节约型双相不锈钢及其高性能焊接热影响区热加工方法

摘要

本发明公开了一种高N低Ni节约型双相不锈钢及其高性能焊接热影响区热加工方法，属于双相不锈钢技术领域。本发明采用真空炉冶炼，然后将不锈钢铸坯进行锻造和轧制处理，经过水淬得到板材；将板材进行固溶处理，然后进行水冷；水冷后在优化的0.45KJ/mm～0.95KJ/mm、1.10KJ/mm～2.15KJ/mm、2.85KJ/mm～2.95KJ/mm三段热输入参数范围及1325℃峰值温度进行焊接热循环处理，获得相应焊接热影响区试样；所得焊接热影响区试样经力学性能、耐晶间腐蚀敏感度、耐点蚀性测试，具有高力学性能、优异的综合性能、高耐腐蚀性能；上述高N低Ni节约型双相不锈钢高性能焊接热影响区的加工方法，可推进该低成本不锈钢钢种在化工管道、石化工业，海洋工程等特殊领域上的应用。

说明书

技术领域

本发明属于双相不锈钢技术领域，具体涉及一种高N低Ni节约型双相不锈钢及其高性能焊接热影响区热加工方法。

背景技术

高N低Ni节约型双相不锈钢是一种具有良好耐多种介质腐蚀和优异力学性能的材料，广泛应用于石油化工、造纸建筑工业等领域。在一定程度上成为替代传统不锈钢的理想材料之一。N稳定奧氏体的能力相当于Ni的30倍，耐点蚀抗力相当于Cr的16倍，因此N能作为替代Ni的最有益元素之一。在钢中加入较高含量的N，可有效稳定奥氏体获得双相组织，且能显著改善双相不锈钢的屈服强度、抗蠕变性能、韧性以及耐蚀性能。此外，N还能调节Cr、Mo等合金元素在两相之间的分配，合金中N含量越髙，两相中的Cr、Mo等合金元素在两相含量差越小。同时，一定量Mn的添加可提高N在不锈钢中的固溶度，并起到稳定奥氏体相提高强度的效果。Ni是一种储量少、高价的金属，价格逐年攀升，极大增加了不锈钢制造成本。且与高Ni系不锈钢相比，节Ni型双相不锈钢由于低Ni或无Ni，减少了Ni对人体所造成的一系列过敏症状，具有毒性低、环保等特点。因此，本发明专利公开了一种高性能焊接热影响的高N低Ni节约型双相不锈钢，不仅可较大幅度降低成本而且还能降低对人类危害，在未来有很大的应用前景。

随着双相不锈钢的应用领域越来越广泛，以N代Ni节约型双相不锈钢材料已经逐渐成为现今的研究热点，但对于提高其在热影响区耐蚀性和力学性能方面存在较高难度；目前缺少获得高N低Ni节约型双相不锈钢在焊接热影响区高耐蚀和力学性能合理加工工艺。如焊接热影响区两相比例失衡严重，析出形成较多，导致力学和耐腐蚀性能严重降低。从而使得材料生产成本高，不能满足大规模的生产。本发明中的高N低Ni节约型双相不锈钢及其焊接热影响区热加工方法能获得优良的焊接热影响区耐腐蚀性能，同时具有较高的冲击性能及拉伸力学性能，不仅能解决上述存在问题，且有效的提高了节约型双相不锈钢在高强度高韧性环境下的应用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高N低Ni节约型双相不锈钢及其高性能焊接热影响区热加工方法，利用该方法所制备的高N低Ni节约型不锈钢在焊接热影响区具有优异的腐蚀性能和力学性能。

为了达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：一种高N低Ni节约型双相不锈钢及其高性能焊接热影响区热加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：按照元素质量百分比为C：0.012～0.018％、Si：0.09～0.12％、Mn：7.95～8.05％、Cr：22.45～22.65％、Ni：1.30～1.40％、Mo：2.65～2.74％、Cu：0.10～0.16％、N：0.420～0.450％、P：≤0.01％、S：≤0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质，在50公斤真空熔炼炉炼制，得到不锈钢铸坯；

S2：对不锈钢铸坯进行预锻造处理；得到预锻造板材；

S3：对预锻造板材进行预轧制处理；

S4：将预轧制后的板材放入箱式电阻炉中进行固溶处理；

S5：将S4固溶处理后的板材在热模拟实验机上按照0.45KJ/mm～0.95KJ/mm、1.10KJ/mm～2.15KJ/mm、2.85KJ/mm～2.95KJ/mm三段热输入参数范围及1325℃峰值温度进行焊接热循环处理，得到相应焊接热输入和峰值温度的热模拟试样；

S6：将S5中获得的热模拟试样制备成电化学试样，采用循环伏安动电位极化曲线以及双环动电位再活化法(DL-EPR)测试试样的耐点蚀性和耐晶间腐蚀敏感度(DOS)，其中耐点蚀性测试使用点蚀溶液，耐晶间腐蚀敏感度测试使用晶间腐蚀溶液；

S7：将S5中获得的热模拟试样加工成标准V型缺口冲击试样与标准拉伸试样，采用冲击实验和拉伸实验，测试试样的力学性能。

优选的，所述预锻造条件为温度1120～1190℃开始锻造，终锻温度＞970℃，锻造比为4～5，常温水冷；

优选的，所述预轧制条件为温度1100～1180℃开始轧制，终轧温度＞955℃，常温水淬；

优选的，所述固溶处理条件为温度1030～1070℃，固溶时间0.3～1h，常温水冷；

优选的，所述点蚀溶液为3.5wt.％NaCl，晶间腐蚀溶液配比为1.2mol/l H

本发明的有益效果是：

由本发明提出的优化热输入参数在1.10KJ/mm～2.15KJ/mm进行焊接热循环处理，经力学性能测试焊接热影响区的抗拉强度Rm≥780MPa，屈服强度Rp0.2≥547MPa，延伸率A≥31.76％，焊接热影响区的冲击功大于等于48J，点蚀电位Eb≥0.94，晶间敏感值Ra≤2.22％。所获得焊接热影响区具有优异的综合性能；

在0.45KJ/mm～0.95KJ/mm热输入范围进行焊接热循环处理，焊接热影响区的抗拉强度Rm≥796MPa，屈服强度Rp0.2≥561MPa，延伸率A≥32％，焊接热影响区的冲击功大于等于57J，所获得焊接热影响区具有高力学性能；

在2.85KJ/mm～2.95KJ/mm热输入范围进行焊接热循环处理，焊接热影响区的点蚀电位Eb≥0.93，晶间敏感值Ra≤0.31％，所获得的焊接热影响区具有高耐腐蚀性能。

附图说明

图1是实施例1、2在热循环参数为0.84～2.95KJ/mm范围内焊接热影响区的五种不同热输入和固溶态试样循环伏安极化测试曲线；

图2是实施例1、2在热循环参数为0.84～2.95KJ/mm范围内焊接热影响区的五种不同热输入和固溶态试样双环电化学动电位再活化法测试曲线；

图3是实施例1、2在热循环参数为0.84～2.95KJ/mm范围内焊接热影响区的五种不同热输入晶间腐蚀敏感度比较图；

图4是实施例3、4在热循环参数为0.84～2.95KJ/mm范围内焊接热影响区的三种不同热输入试样屈服强度和拉伸强度对比；

图5是实施例3、4在热循环参数为0.84～2.95KJ/mm范围内焊接热影响区的三种不同热输入试样延伸率对比；

图6是实施例3、4在热循环参数为0.84～2.95KJ/mm范围内焊接热影响区的五种不同热输入试样的冲击功对比。

具体实施方式

为了对本发明的方案和效果做出清楚完整的描述，通过以下实施例进行详细说明；

本发明提供了一种高N低Ni型双相不锈钢的高性能焊接热影响区热加工方法，所述不锈钢铸坯的化学成分与质量百分比为：C：0.012～0.018％、Si：0.09～0.12％、Mn：7.95～8.05％、Cr：22.45～22.65％、Ni：1.30～1.40％、Mo：2.65～2.74％、Cu：0.10～0.16％、N：0.420～0.450％、P：≤0.01％、S：≤0.01％，余量为Fe。

在本发明中，所述的高N低Ni型双相不锈钢铸坯的化学成分优选包括：C：0.016％、Si：0.1％、Mn：8.01％、Cr：22.52％、Ni：1.37％、Mo：2.69％、Cu：0.14％、N：0.446％、P：≤0.01％、S：≤0.01％，余量为Fe。

本发明提供了一种高N低Ni节约型双相不锈钢及其高性能焊接热影响区制备方法，使其在焊接热影响区的耐腐蚀性能和力学性能得到提升，具体包括以下步骤：

S1：采用50kg真空熔炼炉炼制的不锈钢铸坯，将不锈钢铸坯进行预锻造处理，1160℃开始锻造，锻造比为4，终锻温度为980℃，锻后快速冷却；然后进行预轧制处理，开轧温度设置为1150℃，终轧温度为960℃，经过水淬得到板材；

S2：将S1获得的板材进行固溶处理，条件为：1050℃，30min，然后进行常温水冷；

S3：将S2水冷后的板材加工，在热模拟实验机上进行不同热循环参数范围0.84KJ/mm～2.95KJ/mm下进行焊接热循环处理，获得具有高性能焊接热影响区的高N低Ni型双相不锈钢。

实施例1

按照C：0.016％、Si：0.1％、Mn：8.01％、Cr：22.52％、Ni：1.37％、Mo：2.69％、Cu：0.14％、N：0.446％、P：≤0.01％、S：≤0.01％，余量为Fe。

具体包括以下步骤：

S1：采用50kg真空熔炼炉炼制的不锈钢铸坯，将不锈钢铸坯进行预锻造处理，1160℃开始锻造，锻造比为4，终锻温度为980℃，锻后快速冷却；然后进行预轧制处理，开轧温度设置为1150℃，终轧温度为960℃，经过水淬得到板材；

S2：将S1获得的板材进行固溶处理，条件为：1050℃，30min，然后进行常温水冷；

S3：将S2水冷后的板材加工成10.5mm×10.5mm×60mm的大小，采用Gleeble-3800热模拟实验机上进行焊接，热输入参数为1.895KJ/mm进行焊接热循环处理，以200℃/s的升温速率加热至1345℃，保温1s，得到高N低Ni节约型双相不锈钢试样。试样经过切割、背面除锈、焊铜导线、逐级打磨、抛光、清洗、采用松香和石蜡混合物对非工作面进行密封绝缘处理，工作面留出10mm×10mm的区域，得到具有高性能焊接热影响区的节镍不锈钢。

S4：配制点蚀溶液和晶间腐蚀溶液，点蚀溶液为3.5wt％的NaCl溶液(1000mLH

S5：图1即为热循环参数为0.84KJ/mm～2.95KJ/mm范围内焊接热影响区五种热输入试样及固溶态循环伏安极化测试曲线，表1为动电位极化曲线拟合的电化学参数，从表中可以看出，热输入值在1.895KJ/mm时，试样在焊接热影响区的点蚀点位Eb≥0.94，所获得焊接热影响区具有高耐点蚀性能。图2即为热循环参数为0.84KJ/mm～2.95KJ/mm范围内焊接热影响区五种热输入试样及固溶态双环电化学动电位再活化法测试曲线，图3即为五种热输入试样及固溶态的晶间敏感值比较图，从图3中可看出，晶间敏感值随热输入的增大先减小后增大再减小，在热输入值为1.895KJ/mm，其焊接热影响区的晶间腐蚀敏感值Ra≤2.22％，所获得焊接热影响区具有高耐晶间腐蚀性能。

表1电位极化曲线拟合的电化学参数

S6：具体数据为：在1.10KJ/mm～2.15KJ/mm热输入范围进行焊接热循环处理，点蚀电位Eb≥0.94V，晶间腐蚀敏感值Ra≤2.22％，所获得焊接热影响区具有高耐腐蚀性能。

实施例2

按照C：0.016％、Si：0.1％、Mn：8.01％、Cr：22.52％、Ni：1.37％、Mo：2.69％、Cu：0.14％、N：0.446％、P：≤0.01％、S：≤0.01％，余量为Fe。

具体包括以下步骤：

S1：采用50kg真空熔炼炉炼制的不锈钢铸坯，将不锈钢铸坯进行预锻造处理，1160℃开始锻造，锻造比为4，终锻温度为980℃，锻后快速冷却；然后进行预轧制处理，开轧温度设置为1150℃，终轧温度为960℃，经过水淬得到板材；

S2：将S1获得的板材进行固溶处理，条件为：1050℃，30min，然后进行常温水冷；

S3：将S2水冷后的板材加工成10.5mm×10.5mm×60mm的大小，采用Gleeble-3800热模拟实验机上进行焊接，热输入参数为2.935KJ/mm进行焊接热循环处理，以200℃/s的升温速率加热至1345℃，保温1s，得到高N低Ni节约型双相不锈钢试样。试样经过切割、背面除锈、焊铜导线、逐级打磨、抛光、清洗、采用松香和石蜡混合物对非工作面进行密封绝缘处理，工作面留出10mm×10mm的区域，得到具有高性能焊接热影响区的高N低Ni节约型双相不锈钢。

S4：配制点蚀溶液和晶间腐蚀溶液，点蚀溶液为3.5wt％的NaCl溶液(1000mLH

S5：图1即为热循环参数为0.84KJ/mm～2.95KJ/mm范围内焊接热影响区五种热输入试样及固溶态循环伏安极化测试曲线，表1为动电位极化曲线拟合的电化学参数，从表中可以看出，热输入值在2.935KJ/mm时，试样在焊接热影响区的点蚀点位Eb≥0.93，具有高耐点蚀性能，图2即为热循环参数为0.84KJ/mm～2.95KJ/mm范围内焊接热影响区五种热输入试样及固溶态双环电化学动电位再活化法测试曲线，图3即为五种热输入试样及固溶态的晶间敏感值比较图，从图3中可看出，晶间敏感值随热输入的增大先减小后增大再减小，在热输入值为2.935KJ/mm，其焊接热影响区的晶间腐蚀敏感值Ra≤0.31％，所获得焊接热影响区具有高耐晶间腐蚀性能。

S6：具体数据为：在2.850KJ/mm～2.95KJ/mm热输入范围进行焊接热循环处理，点蚀电位Eb≥0.93，晶间腐蚀敏感值Ra≤0.31％，所获得焊接热影响区具有高耐腐蚀性能。

实施例3

按照C：0.016％、Si：0.1％、Mn：8.01％、Cr：22.52％、Ni：1.37％、Mo：2.69％、Cu：0.14％、N：0.446％、P：≤0.01％、S：≤0.01％，余量为Fe。

具体包括以下步骤：

S1：采用50kg真空熔炼炉炼制的不锈钢铸坯，将不锈钢铸坯进行预锻造处理，1160℃开始锻造，锻造比为4，终锻温度为980℃，锻后快速冷却；然后进行预轧制处理，开轧温度设置为1150℃，终轧温度为960℃，经过水淬得到板材；

S2：将S1获得的板材进行固溶处理，条件为：1050℃，30min，然后进行常温水冷；

S3：将S2水冷后的板材加工成10.5mm×10.5mm×60mm的大小，采用Gleeble-3800热模拟实验机上进行焊接，热输入参数为1.895KJ/mm进行焊接热循环处理，以200℃/s的升温速率加热至1345℃，保温1s，得到高N低Ni节约型双相不锈钢试样。

S4：对试样采用拉伸试验和冲击实验，测试试样的拉伸性能和冲击性能。

S5：图4、5、6即为该热模拟试样在三种不同热输入条件下的屈服强度和抗拉强度曲线、延伸率曲线以及冲击曲线。从图中可知，在1.10KJ/mm～2.15KJ/mm热输入范围进行焊接热循环处理，其焊接热影响区的抗拉强度Rm≥780MPa，屈服强度Rp

S6：具体数据为：在1.10KJ/mm～2.15KJ/mm热输入范围进行焊接热循环处理，其焊接热影响区的抗拉强度Rm≥780MPa，屈服强度Rp

实施例4

按照C：0.016％、Si：0.1％、Mn：8.01％、Cr：22.52％、Ni：1.37％、Mo：2.69％、Cu：0.14％、N：0.446％、P：≤0.01％、S：≤0.01％，余量为Fe。

具体包括以下步骤：

S1：采用50kg真空熔炼炉炼制的不锈钢铸坯，将不锈钢铸坯进行预锻造处理，1160℃开始锻造，锻造比为4，终锻温度为980℃，锻后快速冷却；然后进行预轧制处理，开轧温度设置为1150℃，终轧温度为960℃，经过水淬得到板材；

S2：将S1获得的板材进行固溶处理，条件为：1050℃，30min，然后进行常温水冷；

S3：将S2水冷后的板材加工成10.5mm×10.5mm×60mm的大小，采用Gleeble-3800热模拟实验机上进行焊接，热输入参数为0.848J/mm进行焊接热循环处理，以200℃/s的升温速率加热至1345℃，保温1s，得到高N低Ni节约型双相不锈钢试样。

S4：对试样采用拉伸实验和冲击试验，测试试样的拉伸性能冲击性能。

S5：图4、5、6即为该热模拟试样在三种不同热输入条件下的屈服强度和抗拉强度曲线、延伸率曲线以及冲击功曲线。从图中可知，在范围0.45KJ/mm～0.95KJ/mm，其焊接热影响区的抗拉强度Rm≥796MPa，屈服强度Rp

S6：具体数据为：在0.45KJ/mm～0.95KJ/mm热输入范围进行焊接热循环处理，其焊接热影响区的抗拉强度Rm≥796MPa，屈服强度Rp

实施例5

基于实施例1的基础上，区别在于，合金组分质量百分比为：C：0.015％，S：0.005％，P：0.018％，N：0.25％，Cr：25.25％，Si：0.65％，Mn：1.06％，Ni：7.08％，Mo：3.89％，其余成分为铁及不可避免的其他杂质，焊接热输入为1.12KJ/mm。

具体数据为：可以看出SAF2507双相不锈钢在热输入范围1.12KJ/mm进行焊接热循环处理，点蚀电位Eb≥0.870V，焊接热影响区具有高耐腐蚀性能。本发明的不锈钢在1.10～2.15KJ/mm热输入进行焊接热循环处理，点蚀电位Eb≥0.94V，焊接热影响区具有高耐腐蚀性能。相比之下本发明的不锈钢所获得的焊接热影响区具有更优异的腐蚀性能。

实施例6

基于实施例3的基础上，区别在于，合金组分质量百分比为：C：0.019％，S：0.001％，P：0.022％，Cr：22.54％，Si：0.469％，Mn：1.175％，Ni：5.53％，Mo：3.142％，其余成分为铁及不可避免的其他杂质，焊接热输入为1.10KJ/mm。

具体数据为：可以看出2205双相不锈钢在热输入范围1.10KJ/mm进行焊接热循环处理，抗拉强度Rm≥720MPa，屈服强度Rp