CN102741432B - 机械强度局部变化的不锈钢 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及一种不锈钢钢板，该钢板中包含：最少10.5％重量的Cr以及最多1.2％重量的C，钢板的微结构为马氏体或奥氏马氏体，并且包括至少2％体积的马氏体，所述钢板的特征在于，包含至少一个具有较低机械强度的局部部分，该局部部分马氏体的比例比钢板其它部分至少低10％；其中，所述局部部分至少部分地方的厚度与钢板的厚度相同。本发明还涉及制造此类钢板的方法以及通过将此类钢板进行形变而获得的钢材部件。

Description

机械强度局部变化的不锈钢

技术领域

本发明涉及不锈钢钢板的造型，特别是具有高机械强度的不锈钢钢板的造型。

背景技术

由于具有优异的抗腐蚀性，所以不锈钢钢板在汽车、建筑以及一般工业领域中广泛地使用。在应用的范围内，通常将钢板造型为例如型材、方管、缓冲器粱、纵粱或门框等形状而使用。这些造型通常由弯曲、型面加工和冲压来实现。

由于抗断裂的提高会使断裂的延伸迅速减少，因此在这些应用中，具有高机械强度(高于780MPa)的不锈钢型号的使用变得非常困难。这种现象源自以下几个缺陷：

-最小弯曲半径一般大于钢板厚度的两倍(最高达六倍)，同时最佳弯曲角度不超过120°，这样不利于制作曲率半径较小的钢管；

-弹性变形还原率太高，较难进行成型焊接；

-限制在形变区中的剩余延伸源自在动力载荷时的脆性断裂，典型速度在1到1000s-1范围内，相当于撞击时的形变速度。

一种解决方案是对成型区域进行局部处理以有助于形变。US5,735,163号专利也描述了一种对成型前坯件局部硬化的坯件成型的方法。硬化是由高密度的能量供料所产生。由此出现的升温导致局部微观结构的马氏体或贝氏体的变化，这导致局部提高了机械强度。在冲压的情况下，与形变方向平行的硬化线的形成可以避免难于冲压的型号的断裂。在弯曲的情况下，与待弯曲处理的坯件的外侧上形成的马氏体或贝氏体有关的结构变化产生局部的压缩应力。弯曲时该应力部分地抵消由弯曲而产生的拉力，由此限制弹性变形还原率。

通过减小弹性变形还原率，该方法只能解决以上出现的问题。此外，通过产生的局部硬化，该方法只能应用于具有高机械强度的钢材，这就使加工变得更困难。最后，该方法要求使用能够在淬火、退火后承受马氏体或贝氏体相变的钢材，实际上这将其的使用限定在碳锰钢上。

发明内容

本发明旨在使具有高机械强度的不锈钢钢板的成型变得容易。其设计和制造均为克服前文中所描述的缺陷以及获得其它的优点。

因此，本发明的首要目的是提供一种包含最少10.5％重量的Cr和最多1.2％重量的C的不锈钢钢板，该不锈钢钢板的微观结构呈马氏体或奥氏马氏体，并且包括至少2％体积的马氏体。这种钢板的主要特点在于包含至少一个具有较低机械强度的局部部分，该局部部分的马氏体比例比所述钢板其它部分的马氏体比例至少低10％；所述局部至少部分的厚度与所述钢板的厚度相同。

根据本发明的厚度为e的钢板还可以包括单独或组合获得的以下可选特征：

-较低机械强度的局部部分在所述钢板的表面上具有包括在e至25e之间的宽度。

-钢板断裂的机械强度在所述局部部分之外大于或等于850MPa。

-获得较低机械强度的局部部分的方法为：

°通过对均匀机械强度的马氏体或奥氏马氏体的不锈钢板的局部的热处理。

°通过对均匀机械强度的马氏体或奥氏马氏体的不锈钢钢板的差别化冷锻。

-较低机械强度的局部部分的马氏体比例比钢板其它部分的马氏体比例至少低2倍，并且优选地至少比钢板其它部分的马氏体比例至少低4倍。

因此将理解提出的技术问题的解决方案包括对钢板的区域进行局部处理，以降低其机械强度从而有助于形变。

本发明的第二个目的构成一种根据本发明的钢板的制造方法，其中主要包括以下步骤：

-采购奥氏体、马氏体或奥氏马氏体的钢板，所述钢板为包含最少10.5％重量的Cr和最多1.2％重量的C的不锈钢；

-对所述钢板的全部或局部在需要时进行冷锻；

-至少对所述钢板的局部部分进行处理以获得较低机械强度的局部部分，该较低机械强度的局部部分的马氏体比例比所述钢板的其它部分的马氏体比例至少低10％；所述局部部分至少部分地方的厚度与所述钢板的厚度相同。

根据本发明的方法还可包括以下的可选特征：

-获得较低机械强度的局部部分：

°对均匀机械强度的马氏体或奥氏马氏体钢板进行局部热处理，热处理是由激光器、感应、电子束或滚焊导致的升温形成的；

°对均匀机械强度的奥氏体或奥氏马氏体的钢板进行差别化冷锻。

本发明的第三个目的是构成可以通过根据本发明的钢板或根据本发明所述方法获得的钢板的形变所获得的钢材部件，所述形变在较低机械强度的至少所述局部部分之一中出现。

根据本发明的部件还可以包含以下可选特性：

-可通过对较低机械强度的至少所述局部部分之一进行弯曲、型面加工或冲压而获得；

-可通过对根据本发明的钢板或根据本发明方法获得的钢板进行切割而获得；

-可用于制造耐动力载荷的金属结构。

本发明其它特性和优点将通过阅读以下说明而变得明显。

术语2H、C700至C1300(冷锻状态)、1E、1D、2B、2D、2R和2E(退火状态)特别涉及限定相关钢板交付的制造范围和技术条件的标准(对于不锈钢而言是NF EN 10088-1和-2标准)。C1500表示确保机械强度大于1500MPa的2H型冷锻制造的范围。

本发明所考虑的不锈钢钢板的特征在于其机械强度。该机械强度一方面受到添加元素的控制，而另一方面受到钢板可以承受的热处理和机械处理的控制。

添加元素限定了所要考虑的钢板的基本型号，则因此也就确定了其固有的机械强度。在本发明的范围内，涉及奥氏体结构的不锈钢，钢板包括的重量百分比为：

-10.5≤Cr≤20

-0.005≤C≤1.2

-0.005≤N≤2

-0.6≤Ni≤15

-0.1≤Mn≤15

-0.1≤Mo≤5

-0.1≤Cu≤3

-0.05≤Si≤3

-0.0001≤Ti≤1

-0.0001≤Nb≤1

组成中的其它部分还包含铁以及冶炼过程中不可避免的杂质。

另外，还涉及包括以下关系的成分：

-1.48＜Cr_eq/Ni_eq＜2.2，并且

Cr_eq＝％Cr+1.37％Mo+1.5％Si+2％Nb+3％Ti

Ni_eq＝％Ni+0.31％Mn+22％C+14.2％N+％Cu

-α’(30/20)＞0，其中α’由下述关系限定：

α’(30/20)＝374.05-3.73％Cr-23.03％Ni-503.11％C-161.07％N-21.55％Mn

该组成的特征在于奥氏体不锈钢，该奥氏体不锈钢凝固成初生铁素体，并且形变后包含一定量的非零冷锻马氏体。即便大部分为奥氏体构成，常规的奥氏体型号中也含有因凝固而出现的剩余铁素体痕迹以及因压延操作而产生的马氏体的痕迹。

由此，单一或复合的热处理和机械处理允许改变一定范围内的机械强度。

本发明特别考虑两种可能的变化：

-对钢板整体进行均匀机械处理，随后进行局部热处理；

-对钢板整体进行非均匀机械处理。

在这两种情况中，机械特征的变化，一方面指的是考虑的钢板承受相变的能力，另一方面指的是考虑的钢板承受位错密度变化的承受能力。

在第一种面对的变化情形下，对钢板整体进行的均匀冷锻(制造范围2H：C700到C1500)，引起从奥氏体向马氏体的部分转变，而且还可能引起由位错网密度增加导致的奥氏体硬化。这种冷锻允许达到远远大于780Mpa的机械强度，达到在1D、1E、2B、2D、2E、2R型的退火不锈钢上所能达到的最大值。由此冷锻的钢板呈现奥氏马氏体结构，也就是说在常温条件下为奥氏体和马氏体的混合体，马氏体的体积分数最小为2％。在第二阶段中，对待形变的区域进行的局部热处理引起马氏体到奥氏体的部分逆转，并且可能引起由位错数量减少而导致的奥氏体软化。热处理允许局部降低钢板的机械强度。这样便获得了较低机械强度的区域。该机械强度可以降至500MPa，在退火奥氏体不锈钢所能达到的最小值。实现热处理的方法很多，其中包括由激光、感应、电子束或滚焊等方法实现热处理。无论使用何种技术，热处理特别包括使马氏体向奥氏体转变的起始温度以上的温度的提升，这种温度的提升称为马氏体逆转温度。该温度随着考虑的型号而变化，但处于本发明的范围内，并且覆盖所有奥氏体型号，该逆转温度高于550℃。热处理、加热、保持和冷却的时间取决于钢板的型号、厚度以及采用的工艺：时间长度必须预先确定，并且允许马氏体的体积分数以及实际的位错密度最少降低10％。该最少降低值允许我们摆脱冷锻工艺中的固有局部变化。在钢板的表面处以及不超过0.5e厚度的局部熔化是可以接受的。经过热处理的区域要通过自动冷却进行淬火，热量会被传送到相邻区域。此现象消除了淬火参数控制从而获得根据本发明的钢板。

在第二种面对的变化情形下(非均匀机械处理)，借助于结构的轧辊来实施冷锻。借助于光面轧辊通常实现不锈钢的冷锻。在所述情况中，辊轮上要刻上纹路或开槽，以便使冷锻钢板的某些部分能避免这种冷锻，并且由此保存最少冷锻的奥氏体结构。将这种特殊的冷锻称作差别化冷锻。较低机械强度的部分也就由此获得。

不管采用哪种变化，操作条件被控制以满足以下条件：

-较低机械强度的部分为至少局部厚度与钢板的厚度e相同；

-较低机械强度的区域包括后面成型阶段时可以形变的区域。因此，力图包括弯曲半径为钢板厚度的2到6倍的成型区(不依靠本发明的方法，不锈钢的成形情况具有最高的机械强度)。出于该原因，较低机械强度的部分优选的宽度在e到25e之间；

-该部分可以具有各种形状，如线形、曲线形，轮廓线成闭合状，或者还可以与其它较低机械强度的部分形成交叉；

-该部分具有的马氏体比例至少比钢板的其余部分低10％。

通过上述变化中的一种或另一种方法获得的不锈钢钢板上出现较低机械强度的部分的情况允许：

-该钢板最严重弯曲直到180°角而最小弯曲半径仅为钢板厚度的0.5倍；

-便于成型，这是由于预先被确定，因此避免了钢板的滑脱或形变区域的不当定位；

-大大降低型面加工时的弹性还原，该还原值相当于2B、2D、2R、2E、1E、1D型退火不锈钢的还原值；

-减小弯曲力，该弯曲力相当于2B、2D、2R、2E、1E、1D型退火不锈钢的弯曲力，即根据考虑的不锈钢的型号可减小25％到50％。

在根据本发明的不锈钢钢板局部承受了局部热处理的情况下，还注意到由该热处理产生的钢板的轻微着色带来的优点：允许无困难地定位待处理的区域。在根据本发明的不锈钢钢板承受了差别化冷锻的情况下，由于局部部分的不光泽的外观和不同的粗糙度，所以使待形变的区域的定位成为可能。

可以根据本领域技术人员已知的惯用技术使根据本发明的不锈钢钢板成型，其中可以以弯曲、型面加工、冲压作为示例而引述。当该成型时，包含形变区域的更小机械强度的部分承受冷锻。从奥氏体向马氏体的部分转变以及实际上由位错网密度增加而可能产生的奥氏体硬化允许至少在局部上发现钢板的该部分的初始微结构。在存在一个自由中性轴的形变模式的情况下，在根据本发明的钢板的至少一个较低机械强度的区域处成型的钢材部件存在的特征在于，即在自由中性轴旁边会出现马氏体比例小于钢板马氏体比例的区域。可通过剩余应力的测量或马氏体的分数的测量进行该区域的检测。涉及通过中性轴人们可以找到在进行整体形变时不承受局部形变的所有点。

在根据本发明的钢板的较低机械强度的至少一个区域处进行成型的钢材部件允许：

-改善成型区中的静态或动态机械稳定性、最大剩余延伸，以避免出现动态特性(撞击)时产生的脆性断裂；

-通过弹性还原的最小化而有利于钢板的两条边缘之间的焊接。

此外，较低机械强度的局部部分可以不被成型，而是作为出现动力载荷时的优选形变区，典型形变速度如同撞击的速度，在1到1000s^-1之间。

附图说明

为阐明本发明而做了一些试验，并且以非限定性示例，特别是参考图1至图7对这些试验进行介绍：

-图1A示出了根据本发明的钢板在局部热处理之前的微结构，具有电解腐蚀的金相剖面图；

-图1B为图1A的放大图，阴影部分为马氏体，明亮部分为奥氏体；

-图1C示出了根据本发明的钢板在经过局部热处理之后的微结构，具有电解腐蚀的金相剖面图；

-图1D为图1C的放大图，显示未处理区域的细节；

-图1E为图1C的放大图，显示较低强度的局部部分的细节；

-图2示出了在钢板平均厚度上，较低机械强度的部分附近马氏体比例变化情况(A)及该部分的结构(B)；

-图3A示出了根据本发明的具有较低机械强度区域的钢板；

-图3B为图3A中的钢板经过弯曲后制成的部件；

-图4A示出了根据本发明的具有较低机械强度的区域的钢板；

-图4B为图4A中的钢板经过弯曲后制成的部件；

-图5A示出了根据本发明的具有较低机械强度区域的钢板；

-图5B为图5A中的钢板经过冲压后制成的部件；

-图6为利用型面加工线对根据本发明的钢板进行型面加工的示例及获得的部件；

-图7A为根据本发明的钢板的第一种实施方法；

图7B为根据本发明钢板的另一种实施方法。

马氏体比例测量是通过利用铁素体计进行局部磁感应测量而实施的。该测量给出钢板厚度的马氏体体积的平均百分比。这种间接测量要用到根据所述考虑的钢材型号的修正系数。当使用1.4318(301LN)型或1.4310(301)型不锈钢时，该修正系数为1.7。也可以利用电导测量法(饱和磁感应)进行直接测量，而这种方法实现起来约束更多。

具体实施方式

根据图3A，对根据本发明的不锈钢钢板1进行局部处理，以获得4个较低机械强度的线性区域3。根据图3B，在较低机械强度的区域3处弯曲前述的钢板1，以得到轧制成型的钢材部件2。

根据图4A，对根据本发明的不锈钢钢板11进行局部处理，获得一些较低机械强度的线性区域13。根据图4B，在较低机械强度的4个部分13处弯曲前述的钢板11，以获得轧制成型的钢材部件12。在撞击型动力载荷时，未成型的较低机械强度的部分13出现导致轧制成型的钢材部件12的形变的布置。

根据图5A，对根据本发明的不锈钢钢板21进行局部处理，以获得较低机械强度的部分23。根据图5B，在较低机械强度的部分23处对前述钢板21进行冲压，以获得钢材部件22。

根据图6，利用压制成型线34对经对本发明的不锈钢钢板3 1进行局部处理而获得的具有较低机械强度的部分33进行轧制成型处理，以获得压制成型的钢材部件32。

根据图7A，展开钢材卷盘46并且利用激光器45对其进行局部热处理，以得到根据本发明的不锈钢钢板41。本发明的不锈钢钢板41具有4个较低机械强度的线性部分43。

根据图7B，利用激光器55对根据本发明的不锈钢钢板51进行局部热处理，以得到4个较低机械强度的线性部分53。

根据优选的实施方式，使用1.4318(301LN)型不锈钢，对其进行冷锻以使其机械强度Rm(最大常规拉应力)最小为1000MPa(根据EN10088/2标准的2H制造范围的C1000状态)。在该示例中，钢板厚度为0.8毫米，金属包含约45％体积的马氏体和55％体积的奥氏体。

沿着一条线做的局部热处理需要借助一台4kW二氧化碳型激光器来实现。本文所述情形中使用了20％的功率，电源位移为0.85米/分钟(也测试了1米/分钟的情况)，并且焦点位于钢板上表面以上25毫米处。如图2所示，激光处理使我们沿着处理线得到退火后的结构，其马氏体占比小于10％，中心区甚至只有1.5％，与该金属退火后状态(即冷锻前状态2B)很接近。处理线的结构包含奥氏体熔化区和受热影响区，该奥氏体熔化区宽度L_zf为钢板厚度的2-4倍，深度P_zf小于钢板厚度的50％，而受热影响区宽度L_zat为钢板厚度的3-6倍。该区域经受几乎马氏体的全面逆转。这两个识别的区域构成了较低机械强度的部分。

在由此根据本发明处理的C1000钢板以及未经过处理的钢板上实施了弯曲试验。可以发现：对根据照本发明处理的C1000钢板弯曲可以毫无困难地达到180°，如同退火钢板2B一样。相反在未经处理的C1000钢板上，弯曲难以达到90°，同时出现小裂痕，有时即便折断试件也不可以无法达到180°(见表1)。

表1：1.4318型号2B型、C1000冷锻件和C1000经激光热处理的冷锻件弯曲试验

○弯曲正常

出现裂纹 ●样本折断

Claims (12)

1.一种不锈钢钢板，包含：最少10.5%重量的Cr和最多1.2%重量的C，所述钢板的微结构为马氏体或奥氏马氏体，并且包括至少2%体积的马氏体，其特征在于：至少包含较小机械强度的局部部分，所述局部部分的马氏体比例比所述钢板其它部分至少低10%，所述局部部分至少部分地方的厚度与所述钢板的厚度相同。

2.根据权利要求1所述的钢板，所述钢板的厚度为e，所述局部部分在所述钢板的表面具有包括在e至25e之间的宽度。

3.根据权利要求1或2任一项所述的钢板，在所述局部部分以外，所述钢板抗断裂机械强度大于或等于850MPa。

4.根据权利要求1或2所述的钢板，所述较小机械强度的局部部分的获得方式为：

通过对均匀机械强度的马氏体或奥氏马氏体不锈钢钢板进行局部热处理；

通过对均匀机械强度的马氏体或奥氏马氏体不锈钢钢板进行差别化冷锻。

5.根据权利要求1或2所述的钢板，所述较小机械强度的局部部分的马氏体比例至少比所述钢板的其它部分低两倍。

6.根据权利要求4所述的钢板，所述较小机械强度的局部部分马氏体的比例至少比所述钢板其它部分低四倍。

7.一种制造权利要求1至6任一项所述的钢板的方法，包括以下几个步骤：

采购奥氏体、马氏体或奥氏马氏体的钢板，所述钢板为包含最低占10.5%重量的Cr和最高占1.2%的C的不锈钢；

对所述钢板全部或局部进行冷锻，使其微结构中最少2%的体积为马氏体；

对所述钢板进行处理，至少获得所述较小机械强度的局部部分，所述较小机械强度的局部部分马氏体比例比所述钢板其它部分至少低10%；所述局部部分至少部分的厚度与所述钢板的厚度相同。

8.根据权利要求7所述的方法，获得所述较小机械强度的局部部分：

对均匀机械强度的马氏体或奥氏马氏体钢板进行局部热处理，热处理是由激光器、感应、电子束或滚焊导致的升温形成的；

对均匀机械强度的奥氏体或奥氏马氏体的钢板进行差别化冷锻。

9.一种通过对权利要求1至6任一项所述的钢板或根据权利要求7至8中任一项所述的方法制造的钢板进行形变而获得的钢材部件，所述形变在较小机械强度的至少所述局部部分之一中出现。

10.根据权利要求9所述的钢材部件，可通过对较小机械强度的至少所述局部部分之一进行弯曲、型面加工或冲压而获得。

11.一种可通过对权利要求1至6任一项所述的钢板或根据权利要求7至8中任一项所述的方法制造的钢板进行切割而获得的钢材部件。

12.一种权利要求9至11任一项所述的钢材部件的用途，可用来制造耐动力载荷的金属结构。

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