耐熱奧氏體系不鏽鋼鋼板的製作方法

2023-09-16 08:34:45

耐熱奧氏體系不鏽鋼鋼板的製作方法
【專利摘要】本發明以便宜的成分體系提供高溫強度和蠕變特性優異的奧氏體系不鏽鋼鋼板。本發明的耐熱奧氏體系不鏽鋼鋼板的特徵在於，其按質量％計含有C：0.03％～0.06％、N：0.1％～0.3％、Si：1％以下、Mn：3％以下、P：0.04％以下、S：0.03％以下、Ni：5～12％、Cr：15～20％、Al：0.01％～0.1％、Nb：0.05％～0.3％、V：0.05％～0.30％和Ti：0.03％以下，並且(Nb+V)/(C+N)為2以下，而且剩餘部分由Fe和不可避免的雜質構成，鋼中的以碳氮化物為主體的析出物的量為1％以下。
【專利說明】耐熱奧氏體系不繡鋼鋼板

【技術領域】
[0001]本發明涉及在汽車用渦輪殼等暴露於高溫下的部位使用的耐熱奧氏體系不鏽鋼以及其製造方法。

【背景技術】
[0002]以往，由於在汽車用的渦輪殼等中使用的材料在達到800°C的高溫環境下需要極高的高溫強度，因此一直在使用不鏽鋼鑄鋼。然而，針對近年來降低成本的需求，提出了由鋼板來製造部件，其能夠比由鑄鋼通過切削加工來製造部件更廉價地製造，並且其開發正在進行。作為在高溫環境下使用的不鏽鋼鋼板，使用了以SUS310S為代表的奧氏體系不鏽鋼。然而，近年來，高溫強度、抗氧化性等對使用材料的要求性能變嚴，SUS310S變得不能充分應對。
[0003]對渦輪相關材料要求的特性為高溫強度和蠕變特性。就蠕變特性而言，與壽命相t匕，某一定時間後的變形的大小更為重要。另外，由於加工是必須，因此還要求一定程度的加工性。
[0004]專利文獻I所公開的發明通過添加P來謀求提高蠕變強度。然而，添加P存在使得焊接性及蠕變延展性降低的問題。另外，還存在使得耐蝕性降低的顧慮。專利文獻2所公開的發明通過除了添加P以外還添加REM、特別是Nd，提高蠕變延展性及焊接性。然而，添加REM會導致成本上升。
[0005]專利文獻3和4公開了耐熱性優異的奧氏體系不鏽鋼。這裡，公開了對各成分元素進行相互調整而耐熱性優異、特別是焊接部的耐脆化裂紋性優異的鋼。然而，此時的蠕變特性僅是在650°C以下進行評價，沒有在800°C下進行評價。
[0006]現有技術文獻
[0007]專利文獻
[0008]專利文獻1:日本特開昭62-243742號公報
[0009]專利文獻2:W02006/106944號公報
[0010]專利文獻3:W02009/044796號公報[0011 ] 專利文獻4:W02009/044802號公報


【發明內容】

[0012]發明所要解決的課題
[0013]本發明所要解決的課題在於:以便宜的成分體系來提高高溫強度和蠕變特性。
[0014] 用於解決課題的手段
[0015]本
【發明者】們為了開發能夠作為汽車渦輪用材料來使用的奧氏體系不鏽鋼，著眼於800°C下的高溫強度和蠕變特性而進行了研究。
[0016]對於改善奧氏體系不鏽鋼的高溫強度、特別是蠕變強度而言，碳化物的析出是有效的。M23C6、TiC、NbC等碳化物被用於提高蠕變強度。本
【發明者】們不僅著眼於碳化物，而且還著眼於氮化物，就它們對高溫強度、蠕變強度產生的影響進行了詳細研究。其結果是，發現通過積極地添加N和Nb、微量添加V、進而對Al和Ti的含量進行限制以及對製造方法進行設計，能夠提高高溫強度和蠕變強度。雖然其機理並未詳細解明，但獲得了下述的見解。
[0017].在高溫下使用產品時的Nb系的碳氮化物的微細析出對於提高蠕變特性是重要的。
[0018].Al、Ti系的氮化物的析出優選儘可能地降低。
[0019].當過量添加Nb時，Laves相(Fe2Nb)析出，不會提高螺變特性。
[0020].當微量添加V時，Nb系碳氮化物的粗大化得到抑制，對於提高蠕變特性是有效的。
[0021].當產品中殘存未固溶碳氮化物等的析出物時，它們成為析出的核生成位點，會妨礙Nb系碳氮化物的微細析出。
[0022].產品中的殘存析出物量會對蠕變特性產生影響，因此優選儘可能降低產品中的殘存析出物量。
[0023].殘存析出物量依賴於製造工藝，特別是熱軋的加熱溫度和最終退火溫度的影響大。
[0024]由以上見解，本
【發明者】們確定了 Nb、V、C、N、Al、Ti含量的最佳範圍，並且對製造工藝進行了優化，由此完成了高溫強度、蠕變特性優異的發明。
[0025]即，本發明的主旨如下所述。
[0026](I) 一種耐熱奧氏體系不鏽鋼鋼板，其特徵在於，其按質量％計含有C:0.03%~0.06%、N:0.1%~0.3%、S1:1% 以下、Mn:3% 以下、P:0.04% 以下、S:0.03% 以下、Ni:
5~12%、Cr:15 ~20%、A1:0.01%~0.l%、Nb:0.05%~0.3%、V:0.05%~0.30%和T1:0.03%以下，並且(Nb+V)/(C+N)為2以下，而且剩餘部分由Fe和不可避免的雜質構成，鋼中的以碳氮化物為主體的析出物的量為1%以下。
[0027](2)根據(I)所述的耐熱奧氏體系不鏽鋼鋼板，其特徵在於，其還含有Cu:1 %以下、Mo:3*%以下、W:3*%以下、Co:1*%以下和B:0.01%以下中的一種或兩種以上。
[0028](3) (I)或⑵所述的耐熱奧氏體系不鏽鋼鋼板的製造方法，其特徵在於，在由制鋼-熱軋-酸洗-冷軋-退火/酸洗各工序構成的鋼板的製造工序中，熱軋的加熱溫度為1200°C~1300°C，最終退火溫度為1100°C~1200°C。

【具體實施方式】
[0029]下面，對成分範圍的限定理由進行說明。成分含量都按質量％計。
[0030]C:0.03%~0.06%
[0031]C為對於確保高溫強度、蠕變強度有效的元素。當其添加量為0.03%以下時，無法發揮該效果。另外，即使添加0.1 %以上也僅僅會增加固溶狀態下的未固溶碳氮化物。
[0032]N:0.1%~0.3%
[0033]N對於本發明來說是重要的元素。通過添加N而形成微細的碳氮化物，提高高溫強度和蠕變強度。當小於0.1%時，該效果小。另外，當添加超過0.3%時，需要特別的設備，因此將其上限設定為0.3%。
[0034]S1:l% 以下
[0035]Si是不僅作為脫氧元素有用而且對於抗氧化性也有效的元素。然而，當過量地添加時，產生韌性、延展性的降低，因此將其上限設定為I %。
[0036]Mn:3% 以下
[0037]Mn與Si同樣地作為脫氧元素是有用的。另外，將鋼中不可避免地含有的S作為硫化物來固定，從而改善熱加工性。然而，當過量地添加時，機械特性會劣化，因此將其上限設定為3%。
[0038]P:0.04% 以下
[0039]P使得本發明鋼的蠕變強度提高，但是會使得蠕變延展性、焊接性降低。因此，將上限設定為0.04%。
[0040]S:0.03% 以下
[0041]S在鋼中作為不可避免的雜質含有，會使得熱加工性顯著降低。因此，將0.03%設定為上限。
[0042]N1:5 ~12%
[0043]Ni是作為奧氏體系不鏽鋼的必需元素，而且其是確保耐蝕性的重要元素。其適宜的量為5~12%。
[0044]Cr: 15 ~20%
[0045]Cr是作為奧氏體系不鏽鋼的必需元素，其是確保耐蝕性、抗氧化性的重要元素。然而，當Cr含量高時，機械特性劣化。因此，設定為15%~20%。
[0046] Al:0.01%~0.06%
[0047]Al作為脫氧元素是有用的，能夠以低成本脫氧，因此添加。其效果通過添加0.01%以上而展現出來。然而，由於Al會形成AlN而使得蠕變特性降低，因此在本發明中抑制其添加，優選為0.06%以下。更優選的範圍為0.03%~0.06%的範圍。
[0048]Nb:0.05% ~0.3%
[0049]在本發明中，Nb為必需元素。據認為其起到下述作用:通過與N同時添加，使得Nb系的碳氮化物微細地析出，並且抑制其生長速度；藉助上述效果來提高蠕變特性。上述效果通過添加0.05%以上而獲得。然而，添加超過0.3%不僅使得碳氮化物粗大化，而且會形成被稱為Laves相的Fe2Nb,因此使得蠕變特性降低，故不優選。
[0050]V:0.05%~0.15%
[0051 ] V對於本發明來說是必要的元素。其是提高高溫強度、蠕變強度的元素。此外，在本發明中，與Nb —起形成Nb-V系的碳氮化物，結果更加微細地析出，進一步提高蠕變特性。該效果可通過添加0.05%以上而獲得。然而，當超過0.30%過量地添加時，會由於形成VN而使得蠕變特性降低，故不優選。
[0052]T1:0.03% 以下
[0053]在本發明中，Ti為應當限制的元素。Ti易於與C、N、特別是N結合，形成粗大的碳氮化物，抑制微細的Nb系碳氮化物的形成，結果使得蠕變特性降低，因而不優選。當Ti為
0.03%以下時，幾乎能夠忽略上述弊端，因此將其設定為上限。
[0054]另外，就Nb、V、C、N而言，優選(Nb+V)/(C+N)按質量％計為2以下。這是因為，當超過2時，Nb、V變得過量，形成Laves相等，使得蠕變特性降低。另外，雖然對於下限沒有特別限定，但是過低時，C、N過量，有可能由於Cr系碳化物析出等而使得耐蝕性等降低，故優選為0.2以上。
[0055]Cu:l% 以下
[0056]Cu為在高溫下使用時會微細地析出而大大提高蠕變強度的元素，在本發明中以1%為上限來添加。當超過1%時，熱加工性和蠕變延展性降低以及常溫延展性均降低，因而不優選。在添加的情況下，通過添加0.1 %以上會顯著地展現其效果。
[0057]Mo:3% 以下
[0058]Mo為提高高溫強度、蠕變特性的元素，可以根據需要添加。然而，當過量地添加時，有損組織穩定性，故不優選，其添加量優選為3%以下。
[0059]W:3% 以下
[0060]W也與Mo同樣地為提高高溫強度、蠕變強度的元素，可以根據需要添加。然而，當過量地添加時，有損組織穩定性，故不優選，其添加量優選為3%以下。
[0061]Co:l% 以下
[0062]Co也與Mo、W同樣地為提高高溫強度、蠕變強度的元素，可以根據需要添加。然而，當過量地添加時，有損組織穩定性，故不優選，而且還昂貴，因此其添加優選I %以下。
[0063]B:0.01% 以下
[0064]B也是提高高溫強度、蠕變特性的元素。然而，過量的添加會使得常溫延展性降低，因此其添加設定為0.01%以下。優選為0.0003%~0.0050%。
[0065]除了上述這些合金元素的規定以外，本發明還規定了碳氮化物的析出量。這是基於對於下述現象的原因進行研究而得到的結果:就算合金量相同，蠕變特性有時也會根據製造條件的不同而不同。當對蠕變特性較差的鋼的蠕變試驗前後的組織進行觀察時，發現:在蠕變試驗前已經存在某種程度的粗大析出物，在試驗中，粗大的析出物成為核，生成新的析出物。即，產品中的析出物會妨礙高溫下的微細析出，據認為這是使得蠕變特性降低的原因。因此，減少產品中的析出量是重要的。
【發明者】們進行了各種試驗，發現:當產品中的析出量為1%以下時，不會對蠕變特性產生影響。因此，將析出物量的上限設定為1%。下限並沒有特別限定。
[0066]然而，由於碳氮化物會在較高溫下生成，因此難以完全地固溶，設定為小於0.01%會給製造設備帶來極大不便，因而析出量優選為0.01%以上。
[0067]接著，對製造方法進行說明。本發明的鋼板的製造方法由制鋼-熱軋-酸洗-冷軋-退火/酸洗各工序構成。制鋼時，優選對含有上述必需成分以及根據需要添加的成分的鋼進行轉爐熔煉並接著進行二次精煉的方法。依據公知的鑄造方法(連續鑄造)，將熔煉得到的鋼水形成板坯。板坯加熱至規定的溫度，以連續軋制熱軋至規定的板厚。
[0068]之後，對熱軋板實施退火，然後進行冷軋，進而進行最終退火、酸洗，形成產品。冷車U退火可以反覆進行多次。另外，也可以不進行最終退火、酸洗而進行光亮退火來形成產品。在該情況下，光亮退火的退火條件優選與最終退火為相同條件。
[0069]如上所述，碳氮化物的析出量在本發明中是重要的，優選減少產品中的析出量。然而，由於碳氮化物是在較高溫下生成的，因此難以使其完全固溶，並且對製造設備產生較大負荷。
[0070]因此，本
【發明者】們對碳氮化物的析出量和蠕變特性以及製造方法進行了詳細研究，從而發現了最佳製造條件。在該製造工序中，對於本發明來說重要的工序為熱軋和最終退火。通過組合這兩個工序的製造條件，產品的碳氮化物量會成為1%以下，可獲得優異的蠕變特性。首先，熱軋的加熱溫度設定為1200°c~1300°C。當小於1200°C時，未固溶的碳氮化物殘留較多，因此蠕變強度降低。另外，即使超過1300°C，蠕變特性也不會提高，加熱爐的壽命變短等弊害增多，故將1300°C設定為上限。
[0071]另外，將最終退火溫度設定為1100°C~1200°C。當小於1100°C時，至熱軋工序結束時，剩存的未固溶碳氮化物殘留較多，蠕變特性降低，故不優選。另外，當超過1200°C時，板斷裂等的危險性增大，故將上限設定為1200°C。
[0072]其他工序的製造方法沒有特別限定，熱軋條件、熱軋板厚等只要適當地選擇就行。另外，可以在冷軋/退火後通過調質軋制、張力平整進行矯正。
[0073]此外，就產品板厚而言，也只要根據要求的部件厚度進行選擇就行。
[0074]實施例1
[0075]對表1所示的成分組成的鋼進行熔煉並鑄造成板坯，將板坯進行熱軋並製成5mm厚的熱軋卷。此時的加熱溫度為1250°C。之後，以1100度的退火溫度對熱軋卷進行退火，然後進行酸洗，進而冷軋至2mm厚，實施退火/酸洗而製成產品板。最終退火溫度為1150°C，退火時間為120秒。
[0076]另外，就鋼N0.1，改變加熱溫度和最終退火條件來製作鋼板。這些鋼為IA鋼~IF鋼。除了變更了的條件以外與N0.1鋼相同。
[0077]從這樣操作而得到的產品板採取常溫拉伸試驗(JIS13B號)、高溫拉伸試驗片。接下來，將進行常溫拉伸試驗(以JIS Z 2241為基準)而得到的全拉伸率值作為加工性的指標。另外，作為高溫特性的指標，在800°C下實施拉伸試驗，測定0.2%屈服強度及抗拉強度(以JIS G 0567為基準)。進而，使用相同試驗片，進行蠕變應變試驗。將試驗溫度設定為800°C、試驗時間設定為300小時，施加各種負載，求出應變量，由它們求出形成1%應變量的負荷應力。該值越大，可以說蠕變特性越好。此外，從產品板求出抽取殘渣量，作為析出物量。另外，還進行了殘渣的X射線衍射試驗，確認殘渣為碳氮化物主體。
[0078]這些試驗結果也示於表1。
[0079]由表1可知，本發明鋼顯示優異的高溫強度和蠕變特性。另外，可知比較鋼的高溫強度、蠕變特性較差，而且還存在其他問題，是不優選的。
[0080]

【權利要求】
1.一種耐熱奧氏體系不鏽鋼鋼板，其特徵在於，其按質量％計含有C:0.03 %~0.06%、N:0.1%~0.3%、S1:1% 以下、Mn:3% 以下、P:0.04% 以下、S:0.03% 以下、Ni:5 ~12%、Cr:15 ~20%、A1:0.01%~0.l%、Nb:0.05%~0.3%、V:0.05%~0.30%和T1:0.03% 以下， 並且(Nb+V) / (C+N)為2以下， 而且剩餘部分由Fe和不可避免的雜質構成，鋼中的以碳氮化物為主體的析出物的量為1%以下。
2.根據權利要求1所述的耐熱奧氏體系不鏽鋼鋼板，其特徵在於，其還含有Cu:1%以下、Mo:3*%以下、W:3*%以下、Co:1*%以下和B:0.01%以下中的一種或兩種以上。
3.權利要求1或2所述的耐熱奧氏體系不鏽鋼鋼板的製造方法，其特徵在於，在由制鋼-熱軋-酸洗-冷軋-退火/酸洗各工序構成的鋼板的製造工序中，熱軋的加熱溫度為1200°C~1300°C，最終退火溫度為1100°C~1200°C。
【文檔編號】C22C38/58GK104169450SQ201380012380
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年3月28日 優先權日:2012年3月30日
【發明者】井上宜治, 札軒富美夫, 濱田純一 申請人:新日鐵住金不鏽鋼株式會社