[发明专利]一种耐低温高强高韧奥氏体不锈钢及其制备方法

说明书

本发明提供了一种耐低温高强高韧奥氏体不锈钢及其制备方法，其化学成分为：C≤0.05%，Si：0.20‑0.60%，Mn：4.0‑6.0%，Cr：20.0‑22.0%，Ni：13.0‑14.5%，Mo：1.5‑3.0%，P、S≤0.015%，Al≤0.03%，V：0.1‑0.3%，Nb：0.10‑0.15%，Ti≤0.002%，N：0.30‑0.50%，O≤0.004%，H≤0.001%，余量为Fe和不可避免的杂质；制备方法包括中频炉冶炼、电渣重熔炉冶炼、电液锤锻造和固溶热处理工序。本发明提供的不锈钢在‑250℃下屈服强度≥1400MPa；断后伸长率≥30%；断裂韧度≥180MPa.m^1/2。

技术领域

本发明涉及一种耐低温高强高韧奥氏体不锈钢及其制备方法，属钢铁材料技术领域。

背景技术

国外对20K以下温区用不锈钢一直保持较高的研究热度。其中美国宇航局（NASA）评估了奥氏体不锈钢在低温贮箱中的应用可行性，全面地掌握了其在该温区下的强度和韧性与其试样尺寸、加工成型工艺等方面的关系。日本等研发了多种Fe-Mn-Cr奥氏体不锈钢，兼具低温强韧性等特点。我国对20K 以下低温不锈钢进行研究和开发，但品种相对较少。2019年航天科技集团公司设计部门开始布局未来星际飞船用不锈钢低温贮箱材料的选型研究，但-250℃的拉伸力学性能测试结果显示现有不锈钢材料不能满足该温度的高强度、高韧性要求。因此，研制出在-250℃温度范围下使用的低温不锈钢至关重要。

目前耐低温不锈钢的研发主要停留在实验室阶段，尚未在钢材制造企业实现批量化生产。随着国内外大型低温工程的不断建设和应用，对耐低温高强高韧不锈钢材料的需求和质量要求越来越高，耐低温高强高韧不锈钢由于其在超低温环境下具有良好的强度与韧性配合，在核电、极寒地区工程建设、航空航天等恶劣环境领域正在越来越多地应用，有很强的市场竞争力。目前低温不锈钢的成分控制尤其是C、O、H、Al、Ti的协同控制仍是难点，由于其含量限制条件的苛刻性，包括C在内的有害元素仍易出现超标情况，影响最终产品的性能稳定性。而采用合理的原料加入量、加入顺序，以及合理的电渣重熔工艺，有效改善了成分控制水平，提高了产品综合性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐低温高强高韧奥氏体不锈钢，在-250℃下满足屈服强度≥1400MPa；断后伸长率≥30%；断裂韧度≥180MPa.m^1/2。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种耐低温高强高韧奥氏体不锈钢，按质量百分比计，其成分配比为：C：≤0.05%，Si：0.20-0.60%，Mn：4.0-6.0%，Cr：20.0-22.0%，Ni：13.0-14.5%，Mo：1.5-3.0%，P、S≤0.015%，Al：≤0.03%，V：0.1-0.3%，Nb：0.10-0.15%，Ti：≤0.002%，N：0.30-0.50%，O：≤0.004%，H：≤0.001%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明还提供了耐低温高强高韧奥氏体不锈钢的制备方法，包括中频感应炉冶炼、电渣重熔炉冶炼、电液锤锻造和固溶热处理工序。

本发明所述中频感应炉冶炼工序，炉底加入预熔渣，合金料的布料顺序依次为：金属锰、金属铬、钼条、镍板、钒铁、铌块，纯铁；原料熔清后开启底吹，底吹采用全程氮气，底吹气压力400-800kpa，底吹流量调至5-9L/min；配加完氮化铬铁并确保其完全熔清后扒渣，开始造白渣，造渣时先加入白灰，萤石等物料，待炉渣造好后，开始插入铝线脱氧；脱氧后取样确保O含量满足要求后补加合金料至目标成分；出钢时关键元素的成分目标[C]：≤0.03%，出钢[O]：≤0.004%，出钢[Al]：≤0.03%；浇铸时采用氮气保护。