CN109112430A - 一种低成本高强度节镍奥氏体不锈钢及制造方法 - Google Patents

Abstract

一种低成本高强不锈钢及制造方法，其化学成分重量百分比为：C0.05～0.15％，Si 0.2～1.0％，Mn：7～12％，Cr 14～16％，Ni 1.0～2.0％，P≤0.045％，S≤0.02％，N 0.1～0.2％，Cu 1.0～2.0％，Al 0.05～0.2％，余量为Fe和不可避免杂质。本发明通过添加Al元素，并控制Al在钢中含量，在小形变量下，使得钢形变时仅诱发少量的马氏体(大量马氏体的形成会增加钢的延迟开裂敏感性)，产生高塑性，延伸率达到30％以上，同时因为AlN的沉淀析出强化及钢的形变强化及相变强化的三种作用下，使钢的屈服强度达到800MPa以上，抗拉强度1000MPa以上，满足汽车车架及汽车大梁钢、结构件的高强度高塑性的要求，实现汽车轻量化，高安全性能，高耐蚀性等目标。

Description

一种低成本高强度节镍奥氏体不锈钢及制造方法

技术领域

本发明涉及奥氏体不锈钢及制造方法，特别涉及一种低成本高强度节镍奥氏体不锈钢及制造方法，该奥氏体不锈钢屈服强度达到800MPa以上，抗拉强度达到1000MPa以上，高塑性，延伸率达到30％以上，可用于汽车零部件，特别适合客车车架，汽车大梁以及其他结构件。

背景技术

环境污染影响健康，汽车排放成为主要的大气污染源之一，世界各国因此出台了更加严厉车辆排放标准，汽车轻量化能提高汽车动力性，减少燃料消耗，降低排放，故汽车轻量化成为世界汽车技术发展的重要方向之一。轻量化是各类汽车共同涉及的关键核心技术和基础技术，由于电池与续航能力的关系，对新能源汽车产业化来说，轻量化的重要性更加突出。

目前，汽车用钢已经逐渐实现由传统高强钢向先进高强钢的过渡，传统高强钢包括BH钢，IF钢以及高强度低合金钢等，传统高强度钢随着强度的增加，塑性降低，弹塑积小，已经无法汽车轻量化的要求，而先进高强钢相比而言，强塑积较高，既能满足汽车的轻量化要求又能满足安全性要求。先进的高强钢一般指相变诱发塑性钢(TRIP)，孪晶诱发塑性钢(TWIP)，双相钢(DP)，复相钢(DP)以及马氏体钢。以上高强钢均为碳钢高强钢，而碳钢高强钢制作汽车零部件的过程中，需要经过电泳或者涂装工序，以增加抗腐性。

近些年，随着人们对环境问题的关注，以及对车使用寿命的要求更高，不锈钢被越来越多地用在汽车零部件上。在客车车架常用的不锈钢牌号中，欧洲标准铁素体不锈钢1.4003应用比较广泛，奥氏体不锈钢材料材料以1.4310，1.4318和1.4301为主，但1.4003因为强度不高已经不能满足汽车轻量化的要求，而1.4310，1.4318和1.4301则因为还有高含量贵重金属镍，使得材料的成本居高不下，不满足车辆厂对材料低成本的要求。

已有大量节镍奥氏体不锈钢如：

中国专利201410294143.8公开了一种汽车车架用高强奥氏体不锈钢，该钢通过添加Nb、Ti细化晶粒，产生晶界强化，并通过添加Ce来净化晶界去除夹杂物或夹杂物改性，从而提升材料的力学性能和耐腐蚀性能。并通过调制轧制获得600MPa以上的屈服强度以及28％以上的延伸率。

中国专利201510611732.9公开了一种抗拉强度800～1600MPa级高强奥氏体不锈钢及制造方法和温成型方法，该高强钢在成分上微观组织和专利201410294143.8中的高强钢类似，除了采用Nb、Ti微合金外，还添加了贵重金属Mo，以增加其抗腐性，在组织上同样为奥氏体+形变马氏体，其中马氏体体积为0.75～30％，为了防止冷加工过程中产生大量马氏体，同时降低残余应力，从而减少材料的延迟开裂的风险，采用了温成型的方法。

中国专利201510248252.0也公开了一种高强度汽车车架用奥氏体不锈钢，通过添加Y和Zr，使奥氏体不锈钢微观结构中的晶粒得到大幅度细化，强度得到大幅度提高。抗拉强度可达1100～1300MPa，延伸率29～32％。

中国专利201580016940.2公开了一种高强度和高延展性的奥氏体高锰不锈钢，锰含量可高达14-26％，优选选择19-23％，而镍含量很低，仅有0.8％以下，该不锈钢利用TWIP(孪晶诱发延展性)效应得到高强度和高塑性。当形变10％时，可得到屈服强度800-900MPa，抗拉强度900-1030MPa，延伸率可达25-35％。该钢中N含量很高，达到4000PPm，冶炼困难。

中国专利201410375005.2公开的节镍奥氏体不锈钢中，氮含量高达0.3％-0.35％，由于氮在钢中的溶解度极限，实际生产会产生一定的难度。

中国专利201110027216.3及200810201644.1的公开的节镍奥氏体不锈钢，生产过程中需要添加B和Ca，以增加钢的热加工型以及改善钢的纯净性，从而减少钢在制作过程的表面缺陷、两专利所发明的钢均用于制品，对钢的强度并不关注。

综上所诉，以上专利中均为节镍奥氏体不锈钢，除201580016940.2公开的高猛钢是通过形变孪晶诱发塑性外，其余专利中的节镍奥氏体不锈钢均为亚稳态，在形变后均会产生马氏体，而一定马氏体的产生，在产生高强度的同时，也能诱发塑性，但钢中过多的马氏体含量以及钢保持过高的应力状态，都会引起材料的延迟开裂，

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本高强度节镍奥氏体不锈钢及制造方法，该奥氏体不锈钢屈服强度达到800MPa以上，抗拉强度达到1000MPa以上，高塑性，延伸率达到30％以上，强塑积可达35GPa以上，可用于汽车零部件，保证汽车在碰撞过程的安全性，特别适合客车车架，汽车大梁以及其他结构件。

为达到以上目的，本发明的技术方案如下：

奥氏体不锈钢可分为稳定奥氏体不锈钢和亚稳定奥氏体不锈钢，所谓稳定奥氏体不锈钢在室温下形变不会诱发马氏体相变，而亚稳定奥氏体不锈钢则会产生马氏体相变，节镍奥氏体不锈钢，在镍含量很低的情况下，需要用氮和锰元素替代镍以保证奥氏体相，但如果氮含量和锰含量不够高，形成的奥氏体相则为亚稳相。锰含量过高对氮的溶解度没有帮助，反而会引起钢的抗腐蚀性下降，氮含量过高，则会给实际生产带来困难。

故本发明的节镍奥氏体不锈钢既要能容易实现生产，又要保证形变后不产生大量的马氏体相变，同时小变量形变后，钢要满足高强度的同时，也要满足高塑性，即满足汽车结构件对安全性能的要求。

为此，本发明通过使发明钢在小形变后仅产生少量马氏体，产生TRIP效应，实现高塑性的同时减少延迟开裂的敏感性；利用AlN的析出强化、钢的相变强化以及应变强化的三种作用，实现钢的高强度。

具体的，本发明的低成本节镍高强度奥氏体不锈钢，其化学成分重量百分比为：C：0.05～0.15％，Si：0.2～1.0％，Mn：7～12％，Cr：14.0～16.0％，N：0.1～0.2％，Ni：1.0～2.0％，Cu：1.0～2.0％，Al：0.05～0.2％，P≤0.045％，S≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。

在本发明的节镍高强塑积奥氏体不锈钢成分设计中：

C：是强烈奥氏体形成元素，但C过高，虽然会增加钢的强度，但会破坏钢的韧性及塑性，同时C过高，在不锈钢的晶界处析出Cr的碳化物，影响钢的耐腐蚀性。故C的含量控制在0.05～0.15％。

N：N抑制铁素体形成的能力是镍的30倍，也是强烈奥氏体形成元素，故在奥氏体锈钢中，常用N替代一部分贵重金属Ni，实现钢的低成本，另外N在提高钢的强度的同时，能不明显降低钢的塑性和韧性，同时还能提高不锈钢的耐腐蚀性，但N在不锈钢中的溶解度不高，在常压下，过高的N含量会导致N在生产过程中从钢水中析出，导致钢中产生气泡，故综合考虑钢的成本、性能及生产难度，将N的含量控制在0.1～0.2％。

Si：硅在本发明的钢中，仅仅用作脱氧剂，去除钢中的一定的氧含量，保持钢的清洁度，硅因是强烈的铁素体形成元素，含量过高会在钢中形成高温的铁素体，恶化奥氏体不锈钢的性能，故Si的含量仅仅控制在0.2～1.0％。

Mn：锰的奥氏体化能力比较弱，在节镍奥氏体不锈钢中，除了N以外，需要添加一定含量的锰，来获得完全奥氏体化组织，但锰含量过高，奥氏体化的作用不再随含量的增加而加强，同时过高的锰也会恶化钢的耐腐蚀性能，另外和钢种的S结合，形成MnS夹杂，恶化钢的力学性能。故锰的含量控制在7.0～12.0％。

Cr：铬是铁素体形成元素，也是不锈钢保持耐蚀性必须元素，钢中的格元素至少在10％以上才能保证不锈钢的耐蚀性，本发明的节镍奥氏体不锈钢主要用于汽车结构件，服役环境并不恶劣，故不需要过高的铬元素，另外综合其他元素，保证钢的全奥氏体化，故设计Cr的含量在14.0～16.0％。

Ni：镍是奥氏体形成元素，是不锈钢钢中的常见元素，本发明涉及的是一种节镍奥氏体不锈钢，从成本上考虑，镍含量不宜过高，但无镍奥氏体不锈钢低温韧性差，故不宜用N和锰完全取代镍含量，综合考虑成本及性能，设计镍含量为1.0～2.0％。

Cu：铜是弱奥氏体形成元素，在奥氏体不锈钢中，铜作为合金元素是显著降低钢的冷作硬化现象，提高冷加工成型性能，但铜又能显著降低钢的热加工性能，热轧过程中形成钢板卷的边裂，特别是镍含量较低的时候尤其明显，故铜的含量不宜过高，本发明中设计铜的含量为1.0～2.0％。

Al：铝是强烈铁素体形成元素，本发明中，Al既作为脱氧剂又作为合金元素，作为合金元素，铝会和钢中的N结合，沉淀形成AlN，起到强化作用，但因为Al强烈铁素体形成元素，不易过高，否则钢中形成大量铁素体相，恶化钢的塑性。另外，Al含量过高，会给钢的浇注带来一定的影响。故综合考虑Al的作用以及生产难度，控制Al的含量在0.05～0.2％。

P/S：两者钢种的夹杂元素，故根据生产能力，尽量保持低含量，特别是本发明涉及的钢中含有一定量的Mn，为了避免生成过多的夹杂物MnS夹杂物，S含量尽量控制在0.01％以下。

本发明所述的低成本高强度奥氏体不锈钢的制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼、浇铸

按照上述化学成分经过中频感应炉冶炼，浇铸成锭；

2)锻打成坯

锻打温度1000～1200℃，锻打成坯料厚30～40mm；

3)热轧

热轧加热温度：1150～1200℃，终轧温度不低于1000℃，热轧板料厚度2.5～4.0mm；

4)热轧退火酸洗

退火温度：950～1100℃；

5)冷轧

冷轧压下量5％～15％，冷轧成成品厚度为2～3.5mm。

按照本发明节镍奥氏体不锈钢成分，通过热力学计算其高温平衡态组织，由此确定钢的锻打、热轧加热温度以及退火温度。锻打温度及热轧加热温度过高，使钢处于双相区形变时，锻打及热轧会产生开裂现象，故将锻打温度及热轧加热温度控制在1200℃以下。由于钢在形变过程中产生变形抗力，故终锻温度及热轧终轧温度不低于1000℃。

由于本发明钢中含有一定含量的铝和氮，在不同温度下会沉淀析出AlN，对钢起到强化作用，退火温度过高，会使钢的晶粒长大，削弱AlN的强化作用，故根据热力学计算，设定退火温度950～1100℃。

由于亚稳定奥氏体不锈钢在发生形变时会形成马氏体，形变量越大马氏体含量越多，应力越大，从而会增加高强钢的延迟开裂敏感性，由于本发明涉及钢种添加一定含量的铝，在小变形量的情况下，产生的马氏体含量小，钢的延迟开裂敏感性小，同时不因形变量小，而达不到高强度要求。故设计钢的冷轧变形量为5～15％。

本发明节镍奥氏体不锈钢与以上专利最大的区别是通过添加Al元素，并控制Al在钢中含量以及在钢中的形态，在小形变量下，使得本发明钢形变仅诱发少量的马氏体(大量马氏体的形成以及高应力状态会增加钢的延迟开裂敏感性)，产生高塑性，延伸率达到30％以上，同时在AlN的析出强化以及钢的形变强化及相变强化的三种作用下，使钢的屈服强度达到800MPa以上，抗拉强度达到1000MPa以上，以满足车辆零部件对钢的高强度要求。

本发明的有益效果：

本发明节镍奥氏体不锈钢，相比汽车结构件用常规碳钢而言，在生产过程中，因不锈钢的耐腐蚀性，可省去电泳及涂装等工序，有利于环境保护，另外可延长汽车零部件的寿命。

本发明通过合理的成分设计，在保证汽车零部件需要的高强度要求的前提下，以一定氮、锰替代部分镍，相比汽车用铬镍奥氏体而言，成本大大降低。

近年来，尽管关于铝系不锈钢的研究比较多，但针对的不锈钢均为常规奥氏体不锈钢304、316及321等稳定态奥氏体不锈钢，且这些研究中Al含量高，在1.5％～6％之间，属于高铝不锈钢，这会巨大增加不锈钢的工业生产难度，同时，这些铝系不锈钢的研究重点关注钢的耐腐蚀性，以及组织变化，这些钢中的N含量低(0.05％以下)，故研究中未见对AlN的作用进行讨论。

本发明涉及的是节镍奥氏体不锈钢，N含量高(0.1～0.2％)，通过加入少许含量的Al，仅仅在0.2％以下(相比高铝不锈钢，工业生产难度小)，和钢中的N沉淀析出AlN，在钢中起到析出强化的作用，同时因为Al的加入，使本发明钢只需经过小变量的形变后，形成少量马氏体，从而减少钢的延迟开裂敏感性。

另外，因为少量马氏体的存在，使得本发明钢具备高强度的同时，具备高塑性。由于本发明钢的这种高强度高塑性，在满足汽车安全性的同时，可使汽车用钢板减厚，以达到汽车轻量化的目的。

附图说明

图1为本发明实施例2成品钢板金相组织照片。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

本发明节镍奥氏体不锈钢实施例的成分见表1，其余量为Fe和不可避免的杂质；相应的制造工艺参数见表2，实施例不锈钢的性能见表3。

图1为本发明实施例2成品钢板金相组织：奥氏体+AlN(黑色点状)+马氏体(微量)。

从图1可以看出，钢中的晶粒在10％的形变下，几乎没有发生变形，晶粒细小，钢中马氏体含量少，几乎看不见，但可通过磁性相测量得出，见表2，而大量的AlN(黑色小点)弥散分布在基体中，起到强化作用。

表1单位：重量百分比

表2

表3

Claims (6)

1.一种低成本高强度节镍奥氏体不锈钢，其化学成分重量百分比如下：C：0.05～0.15％，Si：0.2～1.0％，Mn：7～12％，Cr：14.0～16.0％，N：0.1～0.2％，Ni：1.0～2.0％，Cu：1.0～2.0％，Al：0.05～0.2％，P≤0.045％，S≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的低成本高强度节镍奥氏体不锈钢，其特征在于，所述奥氏体不锈钢的组织形态为奥氏体+马氏体+AlN析出，马氏体含量10％以下。

3.如权利要求1或2所述的低成本高强度节镍奥氏体不锈钢，其特征在于，所述奥氏体不锈钢屈服强度达到800MPa以上，抗拉强度达到1000MPa以上，延伸率达到30％以上，强塑积可达35GPa以上。

4.如权利要求1所述的低成本高强度奥氏体不锈钢的制造方法，其特征是，包括如下步骤：

1)冶炼、浇铸

按照权利要求1所述化学成分经过中频感应炉冶炼，浇铸成锭；

2)锻打成坯

锻打温度1000～1200℃，锻打成坯料厚30～40mm；

3)热轧

热轧加热温度：1150～1200℃，终轧温度不低于1000℃，热轧板料厚度2.5～4.0mm；

4)热轧退火酸洗

退火温度：950～1100℃；

5)冷轧

冷轧压下量5％～15％，冷轧成成品厚度为2～3.5mm。

5.如权利要求4所述的低成本高强度节镍奥氏体不锈钢的制造方法，其特征在于，所述奥氏体不锈钢的组织形态为奥氏体+马氏体+AlN析出，马氏体含量10％以下。

6.如权利要求4所述的低成本高强度奥氏体不锈钢的制造方法，其特征是，所述奥氏体不锈钢屈服强度达到800MPa以上，抗拉强度达到1000MPa以上，延伸率达到30％以上，强塑积可达35GPa以上。