CN104711492A - 一种超硬态奥氏体不锈钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种超硬态奥氏体不锈钢及其制造方法，其化学成分质量百分比为：C：0.08～0.13％，0.3＜Si＜1.0％，0.5≤Mn＜2.0％，Cr：16.5～17.5％，Ni：6.5～7.5％，N：0.03～0.08％，Mo：0.5～0.8％，P≤0.040％，S≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质，且需满足：Md30温度为30～60℃。本发明通过控制调质冷轧压下率为35～45％，轧制速率≤5m/s，轧制温度≤30℃，为奥氏体向形变马氏体的转变创造了条件，在相同变形量条件下使材料的硬度大幅提高，当调质冷轧压下率为35％时就实现了硬度HV＞550，并减小了超高硬态钢的各向异性。

Description

一种超硬态奥氏体不锈钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种超硬态奥氏体不锈钢及其制造方法。

背景技术

目前，硬态钢的生产方法主要有两类：一类是用常规的304钢或301钢进行不同道次即不同冷轧压下量的变形，得到不同硬度等级的硬态钢带，常规304和301不锈钢的化学成分见表1；另一类是通过Mn、N合金代替贵重金属Ni，进行不同压下量的冷轧，得到不同硬度等级的无磁硬态钢。但，所有现有硬态钢的硬度HV都小于550。

由于硬态钢主要应用于精密电子和精密机械等行业，对疲劳寿命的要求日益提高。因为疲劳极限和硬度正相关，硬度的提高使疲劳性能提高。因此，硬态钢用户对HV大于550超硬态钢不锈钢的需求逐渐增多。

中国专利CN101234395A中当HV达到550时，轧制压下量已达70％，基本接近轧制工艺压下量的极限，即使再进一步增大压下量，硬度的升高也很有限，而且带钢的板型不易控制，还会造成带钢有比较严重的各向异性，特别是在压缩变形中纵向的屈服强度远低于横向屈服强度，严重的各向异性导致加工变形中产生缺陷。另一方面，60％以上的冷轧压下量超出了材料变形极限，也会产生一些表面质量问题(如图1所示)，影响使用。

为此，亟需开发一种加工硬化速率较快即较小的冷轧压下量即可实现硬度HV大于550，且具有较好各向同性的超级硬态不锈钢。

表1      单位：wt，％

钢种

C

Si

Mn

S

P

Cr

Ni

304

≤0.08

≤1.0

≤2.0

≤0.03

≤0.045

18～20

8～10.5

301

≤0.015

≤1.0

≤2.0

≤0.03

≤0.045

16～18

6～8

发明内容

本发明的目的在于提供一种超硬态奥氏体不锈钢及其制造方法，实现在较低调质冷轧压下量条件下硬度的提高，具体是当调质冷轧压下量≥35％时，钢硬度HV可达到550以上，并减小超高硬态钢的各向异性，主要应用于精密电子、精密机械等需要超高硬度的行业。

为达到上述目的，本发明主要采用如下技术方案：

一种超硬态奥氏体不锈钢，其化学成分质量百分比为：C：0.08～0.13％，0.3＜Si＜1.0％，0.5≤Mn＜2.0％，Cr：16.5～17.5％，Ni：6.5～7.5％，N：0.03～0.08％，Mo：0.5～0.8％，P≤0.040％，S≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质，且上述元素同时需满足如下关系：Md30温度为30～60℃，Md30＝413-9.5Ni-13.7Cr-8.1Mn-9.2Si-18.5Mo-426(C+N)。

进一步，本发明所述超硬态奥氏体不锈钢的硬度HV＞550，压缩变形纵向屈服强度Rp0.2＞1000MPa，压缩变形横向屈服强度Rp0.2＞1000MPa。

本发明所述超硬态奥氏体不锈钢的显微组织是形变马氏体和加工硬化的奥氏体。

在本发明的成分设计中：

C：C是一种间隙元素，通过固溶强化可显著提高钢的硬度，形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体区，C含量的波动对Md30值的变化较大。另外，C含量的增加可以提高形变马氏体的硬度，为了使硬态钢的硬度HV大于550，应确保C含量大于0.08％。因此，本发明C含量控制为0.08～0.13％。

Si：Si是一种脱氧元素，可显著提高钢在固溶态的晶间腐蚀敏感性。因此，本发明Si含量控制为0.3＜Si＜1.0％。

Mn：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，Mn含量控制为0.5≤Mn＜2.0％。

Cr：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Cr提高钢耐氧化性介质和酸性氯化物介质的性能，过量的Cr造成不锈钢的脆性。因此，Cr含量控制为16.5～17.5％。

Ni：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。因此，Ni含量控制为6.5～7.5％。

N：N是强奥氏体形成元素，可以提高固溶态奥氏体不锈钢的硬度和耐蚀性，但过量的N含量会降低钢的热、冷加工性、冷成形性并降低相同冷变形条件下的形变马氏体转变量，不利于硬度的提高，必须平衡好N提高固溶态硬度和降低形变马氏体转变量的关系。因此，本发明N含量控制为0.03～0.08％。

Mo：Mo对室温力学性能影响不大，可以提高耐蚀性和疲劳性能。本发明主要利用Mo来提高冷轧加工硬化速率，在Md30计算公式中，Mo是除C、N以外对其影响最明显的元素，但过高的Mo含量会降低钢的热加工性能。因此，Mo含量控制为0.5～0.8％。

P、S：P和S均为不可避免的杂质元素，但对性能有不利的影响，因此，P含量控制为≤0.040％，S含量控制为≤0.01％。

本发明Md30是指真应变量为30％的冷变形后生成50％形变马氏体的温度，Md30＝413-9.5Ni-13.7Cr-8.1Mn-9.2Si-18.5Mo-426(C+N)，该式中元素符号表示对应元素的质量百分含量×100。

本发明中Md30温度控制在30～60℃：若Md30超过60℃，奥氏体极不稳定，相同冷变形后生成的形变马氏体量较多；钢中需含有较少的合金元素才能使Md30超过60℃，这对形变马氏体和加工硬化奥氏体硬度的提高不利，不能确保冷轧后硬度的快速提高。若Md30低于30℃，钢中必然含有较多的合金元素，奥氏体的稳定性增强，相同冷变形后产生的形变马氏体数量较少，同样会导致加工硬化速率降低。因此，Md30温度控制在30～60℃之间有效保证了形变马氏体的转变以及形变马氏体和加工硬化奥氏体的硬度，促使加工硬化速率的提高，即较低的冷轧压下量实现较多的形变马氏体转变，保证硬度的提高。

本发明的一种超硬态奥氏体不锈钢的制造方法，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按上述成分冶炼，铸造成板坯；

2)加热

加热炉内残氧量＜2％，板坯的抽钢温度为1205～1235℃，加热时间按1～1.5min/mm控制；

3)热轧

粗轧总压下量为80～85％，经精轧后将带钢轧制到目标厚度，整个热轧轧制过程中不除鳞；轧后经层流冷却水冷却至地下卷取机、卷取温度为650～700℃，卷取后空冷；

4)固溶处理、抛丸酸洗

固溶处理温度为1050～1150℃，抛丸力度为800～1500kg/min，酸洗温度为45～55℃；

5)冷轧、退火酸洗

冷轧压下量≥50％；冷轧后退火酸洗，退火温度为1080～1120℃，酸洗温度为45～55℃；

6)调质冷轧

调质冷轧压下量为35～45％，分8～9道次完成，每道次的轧制速度≤5m/s，轧制温度≤30℃；

7)去应力退火

退火温度为350～400℃，保温时间为6～8h。

本发明的制造方法中：

本发明将连铸坯送往步进梁式加热炉内加热，为了确保最终冷轧带钢的表面质量应控制加热炉内的空燃比，使加热炉内的残氧量小于2％，板坯的抽钢温度为1220±15℃，在炉时间按1～1.5min/mm来控制。

本发明热轧工序：将板坯热轧变形至目标厚度，分为粗轧和精轧，粗轧的总变形量为80～85％，消除连铸坯的一些缺陷如气孔等，精轧保证带钢目标厚度的实现。

本发明固溶处理、抛丸酸洗工艺：以确保获得表面质量良好的白皮卷，为带钢冷轧做好准备；冷轧和冷轧后的退火酸洗，根据成品厚度规格确定所需冷轧压下量，为了保证最终产品的表面光洁度，冷轧压下量≥50％。

本发明调质冷轧工艺中调质冷轧分8～9道次完成，通过道次间冷却使轧制温度≤30℃，及轧制速度≤5m/s，为奥氏体向形变马氏体的转变创造了条件，提高相同冷轧变形量下的形变马氏体转变量，使在相同变形量条件下材料的硬度大幅提高，得到硬度HV大于550时所需要的调质冷轧总压下率大大降低。

本发明调质冷轧工艺中调质冷轧压下量为35～45％：调质冷轧压下率低于35％时，转变的形变马氏体数量不足，硬度HV达不到550；压下率为45％时硬度已经接近600，继续增大压下量，硬度的提高速率不大，而且会带来不利于生产控制的后果，如带钢板型的控制和轧辊的磨损等。

对于常规工艺制备的硬态钢，其硬度HV达到550是极限，而本发明调质冷轧压下率为35％时，HV就可达到550，且随着调质冷轧压下率的增大，硬度HV也进一步提高。

本发明的去应力退火工艺：将整卷带钢放入罩式退火炉中，随炉升温至退火温度350～400℃，保温时间6～8h。本发明通过去应力退火，其硬度HV值可以提高20～50，同时纵横向性能差异减小。

本发明去应力退火的原理是：调质冷轧后的组织为形变马氏体和加工硬化的奥氏体，加工硬化的奥氏体在退火过程中发生了回复，结构缺陷的减少导致形变马氏体和奥氏体的相界产生松弛，促使了形变马氏体的生长，形变马氏体比例增加导致硬度HV提高；加工硬化奥氏体的回复减小了各向异性。

本发明的有益效果在于：

1)本发明通过添加少量的N和Mo以及化学成分含量的精细控制，控制了Md30温度在30～60℃之间，大大提高了本发明钢种的加工硬化速率，降低了调质冷轧的压下量，有利于板型的控制和材料各向异性的降低。

2)本发明通过控制调质冷轧的轧制速率、轧制温度，使在相同变形量条件下材料的硬度大幅提高，当硬度HV为550时，所需的调质冷轧压下量仅为35％。

3)本发明通过去应力退火，进一步提高了硬度并显著降低超硬态材料经压缩变形时的各向异性，具体是保证了压缩变形时屈服强度的纵横向差小于200MPa。

附图说明

图1为常规301经65％冷轧变形后的表面形貌图。

图2为本发明实施例的工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明实施例的工艺流程示意图如图2所示，具体如下：

将经电炉和AOD炉按要求冶炼的钢水倒入烘烤好的钢包内，吊至精炼工位微调成分，确保各成分综合作用的Md30在30～60℃之间，底吹氩软搅拌之后确保钢包温度到达浇铸所需温度时吊往连铸平台，铸成200mm厚的连铸坯。为保证连铸板坯的表面质量，尽量保证稳定的拉速，直至最后10分钟缓慢降低拉速。本发明钢实施例1-8的化学成分如表2所示。

制备出的板坯经热轧，轧制成冷轧所需的目标厚度，实施例1-8热轧工艺如表3所示。热轧带钢经固溶处理、抛丸酸洗，制备出白皮卷，为下工序的冷轧做准备，本发明实施例1-8的固溶处理、抛丸酸洗工艺条件如表4所示。

白皮卷经冷轧，轧制到目标厚度后经退火酸洗工序，为调质冷轧作好准备，本发明实施例1-8的冷轧、退火工艺条件如表5所示。冷轧退火完成后的带钢经调质冷轧和去应力退火，制备出HV大于550的超硬态带钢，本发明实施例1-8的调质冷轧和去应力退火工艺条件如表6所示。

本发明的产品性能与现有硬态钢301的性能如表7所示。由表7可知，现有硬态钢301在压下量为70％时，硬度HV为547，压缩变形时屈服强度Rp0.2的纵、横向值分别为793MPa和1317MPa，两者之差为534MPa，造成比较严重的各向异性，对后续加工性能造成不利影响。

本发明通过化学成分和Md30的合理控制，热轧和冷轧工艺的严格执行，当调质冷轧压下率为35％时即可制备出硬度HV为552的超硬态奥氏体不锈钢，继续提高调质冷轧压下量，硬度可以进一步提高。同时去应力退火保证了压缩变形时屈服强度的纵横向差小于200MPa。

表2      单位：wt，％

实施例	C	Si	Mn	Cr	Ni	N	Mo	Md30
									1	0.12	0.5	1.0	17.0	6.5	0.03	0.6	30.65
2	0.08	0.7	1.5	16.5	7.5	0.03	0.6	39.15
									3	0.08	0.5	0.5	16.5	6.5	0.06	0.5	47.66
4	0.09	0.4	0.6	16.5	6.5	0.03	0.5	56.29
									5	0.08	0.8	0.6	16.5	6.5	0.08	0.8	30.02
6	0.10	0.4	0.5	17.5	6.5	0.05	0.5	30.62

7	0.08	0.6	1.2	17.0	7.0	0.04	0.6	36.14
									8	0.13	0.4	0.6	16.5	6.5	0.03	0.8	33.70
现有301	0.11	0.55	1.7	16.3	6.2	-	-	-

表3

表4

表5

表6

表7

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (6)

1.一种超硬态奥氏体不锈钢，其化学成分质量百分比为：C：0.08～0.13％，0.3＜Si＜1.0％，0.5≤Mn＜2.0％，Cr：16.5～17.5％，Ni：6.5～7.5％，N：0.03～0.08％，Mo：0.5～0.8％，P≤0.040％，S≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质，且上述元素同时需满足如下关系：Md30温度为30～60℃，Md30＝413-9.5Ni-13.7Cr-8.1Mn-9.2Si-18.5Mo-426(C+N)。

2.根据权利要求1所述的超硬态奥氏体不锈钢，其特征在于，所述超硬态奥氏体不锈钢的硬度HV＞550，压缩变形纵向屈服强度＞1000MPa，压缩变形横向屈服强度＞1000MPa。

3.根据权利要求1所述的超硬态奥氏体不锈钢，其特征在于，所述超硬态奥氏体不锈钢的显微组织是形变马氏体和加工硬化的奥氏体。

4.如权利要求1所述的超硬态奥氏体不锈钢的制造方法，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按上述权利要求1的成分冶炼，铸造成板坯；

2)加热

加热炉内残氧量＜2％，板坯的抽钢温度为1205～1235℃，加热时间按1～1.5min/mm控制；

3)热轧

粗轧总压下量为80～85％，经精轧后将带钢轧制到目标厚度，整个热轧轧制过程中不除鳞；轧后经层流冷却水冷却、卷取，卷取温度为650～700℃，卷取后空冷；

4)固溶处理、抛丸酸洗

固溶处理温度为1050～1150℃，抛丸力度为800～1500kg/min，酸洗温度为45～55℃；

5)冷轧、退火酸洗

冷轧压下量≥50％；冷轧后退火酸洗，退火温度为1080～1120℃，酸洗温度为45～55℃；

6)调质冷轧

调质冷轧压下量为35～45％，分8～9道次完成，每道次的轧制速度≤5m/s，轧制温度≤30℃；

7)去应力退火

退火温度为350～400℃，保温时间为6～8h。

5.根据权利要求4所述的超硬态奥氏体不锈钢的制造方法，其特征在于，所述超硬态奥氏体不锈钢的硬度HV＞550，压缩变形纵向屈服强度＞1000MPa，压缩变形横向屈服强度＞1000MPa。

6.根据权利要求4所述的超硬态奥氏体不锈钢的制造方法，其特征在于，所述超硬态奥氏体不锈钢的显微组织是形变马氏体和加工硬化的奥氏体。