一种高铬马氏体不锈钢及其生产制造方法

技术领域

本发明属于特殊钢材冶金技术领域，具体涉及一种高铬马氏体不锈钢及其生产制造方法。

背景技术

马氏体不锈钢耐大气腐蚀，室温下为马氏体组织具有较高的强度、硬度及耐磨性，被广泛应用于石油化工、阀门、工程机械及交通运输等各个领域。1Cr13、2Cr13等常规马氏体不锈钢因含铬量低（耐蚀性能随铬含量的增加而增强），在各类酸性或氧化性介质中，耐腐蚀性能相对较差。其碳含量较高虽可获得较高的强度和硬度，但是因缺乏Ni、Mo等元素且合金化成分单一，往往塑性、韧性较差，难以获得预期的综合机械性能。

在大型水轮机组、船用特种电机、深井石油装备等服役条件恶劣的场合，普通的马氏体不锈钢材料显然难以满足市场应用需求，因而需要开发一种具备高强度、高韧性、高耐蚀性的不锈钢材料。

本发明所述的不锈钢产品，是在普通Cr13、Cr17的基础上，优化设计合金成分，最终获得的一种新型高铬马氏体不锈钢材料。该钢种具有极佳的强韧性组合性能，并且具有优良的抵抗各类氧化性酸、有机酸溶液的腐蚀能力。

使不锈钢获得最佳的强韧性匹配并具有较强的耐腐蚀性能，一直以来都是本领域专业技术人员共同努力的方向。专利CN102899587B公开了一种双相不锈钢及其制造方法，实际亦是介绍了一种马氏体不锈钢（基体中含少量的铁素体组织）。但其C≤0.02%因而强度、硬度及耐磨性发挥的空间有限； Ni 0.5-1.5%、Cr 10.5-13.5%虽然加入了少量的Ni元素可以提高材料综合机械性能，但因加入量的不足且Cr元素含量偏低，很难获得预期的塑韧性及耐腐蚀性能。该专利的重点在于材料的成分组成、热轧及轧后热处理，并未详细述及对不锈钢新材料生产的关键实质即炼钢及连铸环节。本专利重点介绍并公布一种高铬马氏体不锈钢连铸钢坯的生产与制造方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于开发一种高铬马氏体不锈钢，使其具有高强度、硬度的同时，通过材料成分设计使其具有良好的塑性、韧性及耐腐蚀性能。

化学成分的改变对冶炼、连铸的影响极大，本发明的另一目的在于公布一种针对新材料的冶炼、连铸工艺方法。

为了解决背景技术中的问题和实现上述的发明目的，本发明的主要思路是，在常规Cr13、Cr17不锈钢材料基础之上进行合金成分优化设计，从成分源头开始控制奥氏体化并冷却至室温后，材料的强度、硬度、塑性及韧性，通过添加合金元素及合金元素之间的有效匹配，采用综合的合金化方案提升材料塑韧性及耐腐蚀性能。根据钢水成分、温度及凝固特性开发出专门的冶炼、连铸生产工艺。作为一种有益选择，专利还给出了材料最佳的热处理工艺，以便最终更好的发挥出材料的综合性能。

以重量百分比计，所述高铬马氏体不锈钢的具体化学成分为：

C 0.06-0.23%、Si＜0.70%、Mn＜0.60%、P＜0.035%、S＜0.015%、Cr 13.50-20.50%、Mo 0.10-0.60%、Ni 0.8-3.2% 其余为Fe以及其他无可避免的杂质元素。

一种优选，上述马氏体不锈钢控制化学成分，C 0.09-0.12%、Si＜0.70%、Mn＜0.60%、P＜0.035%、S＜0.015%、Cr 13.50-16.50%、Mo 0.05-0.18%、Ni 1.3-2.2% 其余为Fe以及其他无可避免的杂质元素。

优选地，上述马氏体不锈钢控制化学成分，C 0.11-0.19%、Si＜0.70%、Mn＜0.60%、P＜0.035%、S＜0.015%、Cr 15.50-19.50%、Mo 0.05-0.10%、Ni 1.7-2.8% 其余为Fe以及其他无可避免的杂质元素。

所述化学成分的钢水通过如下工艺流程进行生产: 配料-EAF-LF-VOD。

本发明采用废钢+铁合金+辅料的配料方式，废钢归类分档控制并采用低杂质铁合金，最终使得P元素含量满足成分要求范围。

优选地，可以控制P≤0.025。

EAF电弧炉熔炼钢水，石墨电极进行加热，三根电极（Φ500mm）沿电炉中心呈三角排列布置，使得炉料熔化、钢水成分、钢水温度更加均匀，根据炉料熔化阶段的不同，按照低—高—低的顺序调整电极加热功率。电炉采用深吹氧脱Si，控制Si 0.10-0.40%，采用出钢槽方式出钢，促进钢-渣还原反应提高金属收得率。

LF涵盖钢包底吹搅拌、电极加热、吹氧粗脱碳、合金成分粗调等过程，通过LF初步精炼可以大大减轻VOD真空精炼工序的压力。电极加热前加入200-600kg石灰调整炉渣碱度，电极插入钢渣内进行埋弧加热，以减少热流辐射、提高能量利用率，调整加热功率控制升温速度为2-5℃/min。氧枪底部为三个出气孔呈三角形布置，氧气流量为25-45m3/min，氧枪距钢液面距离1650-1950mm，吹氧脱碳终点控制在C 0.45-0.85%。

本专利采用VOD真空炉进行精炼，通过抽真空降低CO分压，真空吹氧脱碳可以适应超宽的化学成分冶金范围（本发明专利C 0.06-0.23%）。吹氧结束后进行真空碳脱氧，时间控制在3-8min，而后进行真空加料进行化学成分微调、还原脱气，同时会加入石灰调整碱度进行脱S，整个过程中底吹氩气搅拌，流量控制在100-600L/min。为提高钢水纯净度加入合金或冷材后需大流量搅拌（300-500 L/min），出钢前降低流量（50-150 L/min）弱搅6-20min。

上述冶炼工艺流程可以为连铸站提供成分均匀、温度稳定且纯净度较高的钢水，为连铸提供优良的基础条件。连铸是钢水凝固成坯的关键工艺环节，如若工艺参数设计不合理，很容易产生各类铸坯表面及内部缺陷。本发明针对特殊钢种，设计开发了专门的连铸工艺参数：

大包滑动水口连接长水口、中包钢水表面为无碳覆盖剂、中包浸入式水口及结晶器保护渣，以上实现全流程无氧化保护浇铸。

所述长水口插入中包液面500mm以下，以减小液面波动防止中包卷渣。

所述浸入式水口采用专门设计的四孔浸入式水口，即水口底部封堵，侧面对称选择分布四个出水口，水口倾角向上10-40°。

优选地，水口倾角15°、25°、30°分别配合60-80mm、70-100mm、90-150mm的浸入深度，在保证结晶器合理液面温度的同时，尽可能减小结晶器弯月处的液面波动。

控制浇铸过热度20-35℃并合理匹配浇铸速度1.0-1.8m/min。

更优地，过热度为20-25℃时控制拉速1.5-1.8m/min，过热度为25-30℃时控制拉速1.3-1.6m/min，过热度为30-35℃时控制拉速1.0-1.3m/min。

结晶器冷却水流量控制在1700-2200L/min。结晶器电磁搅拌电流150-300A、频率为4-8HZ

二冷区比水量0.10-0.30L/kg，二冷区分足辊段、Ⅰ区、Ⅱ区共三段，三段内的冷却分区比为40:35:25。二冷后最终控制铸坯出二冷区后进入拉坯矫直机前的温度为980-1050℃。二冷区末端采用电磁搅拌（电流400-700A、频率3-5HZ）改善钢坯中心品质，出矫直区后定尺并火焰切割，而后进入冷床并风冷快速通过450-650℃左右的脆性转变温度区间，然后缓冷防止产生过大内应力。

所述连铸坯需经过热轧并热处理后才能获得最优的综合机械性能和耐腐蚀性能。作为一种有益选择，经过950-1030℃淬火，经280-420℃中低温回火或600-650高温回火可最终获得良好的综合机械性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明开发了一种高铬马氏体不锈钢，使其具有高强度、硬度的同时，通过材料成分设计使其具有良好的塑性、韧性及耐腐蚀性能。满足了既要求高强度硬度、高塑性韧性又必须同时具备良好耐腐蚀性能的复杂恶劣工况的需要。

附图说明

图1为本发明180*180mm连铸坯示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实例1：

按照重量百分比控制C 0.17%、Si 0.45%、Mn 0.50%、P 0.024%、S 0.011%、Cr16.5%、Mo 0.10%、Ni 1.95% 其余为Fe以及其他无可避免的杂质元素。

EAF电炉熔炼控制出钢Si 0.15%，LF吹氧脱碳并初步精炼，控制C 0.55%。VOD真空炉精炼，为提高钢水纯净度加入合金或冷材后以500L/min的强度进行氩气搅拌，出钢前降低流量以120L/min的流量弱搅15min。

连铸采用全流程保护浇铸，浸入式水口倾角25°配合70-100mm、的浸入深度，过热度为25-30℃时控制拉速1.3-1.6m/min，结晶器冷却水流量控制在1750L/min。

结晶器电磁搅拌电流150A、频率为4HZ，二冷区比水量0.25L/kg，二冷区分足辊段、Ⅰ区、Ⅱ区三段，三段内的冷却分区比为40:35:25，最终控制铸坯出二冷区后进入拉坯矫直机前的温度为1000℃。二冷区末端采用电磁搅拌（电流400A、频率3HZ）改善钢坯中心品质，出矫直区后定尺并火焰切割，而后进入冷床并风冷快速通过450-650℃左右的脆性转变温度区间，然后缓冷防止产生过大内应力。

实例2：

按照重量百分比控制C 0.12%、Si 0.35%、Mn 0.45%、P 0.030%、S 0.013%、Cr15.5%、Mo 0.13%、Ni 1.45% 其余为Fe以及其他无可避免的杂质元素。

EAF电炉熔炼控制出钢Si 0.21%，LF吹氧脱碳并初步精炼，控制C 0.58%。VOD真空炉精炼，为提高钢水纯净度加入合金或冷材后以480L/min的强度进行氩气搅拌，出钢前降低流量以160L/min的流量弱搅13min。

连铸采用全流程保护浇铸，浸入式水口倾角15°配合60-80mm、的浸入深度，过热度为30-35℃时控制拉速1.0-1.3m/min，结晶器冷却水流量控制在1950L/min。

结晶器电磁搅拌电流200A、频率为3HZ，二冷区比水量0.22L/kg，二冷区分足辊段、Ⅰ区、Ⅱ区三段，三段内的冷却分区比为40:35:25，最终控制铸坯出二冷区后进入拉坯矫直机前的温度为980℃。二冷区末端采用电磁搅拌（电流420A、频率3HZ）改善钢坯中心品质，出矫直区后定尺并火焰切割，而后进入冷床并风冷快速通过450-650℃左右的脆性转变温度区间，然后缓冷防止产生过大内应力。