高强无磁不锈钢制备关键技术及应用

【作者】 郑淮北； 王英虎； 柏川； 李花兵； 刘福斌； 刘海涛； 张宇飞；

【机构】 攀钢集团研究院有限公司； 海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室； 东北大学；

【摘要】 氮合金化的高强无磁不锈钢因具有优异的强韧性、低磁导率和耐腐蚀性能广泛应用于电站能源装备、油气钻采、海工装备等领域。氮合金化高强无磁不锈钢的设计、冶炼、加工等还存在一些共性问题和工艺技术亟待深入研究,包括:适用于高氮钢的相组分图优化,高氮钢的强韧性影响因素及调控机理,高氮钢的第二相析出行为,超纯净及均质化锭坯制备、高氮钢的高温热塑性等。针对以上问题,攀钢基于材料热力学计算分析,建立了适用于高氮钢体系的相组分预测公式,对比分析了磷对高氮钢热塑性及冲击韧性的影响规律,研究了高氮钢的冷变形行为。适用于高氮钢体系的镍当量公式为Nieq=Ni+30C+22N+0.15Mn-0.013Mn2+0.13+1.6Cu+0.41Co、铬当量公式为Creq=Cr+a*Mo+b(Mo≤2.8%时,a=2.9,b=-0.23;2.8%<Mo≤8%时,a=-0.72,b=9.44),用优化后的公式和Schaeffler相图可以准确的预测高氮钢的组织组成。磷含量对Cr-Mn-N系高氮不锈钢高温塑性、冲击韧性均有明显影响,随着P含量的增加高温塑性和冲击韧性明显降低,且0.02%P及以上时,高温塑性和冲击韧性显著降低。P含量对Cr-Ni-Mn-N系高氮不锈钢高温塑性有明显影响,随着P含量的增加高温塑性显著降低;0.015%P及以下时,对高温塑性影响相对较小。Cr-Ni-Mn-N系高氮不锈钢中P含量对冲击韧性有一定影响,但由于钢种高镍低锰的配比,提高了冲击韧性的稳定性,相对影响较小。高氮不锈钢冷轧变形量在15%～50%之间,随冷轧变形量的增加,位错密度以及位错塞积程度逐渐提高,变形机制由15%变形量时的单滑移转变为30%变形量时的交滑移和孪生。当冷轧变形量进一步增加至50%,形变孪晶数量显著增加。随着冷轧变形量的增加,试验钢的屈服强度和抗拉强度均呈现出逐渐升高的趋势。但是,与之相反的,延伸率快速降低。发电机护环用高氮无磁不锈钢固溶后不同温度时效,在600℃以上形成Cr2N相,并且随着温度的升高Cr2N相比例增加,800℃时达到最大比例33%,温度再增加Cr2N相比例降低,即,部分回溶到基体。Cr2N相的析出显著降低冲击韧性。护环用高氮无磁不锈钢固溶形变强化后去应力退火的最佳时间是4-8h,可以获得>370J的最佳冲击韧性。在共性基础问题研究的基础上,作者开发了高氮钢高效高纯净电炉流程熔炼关键技术、高均质电渣重熔关键技术和大规格锻件晶粒度细化及均匀化调控技术。攀钢应用以上关键技术,提高了护环用高氮无磁不锈钢的化学成分、组织均匀性和冲击韧性稳定性,开发了油气钻采用系列高氮无磁不锈钢锻棒等高性能结构功能一体化新材料。更多还原