CN103305766B - 一种高强高塑性铁素体不锈钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种高强高塑性铁素体不锈钢及其制造方法，其成分重量百分比为：C0.01～0.07%、Si0.50～0.90%、Mn0.40～1.0%、Al0.005～0.08%、Cr16.0～20.0%、N0.01～0.07%、Ti0～0.3%、V0.032～0.4%、Nb0.04～0.5%、Cu0.08～1.5%、稀土元素Y0.005～0.2%、其余为Fe和不可避免杂质，且，V≥4×N%、Nb≥5×C%、Cu≥1.5×Nb%；该铁素体不锈钢在室温环境下抗拉强度450MPa～650MPa，屈服强度250～400MPa，维氏硬度145～175，延伸率38%～45%；本发明在不降低成型性和耐蚀性的前提下，提高了强度和塑性等力学指标，强度的提高可以降低制品行业所用金属材料的厚度，而塑性的提高对防止金属变形开裂至关重要。

Description

一种高强高塑性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领域，特别涉及一种高强高塑性铁素体不锈钢及其制造方法，该铁素体不锈钢在室温环境下具有非常优良的力学性能，抗拉强度450MPa～650MPa，屈服强度250MPa～400MPa，维氏硬度145～175，延伸率38%～45%。

背景技术

中铬铁素体不锈钢铁在铁素体不锈钢家族中占有非常重要的地位。与低铬铁素体不锈钢相比，它有着更好的耐蚀性，与高铬铁素体不锈钢相比，又有着优良的成型性，因此非常适合于家电、厨卫制品等对耐蚀性和成型性都有一定要求的行业。

以典型的中铬铁素体不锈钢SUS430为例，其在家电等行业的用途已经十分广泛，从微波炉内外壳、洗衣机内桶、电饭煲、电热水器内胆、电热水瓶等种类繁多的家用电器，到洗碗机、烤箱、灶具、消毒碗柜等厨卫设备、餐具、五金产品等，以及其它各种箱、柜、台、架等。我国是一个家电生产大国，但目前主要使用304奥氏体不锈钢和430铁素体不锈钢，而国外如美国和日本则以铁素体钢为主。近年来，随着国际镍价的波动，铁素体不锈钢的成本优势更加突出。因此，在我国铁素体不锈钢尤其是中铬铁素体不锈钢在市场上有着巨大的使用空间。

众所周知，430不锈钢是铁素体不锈钢家族中最为常用的一种中铬铁素体不锈钢，但是，常规430在很多行业的应用又受到了一定的限制，其中有一个很重要的原因是常规430的力学性能不能满足用户的要求，包括强度,硬度和塑性。和常见的奥氏体不锈钢304相比，中铬铁素体不锈钢430的强度，硬度和塑性都明显偏低。当然，由于组织类型的不同，要使中铬铁素体不锈钢达到奥氏体不锈钢的强度和塑性级别，有一定难度，但是通过合金成分的改进和工艺技术的优化，完全可以将中铬铁素体不锈钢的强度和塑性等力学性能的指标级别同时提高，以进一步扩大中铬铁素体不锈钢的应用范围。

目前，国内国外的一些不锈钢生产企业已经看准了高强高塑性铁素体不锈钢的应用前景，纷纷推出相关的一些中铬铁素体不锈钢产品。但是应该看到，无论是从成分上还是工艺上改进，要在提高中铬铁素体强度级别的同时还要提高塑性级别，确实有很多技术难点要攻克。以常用中铬铁素体不锈钢430为例，首先，430一般在退火状态下使用，使用组织为铁素体和碳化物，晶粒度一般为8级左右，因此很难再通过相变和晶粒细化来强化基体。其次，通过添加微合金元素的析出强化效果来提高材料强度和塑性，需要严格控制成分配比，轧制及热处理工艺，工艺输出窗口较窄，生产难度较大。

中国专利CN200710099335.3公布了一种高强高韧性的马氏体不锈钢，其强度达到了1700～1800MPa，该钢化学组成成分为（质量百分数）：C≤0.02%，Si≤0.1%，Mn≤0.1%，S≤0.01%，P≤0.01%，Cr10.0～11.5%，Ni11.7～12.5%，Mo0.5～2.0%，Ti1.2～1.7%，Al0.02～0.5%，其余为Fe。该发明具有低成本、高强度、高断裂韧性、高耐蚀的优点。但是该发明的主体是马氏体不锈钢，由于马氏体组织可以通过高温下奥氏体冷却得到，并产生相变强化，使钢材的强度得到大幅的提高，但是与之相对应的是材料的塑性和韧性大幅下降，因此该发明只能应用在对材料的塑性和韧性要求不是太高的地方，应用范围受到很大的限制。，

中国专利CN99816234.5公布了一种耐延迟断裂性能优良的高强高韧不锈钢，其为一种建筑建材用的可以耐延迟断裂性能和提高韧性的高强高耐蚀不锈钢。该高强高韧不锈钢成分质量百分比为：0.01～0.25%的C、0.05～1.0%的Si、0.1～2.0%的Mn、0.1～3.0%的Ni、11.0～16.0%的Cr、0.01～0.15%的N、0.01～3.0%的Mo，或者还含有0.001～0.005%的B和/或0.05～0.5%的Ti、0.05～0.5%的Nb和0.05～0.5%的W中的一种以上元素，它在材料中心部具有不到10%的铁素体并且从最外表面起至少1微米深的表层部具有马氏体和3%～30%奥氏体的混合组织。需要注意的是该发明的强度由表面的奥氏体和马氏体来保证，而韧性由心部的铁素体组织来保证，这种设计虽然能同时提高材料的强度和韧性，但是热处理工艺复杂，成本较高。

日本专利JP2004307901公布了一种具有优良力学性能铁素体不锈钢及其生产方法。该钢的成分包含了C，N，Si，Mn，P，S，Cr，Cu，Ni，Mo，Al，和Ti，并且满足100P%+Mo%≤3.5%，Si%+Mn%+Ni%+Cu%≤0.5%。该发明最终成品的晶粒度在7到10级。该发明通过控制元素含量满足一定的公式来控制钢种中第二相析出强化的效果，并通过控制晶粒度来提高钢材的性能，但需要指出的是在现实生产中，要精确元素的含量满足一定的公式并非一件容易的事情，另外该发明中含有Cu，Ni等贵金属，无疑增加了该发明的成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强高塑性铁素体不锈钢及其制造方法，该铁素体不锈钢在室温环境下具有非常优良的力学性能，抗拉强度450MPa～650MPa，屈服强度250MPa～400MPa，维氏硬度在145～175，延伸率38%～45%；本发明在不降低中铬铁素体不锈钢成型性和耐蚀性的前提下，提高中铬铁素体不锈钢的强度和塑性等力学指标，强度的提高可以降低制品行业所用金属材料的厚度，而塑性的提高对防止金属变形开裂至关重要，这对企业控制生产成本和提高产品质量都具有非常重要的意义。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

本发明添加V，Nb，Ti，Cu等微合金元素，并对V和N；Nb和C；Cu和V的添加比例进行了限定，同时对生产时的热轧终轧温度，热轧退火温度和时间以及冷轧退火温度和时间进行了界定，能够最大限度的发挥微合金元素的析出强化和母材的相变强化效果，制备出强度和塑性都明显高于普通中铬铁素体不锈钢的高强高塑性中铬铁素体不锈钢。

具体地，本发明的一种高强高塑性铁素体不锈钢，其成分重量百分比为：C0.01%～0.07%、Si0.50%～0.90%、Mn0.40%～1.0%、Al0.005%～0.08%、Cr16.0%～20.0%、N0.01%～0.07%、Ti0%～0.3%、V0.032%～0.4%、Nb0.04%～0.5%、Cu0.08%～1.5%、稀土元素Y0.005%～0.2%、其余为Fe和不可避免杂质，且，V≥4×N%、Nb≥5×C%、Cu≥1.5×Nb%。

本发明铁素体不锈钢的成分设计中：

C和N：钢中碳、氮都是间隙固溶原子，但氮在钢中溶解度比碳高得多，而且氮化物比碳化物更稳定更细小，在铁素体中的溶解度也更低，粗化倾向小，质点更稳定。因此，钢中增氮会形成更多的氮化合物，阻止晶粒长大，在钢中起细化晶粒的作用，对相同钒含量的钢，析出相具有更强的强化作用。在本发明中，碳和氮是非常重要的合金元素，对提高不锈钢的强度和硬度起着非常重要的作用。C是一种强奥氏体形成元素，C的增加可以提高钢在高温下的奥氏体比例，从而在随后的冷却过程中产生相变，细化铁素体晶粒，N除了同样是奥氏体形成元素外，还可以与V形成VN的析出物，从而对钢材基体起到析出强化的效果。但是碳氮含量过高又会对不锈钢产生耐蚀性，韧性降低等不良效果，因此，对C和N的控制有比较严格的标准。当C，N含量小于0.01%时，材料中没有足够间隙固溶原子，这是即使使用其他的手段来提高材料强度，也很难使不锈钢的强度达到满意的效果。但是当C，N含量大于0.07%时，由于铁素体不锈钢对C，N等间隙固溶原子的溶解度非常有限，此时大量的C，N等间隙固溶原子从基体中析出，形成化合物，对不锈钢的塑性带来严重的不利影响。因此，C，N的含量控制严格限定在0.01%-0.07%。

P和S：P和S都是有害元素，P对于热加工性是有害的，而S会在晶粒边缘分离，并使晶粒边缘变脆，另外MnS的形成也对钢的耐蚀性及其有害。因此P和S的含量应该在现有炼钢能力的基础上尽量偏低。

Al：Al在炼钢的过程中起到良好的脱氧作用，另外，少量的Al可以细化钢的晶粒，提高钢的强度和韧性，同时，Al可以提高钢的抗氧化性能，提高不锈钢对强氧化性酸类的耐蚀能力。当Al含量小于0.005%时，其主要溶解在基体中，起不到细化晶粒的作用，也不能提高钢的强度和韧性，但是当Al大于0.08%时，会形成大量的粗大的Al₂O₃等氧化物夹杂，使不锈钢的塑性急剧下降，因此，Al含量控制在0.005%-0.08%之间。

Si：由于Si是较好的铁素体形成元素，在铁素体不锈钢中，Si的加入可以起到固溶强化作用，提高钢的强度。

Cr：铬是使铁素体不锈钢具有铁素体组织并且具有良好耐蚀性的主要作用，在铁素体不锈钢中，随铬量的增加对钢的组织的主要影响是加速α’相和σ相的形成和沉淀并使钢的铁素体晶粒更加粗大。由于家电用用钢一般对成型性有较高的要求，所以本发明铬含量不能太高以防止α’相和σ相的形成和沉淀对成型性产生有害的影响。

Nb和Ti：Nb和Ti在连铸的过程中，会与钢中的碳氮形成TiN,Nb(C,N)等析出物，这些析出物在钢液中成为钢液的非均匀形核质点，促进了连铸坯等轴晶的形成，而连铸坯等轴晶的提高对提高铁素体不锈钢的抗皱性，成形性都有非常重要的作用，另外，TiN,Nb(C,N)这些析出物在钢材的基体中析出，同样有阻碍位错滑移，形成沉淀强化，提高钢材强度，硬度的效果。由于Nb稳定碳氮原子的效果远大于Ti，因此本发明以Nb为主要的主要固碳元素，而Ti作为一种可选元素，添加后也可增强Nb的固碳作用。当Nb小于0.04%时，基本起不到固碳的作用，而当Nb大于0.5%时，NbC的析出物尺寸较大，难以起到析出强化的作用，而且还会有难以溶解的铌铁在钢中，对钢的塑性产生不利影响。因此，铌含量控制在0.04%-0.5%之间。同时，由于Nb主要和C结合，形成NbC的可以固定钢中的游离碳，为了最大限度的促进NbC的析出，Nb和C的含量必须满足一定的关系。由于Nb和C的配比度为1:5，因此，Nb含量必须大于5倍的C含量，这样才能最大限度固定钢种的游离C。

V：V的加入可以在1000℃左右与钢种的N元素形成VN的沉淀析出，由于VN的析出非常细小，往往是纳米级别的，因此，沉淀强化的效果非常明显。另外，在钢中形成细小碳化钒和氮化钒，通过细小碳氮化物质点钉扎晶界作用，在加热过程中阻止奥氏体晶粒长大，在再结晶控轧过程中阻止形变奥氏体的再结晶，延缓再结晶奥氏体晶粒的长大通过碳氮化物的沉淀析出，显著提高钢材的强度。当V含量小于0.032%时，基本起不到固氮的作用，而当V大于0.4%时，VN的析出物尺寸较大，难以起到析出强化的作用，因此，钒含量控制在0.032%-0.4%之间。同时，由于V主要和N结合，形成VC的可以固定钢中的游离氮，为了最大限度的促进VC的析出，V和N的含量必须满足一定的关系。由于V和N的配比度为1:4，因此，Nb含量必须大于等于4倍的N含量，这样才能最大限度固定钢种的游离N。

Cu：Cu是不锈钢中一种非常重要的合金元素，由于Cu本身具有优良的塑性和韧性，因此在不锈钢中添加少量的Cu，也能显著提高钢材的塑性，另外，由于Cu的固溶强化作用，Cu的添加也能显著提纲钢材的强度。当Cu含量小于0.08%时，基本起不到提高钢材塑性的作用，而当Cu大于1.5%时，会在基体中析出ξ-Cu，这种Cu的析出物会严重影响钢材的塑性。因此，Cu含量控制在0.08%-1.5%之间。同时，由于Cu和Nb都有固溶强化的作用，但是Cu的固溶强化作用强于Nb，为了使Cu更多的固溶于基体中，最大限度起到固溶强化的作用，Cu和Nb的含量必须满足一定的关系，根据试验得出，当Cu≥1.5×Nb%，更多的Cu溶解于钢材中，极大提高了钢材的强度和塑性。

Y：由于钢铁材料中不可避免的会有一定含量的S，而S的存在会在钢种形成一些硫化物夹杂，是材料塑性降低。这是通过添加一定量的稀土元素Y，使材料中的S含量大幅降低或形成高熔点的稀土硫化物弥散于基体，避免了低熔点硫化物对材料塑性的不利影响。当Y含量小于0.005%时，很难与S结合，而当Y大于0.2%时，多余的Y会形成大块的夹杂物，影响钢材的性能。因此，Y含量控制在0.005%-0.2%之间。

本发明的高强高塑性铁素体不锈钢的制造方法，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

铁素体不锈钢，其成分重量百分比为：C0.01%～0.07%、Si0.50%～0.90%、Mn0.40%～1.0%、Al0.005%～0.08%、Cr16.0%～20.0%、N0.01%～0.07%、Ti0%～0.3%、V0.032%～0.4%、Nb0.04%～0.5%、Cu0.08%～1.5%、稀土元素Y0.005%～0.2%、其余为Fe和不可避免杂质，且，V≥4×N%、Nb≥5×C%、Cu≥1.5×Nb%；冶炼采用电炉+AOD两步法冶炼；

2)热轧、退火、酸洗

热轧终轧温度800℃～950℃，退火温度800℃～900℃，退火时间16～24小时，冷却方式采用炉内缓冷；

3)冷轧、退火、酸洗

冷轧退火温度900℃～1000℃，退火时间在1～2分钟，冷退方式采用空冷；最终获得具有高强度和高塑性的铁素体不锈钢材料，抗拉强度450MPa～650MPa，屈服强度250MPa～400MPa，维氏硬度145-175，延伸率38%～45%。

进一步，稀土元素Y的加入是采用中间合金加入法，将铁和稀土Y制成中间合金，其组成为Fe-Y合金中的Y的质量分数在16-20%。

由于碳氮含量对不锈钢的塑性是有害元素，因此本发明中大幅降低碳氮含量，并添加一定量的Cu来提高塑性，同时再添加一定量的稀土元素Y，使材料中的S含量大幅降低或形成高熔点的稀土硫化物弥散于基体，避免了低熔点硫化物对材料塑性的不利影响。

但碳氮降低的同时也会带来强度的降低，因此本发明又添加了V，Nb等微合金强化元素，通过VN，NbC的析出强化作用来提高材料的强度。

通过大量实验验证，为了保证VN，NbC的析出强化效果，材料中的V和N以及Nb和C的含量必须要满足一定的关系，另外，由于Nb在铁的晶体结构中可形成无限固溶体，使材料塑性下降，而Cu的加入可抵消这一部分有害作用，大量实验证明，Cu和Nb的含量也必须满足一定的关系才能达到最佳效果。

由于钢铁材料中强度和塑性是一对相互矛盾的指标，提高一方面的性能指标一般都会带来另一方性能指标的下降，在铁素体不锈钢中，也存在着这方面的问题，而本发明采用不同合金元素的合理搭配，再配合一定的热处理工艺，通过析出强化，固溶强化和细晶强化等诸多强化机理，在提高铁素体不锈钢强度的同时提高其塑性。

本发明通过稀土元素Y的添加阻止低熔点硫化物对塑性带来的不利；通过V，Nb的添加，形成VN，NbC等第二相析出物，再配合热处理工艺，使析出物的达到均匀，弥散的效果，最大限度的发挥出析出强化的作用，但是V，Nb的含量和C，N的含量必须要满足一定关系，否则可能影响VN，NbC的析出效果。

另外，足量的Nb还可以在不锈钢中形成无限固溶体，起到固溶强化的作用，提高铁素体不锈钢的屈服强度。Nb和Ti都能优先和C，N结合，在晶界处形成细小的析出物，阻止晶粒长大，起到细晶强化的作用。Cu的加入也能在不降低强度的同时，提高铁素体不锈钢的塑性。但是由于Cu和Nb都属于无限固溶体，因此二者含量也要满足一定的关系，否则会影响固溶强化的效果。

本发明中的高强度和高塑性铁素体不锈钢合金材料，在800～1300℃的高温时，具有铁素体-奥氏体双相组织，当温度低于800℃时，其组织为单一的铁素体组织。本发明在室温环境下具有非常优良的力学性能，具体表现为抗拉强度450MPa～650MPa，屈服强度250MPa～400MPa，维氏硬度在145-175，延伸率38%～45%。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

表1为本发明成分的实施例，表2所示为本发明制造方法，表3为本发明实施例钢的性能。

实施例1

本实施例中采用的铁素体不锈钢成分质量百分比如下：C:0.01%、Si:0.50%、Mn:0.40%、Al:0.005%、Cr:16.0%、N:0.01%、V：0.04、Nb：0.05%、Cu：0.09%、稀土元素Y：0.005%、Fe：余量。

采用传统常规的熔炼工艺方法，在投料时，采用纯铁管密封中间合金投入法。即事先制备好中间合金。中间合金的组成为Fe和Y的合金，合金中Y的质量百分含量为16%。经综合计量计算和配料熔制后，浇注成型，最终制得高强度和高塑性的铁素体不锈钢合金材料。铸态经热锻、热轧，900℃的退火处理后，其抗拉强度500MPa，屈服强度350MPa，维氏硬度在160，延伸率40%。

实施例2

本实施例中采用的铁素体不锈钢成分质量百分比如下：C:0.04%、Si:0.70%、Mn:0.60%、Al:0.04%、Cr:18.0%、N:0.04%、Ti:0.15%、V：0.16%、Nb：0.2%、Cu：0.4%、稀土Y：0.1%、Fe：余量。

采用传统常规的熔炼工艺方法，在投料时，采用纯铁管密封中间合金投入法。即事先制备好中间合金。中间合金的组成为Fe和Y的合金，合金中Y的质量百分含量为18%。经综合计量计算和配料熔制后，浇注成型，最终制得高强度和高塑性的铁素体不锈钢合金材料。铸态经热锻、热轧，900℃的退火处理后，其抗拉强度550MPa，屈服强度360MPa，维氏硬度在165，延伸率41%。

实施例3

本实施例中采用的铁素体不锈钢成分质量百分比如下：C:0.07%、Si:0.90%、Mn:1.0%、Al:0.08%、Cr:20.0%、N:0.07%、Ti:0.3%、V:0.4%、Nb:0.5%、Cu:1.5%、稀土Y:0.2%、Fe：余量。

采用传统常规的熔炼工艺方法，在投料时，采用纯铁管密封中间合金投入法。即事先制备好中间合金，中间合金的组成为Fe和Y的合金，合金中Y的质量百分含量为20%。经综合计量计算和配料熔制后，浇注成型，最终制得高强度和高塑性的铁素体不锈钢合金材料。铸态经热锻、热轧，900℃的退火处理后，其抗拉强度650MPa，屈服强度450MPa，维氏硬度在175，延伸率45%。

表1 单位：重量百分比

表2

表3

从表3可以看出，根据本发明的成分和工艺制造的铁素体不锈钢实施例中，其强度和塑性都达到了较高的水平，其中反映强度指标的屈服强度和抗拉强度高于对比例50-150MPa，反映硬度指标的维氏硬度高于对比例10-30HV，而反映塑性指标的延伸率高于对比例3-10个百分点。

Claims (3)

1.一种高强高塑性铁素体不锈钢，其成分重量百分比为：C0.01%～0.07%、Si0.50%～0.90%、Mn0.40%～1.0%、Al0.005%～0.08%、Cr16.0%～20.0%、N0.01%～0.07%、Ti0%～0.3%、V0.032%～0.4%、Nb0.04%～0.5%、Cu0.08%～1.5%、稀土元素Y0.005%～0.2%、其余为Fe和不可避免杂质，且，V≥4×N%、Nb≥5×C%、Cu≥1.5×Nb%。

2.一种高强高塑性铁素体不锈钢的制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

铁素体不锈钢，其成分重量百分比为：C0.01%～0.07%、Si0.50%～0.90%、Mn0.40%～1.0%、Al0.005%～0.08%、Cr16.0%～20.0%、N0.01%～0.07%、Ti0%～0.3%、V0.032%～0.4%、Nb0.04%～0.5%、Cu0.08%～1.5%、稀土元素Y0.005%～0.2%、其余为Fe和不可避免杂质，且，V≥4×N%、Nb≥5×C%、Cu≥1.5×Nb%；冶炼采用电炉+AOD两步法冶炼；

2)热轧、退火、酸洗

热轧的终轧温度800℃～950℃，退火温度800℃～900℃，退火时间16～24小时，冷却方式采用炉内缓冷；

3)冷轧、退火、酸洗

冷轧退火温度900℃～1000℃，退火时间在1～2分钟，冷退方式采用空冷；最终获得具有高强度和高塑性的铁素体不锈钢材料，抗拉强度450MPa～650MPa，屈服强度250MPa～400MPa，维氏硬度145～175，延伸率38%～45%。

3.如权利要求2所述的高强高塑性铁素体不锈钢的制造方法，其特征是，稀土元素Y的加入是采用中间合金加入法，将铁和稀土Y制成中间合金，其组成为Fe-Y合金中的Y的质量分数在16-20%。