一種鐵素體不鏽鋼及其製造方法

2023-08-03 00:45:16

專利名稱：一種鐵素體不鏽鋼及其製造方法
技術領域：
本發明涉及鐵素體不鏽鋼，具體地說，涉及一種可用於汽車尾氣排放系統的耐腐 蝕性和成型性良好的不鏽鋼及其製造方法。
背景技術：
隨著汽車工業近年來的飛速發展，越來越嚴格的環保要求和不斷降低車身重量和 材料成本的需要，使得汽車排氣系統用材料越來越受到汽車生產廠商的重視。近年來，汽車 工業競爭日益激烈，汽車生產廠家不僅重視材料成本，還重視材料的使用壽命，這提高了汽 車排氣系統用不鏽鋼的耐腐蝕性能要求。同時，汽車生產廠家對材料的成型性要求也越來 越高，因為汽車排氣系統的冷端部位如中管、消音器和尾管等部位要求材料不僅耐腐蝕性 好，還必須具有良好成型性以便於衝壓加工。而鐵素體不鏽鋼具有的優良耐蝕性能(例如 省鎳、抗晶間腐蝕等)、優良的物理和力學性能(例如低熱膨脹係數、高強度等)以及綜合成 本優勢，使其取代了奧氏體不鏽鋼成為汽車排氣系統的首選材料，得到了廣泛的應用。目前，中高鉻的17Cr不鏽鋼常用作汽車排氣系統中低溫段使用的材料。然而，對 於一些中高檔轎車，汽車尾氣系統使用壽命要求已從原來的2年或6萬公裡提高到5年或 10萬公裡，因此一般的17Cr鐵素體不鏽鋼已不能滿足這樣的性能要求，需要添加其它合金 元素如Mo、Cu、A1中的一種或多種提高耐腐蝕性能及採用穩定化元素Ti、Nb、Zr中的一種 或多種來固定鐵素體基體中的有害元素。例如JP2005146345A、JP2002020845、JP6088168 公開的不鏽鋼含有Nb、Ti (V)和Mo，同時還含有Cu和A1等合金成分JP8060243的不鏽鋼 則屬於Nb穩定，同時添加Cu提高腐蝕性JP2005290513公開的不鏽鋼含有Nb、Mo和A1等 元素，同時採用高(大於1. 5% )Mo合金設計提高了其耐疲勞性能JP2006257544-A則加入 Nb、Ti、Mo和Cu綜合改善性能JP08060306A採用了更為複雜的Ti、Nb、Zr、B、Mo、Cu等復 合添加JP2004218013也是採用了 Cu、Al、Ti、Nb、Mo等添加方式，並添加了 W JP04280947A 的中鉻不鏽鋼採用Nb單穩定，但Nb的添加量較高，達0. 7-1. 2 ；CN200510063795. 1除了採 用Nb、B、Ti穩定，還加入了大量的Mo (大於1.5% )。總體來說，Cu的加入往往影響高溫加工性能，同時也不利於廢鋼回收，A1的加入 增加了控制鋼中夾雜物的難度，如處理不當，則A1脫氧產物A1A會轉為夾雜物導致鋼中夾 雜物影響深衝加工性能，如果不加Cu和A1，則Nb和Mo的用量較高，不利於降低成本。因此，有必要開發一種成型性好、耐腐蝕能力強並且材料成本又相對低的不鏽鋼。

發明內容
本發明的目的是提供一種鐵素體不鏽鋼，其成型性好、耐腐蝕能力強並且材料成 本低，能夠用於高性能汽車尾氣排放系統冷端。本發明的另一個目的是提供所述鐵素體不鏽鋼的一種製造方法。本發明所提供的鐵素體不鏽鋼，其成分質量百分比為Si 0. 20-0. 60、 Mn020-0. 80、Cr 16. 5-19. 0、Mo 0. 4-1. 5、Ca 0. 0010-0. 0050、P 彡 0. 035、S 彡 0. 003、C 彡 0. 015、N 彡 0. 015、0 彡 0. 0050,Ni 彡 0. 3、A1 彡 0. 010、Cu 彡 0. 2、穩定化元素，餘量為 Fe 和不可避免的雜質，其中Cr、Mo、C和N還同時滿足18. 5彡Cr+3Mo彡22和C+N彡0. 025 ；所述穩定化元素選自(l)Nb，其質量百分比為 0.20-0. 40，(2) Ti，其質量百分比為0. 15彡Ti，且8X (C+N)彡Ti彡0. 30，或(3)Nb禾口 Ti， 其質量百分比為Nb + Ti < 0.40， 且 10 X (C+N)彡 0. 5Nb+Ti 彡 15X (C+N)以及 Nb/Ti = 1. 0-1. 5。優選地，以下成分質量百分比為Si0. 25-0. 45、Mn 0. 25-0. 50、Cr 17. 0-18. 5 以 及 Mo 0. 50-1. 20。優選地，C彡 0.010。優選地，N彡 0.010。優選地，A1< 0.006。優選地，選自0、Ni、Al和Cu的一種或多種元素的含量為0。優選地，0、Ni、Al和Cu的含量均為0。優選地，Mn/Si= 0. 8-1. 4。優選地，所述不可避免的雜質的總量< 0. 05。本發明所提供的鐵素體不鏽鋼可以採用以下方法製造，包括(1)煉鋼，通過電爐煉鋼、A0D脫碳、V0D脫氧三步法煉鋼並在V0D結束後進行餵矽 鈣鋇絲和鈦絲處理，獲得滿足成分要求的鋼液；(2)連鑄，通過控制連鑄過程拉速0. 9-1. lm/min、加強電磁攪拌電流1000-1600安 培，獲得等軸晶比例不低於50%的連鑄坯；(3)帶溫表面修磨，起始溫度不低於360°C，終了溫度不低於200°C ；(4)熱軋，首先在1050-850°C進行5_7道次粗軋，並去表面氧化皮，獲得粗軋坯，然 後在980-85(TC進行5-7道次精軋、冷卻和卷取獲得熱軋板卷；(5)退火酸洗，其中熱軋退火溫度850_980°C ；(6)冷軋，控制軋制壓下率60-80% ；(7)退火酸洗，其中冷軋退火溫度900-1050°C，控制不鏽鋼的晶粒度為6_8級，表 面粗糙度為0. 10-0. 50 u m。本發明的鐵素體不鏽鋼化學成分設計的選擇原因如下C和N 本發明的鋼種屬於超低碳氮的鐵素體不鏽鋼，因此在本發明中，C和N屬於 雜質元素，需要儘可能降低其含量。目前冶煉設備在保證生產能力的情況下能夠將C和N 控制在總量小於0. 025%，同時達到C量彡0. 015%、N量彡0. 015%。降低C和N總量主要 是儘可能降低穩定化元素用量，特別是減少Ti的使用，保證產品的表面質量和提高晶間腐 蝕性能。同時降低C和N含量還可以發揮鐵素體鋼無間隙化來提高材料成型性能，本發明 中優選 C < 0. 010%,N ^ 0. 010%。Cr 是提高耐蝕性和強度的主要合金元素。Cr提高不鏽鋼在氧化性酸中耐蝕性， 以及提高其在氯化物溶液中的耐應力腐蝕、點蝕和縫隙腐蝕等局部腐蝕能力。Cr還能夠提 高鋼的強度，但過高降低鋼的塑性，對成型和焊接性不利，過低則不利於提高其腐蝕性能， 選擇其範圍 16. 5-19. 0%，優選 17. 0-18. 5%。
Si 加入到鋼中起到脫氧和改善耐蝕性的作用，過低不利於脫氧作用，一般大於 0. 2%，如果大於0. 6%，對常溫下成型不利，考慮到整體性能，選擇範圍0. 20-0. 60%，優選 0. 25-0. 45%0Mn 弱奧氏體元素，Mn可以抑制不鏽鋼中硫的有害作用，提高熱塑性，但過低不利 於提高其熱塑性，也不利於提高常溫下的成型性能，過高不利於保證其耐腐蝕性，本發明中 選擇其範圍0. 20-0. 80%，優選0. 25-0. 50%。Mn還具有與Si類似的脫氧作用，但由於過高 不利於保證耐腐蝕性，優選同時控制一定地Mn/Si比，一般0. 8-1. 4之間比較好，主要有利 於提高材料的酸洗效果。Ti和Nb :Ti和Nb主要用於防止鋼中Cr和C結合形成鉻碳化物而引起的Cr濃 度降低導致耐腐蝕性降低，特別是引起晶間腐蝕，Ti還可以與鋼中S結合形成TiC2S化合 物以防止MnS所引起的點蝕。Ti和Nb還可以提高不鏽鋼的室溫和高溫強度，提高鐵素體 不鏽鋼的抗疲勞和冷成型性及焊接性，但對鋼的脆性轉變溫度不利。Ti與N形成的氮化物 (TiN)作為夾雜物會影響鋼的表面和內在質量，Nb與N形成的氮化物(NbN)還會降低鋼的 熱塑性。申請人發現，Ti含量大於0.05%時效果明顯，但過多會產生表面缺陷，如果超過 0. 30%,連鑄過程中形成的TiN還容易附著在連鑄坯表面，也不利於保證材料表面質量，並 且還會增加修磨量，最終會影響到成品的腐蝕性能。申請人還發現，Nb含量大於0. 10%時 效果明顯，但超過0. 40%會因Nb過多導致形成粗大的Fe2Nb，不利於材料成型性能，且增加 成本。綜合考慮到所控制的C和N含量，本發明可選擇其中的一種作為穩定化添加元素，控 制其添加量如下Nb 單穩定0. 20-0. 40% ；或Ti 單穩定0. 15%彡 Ti 且 8X (C+N)彡 Ti 彡 0. 30%。本發明還可以選擇同時添加Nb和Ti穩定C和N元素，但雙穩定時，因為Ti與N 結合作用比Ti與C結合作用強，而Nb與C結合作用強於Nb與N的結合作用，這樣，Ti和 Nb雙穩定化鋼中的Ti穩定N，Nb穩定C，可各自按照氮化物和碳化物化學當量比加入。而 且，由Nb和對TiN而言過剩的Ti把C穩定，還可以更好改善Ti或Nb單穩定鋼的晶間腐蝕 性能，即提高鐵素體不鏽鋼在排氣系統冷端的耐晶間腐蝕腐蝕性能。採用Nb和Ti共同添 加時，既要保證發揮穩定化元素穩定作用，提高腐蝕性能，還要儘可能降低成本以及避免影 響成型性，為達到上述目的，申請人發現應控制其添加量如下Nb 和 Ti 雙穩定Nb+Ti 彡 0. 40%，且 10X (C+N)彡 0. 5Nb+Ti 彡 15X (C+N)以及 Nb/Ti = 1. 0-1. 5。Mo :Mo主要提高耐氯離子腐蝕性能，提高還原性介質中腐蝕性能，加入Mo會提高 材料成本，申請人發現，通過穩定化元素及其它元素作用，合金設計時採用Mo 0. 4-1.5% 且滿足18. Cr+3Mo ^ 22 %，能夠在降低材料成本的同時提高耐腐蝕性能，優選Mo 0. 50-1. 20%且滿足 18. 5%^ Cr+3Mo 彡 22%。Ca 通過Ca處理，可以使Ca脫氧形成CaO並且與鋼液中的Al203、Mg0、Si02等夾雜 物形成複合型夾雜物Ca0-Si02-Mg0-Al203，該複合型夾雜物具有一定高溫塑性，有利於高溫 軋制變形破碎，改善成品材料的成型性能。適量的Ca也有利於促進脫硫，降低S含量，避免 因S與Mn反應形成MnS，影響點蝕性能。申請人發現，Ca過低不能起到作用，過高會以夾雜 物形式存在，惡化材料性能，本發明中合適的添加量為0. 0010-0. 0050%。
Cu:Cu通常來源於不鏽鋼廢鋼中，加入銅可以改善腐蝕性能，但加入銅既增加材 料成本，同時也導致廢鋼管理成本增加，在滿足耐腐蝕性能條件下，不添加Cu，但控制殘餘 Cu不超過0. 2%。Ni :Ni在鐵素體不鏽鋼中屬於控制元素，儘可能減少Ni的含量，只要總量不超過 0. 30%，通常不會影響使用性能。A1 :A1通常作為不鏽鋼煉鋼脫氧劑使用，但過高會導致A1氧化物形成造成韌性 降低並影響產品表面質量，實際生產中比較難以控制實際加入量。合金中含有較高的Si 時，可以不用A1脫氧。本發明的不鏽鋼採用Si脫氧，因此申請人控制Al ^ 0.010%，優選 A1 彡 0. 006%。0:0是鋼中的雜質元素之一，主要以形成的氧化物夾雜形式存在，較高的0表明夾 雜物較高。降低鋼中0含量就可以確保鋼中夾雜物含量較低，有利於提高成型性和點蝕性 能。在本發明中，申請人發現控制鋼中0 < 0. 0050%可以確保不鏽鋼具有較高的衝壓成型 性能和抗點蝕性能。P和S 鐵素體不鏽鋼中磷和硫會嚴重影響不鏽鋼的耐蝕性和加工性能，必須嚴格 控制，一般希望控制在P彡0. 035%，S彡0. 003%。本發明與現有技術相比具有的優點是(1)本發明的鐵素體不鏽鋼和現有技術中的同類產品相比具有相當的強度、硬度 等力學性能，但成型性和延伸率更佳；(2)本發明的鐵素體不鏽鋼的耐腐蝕性優於現有技術中的同類產品；(3)本發明所提供的鐵素體不鏽鋼的製造方法既可以保證深衝加工性能又有利於 提高耐腐蝕性能，獲得綜合性能滿足要求的冷軋不鏽鋼產品；(4)本發明所使用的材料合金成本低，具有重大的經濟效益。
具體實施例方式表1為試驗鋼種的化學成分，其中1-7為本發明鋼種，8-10為對比鋼種。利用電爐冶煉，並利用A0D脫碳、V0D脫氧精煉獲得滿足表1成分設計要求的連鑄 坯，連鑄坯加熱到1050-1150°C保溫2-4小時，採用連軋機軋制獲得熱軋板卷，熱軋板卷經 連退、酸洗、冷軋、冷退酸洗獲得所需要的冷軋板，所有試驗鋼種均取自於冷軋酸洗退火板。表2為本發明鋼種和對比鋼種的力學性能和耐腐蝕性能比較。其中，力學性能檢 測屈服強度、抗拉強度、延伸率、硬度和成型性(丨值)。耐腐蝕性能測定點蝕點位和均勻耐 腐蝕性能。點蝕點位測量利用動電位法測量不鏽鋼在中性3. 5%氯化鈉溶液中的點蝕電位。 實驗中取3個平均值計算最終結果。試樣的均勻耐腐蝕性能採用表3的濃縮液實驗成分，試樣加熱到400°C保溫5小 時，然後將試樣浸泡在80°C的冷凝液中，待冷凝液完全蒸發後，清洗試樣和燒杯，重複進行 10個周期，測量試樣失重，比較不同合金的均勻耐腐蝕性能。從表2的結果可以看出，本發明的鐵素體不鏽鋼具有同對比鋼種相當的強度、硬 度等力學性能，同時本發明鋼種與深衝成型性有關的參數G值)明顯好於對比鋼種，延伸 率也優於對比鋼種，這主要是一方面穩定化可以更好地固定c和N，避免大型Cr的碳化物析出，同時，降低總0含量和Ca處理可以改善夾雜物結構(即對A1203夾雜進行變性處理)， 減少MnS夾雜物，提高材料的使用性能。 本發明的鐵素體不鏽鋼的抗點腐蝕性能有明顯改善，丨值也明顯提高，不僅提高了 材料的加工成型性能，還可以提高汽車尾氣系統的使用壽命，具有廣闊的應用前景。
表2實施例和對比例鐵素體不鏡鋼的力學性能和腐蝕性能比較
表3試驗用冷凝液成分(單位10_4%)
權利要求
一種鐵素體不鏽鋼，其成分質量百分比為Si 0.20 0.60、Mn 020 0.80、Cr 16.5 19.0、Mo 0.4 1.5、Ca 0.0010 0.0050、P≤0.035、S≤0.003、C≤0.015、N≤0.015、O≤0.0050、Ni≤0.3、Al≤0.010、Cu≤0.2、穩定化元素，餘量為Fe和不可避免的雜質，其中Cr、Mo、C和N還同時滿足18.5≤Cr+3Mo≤22和C+N≤0.025；所述穩定化元素選自(1)Nb，其質量百分比為0.20 0.40，(2)Ti，其質量百分比為0.15≤Ti，且8×(C+N)≤Ti≤0.30，或(3)Nb和Ti，其質量百分比為Nb+Ti≤0.40，且10×(C+N)≤0.5Nb+Ti≤15×(C+N)以及Nb/Ti＝1.0 1.5。
2.如權利要求1所述的鐵素體不鏽鋼，其特徵在於，以下成分質量百分比為 SiO. 25-0. 45、Mn 0. 25-0. 50、Cr 17. 0-18. 5 以及 Mo 0. 50-1. 20。
3.如權利要求1所述的鐵素體不鏽鋼，其特徵在於，C^0.010, N ^ 0.010以及 Al ^ 0.006。
4.如權利要求1所述的鐵素體不鏽鋼，其特徵在於，選自0、Ni、Al和Cu的一種或多種 元素的含量為0。
5.如權利要求1所述的鐵素體不鏽鋼，其特徵在於，0、Ni、Al和Cu的含量均為0。
6.如權利要求1-5任何一項所述的鐵素體不鏽鋼，其特徵在於，Mn/Si= 0. 8-1. 4。
7.如權利要求1-5任何一項所述的鐵素體不鏽鋼，其特徵在於，所述不可避免的雜質 的總量彡0. 05。
8.如權利要求6所述的鐵素體不鏽鋼，其特徵在於，所述不可避免的雜質的總量 ^ 0. 05。
9.如權利要求1-8任何一項所述的鐵素體不鏽鋼的製造方法，包括(1)煉鋼，通過電爐煉鋼、AOD脫碳、VOD脫氧三步法煉鋼並在VOD結束後進行餵矽鈣鋇 絲和鈦絲處理，獲得滿足成分要求的鋼液；(2)連鑄，通過控制連鑄過程拉速0.9-1. lm/min、加強電磁攪拌電流1000-1600安培， 獲得等軸晶比例不低於50%的連鑄坯；(3)帶溫表面修磨，起始溫度不低於360°C，終了溫度不低於200°C；(4)熱軋，首先在1050-850°C進行5-7道次粗軋，並去除表面氧化皮，獲得粗軋坯，然後 在980-85(TC進行5-7道次精軋、冷卻和卷取獲得熱軋板卷；(5)退火酸洗，其中熱軋退火溫度850-980°C；(6)冷軋，控制軋制壓下率60-80%；(7)退火酸洗，其中冷軋退火溫度900-1050°C，控制不鏽鋼的晶粒度為6-8級，表面粗 糙度為 0. 10-0. 50 μ m。
全文摘要
本發明公開了一種鐵素體不鏽鋼，其成分質量百分比為Si 0.20-0.60、Mn 0.20-0.80、Cr 16.5-19.0、Mo 0.4-1.5、Ca 0.0010-0.0050、P≤0.035、S≤0.003、C≤0.015、N≤0.015、O≤0.0050、Ni≤0.3、Al≤0.010、Cu≤0.2、穩定化元素，餘量為Fe和不可避免的雜質，所述穩定化元素選自Nb和Ti中的一種或多種。本發明的鐵素體不鏽鋼耐腐蝕性和成型性良好，可用於汽車尾氣排放系統。本發明還公開了所述鐵素體不鏽鋼的一種製造方法。
文檔編號B22D11/16GK101899625SQ200910051928
公開日2010年12月1日 申請日期2009年5月25日 優先權日2009年5月25日
發明者何攀, 呂衛東, 李鑫, 畢洪運, 王偉明, 邵世傑, 錢春風 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司