CN1039924C

CN1039924C - 高强度不锈钢

Info

Publication number: CN1039924C
Application number: CN86104251A
Authority: CN
Inventors: 星野和夫; 广津贞雄; 中村定幸
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1985-06-24
Filing date: 1986-06-20
Publication date: 1998-09-23
Anticipated expiration: 2001-06-20
Also published as: KR870000443A; SE461151B; GB2177113A; FR2583778A1; US4849166A; CN86104251A; ATA170286A; GB8615119D0; JPS61295356A; SE8602622D0; DE3619706A1; AT396257B; FR2583778B1; KR910003444B1; GB2177113B; SE8602622L

Abstract

一种高强度不锈钢，其基本成分为含有：不大于0.10%的C，1.0%到3.0%的Si，小于0.5%的Mn，4.0%到8.0%的Ni，12.0%到18.0%的Cr，0.5%到3.5%的Cu，不大于0.15%的N和不大于0.004%的S，其中C和N的总量不小于0.10%，其余为Fe和附带杂质。这种钢是廉价的，并且经过冷加工和时效处理后可以获得高强度和高延展性。

Description

高强度不锈钢

本发明涉及到一种不锈钢，这种不锈钢适用于作具有高强度，高韧性，高延展性和耐腐蚀性零部件的材料，如作薄板簧，薄片发卷，刀叉餐具，切割工具本体等，并且它特别适用于作具有高强度和高延展性部件的材料。

通常使用马氏体不锈钢，加工硬化奥氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢等制造上述的零部件。

不锈钢在高温奥氏体状态下淬火时，会引起从奥氏体向马氏体的转变，从而得到硬化马氏体不锈钢。通常所用这种钢的典型例子是：SUS410,410J,420J1,420J2,440A,440B,440C等。虽然这类钢退火后强度和韧性较低，但是经过淬火和回火可获得相当高的强度和韧性。因而，这些钢被广泛用作廉价材料。

然而，在需要高耐腐蚀性时，马氏体不锈钢就不能令人满意，此时，采用可加工硬化奥氏体不锈钢。这类钢是Cr-Ni奥氏体钢，这类钢在常温下呈亚稳态，经冷轧后硬化。这种硬化的钢是由奥氏体和马氏体两相组成的，因此不仅具有极好的强度和延展性还有极好的耐腐蚀性。这类钢的典型例子有SUS301,304等。这类钢的强度取决于JIS〔日本工业标准〕G4313中所规定的冷加工等级，因而为了得到高强度，需要进行强化冷加工。

沉淀硬化不锈钢含有沉淀硬化元素，并且经热处理后方才硬化，因而可以作出各种形状的产品。由此，当对产品形状要求很严格，并且耐腐蚀性亦成为重要的考虑因素时，可使用这类钢。

这类钢的典型例子有含Cu的SUS630，和含Al的SUS631。前一种钢经溶液处理后便其硬化，接着进行时效处理，在时效处理过程中沉淀出富Cu相。而它的硬度最高为1.37×10⁶Kpa(140千克力/毫米²)后一种钢首先经溶液处理，然后通过冷加工把亚稳态奥氏体相部分或全部转变为马氏体相，从而使其硬化，例如，在此之后，通过时效使金属互化物Ni₃Al沉淀。这样可以提供相当高强度的材料。

作为使SUS631的奥氏体相转变为马氏体相然后使其时效的方法，也可以采用如TH1050，RH950，CH等处理方法。但是用前两种处理方法所达到的强度最高为1.27×10⁶KPa，

而通过CH〔表面硬化〕处理，硬度可以达到1.86×10⁶KPa。

在CH处理法中，就加工硬化不锈钢来说，使钢首先经冷加工使其奥氏体相转变为奥氏体—马氏体两相，然后再进行时效处理。取决于冷加工的等级，冷加工后的硬度约为1.47×10⁶KPa。左右。但是，当这种钢时效硬化时，通过金属互化物Ni₃Al的沉淀，可达到上面所述的高强度。

为了获得高强度和高韧性，上述不锈钢中的马氏体不锈钢必须经过淬火和回火处理。这种热处理是较困难的。在淬火过程中，材料被加热到高温〔950～1100℃〕，然后进行淬火。迅速的马氏体转变会破坏被处理产品的形状。为了防止这种事故，需要采取特别的热处理，如压力淬火法。

就奥氏体的不锈钢来说，为了获得高强度，需要进行大加工量的冷加工。但是，如果获得了高强度，延展性就会降低，因而板状和带状产品的形状往往会受到损坏。

另外，就沉淀硬化不锈钢来说，SUS630不能达到高强度，因为这种钢中含有0.75～1.50％的Al，它与氧和氮具有很强的亲和力，因此在炼钢过程中会形成氧化铝型夹杂物，在钢的铸造时形成AIN的凝结夹杂物，所以SUS631常常会变得表面粗糙并且降低了它的韧性和延展性。

本发明的目的在于提供一种高强度不锈钢，这种不锈钢既容易加工，又不损坏产品的形状，而且具有极好的延展性。

即，本发明的高强度不锈钢的主要成分为：含C量不大于0.10％，含Si量在1％到3.0％之间，含Mn量小于0.5％，含Ni量在4％到8％之间，含Cr量在12.0％到18.0％之间，含Cu量在0.5％到3.5％之间，含N量不大于0.15％，含S量不大于0.004％，其中C和N的总量不小于0.10％，其余为Fe和附带的杂质。这种钢的强度，延展性和表面光滑度都优于通常的加工硬化奥氏体钢和沉淀硬化不锈钢。

本发明的构成被设计成钢在固溶态下呈现亚稳态奥氏体相。这种钢的冶炼过程并不需要特殊条件，可以用通常冶炼加工硬化奥氏体不锈钢或沉淀硬化不锈钢的同样方法来生产。

本发明的这种钢含有Si，它是马氏体的诱发元素和马氏体的增强元素，其含量大于通常不锈钢的Si含量为1.0％到3.0％；这种钢还含有C和N，它们是马氏体相的增强元素，其总含量不小于0.10％。因此，由于高含量Si的存在，经轻度冷加工溶液处理后，极易从亚稳态奥氏体诱发成马氏体相；此诱发出的马氏体相由Si、C和N使其硬化，从而可以获得理想形状的、高强度和高延展性的产品。并且加入作为沉淀硬化元素的Cu，它与Si协同起作用，由此消除了形成杂质的危险，加之进行时效处理，从而达到了更高的强度。所以，可以用本发明的这种不锈钢作为在强度和延展性方面均优于一般不锈钢的加工硬化不锈钢，也可以用来作为沉淀硬化不锈钢。

现在解释一下为什么如上所述要规定各种成分的含量。

C是形成奥氏体必不可少的元素，并且对于在高温下抑制δ-铁素体的形成和增强由冷加工诱发马氏体相都是有效的。但是，由于本发明的钢中含Si量较高，因而限制了C的溶解限度。因此，在晶粒界面高C含量将引起碳化铬的沉淀，这种沉淀将导致延展性和抗晶间腐蚀性的降低。所以含C量限制到0.10％。

Si通常用作脱氧元素，为此目的，正如在加工硬化奥氏体不锈钢，例如SUS301,304等和沉淀硬化不锈钢，例如SUS631中所看到的那样，含Si量应不大于1.0％。但是，就本发明的钢来说，Si的含量高于此值，所以在冷加工过程中易于诱发出马氏体相，即，即使通过轻度冷加工就能诱发出马氏体相，并且促进了它的形成，增加了马氏体相对奥氏体相的比例。它不仅增强了所形成的马氏体而且还分解于剩余的奥氏体相中使其硬化，由此，提高了加工后的硬度。另外，在时效处理时，Si与Cu配合增加了时效的效果。如上所述，Si具有多种作用。为了使Si显示出这些作用，Si的含量必须大于通常含量范围的1.0％。但是如果超过3.0％时，在加工过程中，它将产生高温裂纹还会引起其它一些问题。所以，Si含量在1.0％到3.0％之间是合适的。

Mn是一种控制奥氏体相稳定性的元素。确定它的含量要考虑到与其他元素平衡。在本发明的不锈钢中，Mn较高时，将会引起延展性的降低，同时在使用时还会引起一些问题。考虑到这种原因，Mn的含量被限制到0.5％。

Ni是一种使不锈钢在高温下和室温下，形成奥氏体相的主要元素。就本发明的不锈钢来说，亚稳态的奥氏体必须存在于室温下，并且必须通过冷加工使其转变为马氏体相。鉴于这种情况，当Ni含量小于4％时，在较高温度下形成大量的δ-铁素体，并且在室温下，奥氏体相变得比亚稳态更不稳定。另一方面，当Ni含量大于8.0％时，就不易通过冷加工诱发出马氏体相。所以，选定Ni含量为4.0～8.0％。

Cr是一种使不锈钢获得耐腐蚀性的主要元素。为了使这种不锈钢具有理想的耐腐蚀性，要求Cr含量不小于12％。但是，Cr是形成铁素体的元素。如果Cr含量大于12％，在高温下就会形成大量δ-铁氧体。因此，必须含有相应的更大量的奥氏体形成元素〔〔C、N、Ni、Mn、Cu等〕以抑制δ-铁素体的形成。如果含有大量的奥氏体形成元素，奥氏体在室温下也会变得稳定并且这种钢也就不能通过冷加工和时效而使其硬化。因此，规定Cr含量的上限为18.0％。

Cu与Si配合在时效处理时可使钢硬化。如果含量太小，它的效果就不显著，而含量太大，它就会产生裂纹。估计适当的含量为0.5～3.5％。

N是一种形成奥氏体的元素，并且对硬化奥氏体相和马氏体相都非常有效。但是，如果N含量较高时，在浇铸时可能引起一些气孔。因此，限定N含量不大于0.15％。

若钢中有Mn，S可与其形成MnS，并导致延展性的降低，因此它是本发明不锈钢中一种特别有害的元素。为了避免延展性的降低，限定它的上限为0.004％。

C和N有相似的效果而且可以互换。虽然对这两种元素的上限在上面都分别作了限定，但是，为了利用它们的效果，它们的总量必须不小于0.10％。

除上面所提到的元素外，还含有微量的Al和Ti，它们被用作脱氧元素，以及微量的Ca和REM′S〔稀土元素〕，它们被用作脱硫元素，等等。在本发明的不锈钢中允许存在象P这样的非主要但又不可避免的杂质。本发明的不锈钢中可以含有不大于0.020％的Al，不大于0.020％的Ti，不大于0.040％的P，不大于0.01％的Ca和不大于0.02％的REM′S。

本发明的高强度不锈钢最好含有不大于0.08％的C，1.0％到3.0％的Si，小于0.46％的Mn，4.5％到7.5％的Ni，14.0％到17.0％的Cr，0.8％到3.0％的Cu，不大于0.13％的N以及不大于0.0035％的S。

若想使本发明的高强度不锈钢更好，则其各种成分的含量应为：不大于0.075％的C，1.5％到2.95％的Si，小于0.42％的Mn，5.50％到7.30％的Ni，14.5％到16.5％的Cr，1.00％到2.65％的Cu，不大于0.125％的N以及不大于0.003％的S。

在任何情况下，C和N的总含量都应该不小于0.10％。

现在将通过实例并参考附图叙述本发明如下：

图1表示了本发明的不锈钢〔以下简称“发明钢”〕，一般不锈钢〔简称“一般钢”〕和对比钢在冷轧状态和时效-硬化状态下的抗拉强度和延伸率之间的关系。园圈，方框和三角符号分别代表发明钢，一般钢和对比钢。空心符号代表冷轧状态，实心符号代表时效-硬化状态。实线，虚线和点虚线分别表示发明钢，一般钢和对比钢的数据分布。

图2表示发明钢H1和对比钢e的抗拉强度和延伸率之间的关系。

示于表1中的发明钢〔H1-H7〕，一般钢〔A-C〕和对比钢〔a-f〕以常用的方法进行制备和热轧，并且以不同的压缩率将它们冷轧成一些高强度的冷轧钢板试样。还要测定这些钢板试样因冷加工产生的马氏体的量〔α〕，硬度，抗拉强度和延伸率。然后对这些高强度冷轧钢板进行时效-硬化处理，并测定它们的硬度、抗拉强度和延伸率。其结果示于表2中，其中还给出了时效前后的硬度差〔ΔH〕。在表2所示的结果中，抗拉强度和延伸率之间的关系示于图1中。另外，发明钢H1和对比钢e的抗拉强度和延伸率之间的关系示于图2中，对比钢e在冷轧状态下的性质和时效前后的硬度差〔ΔH〕与发明钢接近。表1

(％)

元素 C Si Mn S Ni Cr N Cu Al 备注发明钢

H1 0.028 2.67 0.46 0.002 6.50 15.88 0.103 1.75 -

H2 0.059 2.72 0.42 0.001 6.56 15.97 0.099 1.74 -

H3 0.060 1.22 0.32 0.002 6.53 16.46 0.062 1.79 -

H4 0.030 1.41 0.20 0.001 6.56 16.52 0.112 1.79 -

H5 0.065 1.42 0.35 0.003 7.32 16.20 0.096 0.98 -

H6 0.075 2.49 0.22 0.002 5.93 15.80 0.125 2.43 -

H7 0.042 2.18 0.36 0.002 5.85 15.10 0.098 2.65 -一般钢

A 0.105 0.52 1.05 0.004 7.09 16.82 0.025 0.05 - SUS301

B 0.120 0.50 1.13 0.006 7.54 17.50 0.015 0.07 - ″

C 0.085 0.41 0.57 0.005 7.29 16.72 0.011 0.05 1.18 SUS631对比钢

a 0.013 2.69 0.30 0.008 9.91 12.01 0.016 1.70 -

b 0.027 2.01 0.42 0.005 7.96 14.93 0.061 0.91 -

c 0.104 0.28 1.00 0.007 6.59 16.07 0.017 1.79 -

d 0.063 0.22 1.00 0.006 6.60 15.68 0.062 1.80 -

e 0.074 2.78 1.47 0.008 5.59 15.43 0.061 1.92 -

f 0.071 2.83 2.10 0.002 7.91 13.40 0.086 0.03 -表2

轧制后 400℃下时效1小时后

试样号压缩率 α 硬度抗拉强度延伸率硬度抗拉强度延伸率ΔH

(％) (％) Hv(10) (10⁶KPa)(％) Hv(10) (10⁶KPa) (％)发明钢

H1 40 63.0 455 1.51 6.7 547 1.81 3.2 92

45 68.5 469 1.60 5.0 568 1.96 2.5 99

50 72.0 488 1.66 4.0 589 2.02 2.1 101

55 74.5 500 1.72 3.1 599 2.16 1.7 96

H2 40 63.5 481 1.64 6.1 580 1.92 3.1 99

45 64.5 502 1.72 4.4 601 2.04 2.3 99

50 67.0 520 1.79 4.0 612 2.15 2.0 92

55 69.5 534 1.87 3.4 628 2.21 1.6 94

H3 50 55.0 451 1.56 5.3 525 1.79 2.7 74

55 63.5 473 1.70 3.2 544 1.96 2.1 71

H4 50 57.5 434 1.49 5.7 515 1.77 2.8 81

60 73.0 482 1.66 4.3 571 1.96 2.2 89

H5 50 47.0 472 1.63 5.4 535 1.76 2.5 64

55 55.0 484 1.70 4.4 550 1.86 2.2 66

H6 45 43.5 469 1.59 5.9 571 1.92 3.0 102

50 49.0 490 1.67 5.0 595 2.01 2.1 105

55 54.0 511 1.74 4.1 619 2.15 1.7 108

H7 45 45.5 428 1.44 7.2 526 1.74 3.1 98

50 51.5 440 1.48 6.3 541 1.76 2.6 101

55 57.3 456 1.56 4.4 551 1.83 2.0 95表2(续)

轧制后 400℃下时效1小时后

试样号压缩率 α 硬度抗拉强度延伸率硬度抗拉强度延伸率 ΔH

(％) (％) Hv(10) (10⁶KPa)(％) Hv(10) (10⁶KPa)(％)一般钢

A 45 39.5 440 1.46 6.7 467 1.52 3.5 27

50 43.5 451 1.52 5.1 490 1.60 2.4 39

55 47.0 465 1.59 4.5 503 1.68 1.5 38

B 55 32.5 464 1.58 4.5 506 1.74 1.8 40

60 45.0 504 1.73 2.4 544 1.90 1.4 40

C^* 45 44.5 420 1.40 7.0 520 1.78 1.7 100

50 49.0 445 1.50 5.6 549 1.85 1.2 104

55 58.0 451 1.56 4.6 558 1.91 1.1 107对比钢

a 50 43.0 379 1.24 4.3 476 1.57 2.1 95

60 55.5 410 1.33 2.9 506 1.68 1.0 96

b 50 56.0 415 1.37 5.2 482 1.61 2.8 67

60 65.0 441 1.46 3.1 507 1.69 1.4 66

c 50 60.5 473 1.62 4.4 514 1.76 2.0 43

60 69.0 500 1.79 1.9 542 1.91 1.6 42

d 50 67.0 444 1.54 2.6 503 1.71 2.3 59

60 76.0 459 1.69 2.0 516 1.78 1.5 57

e 40 48.0 459 1.57 5.6 549 1.84 1.8 90

45 50.5 473 1.59 5.0 558 1.90 1.7 85

50 55.5 486 1.64 4.0 580 1.98 1.5 94

55 59.5 499 1.70 3.3 592 2.08 1.2 93

f 50 46.5 447 1.46 4.8 500 1.67 2.1 53

60 54.0 479 1.58 2.7 528 1.76 0.9 49^*一般钢C在480℃下时效1小时。

从表2中可以看出，由于本发明钢经冷加工更易诱发马氏体的形成，因此，以同样的压缩量，发明钢中产生的马氏体的量大于一般钢中的马氏体的量。也就是说，以较小的压缩量，在发明钢中就会产生更多的马氏体。

从图1可以看出，在冷轧状态和时效状态下，发明钢比一般钢和对比钢具有更高的抗拉强度和延伸率，而且还表明，在时效处理时，抗拉强度会有明显提高。也就是说，当它们在冷轧状态下和时效状态下使用时，发明钢在抗拉强度和延伸率方面都优于一般的加工硬化不锈钢和沉淀硬化不锈钢。若减少冷加工量时，还能使产品获得良好形状。

从表1和表2的比较可以看出，当Si和Cu共存时可以获得更大的ΔH值。显然，这是由于Si和Cu的协同作用而导致时效硬化所致。

从图2可以看出，含Mn和S量较高的对比钢e经时效硬化后在强度相同的情况下，它的延伸率低于发明钢的延伸率。显然，这是因为Mn和S的含量较高时，它的延展性较差。

附带说明，一般钢C和对比钢具有高ΔH值，但是在冷轧状态下，抗拉强度并不高，因而，通过时效来提高抗拉强度就不明显。对比钢C的高ΔH值是基于金属互化物Ni₃Al的沉淀。

如上所述，在强度和延展性方面，发明钢优于一般加工硬化奥氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢。沉淀元素为Cu，它并不产生不理想的杂质，因此，这种不锈钢的特点是表面总保持良好的光滑度。由于本发明钢中不含贵重元素，所以它是便宜的。

Claims

1.一种高强度不锈钢，它的基本成分为：含有不大于0.10％的C，1.0％到3.0％的Si，小于0.5％的Mn，4.0％到8.0％的Ni，12.0％到18.0％的Cr，0.5％到3.5％的Cu，不大于0.15％的N和不大于0.004％的S，其中C和N的总量不小于0.10％，其余为Fe和附带杂质。

2.如权利要求1所述的高强度不锈钢，其中含有不大于0.08％的C，1.0％到3.0％的Si，小于0.46％的Mn，4.5％到7.5％的Ni，14.0％到17.0％的Cr，0.8％到3.0％的Cu，不大于0.13的N和不大于0.0035％的S。

3.如权利要求2所述的高强度不锈钢，其中含有不大于0.075％的C，1.5％到2.95％的Si，小于0.42％的Mn，5.50％到7.30％的Ni，14.5％到16.5％的Cr，1.00％到2.65％的Cu，不大于0.125％的N和不大于0.003％的S。