CN101899625B - 一种铁素体不锈钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁素体不锈钢，其成分质量百分比为：Si 0.20-0.60、Mn 0.20-0.80、Cr 16.5-19.0、Mo0.4-1.5、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、稳定化元素，余量为Fe和不可避免的杂质，所述稳定化元素选自Nb和Ti中的一种或多种。本发明的铁素体不锈钢耐腐蚀性和成型性良好，可用于汽车尾气排放系统。本发明还公开了所述铁素体不锈钢的一种制造方法。

Description

一种铁素体不锈钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及铁素体不锈钢，具体地说，涉及一种可用于汽车尾气排放系统的耐腐蚀性和成型性良好的不锈钢及其制造方法。

背景技术

随着汽车工业近年来的飞速发展，越来越严格的环保要求和不断降低车身重量和材料成本的需要，使得汽车排气系统用材料越来越受到汽车生产厂商的重视。近年来，汽车工业竞争日益激烈，汽车生产厂家不仅重视材料成本，还重视材料的使用寿命，这提高了汽车排气系统用不锈钢的耐腐蚀性能要求。同时，汽车生产厂家对材料的成型性要求也越来越高，因为汽车排气系统的冷端部位如中管、消音器和尾管等部位要求材料不仅耐腐蚀性好，还必须具有良好成型性以便于冲压加工。而铁素体不锈钢具有的优良耐蚀性能(例如省镍、抗晶间腐蚀等)、优良的物理和力学性能(例如低热膨胀系数、高强度等)以及综合成本优势，使其取代了奥氏体不锈钢成为汽车排气系统的首选材料，得到了广泛的应用。

目前，中高铬的17Cr不锈钢常用作汽车排气系统中低温段使用的材料。然而，对于一些中高档轿车，汽车尾气系统使用寿命要求已从原来的2年或6万公里提高到5年或10万公里，因此一般的17Cr铁素体不锈钢已不能满足这样的性能要求，需要添加其它合金元素如Mo、Cu、Al中的一种或多种提高耐腐蚀性能及采用稳定化元素Ti、Nb、Zr中的一种或多种来固定铁素体基体中的有害元素。例如JP2005146345A、JP2002020845、JP6088168公开的不锈钢含有Nb、Ti(V)和Mo，同时还含有Cu和Al等合金成分；JP8060243的不锈钢则属于Nb稳定，同时添加Cu提高腐蚀性；JP2005290513公开的不锈钢含有Nb、Mo和Al等元素，同时采用高(大于1.5％)Mo合金设计提高了其耐疲劳性能；JP2006257544-A则加入Nb、Ti、Mo和Cu综合改善性能；JP08060306A采用了更为复杂的Ti、Nb、Zr、B、Mo、Cu等复合添加；JP2004218013也是采用了Cu、Al、Ti、Nb、Mo等添加方式，并添加了W；JP04280947A的中铬不锈钢采用Nb单稳定，但Nb的添加量较高，达0.7-1.2；CN200510063795.1除了采用Nb、B、Ti稳定，还加入了大量的Mo(大于1.5％)。

总体来说，Cu的加入往往影响高温加工性能，同时也不利于废钢回收，Al的加入增加了控制钢中夹杂物的难度，如处理不当，则Al脱氧产物Al₂O₃会转为夹杂物导致钢中夹杂物影响深冲加工性能，如果不加Cu和Al，则Nb和Mo的用量较高，不利于降低成本。

因此，有必要开发一种成型性好、耐腐蚀能力强并且材料成本又相对低的不锈钢。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁素体不锈钢，其成型性好、耐腐蚀能力强并且材料成本低，能够用于高性能汽车尾气排放系统冷端。

本发明的另一个目的是提供所述铁素体不锈钢的一种制造方法。

本发明所提供的铁素体不锈钢，其成分质量百分比为：Si 0.20-0.60、Mn0.20-0.80、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、稳定化元素，余量为Fe和不可避免的杂质，其中Cr、Mo、C和N还同时满足：18.5≤Cr+3Mo≤22和C+N≤0.025；

所述稳定化元素选自：

(1)Nb，其质量百分比为0.20-0.40，

(2)Ti，其质量百分比为0.15≤Ti，且8×(C+N)≤Ti≤0.30，或

(3)Nb和Ti，其质量百分比为Nb+Ti≤0.40，且10×(C+N)≤0.5Nb+Ti≤15×(C+N)以及Nb/Ti＝1.0-1.5。

优选地，以下成分质量百分比为：Si 0.25-0.45、Mn 0.25-0.50、Cr 17.0-18.5以及Mo 0.50-1.20。

优选地，C≤0.010。

优选地，N≤0.010。

优选地，Al≤0.006。

优选地，选自O、Ni、Al和Cu的一种或多种元素的含量为0。

优选地，O、Ni、Al和Cu的含量均为0。

优选地，Mn/Si＝0.8-1.4。

优选地，所述不可避免的杂质的总量≤0.05。

本发明所提供的铁素体不锈钢可以采用以下方法制造，包括：

(1)炼钢，通过电炉炼钢、AOD脱碳、VOD脱氧三步法炼钢并在VOD结束后进行喂硅钙钡丝和钛丝处理，获得满足成分要求的钢液；

(2)连铸，通过控制连铸过程拉速0.9-1.1m/min、加强电磁搅拌电流1000-1600安培，获得等轴晶比例不低于50％的连铸坯；

(3)带温表面修磨，起始温度不低于360℃，终了温度不低于200℃；

(4)热轧，首先在1050-850℃进行5-7道次粗轧，并去表面氧化皮，获得粗轧坯，然后在980-850℃进行5-7道次精轧、冷却和卷取获得热轧板卷；

(5)退火酸洗，其中热轧退火温度850-980℃；

(6)冷轧，控制轧制压下率60-80％；

(7)退火酸洗，其中冷轧退火温度900-1050℃，控制不锈钢的晶粒度为6-8级，表面粗糙度为0.10-0.50μm。

本发明的铁素体不锈钢化学成分设计的选择原因如下：

C和N：本发明的钢种属于超低碳氮的铁素体不锈钢，因此在本发明中，C和N属于杂质元素，需要尽可能降低其含量。目前冶炼设备在保证生产能力的情况下能够将C和N控制在总量小于0.025％，同时达到C量≤0.015％、N量≤0.015％。降低C和N总量主要是尽可能降低稳定化元素用量，特别是减少Ti的使用，保证产品的表面质量和提高晶间腐蚀性能。同时降低C和N含量还可以发挥铁素体钢无间隙化来提高材料成型性能，本发明中优选C≤0.010％、N≤0.010％。

Cr：是提高耐蚀性和强度的主要合金元素。Cr提高不锈钢在氧化性酸中耐蚀性，以及提高其在氯化物溶液中的耐应力腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀能力。Cr还能够提高钢的强度，但过高降低钢的塑性，对成型和焊接性不利，过低则不利于提高其腐蚀性能，选择其范围16.5-19.0％，优选17.0-18.5％。

Si：加入到钢中起到脱氧和改善耐蚀性的作用，过低不利于脱氧作用，一般大于0.2％，如果大于0.6％，对常温下成型不利，考虑到整体性能，选择范围0.20-0.60％，优选0.25-0.45％。

Mn：弱奥氏体元素，Mn可以抑制不锈钢中硫的有害作用，提高热塑性，但过低不利于提高其热塑性，也不利于提高常温下的成型性能，过高不利于保证其耐腐蚀性，本发明中选择其范围0.20-0.80％，优选0.25-0.50％。Mn还具有与Si类似的脱氧作用，但由于过高不利于保证耐腐蚀性，优选同时控制一定地Mn/Si比，一般0.8-1.4之间比较好，主要有利于提高材料的酸洗效果。

Ti和Nb：Ti和Nb主要用于防止钢中Cr和C结合形成铬碳化物而引起的Cr浓度降低导致耐腐蚀性降低，特别是引起晶间腐蚀，Ti还可以与钢中S结合形成TiC₂S化合物以防止MnS所引起的点蚀。Ti和Nb还可以提高不锈钢的室温和高温强度，提高铁素体不锈钢的抗疲劳和冷成型性及焊接性，但对钢的脆性转变温度不利。Ti与N形成的氮化物(TiN)作为夹杂物会影响钢的表面和内在质量，Nb与N形成的氮化物(NbN)还会降低钢的热塑性。申请人发现，Ti含量大于0.05％时效果明显，但过多会产生表面缺陷，如果超过0.30％，连铸过程中形成的TiN还容易附着在连铸坯表面，也不利于保证材料表面质量，并且还会增加修磨量，最终会影响到成品的腐蚀性能。申请人还发现，Nb含量大于0.10％时效果明显，但超过0.40％会因Nb过多导致形成粗大的Fe₂Nb，不利于材料成型性能，且增加成本。综合考虑到所控制的C和N含量，本发明可选择其中的一种作为稳定化添加元素，控制其添加量如下：

Nb单稳定：0.20-0.40％；或

Ti单稳定：0.15％≤Ti且8×(C+N)≤Ti≤0.30％。

本发明还可以选择同时添加Nb和Ti稳定C和N元素，但双稳定时，因为Ti与N结合作用比Ti与C结合作用强，而Nb与C结合作用强于Nb与N的结合作用，这样，Ti和Nb双稳定化钢中的Ti稳定N，Nb稳定C，可各自按照氮化物和碳化物化学当量比加入。而且，由Nb和对TiN而言过剩的Ti把C稳定，还可以更好改善Ti或Nb单稳定钢的晶间腐蚀性能，即提高铁素体不锈钢在排气系统冷端的耐晶间腐蚀腐蚀性能。采用Nb和Ti共同添加时，既要保证发挥稳定化元素稳定作用，提高腐蚀性能，还要尽可能降低成本以及避免影响成型性，为达到上述目的，申请人发现应控制其添加量如下：

Nb和Ti双稳定：Nb+Ti≤0.40％，且10×(C+N)≤0.5Nb+Ti≤15×(C+N)以及Nb/Ti＝1.0-1.5。

Mo：Mo主要提高耐氯离子腐蚀性能，提高还原性介质中腐蚀性能，加入Mo会提高材料成本，申请人发现，通过稳定化元素及其它元素作用，合金设计时采用Mo 0.4-1.5％且满足18.5％≤Cr+3Mo≤22％，能够在降低材料成本的同时提高耐腐蚀性能，优选Mo 0.50-1.20％且满足18.5％≤Cr+3Mo≤22％。

Ca：通过Ca处理，可以使Ca脱氧形成CaO并且与钢液中的Al₂O₃、MgO、SiO₂等夹杂物形成复合型夹杂物CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃，该复合型夹杂物具有一定高温塑性，有利于高温轧制变形破碎，改善成品材料的成型性能。适量的Ca也有利于促进脱硫，降低S含量，避免因S与Mn反应形成MnS，影响点蚀性能。申请人发现，Ca过低不能起到作用，过高会以夹杂物形式存在，恶化材料性能，本发明中合适的添加量为0.0010-0.0050％。

Cu：Cu通常来源于不锈钢废钢中，加入铜可以改善腐蚀性能，但加入铜既增加材料成本，同时也导致废钢管理成本增加，在满足耐腐蚀性能条件下，不添加Cu，但控制残余Cu不超过0.2％。

Ni：Ni在铁素体不锈钢中属于控制元素，尽可能减少Ni的含量，只要总量不超过0.30％，通常不会影响使用性能。

Al：Al通常作为不锈钢炼钢脱氧剂使用，但过高会导致Al氧化物形成造成韧性降低并影响产品表面质量，实际生产中比较难以控制实际加入量。合金中含有较高的Si时，可以不用Al脱氧。本发明的不锈钢采用Si脱氧，因此申请人控制Al≤0.010％，优选Al≤0.006％。

O：O是钢中的杂质元素之一，主要以形成的氧化物夹杂形式存在，较高的O表明夹杂物较高。降低钢中O含量就可以确保钢中夹杂物含量较低，有利于提高成型性和点蚀性能。在本发明中，申请人发现控制钢中O≤0.0050％可以确保不锈钢具有较高的冲压成型性能和抗点蚀性能。

P和S：铁素体不锈钢中磷和硫会严重影响不锈钢的耐蚀性和加工性能，必须严格控制，一般希望控制在P≤0.035％，S≤0.003％。

本发明与现有技术相比具有的优点是：

(1)本发明的铁素体不锈钢和现有技术中的同类产品相比具有相当的强度、硬度等力学性能，但成型性和延伸率更佳；

(2)本发明的铁素体不锈钢的耐腐蚀性优于现有技术中的同类产品；

(3)本发明所提供的铁素体不锈钢的制造方法既可以保证深冲加工性能又有利于提高耐腐蚀性能，获得综合性能满足要求的冷轧不锈钢产品；

(4)本发明所使用的材料合金成本低，具有重大的经济效益。

具体实施方式

表1为试验钢种的化学成分，其中1-7为本发明钢种，8-10为对比钢种。

利用电炉冶炼，并利用AOD脱碳、VOD脱氧精炼获得满足表1成分设计要求的连铸坯，连铸坯加热到1050-1150℃保温2-4小时，采用连轧机轧制获得热轧板卷，热轧板卷经连退、酸洗、冷轧、冷退酸洗获得所需要的冷轧板，所有试验钢种均取自于冷轧酸洗退火板。

表2为本发明钢种和对比钢种的力学性能和耐腐蚀性能比较。其中，力学性能检测屈服强度、抗拉强度、延伸率、硬度和成型性(r值)。耐腐蚀性能测定点蚀点位和均匀耐腐蚀性能。

点蚀点位测量利用动电位法测量不锈钢在中性3.5％氯化钠溶液中的点蚀电位。实验中取3个平均值计算最终结果。

试样的均匀耐腐蚀性能采用表3的浓缩液实验成分，试样加热到400℃保温5小时，然后将试样浸泡在80℃的冷凝液中，待冷凝液完全蒸发后，清洗试样和烧杯，重复进行10个周期，测量试样失重，比较不同合金的均匀耐腐蚀性能。

从表2的结果可以看出，本发明的铁素体不锈钢具有同对比钢种相当的强度、硬度等力学性能，同时本发明钢种与深冲成型性有关的参数(r值)明显好于对比钢种，延伸率也优于对比钢种，这主要是一方面稳定化可以更好地固定C和N，避免大型Cr的碳化物析出，同时，降低总O含量和Ca处理可以改善夹杂物结构(即对Al₂O₃夹杂进行变性处理)，减少MnS夹杂物，提高材料的使用性能。

本发明的铁素体不锈钢的抗点腐蚀性能有明显改善，r值也明显提高，不仅提高了材料的加工成型性能，还可以提高汽车尾气系统的使用寿命，具有广阔的应用前景。

Claims (9)

1.一种铁素体不锈钢，其成分质量百分比为：

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≤0.19、Al≤0.010、Cu≤0.2、稳定化元素，余量为Fe和不可避免的杂质，其中Cr、Mo、C和N还同时满足18.5≤Cr+3Mo≤22和C+N≤0.025；

所述稳定化元素选自：

(1)Nb，其质量百分比为0.20-0.40，

(2)Ti，其质量百分比为0.15≤Ti，且8×(C+N)≤Ti≤0.30，或

(3)Nb和Ti，其质量百分比为Nb+Ti≤0.40，且10×(C+N)≤0.5Nb+Ti≤15×(C+N)以及Nb/Ti＝1.0-1.5。

2.如权利要求1所述的铁素体不锈钢，其特征在于，以下成分质量百分比为：

Si 0.25-0.45、Mn 0.25-0.50、Cr 17.0-18.5以及Mo 0.50-1.20。

3.如权利要求1所述的铁素体不锈钢，其特征在于，C≤0.010、N≤0.010以及Al≤0.006。

4.如权利要求1所述的铁素体不锈钢，其特征在于，选自O、Ni、Al和Cu的一种或多种元素的含量为0。

5.如权利要求1所述的铁素体不锈钢，其特征在于，O、Ni、Al和Cu的含量均为0。

6.如权利要求1-5任何一项所述的铁素体不锈钢，其特征在于，Mn/Si＝0.8-1.4。

7.如权利要求1-5任何一项所述的铁素体不锈钢，其特征在于，所述不可避免的杂质的总量≤0.05。

8.如权利要求6所述的铁素体不锈钢，其特征在于，所述不可避免的杂质的总量≤0.05。

9.如权利要求1-8任何一项所述的铁素体不锈钢的制造方法，包括：

(1)炼钢，通过电炉炼钢、AOD脱碳、VOD脱氧三步法炼钢并在VOD结束后进行喂硅钙钡丝和钛丝处理，获得满足成分要求的钢液；

(2)连铸，通过控制连铸过程拉速0.9-1.1m/min、加强电磁搅拌电流1000-1600安培，获得等轴晶比例不低于50％的连铸坯； 

(3)带温表面修磨，起始温度不低于360℃，终了温度不低于200℃；

(4)热轧，首先在1050-850℃进行5-7道次粗轧，并去除表面氧化皮，获得粗轧坯，然后在980-850℃进行5-7道次精轧、冷却和卷取获得热轧板卷；

(5)退火酸洗，其中热轧退火温度850-980℃；

(6)冷轧，控制轧制压下率60-80％；

(7)退火酸洗，其中冷轧退火温度900-1050℃，控制不锈钢的晶粒度为6-8级，表面粗糙度为0.10-0.50μm。