高强度18Cr-8Ni不锈钢热轧中厚板及其制造方法

摘要

高强度18Cr-8Ni不锈钢热轧中厚板，其成分质量百分比为：C：≤0.08％、Ni：7.0～12.0％、Cr：17.0～20.0％、Mo：≤1.0％、Mn：≤2.0％、Si：≤1.0％、N：≤0.4％，余量为Fe和不可避免杂质；其成分还同时满足：(Cr当量/Ni当量-0.738)×166.67＜7，其中Cr当量＝％Cr+1.5×％Si+％Mo+18，Ni当量＝％Ni+30×[％C+％N]+0.5×％Mn+36。本发明可以使18Cr-8Ni不锈钢在热加工过程中尽可能地均匀晶粒和避免由于碳化物析出而发生的腐蚀现象；同时通过控制晶粒度来控制成品的强度，避免采用离线固溶使18Cr-8Ni不锈钢的强度大幅度提高，广泛应用于结构件的场合。由于省略了离线固溶工序，使制造成本得到了降低。

说明书

技术领域

本发明涉及不锈钢板的制造方法，特别涉及一种高强度18Cr-8Ni奥氏体不锈钢热轧中厚板及其制造方法。

背景技术

18Cr-8Ni奥氏体不锈钢热轧中厚板产品主要应用于造船、石油化工、机械制造、工程建筑、汽车制造、电力以及航天和军工等行业，用途十分广泛。

目前传统的生产奥氏体不锈钢热轧中厚板产品的方法是：热轧过程完成之后，在离线热处理炉中进行固溶处理。该离线固溶处理有以下几个目的：

(1)重新固溶奥氏体不锈钢在热轧后冷却过程中析出的碳化物；

(2)均匀奥氏体晶粒；

(3)消除残余应力。采用传统生产方法所得到的离线固溶态18Cr-8Ni奥氏体不锈钢热轧中厚板的强度，特别是屈服强度比热轧态的板低很多，原因是，奥氏体不锈钢在经过离线固溶处理后，强度会普遍降低，如此低的屈服强度对于许多需要将奥氏体不锈钢中厚板作结构件用的场合是非常局限的。

为了解决奥氏体不锈钢在离线固溶过程中屈服强度大幅度下降的问题，国内外研究机构在寻求一种通过热加工过程中控制轧制和控制冷却来完成在线的固溶处理，避免热加工过程后再进行离线固溶处理，这样，不但能够保证成品的强度，而且免除了采用离线固溶而增加的成本。

针对奥氏体不锈钢板在热加工过程中采用的控制轧制和控制冷却的专利很多，各有特点。如表1所示为现有奥氏体不锈钢专利情况说明。

表1

  成分范围(重量百分比)  工艺过程  特点  特开平8-73936  C：≤0.03％、Si：≤1.0％、Mn：≤2.0％、Cr：16～20％、Ni：7～15％、N：≤0.08％、Mo：≤3.0％，并且，钢的成分满足0.05％≤(C+N)≤0.10％，10≤Md₃₀≤30(其中Md₃₀＝413-462[％C+％N]-9.2％Si-8.1％Mn-13.7％Cr-9.5％Ni-18.5％Mo)  将奥氏体不锈钢板坯加热到1150～1300℃，加热后进行初轧，在900～950℃的状态下保持30～100s，并在900～950℃进行20～45％的二次轧制，轧制后水冷。  省略轧制后的固溶热处理，并且提供适合于结构和建材所需的高强度和高延展性奥氏体不锈钢厚板的制造方法，但延伸率受到一定影响。  昭63-309307  Ni：7～17％、Cr：15～22％、Mo：0～5％  热轧过程中最后两道次的压下率A1和A2之和，并且满足0.6＜A1/A2＜1.4；同时，在保证A1和A2压下的间隔达10s以上进行轧制，并从温度T以上开始进行水冷，其中T＝2000×[％C]+810(℃)  利用热轧之后产生的再结晶现象进行晶粒控制，并采用终轧的两道次轧制来达到位错强化的目的。但由于未规定热加工过程中各轧制过程的温度参数，对晶粒度的稳定控制是很难的。  特开平5-25539  C：≤0.03％  在900～1050℃的低温条件下对不锈钢坯加热，然后进行粗轧-通过冷却区域-中间轧制-精轧流程。在1000℃以上的高温加热场合，采用高压水冷却方式去除加热产生的氧化皮。开始粗轧时的温度控制在900～1000℃，并在800～950℃温度区间内结束轧制，轧制结束后无需进行加速冷却处理。  本发明虽然无需在强压下进行矫直处理，但轧后不进行加速冷却处理，其耐腐蚀性不能够得到保证。另外，这么低的开轧温度不利于压下率较高的中厚板轧制。

  成分范围(重量百分比)  工艺过程  特点  昭60-26619  C：≤0.08％、Si：≤1.0％、Mn：≤2.0％、Ni：8.0～16.0％、Cr：16.0～20.0％、Mo：0～3.0％、N：≤0.25％  在下述T_R(℃)以上结束轧制后，接着从800℃以上的温度起至500℃的温度为止，以下述的R_C(℃/s)以上的冷却速度进行冷却处理。其中：T_R＝940+30×[％Mo](℃)；logR_C＝-0.32+14×[％C+％N]-0.67×[％Mo]([％C+％N]≤0.10％)；logR_C＝1.08-0.067×[％Mo]([％C+％N]＞0.10％)。  该方法是通过在再结晶区的轧制，通过晶粒细化达到高强度的方法。但是，仅表示出Mo和再结晶行为的关系显然是不够的。 特开平5-75809  C：≤0.08％、Si：≤1.0％、Mn：≤2.0％、Ni：8.0～16.0％、Cr：16.0～20.0％、N：≤0.25％  将奥氏体不锈钢板坯加热到1000～1300℃，在下述T_R(℃)以上的温度下中断轧制，在T_P～(T_R-40)(℃)的温度范围内施加5～30％的累计压下量，轧制结束后以下述R_C(℃/s)以上的冷却速度快速冷却到500℃以下，以此为特征的高强度奥氏体不锈钢的制造方法。其中：T_R＝940+30×[％Mo]；T_P＝600(C≤0.03％)、T_P＝5000×[％C]+450(C＞0.03％)；logR_C＝42.5[％C]-0.07×[％Mo]-1.55(C≤0.06％)、logR_C＝1-0.07×[％Mo](C＞0.06％)。 该方法是在专利昭60-26619的基础上，采用位错强化进一步提高强度。虽然该方法考虑了Mo对奥氏体不锈钢再结晶行为的影响，但该方法并未对产品的延伸率加以考虑。

纵观以上专利，提高18Cr-8Ni奥氏体系不锈钢强度的方法有两种，一种是采用再结晶区轧制后快速水冷，尽量保持晶粒原有状态以达到细晶强化的目的，而快速冷却正好也满足了耐腐蚀性的要求；另外一种是采用再结晶区以下终轧，终轧道次保证一定的压下量，由此实现位错强化的目的。各专利均有利弊，但对于多数专利所采用的2℃/s以上的冷却速度，要满足最终产品的腐蚀性是较难的，而且，在细晶强化的过程中，晶粒度的稳定性依靠冷却速度来保证是值得怀疑的，除非将加热温度限制在一个较小的范围来保证初始晶粒度偏差不大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度18Cr-8Ni不锈钢热轧中厚板及其制造方法，可以使18Cr-8Ni不锈钢在热加工过程中尽可能地均匀晶粒和避免由于碳化物析出而发生的腐蚀现象，实现了18Cr-8Ni不锈钢采用离线固溶处理所起到的同样效果，同时，本发明可以通过控制晶粒度来控制成品的强度，而且，避免采用离线固溶使18Cr-8Ni不锈钢的强度大幅度提高，广泛应用于结构件的场合。通过本发明得到的高强度18Cr-8Ni不锈钢具有高的强度、良好的耐蚀性，并且由于省略了离线固溶工序，使制造成本得到了降低。

一种高强度18Cr-8Ni不锈钢热轧中厚板的制造技术，用于通过控制轧制和控制冷却来实现高强度18Cr-8Ni奥氏体不锈钢热轧中厚板的生产。

本发明的技术方案是，

高强度18Cr-8Ni不锈钢热轧中厚板，其成分质量百分比为：C：≤0.08％、Ni：7.0～12.0％、Cr：17.0～20.0％、Mo：≤1.0％、Mn：≤2.0％、Si：≤1.0％、N：≤0.4％，余量为Fe和不可避免杂质；其成分还同时满足：

(Cr_当量/Ni_当量-0.738)×166.67＜7，其中Cr_当量＝％Cr+1.5×％Si+％Mo+18，Ni_当量＝％Ni+30×[％C+％N]+0.5×％Mn+36。

在本发明的成分中，

C含量：C在奥氏体不锈钢中是强烈形成并稳定奥氏体及扩大奥氏体区的元素，但C含量需要控制在0.08％以下，因为碳含量过高时，会导致碳化物(Fe，Cr)₂₃C₆析出，从而导致局部铬的贫化，使钢的耐蚀性特别是耐晶间腐蚀性能下降。但C在有损钢的耐蚀性的同时，也对提高钢的强度有利，而如果C含量大于0.08％时很难在热加工过程中实现在线固溶的效果。

Ni含量：Ni是奥氏体不锈钢中的主要合金元素，其主要作用是形成并稳定奥氏体。Ni对改善耐蚀性是有效的，在如上所述的Cr含量范围内，为了维持奥氏体组织，Ni含量7.0％以上是必要的。但在奥氏体不锈钢中，随着Ni含量的增加，残余的铁素体会完全消失，这样反而不利于钢的耐蚀性。另外，从经济性考虑，Ni含量也不宜多加，因此，其上限为12.0％，所以Ni含量为7.0～12.0％。

Cr含量：Cr是强烈形成并稳定铁素体的元素，缩小奥氏体区。随着钢中Cr含量增加，奥氏体不锈钢中可出现铁素体组织。Cr是耐孔蚀性最有效的元素，低于17.0％，耐蚀性不充分，而且Cr含量过低还会导致马氏体转变温度(Ms)升高，影响钢的性能。但如果Cr含量超过20.0％，为了维持奥氏体组织，必须添加大量的Ni，影响了经济性，还有生产率下降。另外，随着Cr含量的增加，一些金属间相(例如σ相)的形成倾向增大。所以Cr含量为17.0～20.0％。

Mo：Mo是强烈的铁素体形成元素。奥氏体中的Mo能够促进铬在钝化膜中的富集，增强不锈钢钝化膜的稳定性，提高不锈钢的不锈性和耐各种还原性酸介质的耐蚀性。但是，Mo会促进奥氏体不锈钢中金属间相的沉淀，因此，随着Mo含量的提高，奥氏体形成元素(Ni、N、Mn等)的含量也要相应提高，以保持钢中铁素体与奥氏体形成元素之间的平衡。Mo含量在1.0％以上，奥氏体不锈钢的成分体系将发生大的变化，其再结晶行为也会随着变化，因此将Mo的含量定为≤1.0％。

Mn含量：Mn是比较弱的奥氏体形成元素，但具有强烈稳定奥氏体的作用。Mn是脱氧所必须的，但如果超过2.0％则耐蚀性变差，而且会对奥氏体的稳定性、应力-应变曲线、冷加工行为以及马氏体转变点有较大的影响，所以Mn含量控制在2.0％以下。

Si含量：Si是强烈形成铁素体的元素。在奥氏体不锈钢中，随着Si含量的提高，铁素体含量将增加，同时，金属间相的形成也会加速和增多，从而影响钢的性能。在Si含量保持在1.0％以下时，其可以提高钢的耐硝酸性能，并且显著提高钢的固溶态晶间腐蚀敏感性。另外，Si是脱氧所必须的，但如果超过1.0％则显著影响热加工性，所以控制在1.0％以下。

N含量：N是非常强烈地形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素。N在奥氏体不锈钢中可以代替部分Ni，可以降低钢中的铁素体含量，使奥氏体更稳定，甚至避免马氏体转变。另外，固溶的N还有提高耐蚀性的作用，但在本发明成分范围下，添加量超过0.4％是很困难的，而且随着N含量的增加可形成Cr₂N型氮化物，并且也将改变钢的再结晶行为，所以N含量控制在0.4％以下。

(Cr_当量/Ni_当量-0.738)×166.67＜7是为了使奥氏体中铁素体含量＜7％，以保证该奥氏体的性能和表面质量。

本发明高强度18Cr-8Ni不锈钢热轧中厚板的制造方法，其包括如下步骤：

1)18Cr-8Ni不锈钢热轧中厚板成分质量百分比为：C≤0.08％、Ni 7.0～12.0％、Cr 17.0～20.0％、Mo≤1.0％、Mn≤2.0％、Si≤1.0％、N≤0.4％，余量为Fe和不可避免杂质；其成分还同时满足：

(Cr_当量/Ni_当量-0.738)×166.67＜7，其中Cr_当量＝％Cr+1.5×％Si+％Mo+18，Ni_当量＝％Ni+30×[％C+％N]+0.5×％Mn+36；

2)按上述成分冶炼、铸造成坯，连铸坯温度控制在1250～1300℃；

3)轧制，通过7～11道次的轧制，压下率75％～90％，终轧温度1050～1100℃；

4)终轧后立即将热轧板以1～10℃/s的冷却速度冷至900～950℃；

5)冷却到目标温度范围之后再进行第二次冷却，将热轧板水冷至室温，水冷速度保持在10～30℃/s。

关于钢的成分和热加工工艺的关联性，

钢的成分限定是为了限定钢的成分设计不超过18Cr-Ni合金成分体系范围，因为在18Cr-Ni合金成分体系中，Cr、Ni、Mo、Mn、Si、N元素由于形成稳定奥氏体和少量铁素体的组织、保证耐蚀性的需要，均需要在发明限定的范围中波动。具体的关联因素还有：

1)Mo、N元素强烈影响钢种的再结晶行为，如果再结晶行为改变了，则连铸坯的温度、轧值道次、压下率、终轧温度等都不再适用；

2)C、Cr、N元素强烈影响钢种的碳氮化物的析出行为，热加工工艺中冷却制度的制定主要是建立在该析出行为的基础之上的。如果此类元素改变，则终轧后热轧板的冷却速度、水冷温度以及第二次冷却速度均不再适用。

3)Cr_当量/Ni_当量的限定是因为Cr_当量中的各元素为铁素体形成元素，而Ni_当量中的各元素为奥氏体形成元素，(Cr_当量/Ni_当量-0.738)×166.67＜7是为了使奥氏体中铁素体含量＜7％。数据证明，18Cr-8Ni体系中，铁素体含量＜7％不但有利于奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能，而且还能保证材料的表面质量。

进一步，热轧中厚板热加工过程后进行矫直处理。

在本发明制造方法中，

(1)连铸坯温度控制在1250～1300℃，目的是为了保证连铸坯在经过7～11道次，压下率在75％～90％的轧制过程中，终轧温度能够在1050～1100℃范围中；

(2)终轧温度要控制在1050～1100℃，其目的是保证在18Cr-8Ni不锈钢再结晶温度以上结束轧制，避免位错组织，利用晶粒度来控制强度；

(3)终轧后立即将热轧板以1～10℃/s的冷却速度冷至900～950℃，其目的是为了通过不同的冷却速度来控制再结晶晶粒度大小，最终控制强度。1～10℃/s的冷却速度能够得到10～200s的冷却时间，而冷却结束温度保证在900℃以上是为了避免冷却曲线与18Cr-8Ni不锈钢的碳化物析出动力学曲线相交而产生碳化物析出现象；

(4)冷却到目标温度范围后，热轧板以10～30℃/s的速度水冷至室温，其目的是保证冷却过程中晶粒不长大以及碳化物不析出，而水冷速度的过快(＞30℃/s)虽然不会引起碳化物析出现象，但会导致热轧板的残余应力过大以及组织均匀性不佳；

另外，由于快速水冷会对热轧板形有一定的影响，因此，需要在热加工结束后进行矫直处理。

本发明的有益效果，

本发明在再结晶温度以上结束轧制，避免位错组织，利用晶粒度来控制强度；通过不同的冷却速度来控制再结晶晶粒度大小，最终控制强度；快速水冷至室温，其目的是保证冷却过程中晶粒不长大以及碳化物不析出。由于避免采用位错强化的方式，所得到成品的延伸率很好。

与现有技术相比，本发明对18Cr-8Ni不锈钢热轧中厚板的成份进行限定，并对热加工过程中的工艺参数进行改进，使18Cr-8Ni不锈钢中厚板在热加工过程中通过控制再结晶行为来保证其组织的均匀性，控制再结晶晶粒来保证其强度，控制冷却速度来保证其耐腐蚀性，通过矫直处理来保证板形。这些控制解决了传统的18Cr-8Ni不锈钢由于采用离线的固溶处理而导致强度偏低的缺点，不但在使用过程中可以节省材料，而且在很大程度上降低了奥氏体不锈钢中厚板的制造成本。

附图说明

图1a～图1c为本发明实施例1的金相组织；其中，图1a为表面组织，图1b为1/4处组织，图1c为中部组织。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

表2为试验钢种的化学成分及和Cr_当量/Ni_当量有关的关系式的值，采用这些钢种进行不同的热加工工艺试验。

表2化学成分                单位：质量百分比

  实施例CNiCrMoMnSiN(Cr_当量/Ni_当量-0.738)×166.67  1  0.02  9.20  18.60  -  1.60  0.50  0.065  5.218  2  0.03  8.24  18.06  -  1.01  0.41  0.050  6.6533  0.04  8.01  17.89  -  1.29  0.63  0.135  0.01740.089.1518.500.451.510.340.0472.583  5  0.05  7.05  17.21  0.92  1.89  0.21  0.380  -16.239  6  0.02  11.86  19.93  -  0.11  0.92  0.042  6.288  7  0.03  11.91  18.65  0.06  0.26  0.53  0.169  -7.265  8  0.06  10.93  17.08  0.62  1.96  0.15  0.230  -17.233

实施例1

18Cr-8Ni奥氏体不锈钢的成分如表2所示，热轧中厚板的热加工工艺如下：将200mm厚板坯温度控制在1250℃，共轧7道次，总变形量为75％，成品厚度为50mm，终轧温度1050℃；终轧后立即将热轧板以1℃/s的冷却速度冷至950℃，然后再以12.5℃/s水冷至室温；热加工过程之后对热轧板进行矫直处理。所得到的实施例1的金相组织为晶粒均匀的固溶组织，如图1a～图1c所示。由实施例1的金相组织可知，其在再结晶温度以上轧制，终轧后保证足够的待温时间，奥氏体晶粒发生了充分的再结晶；在随后的过程中，快速冷却保证了晶粒度不过度长大，因此其强度和塑性不会受到影响；另外，50mm厚板的表面、1/4厚度处及中部的晶粒大小均匀，孪晶组织也较多。

实施例1的拉伸试样采取横向取样，采用的测试标准为GB/T228-2002，拉伸性能如表3所示。由表3结果可见，通过实施例1的制造技术所得实施例1试样在延伸率大大高于标准的同时，强度也得到了很大的提高，另外，硬度也满足标准要求。

表3实施例1的热轧板的拉伸性能

实施例1的热轧板的冲击试样采取横向取样，采用的测试标准为GB/T229-1994，冲击性能如表3所示，由表4结果可见，通过实施例1的制造技术所得1#的冲击性能保持在很高的水平。

表4实施例1的热轧板的冲击性能

对实施例1的热轧板进行了硫酸-硫酸铜溶液的晶间腐蚀试验，试验标准为：GB/T 4334.5-2000，试验前进行了敏化处理，敏化处理的制度为：将试样在650℃时保温2h。敏化的试样经过硫酸-硫酸铜溶液的浸泡后被180℃弯曲，并用10倍放大镜进行观察。如图2所示为采用实施例1的晶间腐蚀试样照片，四块试样中左边两块为中厚板上表面取样，右边两块为中厚板下表面取样，被180°弯曲的试样外表面均无裂纹。

实施例2

18Cr-8Ni奥氏体不锈钢的成分如表2所示，热轧中厚板的热加工工艺如下：将200mm厚板坯温度控制在1300℃，共轧11道次，总变形量为90％，成品厚度为20mm，终轧温度1050℃；终轧后立即将热轧板以10℃/s的冷却速度冷至910℃，然后再以28℃/s水冷至室温；热加工过程之后对热轧板进行矫直处理。

虽然在实施例2中，板坯温度较高，但由于经过11道次的轧制，终轧温度只能保证在1050℃以上。从金相组织可以看出，轧制道次的增多能够促进奥氏体不锈钢的动态再结晶行为。由于板厚为20mm，因此，采用和实施例1同样的冷却工艺参数，却得到较快的冷却速度，两阶段的冷却速度分别为10℃/S和28℃/s，这样得到的成品晶粒度非常细小。

实施例3

18Cr-8Ni奥氏体不锈钢的成分如表2所示，热轧中厚板的热加工工艺如下：将200mm厚板坯温度控制在1280℃，共轧8道次，总变形量为80％，成品厚度为40mm，终轧温度1080℃；终轧后立即将热轧板以8℃/s的冷却速度冷至900℃，然后再以30℃/s水冷至室温；热加工过程之后对热轧板进行矫直处理。

在实施例3中，各项工艺参数控制折中，但由于热轧板第二阶段开始冷却温度偏低，为900℃，因此，设定工艺参数的过程中需要使冷却速度加快，以防止碳化物析出现象。

实施例4

18Cr-8Ni奥氏体不锈钢的成分如表2所示，热轧中厚板的热加工工艺如下：将200mm厚板坯温度控制在1300℃，共轧7道次，总变形量为75％，成品厚度为50mm，终轧温度1100℃；终轧后立即将热轧板以2℃/s的冷却速度冷至950℃，然后再以10℃/s水冷至室温；热加工过程之后对热轧板进行少量的矫直处理。

实施例4是个工艺参数较极端的制造过程，采用较高的板坯温度和较少的轧制道次来保证高的终轧温度，然后以较慢的冷速冷却到950℃以使高温下产生再结晶晶粒充分长大，而10℃/s的水冷过程中又使晶粒有一定的长大。该过程所得的热轧中厚板强度较实施例1所得试样要低，而延伸率更高些，同时，耐腐蚀性也更好。该制造过程所得的中厚板板形较好，几乎不用矫直。

实施例5

18Cr-8Ni奥氏体不锈钢的成分如表2所示，热轧中厚板的热加工工艺如下：将200mm厚板坯温度控制在1280℃，共轧10道次，总变形量为80％，成品厚度为40mm，终轧温度1050℃；终轧后立即将热轧板以8.5℃/s的冷却速度冷至900℃，然后再以25℃/s水冷至室温；热加工过程之后对热轧板进行矫直处理。

实施例6

18Cr-8Ni奥氏体不锈钢的成分如表2所示，热轧中厚板的热加工工艺如下：将200mm厚板坯温度控制在1250℃，共轧7道次，总变形量为75％，成品厚度为50mm，终轧温度1060℃；终轧后立即将热轧板以5℃/s的冷却速度冷至925℃，然后再以15℃/s水冷至室温；热加工过程之后对热轧板进行矫直处理。

实施7

18Cr-8Ni奥氏体不锈钢的成分如表2所示，热轧中厚板的热加工工艺如下：将200mm厚板坯温度控制在1300℃，共轧11道次，总变形量为90％，成品厚度为20mm，终轧温度1090℃；终轧后立即将热轧板以2℃/s的冷却速度冷至900℃，然后再以23℃/s水冷至室温；热加工过程之后对热轧板进行矫直处理。

实施8

18Cr-8Ni奥氏体不锈钢的成分如表2所示，热轧中厚板的热加工工艺如下：将200mm厚板坯温度控制在1250℃，共轧8道次，总变形量为85％，成品厚度为30mm，终轧温度1070℃；终轧后立即将热轧板以1℃/s的冷却速度冷至940℃，然后再以10℃/s水冷至室温；热加工过程之后对热轧板进行矫直处理。

采用本发明的制造技术所获得的18Cr-8Ni奥氏体不锈钢热轧中厚板在晶粒的均匀性和碳化物的固溶方面能够达到进行离线固溶处理的奥氏体不锈钢达到的效果，并采用控制晶粒度和避免离线固溶处理过程来达到控制成品强度的目的。采用本发明的制造技术在提高18Cr-8Ni不锈钢热轧中厚板强度的基础上，保持了和传统18Cr-8Ni不锈钢热轧中厚板同样的性能。由于本发明在提高18Cr-8Ni奥氏体不锈钢中厚板性能的基础上，还可以降低其制造成本，因此具有良好的发展前景。