处理工艺。结合钢中Cr、Mo、N具体成分特征，合理设定针对性的固溶温度，结合工件的尺寸特征，精准设定保温时间。通过本发明所述热处理工艺控制，在保证析出相充分回溶的前提下，防止晶粒过度长大，使产品具有适宜的晶粒度、良好匹配的耐蚀性和力学性能。

完成所述热处理后，将所得工件从加热炉中取出，进行快速水冷或风冷，得到高氮低钼超级奥氏体不锈钢。本发明对所述快速水冷或风冷没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。

在本发明中，所述高氮低钼超级奥氏体不锈钢的晶粒度等级优选为4～6级，耐点蚀当量指数优选≥58，抗拉强度优选≥900MPa，屈服强度优选≥525MPa；

所述耐点蚀当量指数为：PREN＝W

本发明所制备的高氮低钼超级奥氏体不锈钢具有适宜的晶粒度以及良好匹配的耐腐蚀性能和力学性能。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

1)冶炼和铸造

冶炼工艺具体由以下步骤组成：

(1)根据超级奥氏体不锈钢的成分范围，选取合适的成分进行冶炼。其中，对比例钢种1#、2#和3#的化学成分分别与实施例钢种1#、2#和3#保持一致，每个钢种具体的化学成分如表1所示。

表1超级奥氏体不锈钢化学成分

(2)将原料装入真空/加压感应炉内，将炉内真空抽至4Pa以下，随后向炉内通入氮气至炉内压力稳定在0.05MPa，线圈通电升温使坩埚内原料融化。冶炼温度保持在1510～1560℃。冶炼时继续向炉内冲入氮气至压力维持冶炼压力P

表2实施例1～3#和对比例1～3#超级奥氏体不锈钢冶炼和铸造参数

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铸造：

对所得不锈钢熔体进行浇铸，向炉内通入氮气至浇铸压力P

将实施例和对比例中总计6炉钢，均在铸锭中心位置取10mm×10mm×5mm的试样若干，用砂纸逐级打磨至2000目后抛光、腐蚀，在金相显微镜下统计夹杂物尺寸、单位面积夹杂物数量、析出相当量直径、析出相面积占比和二次枝晶间距。

表3实施例1～3#和对比例1～3#超级奥氏体不锈钢铸锭质量参数

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从表3中可以看出，利用纯气相渗氮法冶炼的实施例钢种，单位面积夹杂物数量大幅度降低，夹杂物尺寸较对比例钢中夹杂物尺寸更小，显著提高了钢的纯净度。同样地，实施例钢种中析出相当量直径、析出相面积占比、二次枝晶间距较对比例钢种均大幅减小，说明在凝固时采用冷却水加速冷却，可以很好地抑制二次相析出、元素偏析和枝晶粗化。

2)高温均质化

(1)实施例钢种1～3#高温均质化步骤

在所得实施例钢种1～3#(铸锭直径200mm)表面刷一层SiO

表4实施例1～3#超级奥氏体不锈钢铸锭高温均质化过程

(2)对比例钢种1～3#高温均质化步骤

在所述对比例钢种1～3#(铸锭直径200mm)表面刷一层SiO

对比例钢种1#：按照专利CN115386700 A中提及的超级奥氏体不锈钢高温均质化方法，将铸锭置于1220℃的电阻加热炉中均质化处理16h，出炉空冷至室温，继续将铸锭置于电阻加热炉中并升温到1200℃，保温30mi n后取出铸锭，出炉空冷至室温。

对比例钢种2#：按照专利CN113736971 A中提及的超级奥氏体不锈钢高温均质化方法，先将铸锭升温至770℃热透后，以225℃/h的升温速率升温至1050℃；随后将热透钢锭升温至1260℃保温20h，最后出炉，空冷至室温。

对比例钢种3#：按照专利CN114635077 A中提及的超级奥氏体不锈钢高温均质化方法，将铸锭在1180℃条件下进行高温均匀化处理20h后取出铸锭，空冷至室温。

(3)高温均质化效果分析

将完成均质化的实施例钢种1～3#和对比例钢种1～3#铸锭心部取试样，观察二次枝晶消融情况，统计Mo残余偏析指数和晶粒尺寸，如表5所示。

表5实施例1～3#和对比例1～3#超级奥氏体不锈钢不同均质化样品指标

从表5可以看出，均质化完成后，实施例钢种1～3#的二次枝晶基本消融，Mo残余偏析指数均低于0.20，且晶粒尺寸在650～800μm，说明铸锭已经实现了组织和成分的均匀化，且晶粒无过度长大现象。而对比例钢种1#和3#二次枝晶未完全消融，Mo残余偏析指数仍高于0.20，说明尚未实现组织和成分的均匀化；虽然对比例钢种2#的二次枝晶基本消融，Mo残余偏析指数低于0.20，但晶粒尺寸已经高达986μm，晶粒过度长大，说明此均质化效果也不理想。综上，本发明的均质化工艺，既能实现新型超级奥氏体不锈钢的组织和成分的均匀化，又能保证晶粒不过度长大。

3)热加工工艺

将上述经过均质化处理后的铸锭沿长度方向一分为二，一半用于锻造，一半用于轧制。将完成均质化的铸锭随炉升温至预热温度500～600℃，热透后以400～450℃/h的速率升温至驻炉温度1210～1250℃并保温，随后在950～1200℃的温度区间内进行锻造或轧制。

(1)锻造

采用自由锻，将铸锭沿长边横卧在锻造设备的上、下砧铁之间，直接对铸锭施加外力，使铸锭产生变形而获得锻件，采用压压停停的操作方式，开锻锻造比控制在1.2～1.5，总锻造比控制在3～12。锻造完成后直接水冷，经锻造后的锻件表面光滑，无严重开裂现象。具体锻造工艺如表6所示。

表6实施例1～3#超级奥氏体不锈钢铸锭锻造参数

(2)轧制

采用多阶段多道次连续轧制工艺，定义每一阶段包含1～3道次，第一阶段压下率为10.5～12.3％；第二阶段压下率为12.5～14.5％；第三阶段压下率为13.1～15.7％；第四阶段压下率为16.7～18.5％。轧制完成后直接水冷，经轧制后的轧材表面光滑，无严重开裂现象。具体轧制工艺如表7所示。

表7实施例超级奥氏体不锈钢轧制工艺参数

4)热处理

将不锈钢锻件或轧件进行固溶处理，工艺参数如表8所示，热处理结束后，将工件从加热炉中取出，进行快速的水冷。在热处理好的工件上取10mm×10mm×5mm的样品，用砂纸逐级打磨至2000目后抛光、腐蚀，观察析出相回溶情况，并统计晶粒度，所得结果见表8。

表8实施例1～3#钢和对比例1～3#钢锻板和轧板固溶工艺参数

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从表8可以看出，经本发明的固溶工艺进行热处理后，实施例钢种中的析出相充分回溶，晶粒度等级为4～6级，避免了晶粒过度长大。

超级奥氏体不锈钢的性能对比

计算每炉钢的理论耐点蚀当量指数(PREN＝％Cr+3.3×％Mo+16×％N)，其中PREN值越大，说明钢的耐点蚀性能越好。将试样用砂纸将各表面逐级打磨到2000目后称重，在模拟烟气脱硫环境(溶液：11.4wt％H

切取板状拉伸试样若干，在室温下进行拉伸实验，测定抗拉强度、屈服强度和伸长率，用于评定各炉钢的综合力学性能，所得结果见表9。抗拉强度、屈服强度和伸长率越高，说明综合力学性能越好。

表9不同超级奥氏体不锈钢性能对照表

由表9可以看出，实施例钢种1～3#的均匀腐蚀速率均显著低于商用S31254和S32654，说明本发明的新型超级奥氏体不锈钢比现有超级奥氏体不锈钢具有更优异的耐均匀腐蚀性能。

从表9可以看出，与商用S31254和S32654相比，实施例钢种1～3#的抗拉强度和屈服强度显著提高，同时具有较高的伸长率，说明本发明的新型超级奥氏体不锈钢比现有超级奥氏体不锈钢具有更优异的综合力学性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。