CN102650022A - 一种客车车辆用不锈钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种客车车辆用奥氏体不锈钢，其质量百分比化学成分为：C≤0.03％，Si：0.3-0.9％，Mn：0.6-1.5％，Cr：16.0-18.0％，Ni：5.5-7.5％，N：0.1-0.22％，Cu：0.1-0.6％，P≤0.040％，S≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，同时Md：20-45℃。其制造方法，包括：制备钢锭或板坯；然后经加热炉加热到1210-1270℃，加热时间在1-2分钟/mm之间；经过900-1200℃范围内的热变形后轧制成带钢或平板；进行1050-1150℃温度范围内的固溶处理和酸洗，热处理时间根据每毫米厚度3-5分钟确定；接着进行冷轧，冷轧后一定要保证80％的奥氏体转变成形变马氏体，冷轧总压下量一般为60％-80％，控制冷轧过程中材料的温度不高于45℃。
Description
技术领域
本发明涉及奥氏体系不锈钢，特别是作为火车客车、地铁车辆等车体用的不同强度等级奥氏体系不锈钢及其制造工艺。
背景技术
用作客车和地铁车辆的材料主要有铝合金和不锈钢。随着人们安全意识和环保意识的不断增强，不锈钢用作车体材料受到越来越多的青睐。不锈钢用作车体材料具有高强度、高耐蚀性，板型平直度好，加工性能优良和防火等特点。目前国内外用作不锈钢客车和地铁车辆的材料多为亚稳定奥氏体不锈钢00Cr17Ni7型，日本标准为SUS301L，欧洲标准为EN1.4318，化学成分范围如表1所示。经过调质轧制可以获得不同的强度等级以满足车体不同部位对强度的要求，按抗拉强度逐渐增大有LT(Low Tensile strength)、DLT(Dead-lite Tensile strength)、ST(SpecialTensile strength)、MT(Middle Tensile strength)和HT(High Tensilestrength)5个等级，在JIS G 4305-2005标准中规定了屈服强度、抗拉强度和延伸率的下限，除此之外，车辆制造厂的采购标准中还规定了各个强度等级的上限，具体如表2所示。这样不锈钢车辆的回收利用系统也得以简化，不需要将车辆的各个部分分开处理。实际生产中由于每炉钢的化学成分不同特别是氮含量，相同的调质轧制后会有不同的性能，因而就要经常根据冶炼成分调整调质轧制的压下量以满足各个强度等级范围的要求。因此，车辆用不锈钢材料的组织生产难度大，而且产品合格率比较低，为了满足订货合同需要高的投料比，形成很大的库存压力。
表1车辆用奥氏体不锈钢的化学成分(％)
| 牌号 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | N |
| SUS301L | ≤0.03 | ≤1.00 | ≤2.0 | ≤0.045 | ≤0.030 | 16.00-18.00 | 6.00-8.00 | ≤0.20 |
| EN1.4318 | ≤0.03 | ≤1.00 | ≤2.0 | ≤0.045 | ≤0.015 | 16.50-18.50 | 6.00-8.00 | 0.10-0.20 |
| 00Cr17Ni7 | ≤0.03 | ≤1.00 | ≤2.0 | ≤0.040 | ≤0.030 | 16.00-18.00 | 6.00-8.00 | ≤0.20 |
表2：车辆用奥氏体不锈钢的力学性能
其中LT：Low Tensile strength，DLT：Dead-lite Tensile strength，ST：Special Tensile strength，MT：Middle Tensile strength。
韩国专利KR960006021B公开了一种客车车辆或地铁用不锈钢，其成分与日本标准相同，其生产工艺如下所示。
热轧→退火酸洗→冷轧→1050-1150℃的退火酸洗→调质轧制→平整
《铁道车辆用不锈钢00Cr17Ni7冷轧板开发》(《山西冶金》，2004年第4期，P47-48)公开了太钢和日本不锈钢企业各个强度等级钢的调质轧制工艺如表3所示。该文献没有提到具体的生产工艺，但提到要添加合金元素铌，提高耐晶间腐蚀能力并延长调质处理后碳化物析出时间。
表3太钢及日本不锈钢企业公布的调质工艺
| 项目 | LT | DLT | ST | MT | HT |
| 冷轧变形率，％ | 固溶态 | 2-7 | 5-11 | 9-16 | 21-24 |
| 日本经验，％ | 1.5 | 6.0 | 9.5 | 16 | 21 |
发明内容
本发明的目的在于提供一种客车车辆用奥氏体不锈钢。本发明通过合理的成分设计使固溶处理后的奥氏体不锈钢为亚稳态，利用相变强化和晶粒细化的共同作用，使产品的强度满足客车车辆用钢各个强度等级的范围要求，从而省去调质轧制这一工序，避免调质轧制工艺要根据冶炼成分而变动的麻烦，提高各强度等级产品的命中率，减小投料比。
为了实现上述目的，本发明的钢种成分(质量％)为：C≤0.03％，Si：0.3-0.9％，Mn：0.6-1.5％，Cr：16.0-18.0％，Ni：5.5-7.5％，N：0.1-0.22％，Cu：0.1-0.6％，P≤0.040％，S≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，Md：20-45℃。
为了保证组织在固溶处理后为亚稳态奥氏体，成分设计时除了满足上述范围外，还要满足Md30在20-45℃之间，控制Md30的目的是保证钢在固溶态为奥氏体，经一定量的冷变形后至少80％的奥氏体可以转变为形变马氏体。其中Md30的计算公式如下：
Md30＝413-9.5(％Ni)-13.7(％Cr)-8.1(％Mn)-9.2(％Si)-18.5(M)-462(％C+％N)
式中Md30的温度单位是℃，等式右边括弧内是各元素含量的重量百分数，Md30表示真应变量30％的冷变形后生成50％形变马氏体的温度。
优选地，C：0.01-0.025％。
优选地，Si：0.5-0.7％。
优选地，Mn：1.0-1.1％。
优选地，Cr：16.5-17.5％。
优选地，Ni：6.0-7.0％。
优选地，N：0.10-0.20％。
本发明不锈钢中各合金化元素的作用如下：
C是一种间隙元素，通过固溶强化可显著提高钢的强度，形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体区。但在一些条件下C与钢中的铬结合形成高铬的Cr23C6型碳化物，使钢的耐蚀性特别是耐晶间腐蚀性能下降。本发明中C含量控制在0.03质量％或更少。优选地，C为0.01-0.025％。
Si是一种脱氧元素，但可显著提高钢在固溶态的晶间腐蚀敏感性。因此，本发明中Si含量控制在0.3-0.9质量％。优选地，Si为0.5-0.7％。
Mn是强烈稳定奥氏体的元素，可以提高钢的强度并改善钢的热塑性。但过量的Mn降低成型性和焊接性。因此，本发明中Mn含量控制在0.6-1.5质量％。优选地，Mn为1.0-1.1％。
Cr是奥氏体不锈钢中强烈形成并稳定铁素体的元素，缩小奥氏体区。但铬提高钢耐氧化性介质和酸性氯化物介质的性能，但过量的Cr造成不锈钢的脆性。因此，本发明中Cr含量控制在16.0-18.0质量％。优选地，Cr为16.5-17.5％。
Ni是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素。随着镍含量的增加，钢的强度降低而塑性提高，有利于冷加工成形性能。但镍使钢的抗高温硫化性能降低。因此，本发明中Ni含量控制在5.5-7.5质量％。优选地，Ni为6.0-7.0％。
N作为间隙元素一般用来提高奥氏体不锈钢的强度，也可以提高钢的耐腐蚀性能，在本发明中主要是用来提高钢的塑性。但N含量超过0.22％以后降低钢的热、冷加工性及冷成形性。因此，本发明中N含量控制在0.1-0.22质量％。优选地，N为0.10-0.20％。
Cu含量小于1％时对组织没有明显的影响。在本发明中主要用来改善钢的冷成形性，在大变形量的冷轧过程中不致产生边部开裂等缺陷。本发明中Cu含量控制在0.1-0.6％。
P和S均为不可避免的杂质元素，但对性能有不利的影响，应控制在P≤0.04质量％和S≤0.03质量％。
本发明的另一个目的是提供一种客车车辆用奥氏体不锈钢的制造工艺。
本发明的制造工艺如下，包括热轧、退火酸洗、促使80％奥氏体转变成形变马氏体的冷轧和短时快速退火热处理酸洗。
热轧→退火酸洗→80％奥氏体转变成形变马氏体的冷轧→短时快速热处理和酸洗→平整
首先，制备出满足上述化学成分要求的钢锭或板坯，成分不仅要在上述要求的范围内，还要满足Md30在20-45℃之间。然后经加热炉加热，温度范围为1210-1270℃，加热时间由钢锭或板坯厚度决定，按照1-2分钟/mm的原则确定，即保证加热均匀且不产生一些表面质量缺陷。其次经过900-1200℃范围内的热变形后轧制成带钢或平板，而后进行1050-1150℃温度范围内的固溶处理和酸洗，热处理时间根据每毫米厚度3-5分钟/mm确定。接着进行冷轧，冷轧后一定要保证80％的奥氏体转变成形变马氏体，冷轧总压下量一般为60％-80％，注意控制冷轧过程中材料的温度不要高于45℃，否则应使材料温度降至45℃以下再冷轧，以确保形变马氏体的生成。最后经短时快速热处理后酸洗，不同强度等级钢的生产工艺如表4所示，最后即可得到车辆用不同强度等级的奥氏体不锈钢。最后的短时热处理主要是促使形变马氏体向奥氏体转变，生成具有不同晶粒度级别的超细奥氏体，使塑性大幅度提高的同时强度没有明显降低，这样也可使不同强度等级钢的生产容易控制。
表4不同强度等级钢的生产工艺
具体实施方式
本发明实施例的化学成分参见表5，各工序的工艺参数如表6，各强度级别的热处理退火工序的工艺参数见表7-10。其中C≤0.03％，Si：0.3-1.0％，Mn：0.6-1.5％，S≤0.030％，P≤0.040％，Cr：16.0-18.0％，Ni：5.5-7.5％，N：0.1-0.22％，Cu：0.2-0.6％，并且满足Md30在20-45℃之间。实施例的力学性能见表11所示。
表5实施例的化学成分
| 实施例 | C | Si | Mn | Cr | Ni | N | Cu | Md30 |
| 1 | 0.014 | 0.5 | 1.0 | 16.5 | 6.8 | 0.18 | 0.1 | 20 |
| 2 | 0.010 | 0.7 | 1.1 | 17.1 | 6.8 | 0.15 | 0.3 | 25 |
| 3 | 0.018 | 0.5 | 1.0 | 17.0 | 6.3 | 0.15 | 0.4 | 30 |
| 4 | 0.02 | 0.5 | 1.02 | 17.21 | 6.91 | 0.10 | 0.5 | 42 |
| 5 | 0.025 | 0.5 | 1.0 | 16.5 | 6.1 | 0.13 | 0.6 | 45 |
表6各工序的工艺参数
| 实施例 | 加热温度 | 热轧变形温度 | 固溶处理温度 | 冷轧压下量 |
| 1 | 1210℃ | 900℃ | 1050℃ | 60％ |
| 2 | 1230℃ | 1000℃ | 1080℃ | 70％ |
| 3 | 1250℃ | 1050℃ | 1100℃ | 65％ |
| 4 | 1260℃ | 1150℃ | 1100℃ | 75％ |
| 5 | 1270℃ | 1200℃ | 1150℃ | 80％ |
表7LT强度级别热处理工艺参数
| 序号 | 热处理温度，℃ | 热处理时间，秒 |
| 1 | 980 | 100 |
| 2 | 990 | 80 |
| 3 | 1000 | 60 |
| 4 | 1015 | 50 |
| 5 | 1030 | 10 |
表8：DLT强度级别热处理工艺参数
| 序号 | 热处理温度，℃ | 热处理时间，秒 |
| 1 | 880 | 100 |
| 2 | 900 | 80 |
| 3 | 910 | 60 |
| 4 | 920 | 40 |
| 5 | 930 | 20 |
表9：ST强度级别热处理工艺参数
| 序号 | 热处理温度，℃ | 热处理时间，秒 |
| 1 | 780 | 100 |
| 2 | 800 | 80 |
| 3 | 810 | 70 |
| 4 | 820 | 40 |
| 5 | 830 | 10 |
表10：MT强度级别热处理工艺参数
| 序号 | 热处理温度，℃ | 热处理时间，秒 |
| 1 | 680 | 100 |
| 2 | 690 | 80 |
| 3 | 700 | 70 |
| 4 | 710 | 30 |
| 5 | 730 | 10 |
表11实施例的力学性能
| 强度等级 | 屈服强度(MPa) | 抗拉强度(MPa) | 延伸率(％) |
| LT-1 | 310 | 745 | 52 |
| LT-2 | 310 | 740 | 53 |
| LT-3 | 300 | 730 | 54 |
| LT-4 | 305 | 735 | 53 |
| LT-5 | 305 | 747 | 54 |
| DLT-1 | 465 | 800 | 45 |
| DLT-2 | 465 | 800 | 46 |
| DLT-3 | 455 | 790 | 48 |
| DLT-4 | 460 | 795 | 47 |
| DLT-5 | 480 | 800 | 46 |
| ST-1 | 540 | 835 | 43 |
| ST-2 | 545 | 830 | 42 |
| ST-3 | 560 | 850 | 42 |
| ST-3 | 550 | 840 | 42 |
| ST-4 | 565 | 830 | 40 |
| MT-1 | 625 | 885 | 39 |
| MT-2 | 625 | 880 | 39 |
| MT-3 | 630 | 870 | 37 |
| MT-4 | 620 | 860 | 36 |
| MT-5 | 625 | 880 | 38 |
从实施例的力学性能可以看出，各个强度等级钢的力学性能均满足客车车辆用钢的强度范围要求，而且延伸率远高于标准要求。从实施例和现有技术对比可以得出本发明具有以下优点：
本发明技术比原有的生产工艺节省了一个调质轧制工艺，不用根据化学成分的变化调整调质轧制的压下量，生产过程容易控制，可以提高各强度等级产品的合格率，减小生产投料比。
本发明制备的各强度等级材料比现有技术制备的相应材料的延伸率高，便于车辆制造单位的加工使用。
本发明冷轧后退火工序的温度低，时间短，可以节省大量的能源，符合国家节能降耗的发展要求。
Claims (10)
1.一种客车车辆用奥氏体不锈钢，其质量百分比化学成分为：C≤0.03％，Si：0.3-0.9％，Mn：0.6-1.5％，Cr：16.0-18.0％，Ni：5.5-7.5％，N：0.1-0.22％，Cu：0.1-0.6％，P≤0.040％，S≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，同时Md：20-45℃。
2.如权利要求1所述的客车车辆用奥氏体不锈钢，其特征在于，C：0.01-0.025％，Si：0.5-0.7％，Mn：1.0-1.1％，Cr：16.5-17.5％，Ni：6.0-7.0％，N：0.10-0.20％。
3.如权利要求1或2所述的客车车辆用奥氏体不锈钢的制造方法，包括：
制备出满足上述化学成分要求的钢锭或板坯；
然后经加热炉加热，温度范围为1210-1270℃，加热时间由钢锭或板坯厚度确定，为1-2分钟/mm；
再经过900-1200℃范围内的热变形后轧制成带钢或平板；
进行1050-1150℃温度范围内的固溶处理和酸洗；
接着进行冷轧，冷轧后一定要保证80％的奥氏体转变成形变马氏体，冷轧总压下量一般为60％-80％，控制冷轧过程中材料的温度不高于45℃。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，当冷轧前温度高于45℃时，应使材料温度降至45℃以下再冷轧，以确保形变马氏体的生成。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，固溶处理时间根据每毫米厚度3-5分钟确定。
6.如权利要求3-5任一所述的方法，其特征在于，制造LT等级钢时，冷轧后在980-1030℃热处理10-100秒。
7.如权利要求3-5任-所述的方法，其特征在于，制造DLT等级钢时，冷轧后在880-930℃热处理10-100秒。
8.如权利要求3-5任一所述的方法，其特征在于，制造ST等级钢时，冷轧后在780-830℃热处理10-100秒。
9.如权利要求3-5任一所述的方法，其特征在于，制造MT等级钢时，冷轧后在680-730℃热处理10-100秒。
10.如权利要求3-9任一所述的方法制造的客车车辆用奥氏体不锈钢，其屈服强度≥300MPa，抗拉强度≥730MPa，延伸率≥35％。
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