一种超纯316L(N)奥氏体不锈钢及其制备方法与流程

本发明涉及冶金，尤其涉及一种超纯316l(n)奥氏体不锈钢及其制备方法。

背景技术：

1、超纯316l(n)奥氏体不锈钢(指超纯316l奥氏体不锈钢和超纯316ln奥氏体不锈钢)具有优异的耐腐蚀性能、电解抛光性能、低温韧性和抗中子辐照能力，是用于半导体装备(如高纯度气体输送管道、接头等)和核电装备(如主管道、磁体支撑板、螺栓等)等领域部件的关键材料之一。随着半导体工艺和核电技术的不断进步，对这种钢的纯净度提出了更高的要求：超低o、s和h，低al、低p、低c，夹杂物细小弥散和无害化等。所有这些要求旨在确保材料具有良好的耐腐蚀性能、抛光性能、低温韧性和抗中子辐照能力。然而，在这些严格要求下，寻找合适的脱氧、脱硫和夹杂物改性方法成为了挑战。

2、在传统冶炼过程中，al常被用作为脱氧剂。但对于超纯316l(n)奥氏体不锈钢来说，要求al含量越低越好，并且al脱氧会生成大尺寸硬质al2o3夹杂物，因此，al脱氧对于超纯316l(n)奥氏体不锈钢是不适用的。mg和ca处理常被用于提高钢液纯净度，它们不仅可以有效脱o和脱s，还可以明显减少夹杂物的数量和尺寸，从而显著提高钢的纯净度。这主要归因于mg和ca在钢液中具有很高的活性，易与o、s杂质元素结合，并且能将有害的大尺寸al2o3夹杂物变性成细小弥散的mgo-al2o3和液态铝酸钙，促进夹杂物的上浮和去除。由于超纯316l(n)奥氏体不锈钢要求具有很低的杂质元素含量，单独的mg处理或ca处理很难同时将o、s含量控制到很低的水平。并且，过量的mg、ca会导致钢中生成大尺寸夹杂物，从而恶化钢的性能。此外，mg和ca的蒸汽压很高，在炼钢温度下，mg和ca的反应非常激烈，在冶炼过程中难以精确控制。

3、因此，急需探索一种超纯316l(n)奥氏体不锈钢的深脱氧、深脱硫和夹杂物有效改性的技术方案，进而满足半导体装备和核电等领域对超纯奥氏体不锈钢材料的迫切需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种超纯316l(n)奥氏体不锈钢及其制备方法，采用本发明的方法能够实现深脱氧、深脱硫和夹杂物高效改性，制备出了超高纯净度、组织和性能良好的316l(n)奥氏体不锈钢，满足了半导体装备等领域对超高纯净度奥氏体不锈钢材料的迫切需求。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种超纯316l(n)奥氏体不锈钢，以质量百分含量计，包括以下元素：

4、

5、其余为fe；

6、所述超纯316l(n)奥氏体不锈钢的粗系类夹杂物为0级，细系a+b+c+d类夹杂物≤0.5级；

7、当n≤0.01％时，为超纯316l奥氏体不锈钢；

8、当n为0.10％～0.16％时，为超纯316ln奥氏体不锈钢。

9、优选的，当为超纯316l奥氏体不锈钢时，在室温条件下的力学性能为：屈服强度≥245mpa，抗拉强度≥550mpa，伸长率≥70％；

10、当为超纯316ln奥氏体不锈钢时，在室温条件下的力学性能为：屈服强度≥330mpa，抗拉强度≥650mpa，伸长率≥60％。

11、优选的，α铁素体的体积含量为0，δ铁素体的体积含量≤0.1％。

12、优选的，当为超纯316l奥氏体不锈钢时，经热轧退火后，晶粒尺寸为20～35μm；当为超纯316ln奥氏体不锈钢时，经热轧退火后，晶粒尺寸为20～30μm。

13、本发明提供了上述方案所述超纯316l(n)奥氏体不锈钢的制备方法，包括以下步骤：

14、(1)根据目标成分进行配料，将制备原料进行真空感应熔炼，得到钢液；以质量百分含量计，所述制备原料带入的总al≤0.030％，总o≤0.025％，总s≤0.004％，总p≤0.003％；所述真空感应熔炼所用坩埚的材质为mgo、cao或mgo-cao混合材质；

15、(2)向所述钢液中加入feo，进行精炼脱al，所述精炼脱al的时间为2～3min；

16、当钢液初始o含量>0.009％且≤0.025％时，所述feo的加入量根据式1确定：w[％feo]＝4×(w[％al]-0.01％)-4.5×(w[％o]-0.009％)式1；若根据式1计算得到w[％feo]≤0，则不需要向钢液中添加feo；

17、当钢液初始o含量≤0.009％时，所述feo的加入量根据式2确定：

18、w[％feo]＝4×(w[％al]-0.01％)+4.5(0.009％-w[％o])式2；

19、式1～2中：w[％feo]为feo加入量，w[％al]为钢液中初始al含量，w[％o]为钢液中初始o含量；

20、(3)向脱al后的钢液中加入高纯c，进行真空c脱氧预处理，将钢液o含量控制在0.005％～0.006％；

21、所述高纯c的加入量根据式3确定：

22、w[％c]＝0.7×(w[％o]-0.005％)式3；

23、式3中：w[％c]为高纯c加入量，w[％o]为钢液中初始o含量；

24、所述真空c脱氧预处理的时间根据式4确定：

25、

26、式4中：t为真空c脱氧预处理时间，s；f为钢液自由表面积，m2；v为钢液体积，m3；w[％o]c为经真空c脱氧预处理后钢中o含量，％；

27、(4)当制备超纯316l奥氏体不锈钢时，待真空c脱氧预处理结束后，向真空感应熔炼炉中充入高纯氩气；

28、当制备超纯316ln奥氏体不锈钢时，待真空c脱氧预处理结束后，向真空感应熔炼炉中充入高纯氮气，控制钢液温度在1480～1500℃，进行气相渗氮，所述气相渗氮的时间为12～15min；所述充入高纯氮气的压力根据式5确定：

29、

30、式5中：w[％x]为超纯316ln奥氏体不锈钢各目标成分的质量百分比，x代表c、si、cr、ni、mo、mn，w[％n]g为气相渗氮的理论氮含量，pn2为氮气压力，pθ为标准大气压，t为钢液温度；

31、其中，气相渗氮的理论氮含量w[％n]g与钢中目标氮含量w[％n]遵从式6：w[％n]g＝(1.19～1.25)×w[％n]  式6；

32、(5)将钢液温度控制在1460～1480℃，加入mg合金进行脱氧脱硫，所述脱氧脱硫的时间为2～3min；

33、通过mg合金向钢液中加入mg的量根据式7或式8确定：

34、当钢液初始s含量>0.003％且≤0.004％时，根据式7确定：

35、w[％mg]＝1.5×(w[％o]c-0.002％)/15％+0.75×(w[％s]-0.003％)/15％  式7；

36、当钢液初始s含量≤0.003％时，根据式8确定：

37、w[％mg]＝1.5×(w[％o]c-0.002％)/15％  式8；

38、式7～8中：w[％mg]为通过mg合金向钢液中加入mg的量，w[％o]c为经真空c脱氧预处理后钢液中o含量，w[％s]为钢液初始s含量；

39、(6)向脱氧脱硫后的钢液中加入ca合金进行深脱氧脱硫，所述深脱氧脱硫的时间为2～3min；

40、通过ca合金向钢液中加入ca的量根据式9或式10确定：

41、当钢液初始s含量>0.003％且≤0.004％时，根据式9确定：

42、w[％ca]＝(6.25×w[％o]c-0.625×w[％mg]+1.25×w[％s]-0.004％)/5％  式9；

43、当钢液初始s含量≤0.003％时，根据式10确定：

44、w[％ca]＝(3.75×w[％o]c-0.375×w[％mg]+1.25×w[％s]-0.003％)/5％  式10；

45、式9～10中：w[％ca]为通过ca合金向钢液中加入ca的量，w[％o]c为经真空c脱氧预处理后钢液中o含量，w[％s]为钢液初始s含量，w[％mg]为通过mg合金向钢液中加入mg的量；

46、(7)将经过深脱氧脱硫后的钢液温度控制在1500～1550℃，经镇静处理后，进行浇铸，得到铸锭；

47、(8)将所述铸锭锻造成电极，控制填充比为0.5～0.7；

48、(9)将所述电极进行保护气氛电渣重熔，当制备超纯316l奥氏体不锈钢时，所述保护气氛为高纯氩气；当制备超纯316ln奥氏体不锈钢时，所述保护气氛为高纯氩气和氮气的混合气；熔炼速度为(0.008～0.011)×dkg·min-1，d为结晶器直径(mm)；

49、(10)在熔炼封顶期进行多级降电流补缩，得到所述超纯316l(n)奥氏体不锈钢。

50、优选的，步骤(3)中，所述真空c脱氧预处理的真空度≤10pa。

51、优选的，步骤(5)中，所述mg合金为ni-mg合金或fe-mg合金，且所述mg合金中mg的质量含量为10％～30％。

52、优选的，步骤(6)中，所述ca合金为si-ca合金、硅钙包芯线或ni-ca合金，且所述ca合金中ca的质量含量为20％～40％。

53、优选的，步骤(9)中，以质量百分含量计，所述电渣重熔所用渣料包括caf2：64.0％～78.0％，cao：14.0％～20.0％，sio2：3.0％～5.0％，mgo：2.0％～4.0％，mgf2：1.0％～2.5％，k2o：2.0％～4.0％，所有组元质量百分比之和为100％。

54、优选的，步骤(10)中，所述多级降电流补缩的时间为60～80min，补缩周期为5～7次。

55、本发明的技术原理如下：

56、超纯316l(n)奥氏体不锈钢被广泛用于半导体行业及核电装备等领域，由于其要求具有很低的o、s、al等杂质元素含量，采用传统的冶炼工艺无法满足这些要求，本发明提出了真空感应熔炼(vim)+保护气氛电渣重熔(iesr)双联冶炼工艺。

57、在真空感应熔炼阶段，基于超纯316l(n)奥氏体不锈钢的成分要求，无法采用传统的al脱氧方法，并且原料中al含量过高时，需要向炉内加入一定量的feo进行控al，并采用镁质或钙质坩埚对脱al产物进行吸附。mg、ca元素也常被用于净化钢液，mg和ca处理不仅能有效脱o和脱s，还可以明显减少夹杂物的数量和尺寸，从而显著提高钢的纯净度。在钢液初始o含量较高的情况下，直接采用mg、ca处理进行脱o和脱s会导致mg、ca大量烧损，效果不佳，且不符合经济性原则。因此，在加入mg、ca处理前对钢液进行预脱o处理很有必要。本发明采用真空c脱氧的方式对钢液进行脱o预处理，真空c脱氧有以下优点：(1)脱氧产物为co，不污染钢液；(2)脱氧产物co上浮过程搅动钢液，改善动力学条件。结合超纯316l(n)奥氏体不锈钢的成分要求(w[c]≤0.02％)，需精确控制c的添加量。经真空c脱氧预处理后，可显著提高mg、ca的活度，从而发挥更强的脱o和脱s效果。同时，mg、ca与o、s热力学亲和力存在差异，单独的mg处理或ca处理很难将o、s含量同时控制到很低的水平。在超纯316l(n)奥氏体不锈钢体系中，mg更适用于脱o处理，而ca展现更强的脱s能力。因此，本发明在真空c脱氧预处理结束后，采用了先mg后ca处理的策略。mg处理在进一步降低钢液o含量的同时，也提升了ca的活度，从而增强了ca处理深脱o和深脱s的效果。

58、保护气氛电渣重熔(iesr)具有显著去除夹杂物和改善凝固组织的作用。真空感应熔炼的铸锭经保护气氛电渣重熔后，不仅可以控制其杂质元素成分(o、s)，还显著去除了夹杂物。此外，保护气氛电渣重熔属于快速凝固手段，因此可明显改善钢的均匀性，并且有利于获得均匀细小的凝固组织。

59、基于上述技术原理，本发明提供了vim+iesr双联冶炼工艺。其中，vim采用“先加feo控铝、再经真空碳脱氧预处理、最后mg+ca复合脱氧脱硫”的超纯净联合控制工艺，iesr进一步除杂及净化，能实现316l(n)奥氏体不锈钢控铝及深脱o、深脱s和夹杂物有效改性处理，从而满足半导体装备和核电等领域对超纯度不锈钢材料的迫切需求。

60、本发明的有益效果包括：

61、本发明提供了一种利用真空感应熔炼(vim)+保护气氛电渣重熔(iesr)双联冶炼工艺制备超纯316l(n)奥氏体不锈钢的方法，制备出的316l(n)不锈钢具有超高的纯净度：o≤0.001％，s≤0.0015％，al≤0.01％，夹杂物有效改性和无害化，粗系类夹杂物为0级，细系a+b+c+d类夹杂物≤0.5级。

62、利用本发明提供的方法制备的超纯316l奥氏体不锈钢，经热轧退火后，晶粒尺寸为25～35μm，制备的超纯316ln奥氏体不锈钢经热轧退火后晶粒尺寸为20～30μm，超纯316l(n)奥氏体不锈钢中α铁素体含量为0，δ铁素体含量≤0.1％。

63、利用本发明提供的方法制备的超纯316l奥氏体不锈钢的屈服强度≥245mpa，抗拉强度≥550mpa，伸长率≥70％；超纯316ln奥氏体不锈钢的屈服强度≥330mpa，抗拉强度≥650mpa，伸长率≥60％。

64、利用本发明提供的方法制备的超纯316l(n)奥氏体不锈钢，能满足半导体装备和核电等领域对关键不锈钢材料超纯的要求，进而可以应用于半导体装备(如高纯度气体输送管道、接头等)和核电装备(如主管道、磁体支撑板、螺栓等)等关键部件。