CN106222539B

CN106222539B - 一种高强高塑性不锈钢复合板及其制造方法

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Publication number: CN106222539B
Application number: CN201610207947.9A
Authority: CN
Inventors: 王治宇; 宋红梅; 强少明; 吴狄峰; 许海刚
Original assignee: Baosteel Desheng Stainless Steel Co ltd
Current assignee: Baosteel Desheng Stainless Steel Co., Ltd.
Priority date: 2016-04-05
Filing date: 2016-04-05
Publication date: 2021-04-27
Anticipated expiration: 2036-04-05
Also published as: CN106222539A

Abstract

一种高强高塑性不锈钢复合板及其制造方法，该复合板包括基板与复板，基板单面或两面整体连续地包覆着复板，所述基板的化学成分质量百分比为：C：0.03～0.10％、Si：0.2‑1.0％、Mn：6.0～8.5％、Cr：16.0～18.0％、Ni：1.5～3.0％、Mo：0.1～0.5％、Cu：1.5～3.0％、N：0.10～0.25％、P：0.005～0.40％、S：0.001～0.01％，其余为Fe及不可避免的杂质；所述复板为316L不锈钢，且所述基板、复板成分都要求M_d30/50(α')≤20℃。本发明制造的复合板室温抗拉强度≥650MPa，延伸率≥50％，‑196℃下冲击功≥27J，变形量≤20％的室温冷加工过程中无磁性，该复合板具有高强高耐蚀性能的同时，兼具优良的塑韧性及加工性能，可替代316L不锈钢，应用于罐箱容器等制造领域。

Description

一种高强高塑性不锈钢复合板及其制造方法

技术领域

本发明涉及不锈钢复合板，具体涉及一种高强高塑性不锈钢复合板及其制造方法。

背景技术

不锈钢复合钢板是一种以碳钢或不锈钢为基体、单面或双面整体连续地包覆不锈钢的双金属高效节能材料。它充分发挥基层、复层材料特性优势，既具有复层材料的耐蚀或耐磨等特性，又具有基层材料良好的力学及成形性能，因而它是一种多功能材料。

不锈钢与高强钢复合是一种提高材料强度、节省使用成本的有效方法，尤其以高强碳钢为基板复合300系奥氏体不锈钢的复合板在一些工程应用领域中较为常见。但不锈钢与碳钢的复合有一些缺点：碳钢与不锈钢单面复合时，碳钢与不锈钢热加工性能相差太大，热加工过程困难；碳钢一面耐大气腐蚀性能较差，经常需要涂装，而且可能需要经常维护，增加使用成本；由于有碳钢层，复合板截面防腐处理较麻烦，焊接时焊缝金属由于碳钢基板的成分稀释，耐蚀性较差等。此外，以碳钢为基板的不锈钢复合板，其延伸率很难超过40％，且低温冲击韧性较差，这些不足限制了不锈钢复合板的应用范围。

如某容器制造领域，用户提出材料具备高强高耐蚀性能的同时，还需要有高塑性、良好低温韧性及冷加工性能。高强性能可以减薄使用材料，使得装备易实现大型化和轻量化，高塑性等特殊要求一方面是设备本身制造过程中需要材料有较好的成形性能，另一方面是设备在使用过程中需具备很好的安全性、防碰撞等，具体到复合钢板的性能要求为：耐蚀等级需与316L相当，室温抗拉强度和延伸率分别在630MPa及48％以上，-196℃的半样尺寸(5×10×55mm)横向V型缺口冲击试样冲击吸收功不小于27J。

采用标准的201或202系列不锈钢作为基板，制成复合板的室温抗拉强度较低，且镍含量常在4％以上，原材料成本较高，没有良好经济性；采用非标准的1％镍含量左右的200系不锈钢，由于镍含量过低，低温冲击韧性无法保证。总之，目前很难找到一种常规的Cr-Mn-N系列不锈钢作为基板，满足上述复合板技术要求。因此，开发一种不锈钢复合板，使其拥有高强高塑性，同时具有奥氏体不锈钢良好的冷热加工性能和使用性能，从而拓展不锈钢复合板应用领域，节省原材料合金资源，降低使用成本，具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强高塑性不锈钢复合板及其制造方法，该复合板室温抗拉强度≥650MPa，延伸率≥50％，-196℃下冲击功≥27J，变形量≤20％的室温冷加工过程中无磁性，具有高强、高耐蚀性能的同时，兼具优良的塑韧性及加工性能，可替代316L不锈钢，应用于罐箱容器等制造领域。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种高强高塑性不锈钢复合板，包括基板与复板，基板单面或两面整体连续地包覆着复板，基板为含氮节镍奥氏体不锈钢，复板为316L奥氏体不锈钢，其中，所述基板的化学成分质量百分比为：C：0.03～0.10％、Si：0.2～1.0％、Mn：6.0～8.5％、Cr：16.0～18.0％、Ni：1.5～3.0％、Mo：0.1～0.5％、Cu：1.5～3.0％、N：0.10～0.25％、P：0.005～0.40％、S：0.001～0.01％，其余为Fe及不可避免的杂质；且上述元素同时需满足如下关系：M_d30/50(α')≤20℃；

所述复板的化学成分质量百分比为：C≤0.03％、Si≤0.75％、Mn≤2.0％、Cr：16.0～18.0％、Ni：10.0～14.0％、Mo：2.0～3.0％、N≤0.10％、P≤0.045％、S≤0.030％，其余为Fe及不可避免的杂质；且上述元素同时需满足如下关系：M_d30/50(α')≤20℃；

M_d30/50(α')＝580-520C％-2Si％-16Mn％-16Cr％-23Ni％-300N％-26Cu％-10Mo％。

进一步，所述复板总厚占复合板全厚的10～30％。

优选的，所述基板的化学成分中：C：0.05～0.08％、Mn：6.5～8.0％、Cr：16.0～17.0％、Ni：2.0～2.5％、Cu：2.0～2.5％、N：0.14～0.20％，以质量百分比计。

又，本发明所述高强高塑性不锈钢复合板的室温抗拉强度≥650MPa，延伸率≥50％，-196℃下冲击功≥27J，变形量≤20％的室温冷加工过程中无磁性。

本发明选用含氮节镍奥氏体不锈钢作为基板，在基板成分设计中：

C(碳)：碳是强奥氏体形成元素，一定程度上可以取代镍，促进奥氏体形成，并稳定奥氏体组织，同时可以提高不锈钢的强度。但是当碳含量过高时，碳与铬结合后在晶界形成富铬碳化物，导致晶间腐蚀；另外，形成的富铬碳化物还降低钢的冲击韧性。过低的碳含量将增加制备过程中的难度和成本。因此，本发明基板不锈钢中设计碳含量为0.03～0.10％。

Si(硅)：硅在熔炼过程中用于脱氧，因此，一般不锈钢中含有0.2％以上的硅。但是硅含量过高时将降低氮的溶解度。因此，本发明基板不锈钢中设计硅含量为0.2～1.0％。

Mn(锰)：锰是比较弱的奥氏体形成元素，但在不锈钢中是强烈的奥氏体组织稳定元素，并能提高氮在钢中的溶解度。在低镍型奥氏体不锈钢中，锰与钢中碳、氮等元素复合作用，部分取代镍，确保不锈钢在室温下为奥氏体组织。但锰对奥氏体不锈钢的耐蚀性有着负面影响。因此，本发明锰含量控制为6.0～8.5％。

Cr(铬)：铬是不锈钢中最重要的合金元素，是获得不锈钢不锈性和耐蚀性的保证。由于铬是显著增强耐腐蚀性能的元素，为保证良好的耐蚀性，本发明基板不锈钢中设计铬含量在16.0％以上。但是，铬是主要的铁素体形成元素，过高的铬将难以保证基板获得室温奥氏体组织。因此，本发明基板不锈钢中铬含量控制为16.0～18.0％。

Ni(镍)：镍是形成和稳定奥氏体相最重要的元素，同时是保证低温韧性的关键材料。本发明基板不锈钢中镍含量控制在1.5～3.0％，以保证材料具有较低成本，同时确保钢具有室温下的奥氏体组织以及低温下具有优异的冲击韧性；且如果镍含量低于1.5％，则无法满足本发明对低温冲击韧性的要求。

Mo(钼)：钼是不锈钢中提高耐腐蚀性能的重要元素，其机理是稳定钝化膜及促进铬元素在钝化膜中的富集，钼还可以与氮协同作用，进一步提高耐点蚀性能，因此，钼的主要作用是提高耐腐蚀性。但钼含量过高将增加合金成本，本发明基板不锈钢中的钼含量控制为0.1～0.5％。

Cu(铜)：铜是一种奥氏体形成元素，铜的加入可以提高不锈钢的塑性，但是铜含量过高时不利于热加工性能。因此，本发明基板不锈钢中铜含量控制为1.5～3.0％。

N(氮)：氮在不锈钢中是非常强烈地形成、稳定和扩大奥氏体区的元素。氮在不锈钢中除了可以替代贵重资源如镍之外，还可以在不明显降低材料塑性和韧性的前提下，明显提高材料的强度，还能提高不锈钢的耐点腐蚀性能。但是氮含量过高时，将增大含氮金属间相形成的风险，同时提高熔炼和热加工的难度，导致难以生产。因此，本发明基板不锈钢中的氮含量控制为0.10～0.25％。

P(磷)：磷在基板不锈钢中被视为有害元素，应尽量控制得越低越好。

S(硫)：考虑到基板不锈钢中锰含量较高，容易形成MnS夹杂物，影响耐蚀性能，同时考虑到硫对焊接熔池流动性的影响，因此，要求控制硫含量在0.001～0.01％的水平。

需要说明的是，本发明基板不锈钢中铬、锰、氮三个元素的含量必须协同设计添加。为了使氮在钢中有足够的固溶度，就必须添加一定量的铬、锰元素，但为了保证稳定的奥氏体组织，铬含量也不能太高。采用铬当量和镍当量来参考，其中，铬当量Creq＝％Cr+％Mo+1.5％Si，镍当量Nieq＝％Ni+30％C+30％N+0.5％Mn+0.25％Cu。通过计算Creq和Nieq，配合Schaeffler-Delong不锈钢组织图的结果控制使得铁素体相的体积分数在4％以内，以确保材料具有较好的热加工性能和稳定的奥氏体组织。因此，本发明中基板不锈钢Ni含量降低后，必须适当提高N含量以确保得到稳定的奥氏体相组织。

另外，为了保证复合板具有优良的冷加工性能，基板和复板成分设计确保M_d30/50(α')在20℃以下，其中，M_d30/50(α')＝580-520C％-2Si％-16Mn％-16Cr％-23Ni％-300N％-26Cu％-10Mo％。如基板、复板成分中控制M_d30/50(α')过高，室温冷加工变形过程中容易产生形变马氏体组织，从而影响变形组织的稳定性。本发明控制材料在变形量≤20％的室温冷加工过程中不会产生磁性，确保了优良的冷加工性能。

考虑到要求复合板耐腐蚀性能与316L奥氏体不锈钢相当，本发明复板选用316L奥氏体不锈钢，选用标准成分的316L不锈钢即可，但不限于316L奥氏体不锈钢，其他类似的奥氏体不锈钢都可作为本发明的复板。

本发明所述复板总厚占复合板全厚的10～30％：在复合板厚度配比方面，复板太薄，会影响复合板产品质量和使用寿命；另一方面，不锈钢复板太厚，材料成本较高，产品的经济性较差。为此，不锈钢复层总厚占复合板全厚的10～30％。

本发明所述高强高塑性不锈钢复合板的制造方法，其包括如下步骤：将上述成分要求的基板与复板通过焊接方法制成单面或双面不锈钢复合坯；不锈钢复合坯经热轧、固溶、酸洗制成不锈钢复合板；所述不锈钢复合板还可以进一步通过后续冷轧工序制成不锈钢冷轧卷板。其中，固溶处理过程中控制固溶温度为1050～1100℃。

本发明选定固溶温度为1050～1100℃是因为固溶温度过低，基板不锈钢中碳氮化物较难溶解，固溶不充分，对复合板塑韧性有影响；固溶温度过高，基板、复板不锈钢晶粒显著长大，降低复合板的拉伸强度。

本发明制造的复合板的室温抗拉强度≥650MPa，延伸率≥50％，-196℃下冲击功≥27J，变形量≤20％的室温冷加工过程中无磁性，具有高强和高塑性，并且低温冲击韧性和耐腐蚀性优良，并具有较好的冷加工及焊接使用性能，可在众多领域取代纯316L不锈钢的使用。

本发明的有益效果：

(1)本发明的基板采用含Cr、N、Mo微合金化奥氏体不锈钢，保证了基板不锈钢具有较好的耐腐蚀性能和强度，同时添加1.5～3.0％的Ni，控制Ni添加量≥1.5％，保证了基板具有良好的低温冲击韧性，并限定Ni含量在3％以下，使本发明复合板具有较好的经济性。

(2)本发明采用含氮节镍奥氏体不锈钢作为基板，使得复合板保持与316L不锈钢相当的耐腐蚀性能的同时，还具有更高的强度及良好的塑性和低温冲击韧性。

(3)本发明所述基板和所述复板通过合理的成分设计确保M_d30/50(α')在20℃以下，基板与复板复合得到复合板，保证该复合板在室温(20℃)条件下进行变形量20％以下的冷加工过程中，没有形变马氏体产生，冷加工形变组织更加稳定，仍然保持无磁性，因此，具有更加优良的冷加工性能。

(4)与碳钢+不锈钢复合板相比，本发明的基板与复板同为奥氏体不锈钢，热加工性能相近，具有更好的可制造性。同时，基板具有较好的耐腐蚀性能，复合板加工过程无需特殊工艺来防止基板表面或截面锈蚀问题的发生；且，基板与复板焊接后，焊缝耐蚀性能优良。因此，本发明的复合板具有更好的热加工性能和用户使用性能。

(5)本发明控制复板总厚在复合板全厚的10～30％，使得复合板材料具有良好使用性能的同时，还具有较好的经济性。

附图说明

图1为本发明实施例1复合板的横截面显微组织照片。

图2为本发明实施例2中基板、复板材料与对比例1基板不锈钢的冷加工形变马氏体变化关系对比图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。列出的实施例是对本发明最佳实施方式的描述，但最佳实施方式并不对本发明的范围有任何限制。

表1为本发明实施例及对比例基板、复板钢的化学成分及复合配比情况，表2为本发明实施例及对比例复合板的关键制造工艺及性能。

按照表1中化学成分及复板总厚占复合板全厚10～30％的复合配比选定加工好基板和复板，然后通过焊接方法制成不锈钢复合坯，经热轧、固溶、酸洗制成不锈钢复合板，复合板总厚为6mm，固溶温度为1050～1100℃；其中，以含氮节镍奥氏体不锈钢为基板，在基板的任一面复合316L奥氏体不锈钢复板得到基板+复板的单面复合板；以含氮节镍奥氏体不锈钢为基板，在基板的上下两面均连续地包覆着316L奥氏体不锈钢复板得到复板1+基板+复板2的双面复合板。

对上述方法得到的不锈钢复合板进行力学拉伸、冲击及腐蚀等各项性能试验。其中，力学拉伸性能按照GB/T 6396－2008复合钢板力学及工艺性能试验方法进行；冲击试验按照GB 2016-80金属夏比V型缺口冲击试验方法进行；采用MIG焊方法对6mm规格316L不锈钢复合板进行焊接试验，焊丝直径

焊丝牌号309LMo，焊材化学成分为：C：0.018％、Si：0.62％、Mn：0.66％、P：0.024％、S：0.002％、Cr：22.20％、Ni：12.20％、Mo：2.37％、N：0.07％。焊缝点腐蚀性能按照GB/T 17899-1999不锈钢点蚀电位测量方法进行，晶间腐蚀性能按照GB/T 4334-2008金属和合金的腐蚀-不锈钢晶间腐蚀试验方法中的E法进行。具体测试结果参见表2。

图1为实施例1复合板的横截面显微组织照片，观察图1中基板与复板结合界面的微观组织，可以发现基板、复板的奥氏体晶粒相互融合再结晶长为一体，这表明基板与复板在结合界面处存在原子间相互扩散，即复合板是完全通过冶金结合的方式复合的。

测完各项性能后，对实施例2的原始基板、复板进行冷加工，利用铁素体仪测量钢板不同冷加工变形后的磁性含量，以表征形变马氏体量(体积分数)的变化，结果见图2。

由图2可知，实施例1的基板成分中M_d30/50(α')≤20℃、复板成分中M_d30/50(α')≤20℃，经过变形量≤20％的室温冷加工后，都没有磁性产生，这充分说明该基板和复板复合得到的复合板在变形量≤20％的室温冷加工后，更不会有形变马氏体产生，冷加工形变组织更加稳定，仍然保持无磁性，具有更加优良的冷加工性能。对比例1基板不锈钢的M_d30/50(α')在45℃左右，10％的冷加工变形下就产生了形变马氏体即就会有磁性。

由表2可知，本发明提供的经济型高强高塑性不锈钢复合板，其室温抗拉强度≥650MPa，延伸率≥50％，-196℃下冲击功≥27J，基板与复板焊缝的点腐蚀电位≥0.34V，具有高强和高塑性，并且低温冲击韧性和耐腐蚀性优良，并具有较好的冷加工及焊接使用性能，可在众多领域取代纯316L奥氏体不锈钢的使用。

Claims

1.一种高强高塑性不锈钢复合板，包括基板与复板，基板单面或两面整体连续地包覆

着复板，其特征在于，

所述基板的化学成分质量百分比为：C：0 .03～0 .10％、Si ：0 .2～1 .0％、Mn ：6 .0～

8 .5％、Cr：16 .0～18 .0％、Ni：1 .5～3 .0％、Mo：0 .1～0 .5％、Cu：1 .5～3 .0％、N：0 .10～

0 .25％、P：0 .005～0 .40％、S：0 .001～0 .01％，其余为Fe及不可避免的杂质；且上述元素同时需满足如下关系：-40.6℃≤Md30/50(α')≤18.1℃；

所述复板的化学成分质量百分比为：C≤0 .03％、Si≤0 .75％、Mn≤2 .0％、Cr：16 .0～

18 .0％、Ni：10 .0～14 .0％、Mo：2 .0～3 .0％、N≤0 .10％、P≤0 .045％、S≤0.030％，其余为Fe及不可避免的杂质；且上述元素同时需满足如下关系：6.4℃≤Md30/50(α')≤16℃；

Md30/50(α')＝580-520C％-2Si％-16Mn％-16Cr％-23Ni％-300N％-26Cu％-10Mo％；

所述复板总厚占复合板全厚的10～30％。

2.根据权利要求1所述的高强高塑性不锈钢复合板，其特征在于，所述基板的化学成分

中：C：0 .05～0 .08％、Mn：6 .5～8 .0％、Cr：16 .0～17 .0％、Ni：2 .0～2 .5％、Cu：2 .0～2 .5％、N：0 .14～0 .20％，以质量百分比计。

3.根据权利要求1或2中所述的高强高塑性不锈钢复合板，其特征在于，所述高强高塑性不锈钢复合板的室温抗拉强度≥650MPa，延伸率≥50％，-196℃下冲击功≥27J，变形量≤20％的室温冷加工过程中无磁性。

4.根据权利要求1或2中所述高强高塑性不锈钢复合板的制造方法，其包括如下步骤：将权利要求1或2所述基板与所述复板通过焊接方法制成单面或双面不锈钢复合坯；不锈钢复合坯经热轧、固溶、酸洗制成不锈钢复合板；其中，固溶过程中固溶温度为1050～1100℃。

5.根据权利要求4所述的高强高塑性不锈钢复合板的制造方法，其特征在于，所述不锈钢复合板通过冷轧工序制成不锈钢冷轧卷板。

6.根据权利要求4所述的高强高塑性不锈钢复合板的制造方法，其特征在于，所述复板总厚占复合板全厚的10～30％。

7.根据权利要求4所述的高强高塑性不锈钢复合板的制造方法，其特征在于，所述高强高塑性不锈钢复合板的室温抗拉强度≥650MPa，延伸率≥50％，-196℃下冲击功≥27J，变形量≤20％的室温冷加工过程中无磁性。