CN101573465A - 具有优良耐腐蚀性和拉伸性的铁素体不锈钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有优良耐腐蚀性、延伸率和拉伸性的铁素体不锈钢，这种铁素体不锈钢包括0.03wt％或更少的C、0.5wt％或更少的Si、0.5wt％或更少的Mn、0.035wt％或更少的P、0.01wt％或更少的S、18wt％至21wt％的Cr、0.5wt％或更少的Mo、0.03wt％或更少的N、0.5wt％或更少的Cu、0.05wt％或更少的Al和0.2wt％或更少的Ni，余量为Fe和不可避免的杂质，以满足组分之间的关系。

Description

具有优良耐腐蚀性和拉伸性的铁素体不锈钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种具有优良耐腐蚀性和拉伸性的铁素体不锈钢及其制造方法，更具体地讲，涉及这样一种铁素体不锈钢及其制造方法，该铁素体不锈钢适于要求优良耐腐蚀性和拉伸性的汽车排气系统的冷区(cold zone)所用的各种管、消音器和类似产品。

背景技术

通常，向铁素体不锈钢中添加Mo来提高耐腐蚀性。然而，当添加Mo时，制造铁素体不锈钢的成本增加。具体地讲，Mo使不锈钢的拉伸性变差，并且使不锈钢的延伸率减小。从而，当通过冲压(stamping)来形成消音器和类似产品时，频繁发生不锈钢的断裂；与排气系统的尾部一样，在低温下，当在TIG焊接之后对管扩展时，频繁发生管的断裂。

纵览为解决这些问题而提出的传统技术，EP 930375披露了一种通过组分组成和热轧条件的结合来提高深拉延性(deep drawability)和抗皱性的制造方法，第2000-328197号日本特许专利公开披露了一种通过添加适量的Al来改善表面光亮和可成形性的方法，专利EP 765741披露了一种通过使轧制和退火的条件与组成物最优化来提高抗皱性且减少平面各向异性的方法。

然而，传统技术没有披露具有较低含量的Mo且具有优良的耐腐蚀性和可成形性的不锈钢的组成及这种不锈钢的制造条件。因此，由传统技术制造的冷轧产品的质量满足不了用来形成消音器和将在低温下要被扩展的管所要求的优良的耐腐蚀性和可成形性。

发明内容

技术问题

因此，本发明被设计成解决现有技术的这些缺点，因此，本发明的目的是提供以下方面：

本发明的一个目的是为了解决上面描述的问题，并且是为了提供一种高Cr铁素体不锈钢及其制造方法，这种钢是具有优良的耐腐蚀性、延伸率和拉伸性的冷轧钢，并且这种钢将适合用于管。

本发明的另一目的是提供一种这样的不锈钢，这种不锈钢利用EL(式1)和P.I.(式2)等式而具有较大量的Cr，代替添加比Cr更为昂贵的Mo，其中，所述两个等式是用来计算延伸率和点蚀指数的等式，Cr有益于提高耐腐蚀性。以质量计，所述不锈钢具有最优化控制的C％+N％、C％/N％和Ti％/(C％+N％)的值。为了降低TIG焊接部的冲击转变温度，控制添加的Ca、Mg和Zr的量。在本发明中控制板坯的加热温度、最后阶段的热轧温度和热退火条件。

技术方案

为了实现这些目的，根据本发明的一个方面，一种具有优良耐腐蚀性和拉伸性的铁素体不锈钢包括含有以下物质的组成物：0.03wt％或更少的C、0.5wt％或更少的Si、0.5wt％或更少的Mn、0.035wt％或更少的P、0.01wt％或更少的S、18wt％至21wt％的Cr、0.5wt％或更少的Mo、0.03wt％或更少的N、0.5wt％或更少的Cu、0.05wt％或更少的Al、0.2wt％或更少的Ni，以满足下面的式(1)至式(2)，

EL＝-162.1×(C+N)-0.2×Cr-1.1×Mo-0.2×Ti/(C+N)+42.2≥31...(1)

P.I.＝Cr+3.3Mo≥21...(2)

其中，C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、N、Cu、Al和Ni的含量是以质量百分比(％)计，合金的剩余物由平衡量的Fe和不可避免的杂质组成。

所述组成物还可以包括从由以下物质组成的组中选择的一种元素或两种以上的元素：0.005wt％或更少的Ca、0.005wt％或更少的Mg和0.005wt％或更少的Zr。

另外，C/N比为1.05或更小，并且Ti/(C+N)比为18至25。

根据本发明的另一方面，是一种制造具有优良的耐腐蚀性和拉伸性的铁素体不锈钢的方法，对不锈钢板坯在1230℃至1280℃的加热温度下进行热轧，然后在740℃至850℃的温度下终止；然后，在900℃至1000℃的范围内进行热退火；然后，以50％或更大的压下率进行冷轧；从900℃至1000℃的温度进行冷退火，然后将粒度按ASTM的粒度号控制在6.3至7.5的范围内。

有益效果

如上所述，本发明的不锈钢具有优良的耐腐蚀性、延伸率和拉伸性，所述不锈钢适于汽车排气系统的消音器和排气系统的尾部。另外，通过利用EL(式1)和P.I.(式2)等式(这两个等式是计算延伸率和点蚀指数的等式)，所述不锈钢具有较高含量的Cr(Cr对于提高耐腐蚀性是有益的)，而不是添加比Cr更为昂贵的Mo。以质量计，所述不锈钢具有最优化控制的C％+N％、C％/N％和Ti％/(C％+N％)的值。在本发明中控制板坯的加热温度、最后阶段的热轧温度和冷热退火条件。

附图说明

图1是示出了20Cr-0.3Mo-Ti钢在冷退火之后延伸率根据ASTM的粒度号(grain size humber)的变化而变化的曲线图；

图2是示出了在20Cr-Ti钢中延伸率根据C/N比而变化的曲线图；

图3是示出了20Cr-Ti钢在冷退火之后ASTM的粒度号根据C/N比而变化的曲线图；

图4是示出了20Cr-Ti钢在冷退火之后延伸率根据Ti/(C+N)比的变化而变化的曲线图；

图5是示出了在20Cr-Ti钢中冲击转变温度(DBTT)根据添加的Ca、Mg和Zr的量而变化的曲线图。

具体实施方式

在下文中，将更详细地描述本发明。

本发明的不锈钢具有优良的耐腐蚀性、延伸率和拉伸性，这种不锈钢适于汽车排气系统的消音器和排气系统的尾部。另外，通过利用EL(式1)和P.I.(式2)等式(这两个等式是计算延伸率和点蚀指数的等式)，这种不锈钢具有较高含量的Cr(Cr对于提高耐腐蚀性是有益的)，而不是添加比Cr更为昂贵的Mo。以质量计，这种不锈钢具有最优化控制的C％+N％、C％/N％和Ti％/(C％+N％)的值。在本发明中控制板坯的加热温度、最后阶段的热轧温度和冷热退火条件。

在现有技术中，消音器和汽车排气系统的尾部的各种管使用的是STS436L钢。STS436L钢含有1％至1.2％的昂贵的Mo，因而这种钢的制造成本高。因此，STS436L钢的使用受到了限制。

该发明的不锈钢具有优良的耐腐蚀性和拉伸性，因此，由该不锈钢制成的管适于在低温下被扩展。另外，与现有技术相比，该发明的不锈钢含有的Mo含量较低。

根据本发明的一个方面，可以通过提供一种包括以下组分的不锈钢来实现以上和其它目的：0.03wt％或更少的C、0.5wt％或更少的Si、0.5wt％或更少的Mn、0.035wt％或更少的P、0.01wt％或更少的S、18wt％至21wt％的Cr、0.5wt％或更少的Mo、0.03wt％或更少的N、0.5wt％或更少的Cu、0.05wt％或更少的Al、0.2wt％或更少的Ni，以满足下面的式(1)至式(2)，

EL＝-162.1×(C+N)-0.2×Cr-1.1×Mo-0.2×Ti/(C+N)+42.2≥31...(1)

P.I.＝Cr+3.3Mo≥21...(2)

其中，C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、N、Cu、Al和Ni的量是以质量百分比(％)计，合金的剩余物由平衡量的Fe和不可避免的杂质组成。

不锈钢还可包括从由以下物质组成的组中选择的一种元素或两种以上的元素：0.005wt％或更少的Ca、0.005wt％或更少的Mg、0.005wt％或更少的Zr。另外，C/N比为1.05或更低，Ti/(C+N)比为18至25。

根据本发明的另一方面，是一种具有优良耐腐蚀性和拉伸性的铁素体不锈钢的制造方法，对不锈钢板坯在1230℃至1280℃的加热温度下进行热轧，然后在740℃至850℃的温度下终止；然后，在900℃至1000℃的范围内进行热退火；然后，以50％或更高的压下率来进行冷轧；从900℃至1000℃的温度进行冷退火；然后，将粒度按ASTM的粒度号控制在6.3至7.5的范围内。

现在，将详细地描述根据本发明的不锈钢的组分和组成。

C和N是形成TiC和TiN的间隙元素。如果增加C含量和N含量，则过多含量的C没有形成TiC，并且过多含量的N没有形成TiN。过多含量的C和过多含量的N降低了材料的延伸率和拉伸性。因此，C的含量被限制到0.03％或更少，N的含量被限制到0.03％或更少。而且，如果C+N的含量增加，则应当增加Ti的含量。结果，由于夹杂物的增多导致很可能产生诸如疤的表面缺陷，并且在连铸期间很可能发生水口堵塞。另外，由于溶解的C和N的含量增加，导致延伸率降低。所以，应当将C+N的含量限制到0.014％。

Si是铁素体相形成元素。Si多少起着稳定铁素体相的作用，并且起着提高抗氧化性的作用。然而，如果Si的含量超过0.5％，则由于Si夹杂物的增多导致很可能产生表面缺陷。另外，硬度、屈服强度和拉伸强度增大，延伸率减小，从而可加工性劣化。所以，应当将Si的含量限制到0.5％或更少。

如果Mn的含量过多，则要洗提MnS，以降低抗点蚀性。因此，应当将Mn的含量限制到0.5％或更少。

Ni是γ相产生元素。如果Ni的含量过多，则γ相增多，因而当在热轧之后对卷材进行空气冷却时，促进了马氏体相的产生。从而，由于强度和硬度增大，导致延伸率减小。所以，应当将Ni的含量限制到0.2％或更少。

P和S形成诸如MnS的夹杂物，使耐腐蚀性和热加工性变差。应当将P和S限制得尽可能得低。因此，应当将P的含量限制到0.035％或更少，应当将S的含量限制到0.01％或更少。

如果Cr含量低，则降低耐腐蚀性；如果Cr含量高，则提高耐腐蚀性。而且，使强度增加，但是使延伸率变差，从而可加工性劣化。因此，应当将Cr的含量限制到18％至21％。

如果Mo的含量增加，则耐腐蚀性大大提高。但是，制造成本高。使强度增加，但是使延伸率减小，从而可加工性劣化。因此，考虑到耐腐蚀性和可加工性，应当将Mo的含量限制到0.5％或更少。

Al是作为脱氧剂而添加的元素。如果添加Al，则很可能产生表面缺陷。因此，应当将Al的含量限制到0.05％或更少。

Cu是γ相产生元素。如果Cu的含量过多，则γ相增多，因而当在热轧之后对卷材进行空气冷却时，促进了马氏体相的产生。从而，由于强度和硬度增大，导致延伸率减小。所以，应当将Cu的含量限制到0.5％或更少。

如果Ti的含量过多，则由于夹杂物的增多，导致很可能产生诸如疤的表面缺陷，并且在连铸期间很可能发生水口堵塞。另外，由于溶解的Ti的含量增加，导致延伸率降低。并且，如果考虑到Ti的含量与C+N的含量相比，Ti/(C+N)比低，则很可能产生晶间腐蚀，从而使耐腐蚀性变差。所以，应当将Ti的含量限制到0.4％。考虑到耐腐蚀性和可成形性，应当将Ti/(C+N)的比值限制到18至25。

添加从由Ca、Mg和Zr组成的组中选择的一种元素或两种以上的元素，在TIG焊接期间的热影响区的粒度被细微化，以降低冲击转变温度(DBTT)，从而使TIG焊接管的扩展性在像冬天一样的低温下增大。然而，如果Ca、Mg和Zr添加得太多，则很可能产生Ca、Mg和Zr的氧化夹杂物，从而使耐腐蚀性变差。因此，每种元素的含量被限制如下：Ca的含量被限制到0.005％或更少，Mg的含量被限制到0.005％或更少，Zr的含量被限制到0.01％或更少。

在本发明的用于提高延伸率的EL计算式(式1)中，如果EL值小于31，则在冲压时由于劣化了的延伸率和拉伸性，导致很可能产生断裂缺陷。所以，EL的值被限制到32或更大。

EL＝-162.1×(C+N)-0.2×Cr-1.1×Mo-0.2×Ti/(C+N)+42.2...(1)

另外，如果式2的P.I.(点蚀指数)值增大，则耐腐蚀性提高。因此，为了使这个值增大，应当增大Cr或Mo的含量，由此使延伸率和拉伸性变差并且制造成本高。另外，如果Cr或Mo的含量太低，则耐腐蚀性劣化。因此，为了使耐腐蚀性等价于现有的STS436L钢(该钢中添加了1％的Mo)，式2的P.I.值被限制到21或更大。

P.I.＝Cr+3.3Mo...(2)

对于C％/N％比，在C％+N％相同的条件下，如果C％/N％的值是1.05或更大，即，C含量明显大于N含量，则延伸率变差，并且很可能产生焊接部的晶粒腐蚀。所以，应当将C％/N％比限制到1.05或更少。

对于Ti％/(C％+N％)，如果Ti％/(C％+N％)比太低，则很可能在焊接后发生焊接部的晶粒腐蚀。如果Ti％/(C％+N％)比太高，则溶解的Ti的量高，则由此使诸如延伸率的可成形性变差。所以，应当将Ti％/(C％+N％)限制到18至25的范围。

限制本发明的制造条件的原因如下。

随着加热温度变高，容易发生热轧期间的再结晶。而且，如果加热温度太高，则很可能存在表面缺陷。因此，板坯的加热温度被限制到1230℃至1280℃。

由于热轧的最后阶段的温度低，所以变形存储能量高，有助于退火的再结晶，从而增大了延伸率。但是，如果热轧的最后阶段的温度太低，则很可能产生粘结缺陷，这种缺陷是因轧辊粘到材料上而造成的。所以，应当将热轧的最后阶段的温度限制到740℃至850℃。

如果材料的冷压下率太低，则难以去除表面缺陷和确保表面特性。然而，如果材料的冷压下率非常高，则可成形性得以改善。因此，应当将制作材料时的冷压下率限制到50％或更高。

在冷退火之后，延伸率在ASTM的粒度号在6.3至7.5的范围内时是最好的。所以，粒度号被限制到这个范围。

在下文中，将参照示例更详细地描述本发明。

(示例)

通过使组成如下面的表1中所列的铁素体不锈钢在50Kg的真空熔炼设备中熔化来制造厚度为120mm的钢锭。在1250℃下加热制造好的钢锭，然后在1250℃至800℃的温度内进行热轧，制造出厚度为3.0mm的热轧板。在950℃热退火之后，用酸清洗热轧板，然后将热轧板冷轧成1.5mm至0.6mm的厚度。在950℃冷退火之后，用酸清洗所得到的板。利用拉伸试验机、Erichsen试验机和图像分析仪来测量冷轧板的粒度。通过KSD 0238方法来测试冷轧板的点蚀电位，点蚀电位是测量五次得到的平均值，值为V′c10。

通过下面的步骤来提供冲击转变温度(DBTT)的测量：

由厚度为1.5mm的冷轧板(添加了Ca、Zr和Mg的钢以及没有添加Ca、Zr和Mg的钢)按服务器尺寸(server size)制成V字形切口的样本。在+20℃至-70℃的温度范围内以10℃为间隔进行对样本的冲击测试。

在下文中，将参照表1更详细地描述测试结果。

表1示出样本的化学组分(按质量百分比计)、EL和P.I.的计算值、耐腐蚀性(点蚀电位)和拉伸性(Erichsen值)等。

在本发明的钢中，通过P.I.的值为21或更大来控制Cr的含量和Mo的含量。当将本发明的钢与含有Mo的含量为1％的传统对比材料(8号样本)进行比较时，发现：本发明的钢具有与对比材料(8号样本)相同的耐腐蚀值(点蚀电位≥277mV)。

另外，可以理解，通过利用式1的EL值将C、N、Cr、Mo的含量和Ti(C+N)控制成使EL的值为31或更大，测量的本发明的钢的延伸率为31.7％或更大，表明拉伸性的Erichsen值是9mm或更大。可以理解，C/N比低至1.05或更低且Ti/(C+N)值控制在19至25的范围内的本发明的钢与在该范围之外的对比材料相比，具有优良的延伸率和Erichsen值。

图1是示出了20Cr-0.3Mo-Ti钢(7号样本)在冷退火之后延伸率根据ASTM的粒度号的变化而变化的曲线图。如从表1所理解的，当在冷退火期间ASTM粒度号在6.3至7.5的范围内时，延伸率是最好的。

图2是示出了在20Cr-Ti钢中延伸率根据C/N比而变化的曲线图。在C+N的含量为120ppm的条件下，C/N含量比变成0.39、1.05和2。如果C/N比高达1.05或更高，则延伸率变差。

图3是示出了20Cr-Ti钢在冷退火之后ASTM的粒度号根据C/N比而变化的曲线图。随着在相同条件下冷退火之后C/N比的值变高，粒度被细微化，从而使延伸率变差。因此，为了改善诸如延伸率的可成形性，应当将C/N比控制到1.05或更小。结果，可以理解，延伸率和拉伸性是优异的。

图4是示出了20Cr-Ti钢在冷退火之后延伸率根据Ti/(C+N)比的变化而变化的曲线图。随着Ti(C+N)比变低，延伸率优异，但是如果Ti(C+N)比为18或更小，则很可能产生焊接部的晶粒腐蚀。因此，考虑到焊接部的晶粒腐蚀和延伸率，有必要通过将Ti/(C+N)比控制在18至25的范围内来添加Ti。

图5是示出了在20Cr-Ti钢中冲击转变温度(DBTT)根据添加的Ca、Mg和Zr的量而变化的曲线图。如果添加Ca或者如果添加Ca+Mg、Ca+Zr，则冲击转变温度降低到-50℃。结果，当工作温度像冬天一样低时，TIG管的延伸率是优异的。

表1

表明每个样本的化学组分、EL、P.I.、点蚀电位和拉伸性(Erichsen值)的表

Claims (8)

1、一种具有优良耐腐蚀性和拉伸性的铁素体不锈钢，包括：0.03wt％或更少的C、0.5wt％或更少的Si、0.5wt％或更少的Mn、0.035wt％或更少的P、0.01wt％或更少的S、18wt％至21wt％的Cr、0.5wt％或更少的Mo、0.03wt％或更少的N、0.5wt％或更少的Cu、0.05wt％或更少的Al和0.2wt％或更少的Ni，以满足下面的式(1)至式(2)，

EL＝-162.1×(C+N)-0.2×Cr-1.1×Mo-0.2i/(C+N)+42.2≥31...(1)

P.I.＝Cr+3.3Mo≥21...(2)

其中，每种元素的百分比是按重量计，合金的剩余物由平衡量的Fe和不可避免的杂质组成。

2、如权利要求1所述的铁素体不锈钢，所述铁素体不锈钢还包括从由以下物质组成的组中选择的一种元素或两种以上的元素：0.005wt％或更少的Ca、0.005wt％或更少的Mg和0.005wt％或更少的Zr。

3、如权利要求1所述的铁素体不锈钢，其中，C、N和Ti的含量满足下面的公式：C/N≤1.05且18≤Ti/(C+N)≤25。

4、如权利要求2所述的铁素体不锈钢，其中，C、N和Ti的含量满足下面的公式：C/N≤1.05且18≤Ti/(C+N)≤25。

5、一种制造具有优良的耐腐蚀性和拉伸性的铁素体不锈钢的方法，所述方法包括以下步骤：

提供包括以下物质的铁素体不锈钢：0.03wt％或更少的C、0.5wt％或更少的Si、0.5wt％或更少的Mn、0.035wt％或更少的P、0.01wt％或更少的S、18wt％至21wt％的Cr、0.5wt％或更少的Mo、0.03wt％或更少的N、0.5wt％或更少的Cu、0.05wt％或更少的Al和0.2wt％或更少的Ni，以满足下面的式(1)至式(2)，

EL＝-162.1×(C+N)-0.2×Cr-1.1×Mo-0.2×Ti/(C+N)+42.2≥31...(1)

P.I.＝Cr+3.3Mo≥21...(2)；

对铁素体不锈钢在1230℃至1280℃的加热温度下进行热轧，然后在740℃至850℃的温度下终止；

使铁素体不锈钢在900℃至1000℃的范围内退火；

以50％或更大的压下率对铁素体不锈钢进行冷轧；

使铁素体不锈钢在900℃至1000℃的范围内进行退火，并且将铁素体不锈钢的粒度按ASTM的粒度号控制在6.3至7.5的范围内，

其中，每种元素的百分比是按重量计，合金的剩余物由平衡量的Fe和不可避免的杂质组成。

6、如权利要求5所述的方法，其中，所述铁素体不锈钢包括从由以下物质组成的组中选择的一种元素或两种以上的元素：0.005wt％或更少的Ca、0.005wt％或更少的Mg和0.005wt％或更少的Zr。

7、如权利要求5所述的方法，其中，C、N和Ti的含量满足下面的公式：C/N≤1.05且18≤Ti/(C+N)≤25。

8、如权利要求6所述的方法，其中，C、N和Ti的含量满足下面的公式：C/N≤1.05且18≤Ti/(C+N)≤25。

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