CN106133177B - 奥氏体不锈钢 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有高强度和延展性的奥氏体高锰不锈钢。不锈钢由重量％计由0.03‑0.1％的碳、0.08‑1.0％的硅、14‑26％的锰、10.5‑18％的铬、低于0.8％的镍、0.05‑0.6％的铜、0.1‑0.8％氮和0.0008‑0.005％的硼、余量的铁和在不锈钢中存在的不可避免的杂质构成，该不锈钢是利用TWIP(孪晶诱发延展性)机理可冷变形的。

Description

奥氏体不锈钢
本发明涉及一种具有高强度和高延展性的奥氏体高锰不锈钢，在变形过程中，该不锈钢利用TWIP(孪晶诱发塑性)机理。
奥氏体不锈钢，如最通用和广泛使用的304奥氏体不锈钢，具有显著较低的强度，兼具冷变形例如冷轧后相对高的残余延伸率。铁素体奥氏体双相不锈钢，如2304铁素体奥氏体双相不锈钢，提供高强度，但松散延展性和甚至低的冷变形程度。
含碳量高的奥氏体锰不锈钢在焊缝和热影响区焊接后易受晶间腐蚀，这是因为在该区域的贫铬。此外，典型的锰不锈钢在冷变形后一般容易形成马氏体相，这可能导致延迟开裂。
FR专利申请2071667涉及以重量％含有如下的奥氏体不锈钢：0.02-0.3％的C、0.1-3.0％的Si、8.0-17.0％的Mn、12.0-16.0％的Cr、0.05-0.3％N和任选0.1-3.0％的铜和0.1-3.0％的Mo，余量由作为基本成分的铁构成，以便在退火后有奥氏体相。FR专利申请2071667的目的是具有改进的软化和更好的成型性能。然而，在法国专利申请2071667的化学组成方面，锰(Mn)含量不应含有超过17重量％，因为较高的含量产生较少的奥氏体相。
美国专利6454879描述了一种用于生产顺磁性奥氏体不锈钢的锻件的方法，其含有以重量％计最多0.1C、0.21-0.60的Si、20-30％的Mn、17-24％的Cr、最多2.5％的Ni、至多1.9％的Mo、0.6-1.4％的N,高达0.3％的Cu、最多0.002％的B、高达0.8％碳化物形成元素、余量包括铁，其具有基本不含铁素体含量的显微组织。钛、锆、钒和铌被描述为强碳化物和氮化物和/或碳氮化物形成体，这些元素的含量小于0.8重量％。根据该方法，在至少850℃的温度下将该材料热成型到至少约3.5倍的变形的程度，且主动冷却。在第二步骤中在低于氮化物的沉积温度下，在低于600℃但高于350℃的升高温度下，以5-20％的变形将它冷成型。为了避免形成马氏体，在这样的高温下在每个过程步骤进行该变形，这增加了生产的材料的制造成本。
在金属材料的显微组织中的孪晶一般定义为共享一些相同的晶格的两个单独的晶体。TWIP(孪晶诱发塑性)不锈钢有奥氏体显微组织，其具有面心立方晶格(FCC)，以及相对低的堆垛层错能(SFE)，促进孪晶变形机理的激活，即在晶格中机械诱发孪晶。术语TWIP表明孪晶往往伴随着通过晶格位错的适应(accomodation)塑性。
本发明的目的是消除现有技术的一些缺点并且实现一种改进的奥氏体高锰不锈钢，其利用冷变形中的TWIP(孪晶诱发塑性)机理以便具有高的加工硬化率与良好的耐腐蚀性和对焊接后的晶间腐蚀、对延迟开裂和应力腐蚀开裂的低脆弱性。奥氏体不锈钢的基本特征列在所附的权利要求中。
根据本发明，奥氏体高锰不锈钢以重量％计由0.03-0.1％的碳、0.08-1.0％的硅、14-26％的锰、10.5-18％的铬、低于0.8％的镍、0.05-0.6％的铜、0.1-0.8％的氮和0.0008-0.005％的硼、余量的铁和在不锈钢中出现的不可避免的杂质构成。本发明的奥氏体不锈钢还含有任选0.001-0.02％的钛和任选小于0.04％的铝。在冷变形中利用TWIP(孪晶诱发塑性)机理，本发明的奥氏体不锈钢在塑性变形之后具有优越的延展性和高强度。因此，与低镍含量有关，本发明的奥氏体不锈钢兼具在初始退火状态的高强度和高加工硬化率和在冷变形如冷轧后的高延伸率。
根据本发明的奥氏体高锰不锈钢的屈服强度Rp0.2和抗拉强度Rm以及在退火状态的断裂延伸率A80的范围是470-600MPa的Rp0.2，800-930MPa的Rm和在1000-1150℃温度范围内的退火后40-60％的A80。当将根据本发明的奥氏体不锈钢进一步冷变形如冷轧时，在以10％和20％的压下程度冷轧后，可以通过如下表1中所列的屈服强度Rp0.2和拉伸强度Rm以及断裂延伸率A80的各自范围来显示TWIP(孪晶诱发塑性)机理的效果：
变形程度 Rp0.2(MPa) Rm(MPa) A80(％)
10％ 800-900 900-1030 25-35
20％ 1000-1100 1100-1250 10-20
表1
对于屈服强度Rp0.2，本发明的奥氏体高锰不锈钢对于变形度10％具有至少20％的高加工硬化率和对于变形度20％至少40％的高加工硬化率。另外，断裂延伸率A80对于变形度10％为25-35％，和对于变形度20％为10-20％，显示出良好的延展性。
描述了在根据本发明的奥氏体高锰不锈钢的化学组成中的主要元素的效果，范围以重量％计，如果没有另外提及。
碳(C)是一种有价值的奥氏体形成和稳定化元素，它使昂贵的元素镍和铜的减少使用成为可能。碳合金化(小于0.1％)的上限是由碳化物析出的风险设定的，该析出劣化不锈钢的耐腐蚀性。碳含量低到足以保持良好的耐腐蚀性。由脱碳处理将碳含量减少到低的水平是不经济的，因此碳含量应不低于0.03％。
将硅(Si)加入到不锈钢中，用于在熔化过程中的脱氧目的，且且不应低于0.08％。因为硅是铁素体形成元素，其含量必须限于小于1％。
锰(Mn)是本发明的奥氏体不锈钢的关键元素，确保稳定的奥氏体晶体结构和使该孪晶机理和此外更昂贵的镍的减少使用成为可能。锰也增加氮在不锈钢中的溶解度。伴随孪晶变形的塑性变形容易发生在锰量为14％或更多而无变形组织即应变诱发的马氏体的情况下。高锰含量使钢的脱碳过程更加困难，损害了表面质量，且降低了钢的耐腐蚀性。因此，锰含量应小于26％。优选的是，锰含量在17.5-26.0％的范围内，更优选在19-23％的范围内。
铬(Cr)负责确保不锈钢的耐腐蚀性。因此，在该不锈钢中的铬含量应为最低10.5％。铬是在避免延迟开裂现象方面是重要的。通过从该水平增加该含量，钢的耐腐蚀性可得到改善。然而，由于铬是铁素体形成元素，铬含量的增加提高了对于昂贵的奥氏体形成体例如镍和锰的需要，或者使不切实际高的碳和氮含量成为必要。因此，铬含量应小于18％。铬也增加氮的溶解度。优选的是，铬含量为12-16.0％的范围内，更优选在12.5-14％的范围内。
镍(Ni)是一种强奥氏体形成体和稳定剂，但镍是一种昂贵的元素。然而，非常低镍含量使得与其他奥氏体形成和稳定化元素的不切实际的高合金化成为必要。因此，镍的含量应优选低于0.8％，但优选小于0.5％。
铜(Cu)以0.05-0.6％，优选0.3-0.6％的残余物形式存在。铜是奥氏体相的弱稳定剂，但是对于马氏体形成的抵抗性方面具有很大影响。铜还对延展性和成型性能具有积极的影响。
氮(N)是一种强奥氏体形成体和稳定剂。因此，氮的合金化通过镍和铜的较低使用改善钢的成本效率。为了保证合理低的使用上述合金化元素，氮含量应为至少0.1％。高氮含量增加钢的强度，从而使成型作业更加困难。此外，氮化物析出的风险随着氮含量的增加而增加。由于这些原因，氮含量应不超过0.8％，优选的氮含量应低于0.6％。氮增加堆垛层错能(SFE)，其用于TWIP的效果的预测，从而使TWIP效应成为可能且对其提供便利。
在室温或以上，在冷轧期间，根据本发明的奥氏体不锈钢不形成任何变形的马氏体。因此，本发明的不锈钢具有高的延展性。根据本发明的奥氏体不锈钢也无应力腐蚀开裂和延迟开裂，即使在空气中和还在5％氯化钠(NaCl)的环境时效之后。
实施例
在生产规模下熔化按照本发明的奥氏体不锈钢，然后以如下化学组成(重量％)铸造成板坯形式
C Si Mn Cr Mo Ni Ti Cu Al N B
0.08 0.5 20 13 0.02 0.2 0.003 0.5 0.01 0.43 0.0023
表2
将板坯进一步热轧成4.0毫米的厚度，然后在1080℃的温度下退火。进一步，以50％的轧制程度将本发明的奥氏体不锈钢冷轧至2.0毫米的厚度，并在1080℃的温度下退火。然后，通过测定屈服强度Rp0.2和抗拉强度Rm以及断裂延伸率A80测试该退火的带材产品。
为了在本发明的奥氏体不锈钢中利用TWIP效应，以10％的压下程度将不锈钢带材冷变形，然后确定屈服强度Rp0.2和抗拉强度Rm以及延伸断裂率A80。还对于具有20％的压下程度的冷变形带材进行各作业。在下表中描述这些测试结果的结果：
压下度 RpO.2(MPa) Rm(MPa) A80(％)
0％ 500 830 48
10％ 800 950 28
20％ 1020 1180 14
表3
结果表明根据本发明的奥氏体不锈钢对于屈服强度Rp0.2具有高加工硬化率。此外，断裂延伸率A80对于10％变形度是28％，对于20％变形度是14％，在冷轧后在高强度下仍显示良好的延展性。
可将本发明的奥氏体不锈钢制造成板坯，大方坯，小方坯和平坦的产品，如线圈、带材、板材、片材，和长的产品，如棒材、杆材、线材、型材和异型材，和管状的产品，如管、管道，且能例如用于汽车结构、用于罐、在碰撞相关部件、在结构和轨道车辆中。
可以在热加工如热轧后退火的带材状态下，在冷加工如冷轧后退火的带材状态下，或者热加工和冷加工然后冷变形如冷轧后退火的带材状态下，将根据本发明的高锰奥氏体不锈钢进行冷变形，以利用TWIP效应用于更高的屈服强度和抗拉强度值以及仍高的延展性。

Claims (17)

1.具有高的强度和延展性的奥氏体高锰不锈钢，其特征在于，所述不锈钢以重量％计由0.03-0.1％的碳、0.08-1.0％的硅、17.5-26.0％的锰、10.5-18％的铬、低于0.8％的镍、0.05-0.6％的铜、0.1-0.8％氮和0.0008-0.005％的硼、0.001-0.02钛和小于0.04％的铝、余量的铁和在不锈钢中出现的不可避免的杂质组成，且在退火状态下，屈服强度Rp0.2和抗拉强度Rm以及断裂延伸率A80的范围是，470-600MPa的Rp0.2、800-930MPa的Rm和40-60％的A80，该不锈钢是利用TWIP(孪晶诱发塑性)机理可冷变形的，使得在冷变形程度为10％时，对于屈服强度Rp0.2，基于冷变形的加工硬化率为至少20％。
2.根据权利要求1的奥氏体高锰不锈钢，其特征在于在冷变形程度为20％时，对于屈服强度Rp0.2，基于冷变形的加工硬化率为至少40％。
3.根据任一前述权利要求的奥氏体高锰不锈钢，其特征在于，在冷变形程度为10％时，断裂延伸率A80是25-35％。
4.根据任一前述权利要求1-2的奥氏体高锰不锈钢，其特征在于，在冷变形程度为20％时，断裂延伸率A80是10-20％。
5.根据任一前述权利要求1-2的奥氏体高锰不锈钢，其特征在于，锰含量在19-23％的范围内。
6.根据任一前述权利要求1-2的奥氏体高锰不锈钢，其特征在于，铬含量在12-16.0％的范围内。
7.根据任一前述权利要求1-2的奥氏体高锰不锈钢，其特征在于，铬含量在12.5-14％的范围内。
8.根据任一前述权利要求1-2的奥氏体高锰不锈钢，其特征在于，铜含量在0.3-0.6％的范围内。
9.根据任一前述权利要求1-2的奥氏体高锰不锈钢，其特征在于，该不锈钢在热加工后退火的带材状态下就TWIP效应而言是可冷变形的。
10.根据前述权利要求1-2中任一项的奥氏体高锰不锈钢，其特征在于，该不锈钢在冷加工后退火的带材状态下就TWIP效应而言是可冷变形的。
11.根据前述权利要求1-2中任一项的奥氏体高锰不锈钢，其特征在于，该不锈钢在热加工和冷加工然后冷变形后退火的带材状态下就TWIP效应而言是可冷变形的。
12.根据任一前述权利要求1-2的奥氏体高锰不锈钢，其特征在于，将该奥氏体不锈钢制造成板坯、大方坯、小方坯、平坦的产品、长的产品或管状的产品。
13.根据权利要求12的奥氏体高锰不锈钢，其特征在于，将该奥氏体不锈钢制造成线圈、带材、板材、片材、棒材、杆材、线材、型材、异型材、管、或管道。
14.根据任一前述权利要求1-2的奥氏体高锰不锈钢，其特征在于，将该奥氏体不锈钢用于结构。
15.根据任一前述权利要求1-2的奥氏体高锰不锈钢，其特征在于，将该奥氏体不锈钢用于汽车结构或用于罐。
16.根据任一前述权利要求1-2的奥氏体高锰不锈钢，其特征在于，将该奥氏体不锈钢用于碰撞相关部件。
17.根据任一前述权利要求1-2的奥氏体高锰不锈钢，其特征在于，将该奥氏体不锈钢用于轨道车辆中。
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