專利名稱：一種中氮高錳奧氏體不銹鋼的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種奧氏體不銹鋼，特指一種中氮高錳奧氏體不銹鋼。
背景技術：
奧氏體不銹鋼是最重要的一類不銹鋼，其生產量和使用量約占不銹鋼總產量及用量的70％，鋼號也最多。幾十年來，國內外使用最廣泛的是鎳鉻不銹鋼。但是這樣的不銹鋼有兩個比較嚴重的問題。首先是強度、硬度偏低，限制其廣泛使用；其次，是由于鎳和鉻元素的地礦藏量相對較少，所以制取成本高昂。針對第一個問題，人們開展了奧氏體不銹鋼中摻雜氮的研究，發現氮可以穩定奧氏體組織，可以提高強度，其作用比碳及其他合金元素強，氮減少奧氏體密排面上不全位錯，限制了含間隙雜質原子團的Splintered位錯運動；摻雜氮同樣可以提高耐腐蝕性能，特別是耐局部腐蝕、如晶間腐蝕、點腐蝕和縫隙腐蝕。氮作為合金化元素使用最早報道于1938年。由于鋼鐵冶煉條件的限制。在常壓下能加入的氮濃度比較低，因此作用不明顯。隨著加壓冶金技術的發展，氮作為強烈間隙元素，以廉價、易得等特點再次引起人們的注意。僅從1988年到1995年，高氮鋼的國際性會議便召開了6次。日前高氮鋼的研究在俄羅斯、瑞典、德國、法國和日本等國家迅速發展，給材料學科提供了更加廣闊的天地。根據氮在奧氏體不銹鋼中的含量，可將含氮奧氏體不銹鋼大致分為控氮型(氮含量在0.05％～0.10％)、中氮型(氮含量0.10％～0.40％)和高氮型(氮含量在0.40％以上)3類。國內對控氮型和中氮型奧氏體不銹鋼的研究、開發作了大量工作，對高氮型奧氏體不銹鋼的研究工作還剛剛開始。針對第二個問題，目前學術界和產業界開展了高錳低鎳、高錳無鎳鋼的研究，首先，該類鋼可以極大地降低成本；其次，高的錳含量可以提高氮在奧氏體中的固溶度，氮的溶解度會隨合金中鉻和錳含量的增加而增大，并隨著鎳含量的增加而減少。因而用錳取代鎳作為主要的奧氏體化合金元素是必然趨勢。錳和氮的共同作用，可以穩定奧氏體組織并提高材料的強度，而且其耐蝕性不受影響。最后，降低鎳含量可以提高奧氏體不銹鋼的生物相容性，擴大該類材料的使用范圍。因此，含氮的高錳奧氏體不銹鋼將會是新一代奧氏體不銹鋼，將會得到越來越廣泛的重視。
最近也出現了一些合理降低奧氏體不銹鋼中鎳成分的設計及專利，如專利號為01111434.7公布的“一種奧氏體不銹鋼”，它含有一定量的Mo和Al，具有良好的耐酸堿腐蝕性能，但強度不高。專利號為200410041285.X公布的一種“奧氏體不銹鋼”，這種鋼雖然降低了鎳成分，但是其抗拉強度等力學性能有所減弱。專利號為200510063018.7提到的少鎳奧氏體不銹鋼含有較低含量的錳，不含氮，因此其抗拉強度等力學性能也較低。
發明內容
本發明的目的在于提供一種原料豐富、成本低廉、綜合力學性能良好、使用溫度范圍寬、耐腐蝕性能、生物相容性良好的奧氏體不銹鋼。
一種中氮高錳奧氏體不銹鋼，其特征在于按質量分數計算，包含以下組分0.25～0.45％的N、≤0.10％的C、20.0～26.0％的Mn、0～2.0％的Ni、13.0～19.0％的Cr、≤0.05％的S、≤0.05％的P、≤1.0％的Si、余量為Fe。
優選含量為 ①0.35～0.45％N、≤0.05％C、23.0～25.0％Mn、≤0.5％Ni、13.0～14.0％Cr、≤0.05％S、≤0.05％P、≤1.0％Si、余量為Fe。
②0.30～0.40％N、≤0.05％C、24.0～26.0％Mn、≤1.0％Ni、18.0～19.0％Cr、≤0.05％S、≤0.05％P、≤1.0％Si、余量為Fe。
確定上述主要化學成分范圍的理由如下 1.錳錳是奧氏體形成元素，具有強烈的穩定奧氏體組織的作用，并且提高氮在鋼中的溶解度。在節鎳奧氏體不銹鋼中，錳是非常重要的合金元素之一，常與鎳等元素共同加入到鋼中，以節約鎳或取代鎳。
2.鉻鉻是不銹鋼中最重要的元素，是鋼獲得不銹性、抗蝕性的重要元素。本發明的奧氏體不銹鋼的鉻含量范圍既保證鋼有良好的不銹耐蝕性能，又保證獲得奧氏體組織。
3.鎳鎳是強烈的形成、穩定奧氏體組織并擴大奧氏體區的元素。但是鎳降低了氮在合金中的溶解度，降低鋼的熱加工性能，而且惡化鋼的生物相容性。因此，本發明的奧氏體不銹鋼基本上無鎳或含有少量的鎳，目的是降低鋼的制造成本，并且改善熱加工性能，提高生物相容性。
4.氮氮是非常強烈地形成并穩定奧氏體組織的元素，可以使得鋼在低溫下也保持奧氏體組織。氮在奧氏體不銹鋼中可以代替部分鎳，從而降低鋼的制造成本。氮屬于固溶強化元素，可以提高奧氏體不銹鋼的強度但是并不顯著損害鋼的塑性和韌性。而且，氮的加入可以延緩碳化物的析出，從而使其耐晶間腐蝕性能得到提高。
5.碳碳在奧氏體不銹鋼中是強烈形成、穩定并擴大奧氏體區的元素。但是碳含量過高影響鋼的塑性，不利于冷加工，并且降低鋼的耐蝕性能。
6.硅硅是脫氧元素，另外也是提高抗氧化性、耐水蒸汽氧化性等的有效元素。但是硅是強烈的鐵素體形成元素，另外，當硅含量超過2％時，會促進金屬間化合物在高溫情況下的析出，因此為了保護本發明的不銹鋼獲得奧氏體組織，并且提高奧氏體組織的穩定性，必須限制硅的含量。
7.磷磷是鋼在冶煉過程中極難避免的有害元素，應盡量控制在0.05％(質量分數)以下。
8.硫硫是鋼在冶煉過程中極難避免的有害元素，應盡量控制在0.05％(質量分數)以下。
本發明的奧氏體不銹鋼具有以下優點 1)成本低。本發明的奧氏體不銹鋼采用了高錳、中氮的合金成分，其熔煉的原材料可以采用常用的工業電解錳，低碳鉻鐵，來源充足，價格低廉，成本低于18-8鎳鉻不銹鋼。
2)強度高、韌性好、耐磨損性能好。室溫屈服強度(σs)大于430MPa，比常用的鎳鉻不銹鋼1Cr18Ni9Ti高60％以上，室溫強度極限(σb)大于790MPa，比1Cr18Ni9Ti高30％以上。由于氮的加入，極大地提高了鋼的強度，并且經過退火，可以得到細小的氮化物析出物，因此，鋼的耐磨損性能得到了提高。
3)本合金的延伸率高達40％，具有良好的冷加工性能。
4)本合金具有良好的耐腐蝕性能。尤其在強堿、氧化性酸(如HNO3)等溶液中的耐全面腐蝕性、耐晶間腐蝕性、抗應力腐蝕開裂等方面具有優良的性能。
5)本合金具有良好的室溫疲勞性能，其條件疲勞極限(σ-1)為341MPa，循環次數大于1×107次。
6)本合金具有優良的低溫力學性能和組織穩定性。相變臨界點Ms低于77K溫度；在低溫和超低溫下具有高的沖擊韌度和高的強度。可在超低溫下使用。
具體實施例方式 實施例 材料1(質量分數)0.44％N、0.05％C、24.62％Mn、0.10％Ni、13.18％Cr、0.01％S、0.01％P、0.57％Si、余Fe。
材料2(質量分數)0.35N、0.05C、25.10Mn、18.20Cr、0.01％S、0.01％P、0.50Si、余Fe。
兩種材料采用真空爐中冶煉，去冒口、及鋼錠底部后進行鍛造，鍛造工藝為加熱溫度1100℃，加熱2小時，保溫半小時，開鍛溫度1030℃左右，終鍛溫度950℃以上。然后將兩種材料進行固溶處理，溫度為1050℃、保溫一小時，然后水冷。本發明的奧氏體不銹鋼可以根據需要進行鑄造或軋制成材，或再鍛打。工藝為加熱溫度1100℃，加熱2小時，保溫半小時，開鍛溫度1030℃左右，終鍛溫度950℃以上。經鍛打成坯，然后經過機械加工成零件。本發明的兩實施例的中氮奧氏體不銹鋼力學等性能如表1所示。部分對比奧氏體鋼的力學性能列于表2，可以看出本發明的奧氏體不銹鋼的力學性能得到了很大的提高；其疲勞強度較高，并且在173K下，仍然具有較好的沖擊韌性，表2部分對比奧氏體不銹鋼材料的力學性能。
本發明的奧氏體不銹鋼可以廣泛用于機械、農業工程、化工、食品、生物醫學、石油煤炭、核工業、建筑、民生用具等領域。表1中氮奧氏體不銹鋼的力學性能
注材料的屈服強度、抗拉強度、斷后延伸率和斷面收縮率的測試采用國家標準GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》；疲勞強度的測試采用國家標準GB/T4337-1984《金屬旋轉彎曲疲勞試驗方法》；(夏比V型缺口)沖擊實驗采用國家標準GB4159-84《金屬低溫夏比沖擊實驗方法》。表2部分對比奧氏體不銹鋼材料的力學性能
權利要求
1、一種中氮高錳奧氏體不銹鋼，其特征在于按質量分數計算，包含以下組分0.25～0.45％的N、≤0.10％的C、20.0～26.0％的Mn、0～2.0％的Ni、13.0～19.0％的Cr、≤0.05％的S、≤0.05％的P、≤1.0％的Si、余量為Fe。
2、根據權利要求1所述的一種中氮高錳奧氏體不銹鋼，其特征在于按質量分數計算，包含以下組分0.35～0.45％N、≤0.05％C、23.0～25.0％Mn、≤0.5％Ni、13.0～14.0％Cr、≤0.05％S、≤0.05％P、≤1.0％Si、余量為Fe。
3、根據權利要求1所述的一種中氮高錳奧氏體不銹鋼，其特征在于按質量分數計算，包含以下組分0.30～0.40％N、≤0.05％C、24.0～26.0％Mn、≤1.0％Ni、18.0～19.0％Cr、≤0.05％S、≤0.05％P、≤1.0％Si、余量為Fe。
4、根據權利要求2所述的一種中氮高錳奧氏體不銹鋼，其特征在于按質量分數計算，包含以下組分0.44％N、0.05％C、24.62％Mn、0.10％Ni、13.18％Cr、0.01％S、0.01％P、0.57％Si、余量Fe。
5、根據權利要求3所述的一種中氮高錳奧氏體不銹鋼，其特征在于按質量分數計算，包含以下組分0.35％N、0.05％C、25.10％Mn、18.20％Cr、0.01％S、0.01％P、0.50Si、余量Fe。
全文摘要
本發明涉及一種奧氏體不銹鋼，特指一種中氮高錳奧氏體不銹鋼，其特征在于按質量分數計算，包含以下組分0.25～0.45％的N、≤0.10％的C、20.0～26.0％的Mn、0～2.0％的Ni、13.0～19.0％的Cr、≤0.05％的S、≤0.05％的P、≤1.0％的Si、余量為Fe。本發明的奧氏體不銹鋼降低了生產成本；該種材料含有一定含量的氮，可以有效地提高奧氏體不銹鋼的抗拉強度等力學性能，并具有良好的韌性與加工性能；另外，該種材料耐大氣、酸腐蝕能力較強，且鎳含量極少，對人體有害作用小，具有良好的生物相容性。
文檔編號C22C38/58GK101250674SQ200810023408
公開日2008年8月27日 申請日期2008年4月11日 優先權日2008年4月11日
發明者袁志鐘, 戴起勛, 王安東, 陳康敏, 程曉農 申請人:江蘇大學