本發明屬于鋼鐵冶煉領域，涉及了一種鑄造用高性能無氣孔缺陷的高氮奧氏體不銹鋼及其常壓冶煉方法。

背景技術：

隨著海洋和石油行業的不斷發展，不銹鋼和耐蝕鋼的需求量不斷增加，尤其是奧氏體不銹鋼。但是，由于國際市場鎳資源的限制，鎳的價格顯著推升高鎳不銹鋼的價格。因此，世界各國大力研發用氮元素代替含鎳元素，氮或者錳-氮聯合加入不銹鋼中擴大奧氏體相區獲得奧氏體不銹鋼。

目前世界各國在常壓冶煉的高氮鋼中氮含量很難超過0.5wt%，現階段有兩種常用方法獲得超過0.5wt%含量高氮奧氏體不銹鋼：一種是美國、奧地利和保加利亞等國家采用高壓（4~20mpa）冶煉的方式獲得高氮奧氏體不銹鋼；另一種是以氮化鉻、氮化錳等化合物方式存在高氮鋼中，通過固體加熱擴散的方式使元素擴散到高氮合金中獲得高氮奧氏體不銹鋼。

已有技術（申請號：200810050792.8）提供了在常壓下冶煉氮含量達0.8~1.2wt%的高氮鋼鑄坯的方法，其方法是將待澆注的微碳cr-mn基礎鋼液在澆注前或澆注時快速加入高氮合金，快速攪拌后澆注成鋼坯，然后再進行熱變形加工和固溶處理，可獲得氮含量0.6~1.2wt%的單相奧氏體不銹鋼。然而，此種方法在實際操作過程中極難控制，若不進行快速澆注，高氮合金會分解為氮氣，在鋼液表面大量溢出，導致氮含量降低；同時澆注鋼件后，過飽和氮的析出和氮氣溢出會在鋼坯內部形成明顯的氮氣孔洞，這種結構是不能作鑄件直接使用的，致使高氮不銹鋼鑄造產品不能普及應用。

技術實現要素：

本發明的目的是通過合金調制方法，并結合冶煉工藝，解決常壓（101.1kpa）冶煉制造高氮奧氏體不銹鋼鑄件時存在的氣孔缺陷這一技術難題。

為解決上述技術問題，本發明通過大量實驗研究發現，當合金中元素含量cr為20~22wt%，mn含量超過19.5wt%時，鋼的鑄件不會出現氮氣孔，但是由于錳含量的增加，高氮奧氏體不銹鋼冷卻鑄件嚴重的鑄造內應力會導致鑄件開裂，不能投入工業制造和應用，因此本發明通過進一步的研究工作發現，通過向鋼中加入一些改性的合金元素，改變該合金的物理性能和成形性能，使其能夠滿足使用性能要求，其中，所述的改性合金元素為mo、nb、n、ni、v、cu、ti，這樣既解決了原常壓冶煉下獲得的高氮鋼鑄件中氮大于0.65wt%時出現氮氣溢出的現象，又解決了當mn超過19.5wt%時存在的嚴重的鑄造內應力導致鑄件開裂的問題。

本發明最終通過大量實驗確定了組分及配比最為合理，成本最為低廉、且力學性能好，能夠滿足使用要求的高性能無氣孔缺陷的高氮奧氏體不銹鋼，該高氮奧氏體不銹鋼按重量百分比（wt%）計含有：cr20~22、mn19.5~24、mo1~3、nb0~1、n0.65~1.3、ni2~5、v0~1、cu0~5、ti0~2.5、c≤0.035、p≤0.02、s≤0.02、余量為鐵。

本發明的另一目的是提供一種冶煉上述高性能無氣孔缺陷的高氮奧氏體不銹鋼的冶煉方法，保證制得的高氮奧氏體不銹鋼內無氣孔缺陷，其冶煉方法具體包括：

（1）向中頻感應爐中加入純鐵或純鐵和鉻鐵后提升中頻感應爐輸出功率，加熱升溫，待其熔化后，控制中頻感應爐輸出功率，測試溫度，鋼液溫度范圍控制在1550~1700℃之間；

（2）待純鐵或純鐵和鉻鐵熔化后，加入鉬鐵、鈮鐵和鎳等改性合金元素；提升中頻感應爐輸出功率，待改性合金熔化后，測試溫度并控制中頻爐輸出功率，鋼液的溫度范圍控制在1650~1700℃，保持這個溫度范圍，使用中頻感應爐具的電磁攪拌功能進行攪拌，攪拌時間3~5min，使改性合金完全熔化后和鋼液充分混合；

（3）當改性合金完全熔化混合后，向鋼液中加入溶氮合金錳鐵，控制中頻感應爐輸出功率，待錳鐵合金熔化后，控制中頻感應爐輸出功率，測試溫度，鋼液的溫度控制范圍在1400~1500℃，攪拌時間5~10min；

（4）在溶氮合金完全熔化后，向中頻感應爐中加入高氮鉻鐵合金塊（合金塊的最大尺寸不宜超過50mm），加入的高氮鉻鐵合金分多次或者緩慢均勻的加入到鋼液中，同時也要使高氮合金在鋼液中分布均勻；

（5）待高氮合金完全熔化后，控制中頻感應爐輸出功率，溫度控制在1450~1600℃，攪拌10-30min，使鋼液充分的混合均勻；

（6）加入集渣劑，扒渣3-8次；

（7）澆注，先將冶煉好的鋼液導入烘烤好澆包（澆包烘烤溫度700~1000℃），再使用澆包進行澆注，澆口壓頭高度水平高出冒口水平高度200-300mm，澆注鋼液溫度1530~1580℃，澆注速度3~10kg/s進行澆注；

（8）將澆注好的鋼件移出澆注車間，冷卻到室溫即可。

本發明所述的中頻感應爐也可以使用其它加熱升溫熔煉設備；同時，攪拌過程可以使用電磁攪拌、攪拌棒或者底吹氣體的攪拌辦法或者使用其中的兩者或者兩者以上方法對鋼液進行攪拌，同樣可以達到該冶煉效果。

本發明步驟（1）、步驟（2）、步驟（3）向加熱升溫熔煉設備中加入合金時，可以每次只加入一種冶煉合金進行分步冶煉，也可以全部加入到加熱升溫熔煉設備中升溫到1650~1700℃后，攪拌3~10min，進行一次冶煉。

本發明采用上述冶煉方法制得n元素含量1.1~1.3wt%時，制得的產品經xrd衍射分析樣品組織為奧氏體和氮化物時，可再進行1100~1150℃熱處理，熱處理時間4~8h，冷卻方式水冷，即成為單相奧氏體組織合金。

附圖說明

圖1是實施例1澆注得到的鑄錠經過無齒鋸切割后截面圖。

圖2是對比例1澆注得到的鑄錠經過無齒鋸切割后截面圖。

圖3是對比例2澆注得到的鑄錠經過無齒鋸切割后截面圖。

圖4是對比例3澆注得到的鑄錠經過無齒鋸切割后截面圖。

圖5是對比例4澆注得到的鑄錠經過無齒鋸切割后截面圖。

圖6是實施例1澆注得到的高氮奧氏體不銹鋼鑄錠為奧氏體和氮化物混合相xrd衍射圖像。

圖7是實施例3澆注得到的高氮奧氏體不銹鋼鑄棒取樣檢測得到的單相奧氏體xrd衍射圖像。

圖8是實施例3和對比例4進行30min熔煉，n元素含量隨時間對比折線圖。

具體實施方式

實施例1

1、目標成分（wt%）：cr21、mn24、mo2.5、nb0.15、n1.25、ni2.5、余fe。實際熔煉總重量200.9kg，使用中頻感應爐融化純鐵63kg，加熱升溫，待其熔化后，控制中頻感應爐輸入功率，測試溫度為1570℃。

2、加入鉬鐵(femo60-a)8.3kg、鎳（ni）5.1kg、鈮鐵（fenb60-a）0.5kg，加熱升溫，鉬鐵、鎳和鈮鐵完全融化后，調整中頻感應爐輸入功率后，測試溫度為1677℃，電磁攪拌3min；

3、加入錳鐵（jcmn97-a）54kg，待錳鐵融化后，調整中頻感應爐輸入功率，測試溫度為1463℃，電磁攪拌8min；

4、將70kg（fencr3-a）氮化鉻鐵合金分三次（第一次加入30kg、第二次加入20kg、第三次加入20kg）加入到中頻感應爐中，待氮化鉻鐵完全融化后，調整中頻感應爐輸入功率，測試溫度為1512℃，進行混合攪拌；攪拌時間10min；

5、加入集渣劑，扒渣5次；

6、提升中頻感應爐輸入功率，測試鋼液溫度為1558℃，將熔煉出的高氮合金鋼液澆入到事先烘烤到900℃的澆包；

7、將澆包中的鋼液（測試溫度為1542℃）澆注到150×150mm長1200mm方形組合鋼錠模具中，澆口壓頭高出冒口200-300mm高度，澆注速度3~10kg/s。

8、將澆注好的鋼件移出澆注車間，冷卻到室溫。

9、打開組合模具，切割、取樣、加工成試驗樣品進行測試。

樣品檢測：

（1）無齒鋸切割，觀察截面，在截面上沒有缺陷（如圖1所示）；磁性測試鑄件沒有磁性，x射線衍射分析進行組織分析，如圖6所示，顯示實施例1冶煉得到的高氮鋼為奧氏體和氮化物混合組織。

（2）成分檢測（wt%）：cr21.83、mn23.56、mo2.72、nb0.167、n1.222、ni2.69、c0.028、p≤0.02、s≤0.02、余量為鐵。

性能測試：

按照gb/t228.1-2010方法進行測試；其抗拉強度rm=720mpa；屈服強度r0.2=520mpa；延伸率a10=43%，硬度22~24hrc，符合使用要求。

實施例2

目標成分（wt%）：cr21、mn22、mo2.5、nb0.15、n1.0、ni2.5、v0.25、cu3.5、ti0.5、余fe。熔煉總重量140kg，參照實施例1的方法熔煉，區別在于在步驟（2）中將鈦鐵（feti30-a）、釩鐵（fev60）、銅（cu）與鉬鐵、鎳、鈮鐵一起加入中頻感應爐加熱融化；1558℃出爐，重力澆鑄成150×150mm長1200mm方形鋼錠。

樣品檢測：

（1）無齒鋸切割加工時，硬度增加加工困難，切割后沒有開裂且表面沒有孔洞缺陷。

（2）成分檢測（wt%）：cr21.28、mn22.62、mo2.51、nb0.154、n0.9644、ni2.53、v0.262、cu3.47、ti0.49、c0.031、p≤0.02、s≤0.02、余量為鐵。

性能測試：

按照gb/t228.1-2010方法進行測試；其抗拉強度rm=583mpa；屈服強度r0.2=518mpa；延伸率a10=11%，硬度28~30hrc，符合使用要求。

實施例3

1、目標成分（wt%）：cr21、mn21.5、mo2.5、nb0.15、n1.00、ni2.5、余fe。實際熔煉總重量500.6kg。使用中頻感應爐熔化純鐵167.3kg、鉻鐵36kg，加熱升溫，待其熔化后，控制中頻感應爐輸入功率，測試鋼液的溫度為1612℃。

2、加入鉬鐵20.7kg、鈮鐵1.2kg和鎳12.5kg加熱升溫，鉬鐵、鈮鐵和鎳完全融化后，調整中頻感應爐輸入功率后，測試鋼液的溫度為1681℃，電磁攪拌3min。

3、加入錳鐵124kg，待錳鐵融化后，調整中頻感應爐輸入功率，測試溫度為1480℃，電磁攪拌時間10min。

4、將138.9氮化鉻鐵合金分四次（第一次加入50kg、第二次加入40kg、第三次加入30kg、第四次加入18.9kg）加入到中頻感應爐中。待氮化鉻鐵完全融化后，調整中頻感應爐輸入功率，測試溫度1498℃，進行混合攪拌；攪拌時間30min。每間隔5min取樣一次，檢測n含量，檢測結果見圖6。

5、加入集渣劑，扒渣8次。

6、提升中頻感應爐輸入功率，測試鋼液溫度1563℃，將熔煉出的高氮合金鋼液澆入到事先烘烤到900℃的澆包。

7、將熔煉出的高氮合金鋼液澆（測試溫度1548℃）注到準備好的φ180mm

長2500mm圓形內腔組合鋼錠模具中，澆口壓頭高出冒口200-300mm高度，澆注速度3~10kg/s。

8、將澆注好的鋼件移出澆注車間，冷卻到室溫。

9、打開組合模具，切割、取樣、加工成試驗樣品進行測試。

樣品檢測：

（1）無齒鋸切割觀察，切割面沒有氣孔缺陷，磁性測試鑄件沒有磁性，x射線衍射分析進行組織分析，如圖7所示，證明冶煉得到高氮鋼為單相奧氏體組織。同時，從圖8可知，本實施例（cr21mn21.5n1.00）n含量熔煉隨時間增加n含量沒有降低。

（2）成分檢測（wt%）：cr21.18、mn21.49、mo2.53、nb0.153、n0.9851、ni2.25、c0.024、p≤0.02、s≤0.02、余量為鐵。

性能測試：

按照gb/t228.1-2010方法進行測試；其抗拉強度rm=745mpa；屈服強度r0.2=500mpa；延伸率a10=50%，硬度22~26hrc，符合使用要求。

實施例4

目標成分（wt%）：cr21、mn19.5、mo2.5、nb0.15、n1.0、ni2.5、v0.25、cu3.5、ti0.5、余fe。熔煉總重量140kg，參照實施例2的方法熔煉；1558℃出爐，重力澆鑄成150×150mm長1200mm方形鋼錠。

樣品檢測：

（1）無齒鋸切割加工時，切割后沒有開裂且表面沒有孔洞缺陷。

（2）成分檢測（wt%）：cr21.10、mn19.66、mo2.58、nb0.152、n1.092、ni2.55、v0.259、cu3.42、ti0.536、c≤0.035、p≤0.02、s≤0.02、余量為鐵。

性能測試：

按照gb/t228.1-2010方法進行測試；其抗拉強度rm=590mpa；屈服強度r0.2=532mpa；延伸率a10=14%，硬度27~29hrc，符合使用要求。

對比例1

目標成分（wt%）：cr21、mn18、mo2.5、nb0.15、n0.85、余fe。熔煉總重量140kg，使用已有技術（申請號：200810050792.8）熔煉，嚴格控制熔煉溫度和熔煉時間，1550℃出爐，重力澆鑄成150×150mm長1200mm方形鋼錠，無齒鋸切割，觀察截面如圖2所示，在鑄錠心部有孔洞。成分檢測（wt%）：cr21.26、mn18.57、mo2.61、nb0.162、n0.8572。

對比例2

目標成分（wt%）：cr21、mn19.5、mo2.5、nb0.15、n1.25、ni1.5、余fe。熔煉總重量140kg，參照實施例1的方法熔煉，1547℃出爐，重力澆鑄成150×150mm長1200mm方形鋼錠，無齒鋸切割，切割時有開裂響聲，觀察截面如圖3所示，在鑄錠內部沒有孔洞，有裂紋。熔煉后，成分檢測（wt%）：cr21.26、mn19.69、mo2.47、nb0.157、n1.21、ni1.52、p≤0.02、s≤0.02。

對比例3

目標成分（wt%）：cr21、mn24、mo2.5、nb0.15、n1.25、余fe。熔煉總重量140kg，使用實施例1的方法熔煉，1558℃出爐，重力澆鑄成150×150mm長1200mm方形鋼錠，無齒鋸切割，切割時有開裂響聲，觀察截面如圖4所示，在鑄錠內部沒有孔洞，有裂紋。熔煉后，成分檢測（wt%）：cr21.22、mn23.86、mo2.55、nb0.160、n1.22。

對比例4

目標成分（wt%）：cr21、mn19、mo2.5、nb0.15、n1.25、ni2.5、余fe。熔煉總重量140kg，參照實施例1的方法熔煉，1547℃出爐，重力澆鑄成150×150mm長1200mm方形鋼錠，無齒鋸切割，切割時在鑄錠內部有氣孔缺陷，觀察截面如圖5所示，無開裂。成分檢測（wt%）：cr21.02、mn19.20、mo2.51、nb0.153、n0.842、ni2.52。

對比例5

目標成分（wt%）：cr21、mn18、mo2.5、nb0.15、n0.85、余fe。熔煉總重量100kg，參照實施例3方法熔煉，攪拌30min，每間隔5min取樣一個，檢測n含量，檢測結果見圖8。從圖8可發現，隨著熔煉保溫時間的增加，n元素含量降低，保溫時間超過10min時，氮含量接近0.5wt%，保溫時間繼續增加氮含量沒有明顯變化，此合金成分氮含量接近平衡溶解度。熔煉后，成分檢測（wt%）：cr21.02、mn18.12、mo2.51、nb0.148、n0.47、p≤0.02、s≤0.02。