CN103510013A - 一种良好抗皱性的含锡铁素体不锈钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种良好抗起皱性的含锡铁素体不锈钢及其制造方法，其成分重量百分比为：C0.002%～0.025%，N0.002%～0.02%，Si0.05%～1.0%，Mn0.05%～0.60%，Cr13.0%～21.0%，Ti0.05%～0.5%，Nb0.05%～0.6%，Zr0.002%～0.05%，Sn0.01%～0.8%，Cu0.02%～1.0%，0.1%<Nb＋Ti＋1/2Ta<1%，其余为Fe及不可避免杂质。本发明通过适宜的热轧板退火温度：900～1050℃，在850～1000℃进行冷轧再结晶退火，微观{111}取向晶粒的含量≥50%，晶粒度≥7级，起皱高度<20μm。本发明铁素体不锈钢冷轧薄板皱褶高度低，表面质量良好。

Description

一种良好抗皱性的含锡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及其生产方法，特别涉及一种良好抗皱性的含锡铁素体不锈钢及其制造方法。

背景技术

含镍奥氏体不锈钢中，镍的成本占到了60～80%，而我国是一个镍资源贫乏的国家，严重的镍资源紧缺以及镍价的大幅波动成为影响钢铁工业发展的重大问题，这不仅仅是一个经济问题，还有可能危及不锈钢产业链的安全和完整。因此，为了保证我国不锈钢产业良性发展，不锈钢产品结构急需做出调整。从目前世界上已掌握的不锈钢技术看，铁素体不锈钢正是一种价廉物美的不锈钢产品。尽管如此，铁素体不锈钢依然存在一系列的问题，尤其是其冲压后的表面皱褶恶化，给冲压生产企业带有明显的成本提升。

针对以上问题，现有的技术提出了很多方法来改进铁素体不锈钢的皱褶性能。

中国专利CN98801478.5通过铌钛复合稳定化元素的添加，Ti/N含量比大于12，并确定Nb和V的总含量小于0.1%并且V/Nb=2-5，同时将热轧加热温度控制在1170℃以下，在950℃以上完成粗轧过程。

中国专利CN200910048291.0不添加损害连铸坯表面质量元素Ti，采用单Nb稳定铁素体不锈钢，形成碳氮化铌析出相，并采用高的粗轧温度和低的终轧温度，从而消除冷轧板的表面起皱。

中国专利CN200910220459.1提出了一种降低皱褶高度的热轧工艺方法，主要是通过1000℃～1100℃进行粗轧，低温700℃～850℃进行精轧，这种方法使得最终成品板的皱褶高度降低10～50%。

关于在铁素体不锈钢中添加锡元素方面的专利：

中国专利CN200780016464.x主要通过在高纯铁素体不锈钢中添加Sn，改善了铁素体不锈钢的耐缝隙腐蚀性能，Sn的效果主要是作为间隙腐蚀发生后的生长抑制效果进行研究的，未涉及到铁素体不锈钢的抗起皱性能。

中国专利CN201110217689.x通过添加稀土元素抑制锡的硫化物的生成，生成稀土硫化物，防止固溶态的锡恶化钢板的热加工性能，通过锡元和稀土元素的添加增强铁素体不锈钢的耐点腐蚀能力和深冲性能，未涉及到起皱性能。

日本专利JP2009174036A主要是在高纯度铁素体不锈钢的基础上添加Sn来改善表面钝化膜，进而提高了耐腐蚀性。钢中的碳含量在0.01%以下，硅含量也在0.2%以下，为了增强表面的钝化膜，冷轧退火后在200－700℃的温度范围内保温1分钟以上。

日本专利JP2005220429A主要以Ti元素为稳定剂的高纯度铁素体不锈钢中，在添加Cr、Mo元素的基础上，复合添加V、Sn元素，从而显著改善耐锈蚀性和耐裂隙腐蚀性，确保钢材具有良好的延伸率、平均r值。其专利为一种能置换SUS304的高纯度铁素体不锈钢。该专利Nb不是主要添加元素且含量在0.1%以下，也未涉及到抗起皱性能。

日本专利JP2000169943A公开了含有Sn、Sb微量元素的高温强度优异的铁素体不锈钢及其制造方法。所介绍的大多是Cr：10～12%的低Cr钢，对于Cr：超过12%的高Cr钢，为了确保其高温强度，复合添加V、Mo等元素。这个专利介绍了Sn、Sb元素的主要作用是改善高温强度，未涉及耐腐蚀性和抗起皱性。

日本专利JP2008190003A主要是开发一种耐裂隙腐蚀性优异的铁素体不锈钢，这个文献主要通过适量添加Sn和Pb达到耐裂隙腐蚀性，使因裂隙腐蚀导致穿孔之前的寿命得以延长。Sn的保护范围在0.005%-2%，未涉及成形性和抗起皱性。

以上专利中，均没有涉及Sn和Zr元素对起皱性能的相关研究，也没有从微观织构角度进行控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种良好抗皱性的含锡铁素体不锈钢及其制造方法，控制微观{111}取向晶粒的含量≥50%，晶粒度≥7级，{001}取向的晶粒弥散分布，其起皱高度<20μm。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种良好抗皱性的含锡铁素体不锈钢，其成分重量百分比为：

C0.002%～0.025%，

N0.002%～0.02%，

Si0.05%～1.0%，

Mn0.05%～0.60%，

Cr13.0%～21.0%，

Ti0.05%～0.5%，

Nb0.05%～0.6%，

Zr0.002%～0.05%，

Sn0.01%～0.8%，

Cu0.02%～1.0%，

0.1%<Nb＋Ti＋1/2Ta<1%，

其余为Fe及不可避免杂质。

在本发明成分设计中：

C：铁素体不锈钢的韧脆转变温度高，缺口敏感性大，耐蚀性差都与钢中的碳含量有关。因此其含量越少越好，所以将之上限设置为0.025%，但是在冶炼过程中完全去除碳会增加制造成本，因此设定其下限为0.002%。

N：其对铁素体不锈钢的影响同碳一样，会导致不锈钢成形性和耐腐蚀性的下降，因此其含量也是越少越好，所以它的上限设置为0.02%，但是过度的降低会导致铁素体不锈钢凝固时TiN含量的降低，从而减少了形核点导致柱状晶含量的增加，会恶化薄板的抗皱性能，同时考虑的制造成本，其下限设定为0.002%。

Si：属于固溶强化元素，其主要是作为脱氧元素进行添加，但是过量增加会导致延伸率和韧性的下降，因此其含量设定为0.05%－0.6%。

Mn：弱的奥氏体形成元素，同时也是固溶强化元素，可以抑制钢中硫的有害作用，但其含量增加会恶化不锈钢的耐腐蚀性，因此其含量控制在0.6%以下。

Cr：是提高耐腐蚀性的主要元素，其含量的增加可以明显增强在氧化性酸的耐腐蚀性，提高其在氯化物溶液中的耐应力腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀性能，但是其含量的增加又会导致韧性和加工性的降低，优选为13.0-21.0%。

Nb、Ti、Zr和Ta：适量的铌、钛可使不锈钢中铬的碳、氮化物转而形成钛、铌的的碳、氮化物并细化铁素体不锈钢的晶粒，提高铁素体不锈钢的耐晶间腐蚀性能。钢中适量的钛和氮，还能细化铁素体焊缝组织，提高焊缝塑性和成形性，此外TiN在铁水凝固前就开始析出，这种非均匀形核点促进了凝固组织等轴晶比例的扩大，使得凝固组织的微观取向分散分布，有利于降低起皱性能，但是过量的钛添加容易导致冶炼浇铸过程的堵塞，设定其含量为0.05～0.5%。当钢中的氮原子被钛完全固定后，Nb会优先同碳原子结合形成NbC，由于Nb的原子半径远远大于Fe和Cr的原子半径，其生成的NbC对晶界的拖曳作用也更大，可以细化晶粒组织，促使织构取向{112}<110>的生成，从而降低成品板皱褶高度和表面粗糙度，同时过量的Nb会导致钢中Fe₂Nb硬相的形成，恶化材料的成形性，因此其含量设定为0.05～0.6%。另外，在对铁素体不锈钢性能的影响方面，锆、钽同铌、钛相似，但是钽比铌、钛更重，并且锆、钽非常昂贵，锆、钽可以完全或者部分取代铌和钛，可以选择铌、钛、锆、钽至少两种添加获得良好的抗起皱性能，需要满足0.1%<Nb＋Ti＋1/2Ta<1%，0.002%<Zr<0.05%。

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。

Sn：以前的大量资料显示，锡为低熔点金属，容易在晶界产生偏聚，弱化晶界，导致热轧过程中的开裂，同时它的大量添加会恶化钢铁材料的韧性。本专利研究显示，锡的少量添加会利于微观织构的弥散分布，有利于降低起皱高度，设定其范围为0.01%～0.8%。

Cu：弱的奥氏体形成元素，本发明钢含铜主要是为了提高钢的耐蚀性和冷加工成形性。铜对耐点蚀和耐锈性的有利作用主要是铜抑制铁素体不锈钢的阳极溶解并减缓点蚀的成核和扩展过程。适量的铜有助于提高铁素体不锈钢的冷加工成形性。但向铁素体不锈钢中加入铜将提高钢的应力腐蚀敏感性，因此，本发明钢中控制Cu为0.02%～1.0%。

特别是，本发明钢微观织构的控制：

起皱是铁素体不锈钢在成形过程中应变量较大时产生的一种表面缺陷，这种缺陷发生在平行于板的轧制方向，表现为狭窄凸起条纹，即表面上皱折。起皱破坏了成形部件的外观，消除它需要昂贵的研磨和抛光操作。现在普遍认为起皱是由于与钢板的轧制方向平行延伸的、结晶方位近的晶粒群的塑性变形不同而产生的，也可以说是由混合织构的各向异性塑性流动引起的。因此需要分析钢中的微观织构的组成和分布状况，主要采用背散射电子衍射（EBSD）进行解析，将{001}取向聚集在一起，并且沿着轧制方向的长度大于5个晶粒尺寸，就判定为｛001｝晶粒簇聚集。除此之外，通过分析角度偏差在±20°范围内的不同取向的含量对比，设定{111}组分的含量需要大于50%。

皱褶高度的评价：选用平行与轧制方向的拉伸试样，应变速率10mm/min，预拉伸25%后停止拉伸，然后用表面粗糙度仪在垂直于轧制方向上测量其起皱高度Pt（波峰和波谷的高度差），Pt值在20μm以下为良好，20μm～30μm为中等，30μm以上为差。

对于良好抗起皱性能的铁素体不锈钢，需要晶粒的适度细化，在实现完全再结晶等轴化的同时，晶粒的细化有利于降低表面粗糙度和皱褶高度，要求晶粒度大于等于7级。

本发明良好抗皱性的含锡铁素体不锈钢的制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按上述成分冶炼、铸造成坯；

2)热轧：

3)加热温度控制在1000℃～1250℃以下，并控制终轧温度在800℃～950℃之间；

4)热轧退火

退火温度900℃～1050℃，退火时间3min～10min；

5)冷轧和再结晶退火

冷轧压下率设定为大于70%；再结晶退火温度在850℃～1000℃之间，退火时间1min～5min。

在本发明制造方法中：

热轧，加热温度控制在1000℃～1250℃，并控制终轧温度在800℃～950℃之间，终轧温度的降低有利于促进热轧板的再结晶、细化晶粒，有利于深冲性能的改善，但是过低的终轧温度会导致轧制时变形抗力的增大，同时由于轧制时表层剪切变形和中心层平面变形的差异的增大，导致热轧板微观组织在厚度方向上梯度过大，导致严重的起皱，因此终轧温度控制在800℃以上。

热轧退火，考虑到热轧退火对最终的成品板有明显的遗传效应，需要实现热轧板的完全再结晶，并使得晶粒适度增长，使得{001}变形织构充分转化为{111}再结晶织构，因此设定退火温度在900℃以上，如果温度低于此温度，不均匀的{001}变形织构会经后续的冷轧得到加强，并遗传到成品板上，导致明显的{001}晶粒簇的存在，增大成品板的起皱高度。如果超过温度1050℃，晶粒过分长大，导致表面皱褶和粗糙度的增大。

冷轧和再结晶退火，要想获得低的起皱高度和良好的冲压成形性，必须需要有相应的冷轧压下率促进晶粒细化，本发明压下率设定为大于70%。冷轧再结晶退火处于冶金工艺流程的最后阶段，温度过低难以获得完全的再结晶，导致混晶现象，恶化表面抗皱性能；温度过高也会导致晶粒的过分粗大，引起晶界弱化以及表面粗糙度的增大，再结晶退火温度选择在850℃～1000℃之间。

通过冶金工艺的优化获得了{111}取向的含量大于50%，并且无明显{001}晶粒簇，皱褶高度为20μm以下。

本发明的有益效果：

本发明通过添加添加Sn，Zr和Ta等元素，并配以优化的冶金工艺制度和微观织构控制，获得了很低的起皱高度，并且表面质量优良。

冲压企业在使用铁素体不锈钢生产厨卫制品时表面起皱严重，严重影响其冲压效率和增大了抛光成本，高抗起皱性含锡铁素体不锈钢的发明有利于促进铁素体不锈钢在制品行业的发展。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

将表1所示成分的铁素体不锈钢锻造成板坯，工业生产采用转炉-炉外精炼-连铸、电炉-炉外精炼-连铸工艺，其连铸工艺可采用现有的超纯铁素体不锈钢的连铸工艺，连铸必须采用带电磁搅拌的连铸机，使连铸坯凝固组织中等轴晶比例≥40%。然后按照表2的一系列的制造工艺，对板坯进行加热、热轧制成板厚为2.5mm-6mm的热轧钢板；而后经过不同的热轧退火工艺，再将退火板进行酸洗以去除表面的氧化铁皮，经过多道次冷轧后进行最终再结晶退火，制造成板厚为0.3-1.5mm的成品，通过金相组织确定再结晶晶粒度。在成品板沿轧制方向上截取试样，并加工成JIS5标准的拉伸试样预拉伸25%后测定其起皱高度Pt值。最后，通过EBSD分析成品板纵截面的晶粒簇聚集情况，并统计出所有{111}取向在±20°范围内的总面积分数。表2中的“－”代表省略此工艺或者没有检测，“×”代表{001}晶粒聚集；“○”代表{001}晶粒弥散分布。

1到4号钢通过铌钛复合添加，同时添加不同含量的锡，再结晶退火后晶粒度在7级以下，同时{111}取向的总面积分数都超过了50%，获得了良好的冲压性能，同时在微观组织中没有发现{001}取向的晶粒偏聚现场，预拉伸后测试其起皱高度都在20μm以下，皱褶高度较低，属于本发明。

5号钢为单钛稳定的14%Cr钢，没有添加锡和铌，虽然未发现晶粒簇聚集现象，但是其晶粒组织粗大，起皱高度要略高，不属于本发明；6号钢为单纯的超低碳铁素体不锈钢，没有锡、铌和钛元素的添加，其晶粒度为6级，同时发现了明显的{001}晶粒簇聚集，表面皱褶严重，起皱高度为39.5μm，不属于本发明。7号钢为单钛稳定的16%Cr钢，同5号钢类似，虽然其{111}取向的总面积分数较高，但是其起皱高度为26.8μm，也不属于本发明。

8号钢：研究了热轧退火制度的变化对其皱褶高度的影响，热轧不退火和低温长时间的退火尽管获得了良好的{111}取向和较好的晶粒度，但是发现了{001}晶粒簇的聚集，其皱褶高度也比较大，不属于本发明；热轧后通过高温的短时间退火则获得了较低的皱褶高度，属于本发明。

9号钢：冷轧板在再结晶温度以下退火时，为未再结晶组织，此时延伸性和冲压性能不足，所以很难预拉伸25%，其不属于本发明；退火温度达到880℃后晶粒度为8.5级,皱褶高度较低，没有晶粒簇的聚集，属于本发明；当退火温度达到1000℃后，虽然获得了高的{111}取向的面积分数，但是表面粗糙度较大，皱褶较高，不属于本发明。

10-12号钢分别为高铌、高锡和高铬钢，并添加稳定化元素Zr和Ta，通过冶金工艺制度的优化，其晶粒度细小，获得了高的{111}面积分数，其{001}晶粒弥散分布，皱褶高度较低，属于优良的低起皱铁素体不锈钢，属于本发明。

SUS430作为对比钢种，其再结晶组织较细，但在组织内部发现了明显的{001}晶粒簇聚集，预拉伸25%后皱褶高度为31.5μm，起皱现象严重。

表1                    单位：重量百分比

钢号	C	Si	Mn	P	S	Cr	Cu	N	Nb	Ti	Sn	Zr	Ta
														1	0.0092	0.55	0.20	0.01	0.005	14.77	0.03	0.015	0.11	0.18	0.092	0.003	0.004
2	0.0157	0.26	0.24	0.01	0.006	13.24	0.37	0.003	0.07	0.15	0.089	0.004	0.002
														3	0.0165	0.46	0.08	0.01	0.007	15.68	0.02	0.009	0.38	0.19	0.040	0.002	0.002
4	0.0072	0.08	0.21	0.011	0.007	14.90	0.84	0.009	0.19	0.15	0.310	0.036	0.005
														5	0.0151	0.26	0.21	0.01	0.005	14.51	0.03	0.011	0.02	0.18	0.005	0.002	0.003
6	0.0070	0.46	0.37	0.009	0.004	16.84	0.02	0.008	0.01	0.01	0.003	0.004	0.003
														7	0.0062	0.23	0.21	0.01	0.005	16.39	0.03	0.010	0.03	0.20	0.008	0.004	0.002
8	0.0180	0.51	0.43	0.01	0.003	16.79	0.13	0.007	0.19	0.12	0.006	0.010	0.003
														9	0.0227	0.75	0.55	0.01	0.007	16.92	0.63	0.009	0.09	0.16	0.150	0.002	0.020
10	0.0063	0.47	0.40	0.01	0.006	16.80	0.04	0.018	0.55	0.18	0.280	0.004	0.005
														11	0.0158	0.27	0.20	0.01	0.005	18.13	0.02	0.007	0.15	0.43	0.730	0.02	0.030
12	0.0042	0.55	0.32	0.01	0.006	19.86	0.38	0.013	0.29	0.18	0.310	0.005	0.060
														SUS430	0.04	0.32	0.24	0.02	0.002	16.22	0.02	0.04	0.01	0.01	0.005	0.002	0.004

表2

备注：×：{001}晶粒簇聚集；○：{001}晶粒弥散分布

｛111｝面积率指的是偏离角度在±20°范围内所有微观｛111｝取向的总面积分数。

Claims (2)

1.一种良好抗皱性的含锡铁素体不锈钢，其成分重量百分比为：

C0.002%～0.025%，

N0.002%～0.02%，

Si0.05%～1.0%，

Mn0.05%～0.60%，

Cr13.0%～21.0%，

Ti0.05%～0.5%，

Nb0.05%～0.6%，

Zr0.002%～0.05%，

Sn0.01%～0.8%，

Cu0.02%～1.0%，

0.1%<Nb＋Ti＋1/2Ta<1%，

其余为Fe及不可避免杂质；含锡铁素体不锈钢微观{111}取向晶粒的含量≥50%，晶粒度≥7级，{001}取向的晶粒弥散分布，其起皱高度<20μm。

2.如权利要求1所述的良好抗皱性的含锡铁素体不锈钢的制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按上述成分冶炼、铸造成坯；

2)热轧：

3)加热温度控制在1000℃～1250℃以下，并控制终轧温度在800℃～950℃之间；

4)热轧退火

退火温度900℃～1050℃，退火时间3min～10min；

5)冷轧和再结晶退火

冷轧压下率设定为大于70%；再结晶退火温度850℃～1000℃，再结晶退火时间1min～5min；获得的含锡铁素体不锈钢微观{111}取向晶粒的含量≥50%，晶粒度≥7级，{001}取向的晶粒弥散分布，其起皱高度<20μm。