CN111057947A - 一种具有良好高温强度的铁素体不锈钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有良好高温强度的铁素体不锈钢及其制备方法，其中，具有良好高温强度的铁素体不锈钢，按重量百分比，其化学组分为C:0.002％～0.03％，N:0.002％～0.03％，Si:0.1％～0.8％，Mn:0.1％～1.0％，Cr:16.0％～21.0％，Nb：0.3％～1.0％，Mo：0.8％～3.0％，Ce：0.001％～0.05％，Cu：≤0.5％，Ni：≤0.2％且Ni+Cu≤0.5％，Ti：≤0.03％，Al：≤0.03％，余量为Fe及不可避免杂质。本发明通过控制Ce、Nb、Al和Ti等元素含量的添加、各元素的相互协同配合及晶粒尺寸的控制而使得制备的铁素体不锈钢不仅具备高的高温强度，而且具有优良的高温钎焊性能和室温成形性能，从而能被应用在汽车排气岐管及汽车用废气再循环系统。

Description

一种具有良好高温强度的铁素体不锈钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铁素体不锈钢及其制备方法，具体涉及一种具有良好高温强度的铁 素体不锈钢及其制备方法。
背景技术
近年来，由于对环境污染问题的容忍度越来越低，要求不断的强化汽车尾气的排放， 许多国家也实施了越来越严格的汽车尾气排放法律法规。
为了减少污染物的排放，需要不断的提高废气的温度，同时增设尾气后处理系统，例如SCR(选择性催化还原系统)、EGR(废气再循环系统)、DPF(柴油颗粒过滤器)、 GPF(汽油颗粒过滤器)等，对材料的高温特性提出了更高的要求。
如中国发明专利申请《EGR冷却器用铁素体不锈钢》，其专利申请号为CN200980133326.9、申请公开号为CN102131946A公开了一种EGR冷却器用铁素体系 不锈钢板以质量％计其至少含有C：0.03％以下、N：0.05％以下、Si：0.1％～1％、Mn： 0.02％～2％、Cu：0.2％～1.5％、Cr：15％～25％、Nb：8(C+N)％～1％及Al：0.5％以 下，剩余部分包含Fe及不可避免的杂质，所述EGR冷却器用铁素体系不锈钢板以质量％ 计进一步含有Ti：满足下述式(1)及式(2)的范围，而且，Cr、Cu以满足下述式(3)的范围 含有，Ti-3N≤0.03(1)、10(Ti-3N)+Al≤0.5(2)、Cr+2.3Cu≥18(3)。该专利中的铁素体不 锈钢主要通过限定钢种的Ti和Al的含量，以保证EGR用材的钎焊润湿性；并通过添 加Cu，并辅以足够的Cr含量来保证提高材料的耐冷凝液腐蚀，此外，又辅助添加了W、 V和Ni等元素来保证材料的综合性能。该专利主要通过合金成分优化改善EGR系统的 耐腐蚀性能，其并没有涉及材料的耐高温性能和成形性能，而无法应用到排气系统的热 端。
又如中国发明专利申请《具有抗冷凝液腐蚀性的低成本铁素体不锈钢及其制造方法》，其专利申请号为CN201510338084.4、申请公告号为CN106256919A，提供了一种 具有抗冷凝液腐蚀性的低成本铁素体不锈钢，该钢化学成分的质量百分比为：C：0.001～0.015％，Si：0.05～0.50％，Mn：0.05～0.80％，Cr：13.5～15.0％，P≤0.035％，S≤0.02％，Ni≤0.3％，N：0.001～0.015％，V：0.002～0.08％，Al：0.001～0.08％，Ce： 0.001～0.08％，Cu：0.001～0.4％，还含有Nb：0.20～0.40％、Ti：0.10～0.30％中的一 种或两种，其余为Fe和不可避免的杂质元素。该专利中主要以Cr为基础，充分利用 Nb+Ti双稳定取代单Ti稳定，避免了单Ti添加易于堵塞连铸时结晶器的水口，并能避 免带钢表面的钛条纹缺陷；添加稀土元素Ce提高强度和抗高温氧化性能，进而获得了 良好的抗冷凝液腐蚀和冷加工性能。该专利主要采用低成本路线，并优化合金元素来提 高铁素体不锈钢的耐冷凝液腐蚀性能，其铬含量较低，主要应用在乘用车排气系统的冷 端，其对高温强度并没有涉及，不能应用在乘用车排气系统的热端。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种高温强度 高且高温钎焊性能和室温成形性优良的铁素体不锈钢。
本发明所要解决的第二个技术问题是，提供了一种高温强度高且高温钎焊性能和室 温成形性优良的铁素体不锈钢的制备方法。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种具有良好高温强度的铁 素体不锈钢，其特征在于：按重量百分比，该铁素体不锈钢的化学组分为C: 0.002％～0.03％，N:0.002％～0.03％，Si:0.1％～0.8％，Mn:0.1％～1.0％，Cr:16.0％～21.0％，Nb：0.3％～1.0％，Mo：0.8％～3.0％，Ce：0.001％～0.05％，Cu：≤0.5％，Ni：≤0.2％且Ni+Cu ≤0.5％，Ti：≤0.03％，Al：≤0.03％，余量为Fe及不可避免杂质。
C：是强烈奥氏体形成元素，但是铁素体不锈钢性能上的很多缺点如韧脆转变温度高，缺口敏感性大等都与钢中的碳有关，为了保证铁素体的性能，将C的上限值设定为0.03％；另外，碳含量提高会增加铁素体不锈钢的强度，含量太低也会导致精炼成本的 增大，因此，将C的下限值设定为0.002％。
N：同C一样，也为奥氏体形成元素，含量过高会导致不锈钢成形性和耐腐蚀性的下降，因此其上限值设定为0.03％；但是过度的降低会降低钢的强度，同时考虑的冶炼 的成本，将其下线值设定为0.002％。
Si：用作脱氧剂，去除钢中的氧含量，保持钢的纯净度，另外，还可作为固溶强化元素进行添加，其下限值设定为0.1％；硅含量的增加会导致延伸率和韧性的下降，其 含量越少越好，其上限值设定为0.8％。
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，但是其含量增加会恶化腐蚀性能，因此其含量需要控制在0.1％～1％。
Cr：铬是铁素体形成元素，也是不锈钢保持耐蚀性的必须元素，钢中的铬元素至少在11％以上才能保证不锈钢的耐蚀性，本发明的不锈钢主要用于汽车排气高温端，服役 环境较为恶劣，需要较高的铬元素，另外过高的铬含量会导致生产成本上升，因此，将 Cr的含量设定在16.0％～21.0％。
Nb：为铁素体形成元素，其在铁素体不锈钢中，一方面可以固定碳和氮以形成铌的碳、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。另一 方面，由于Nb的原子半径远远大于Fe和Cr的原子半径，可以显著的提高钢的高温强 度，其生成的NbC对晶界的拖曳作用也很大，可以抑制高温钎焊后晶粒的显著长大， 因此，将Nb的下限值设定在0.3％，但是考虑到Nb含量的增加会导致钢中Fe2Nb硬 相的形成，恶化材料的延伸率和成形性能，因此，将Nb的上限值设定为1.0％。
Mo：强铁素体形成元素，其添加能够显著增加钢的耐腐蚀性能，尤其是在排气系统的用钢中，还可以显著提高耐高温氧化性能和高温强度；但是含量过高会产生σ相， 会导致排气歧管的耐久性问题，同时导致生产成本的显著增加，因此将Mo含量限定在 0.8～3.0％。
Ce：能显著提高钢的高温强度，并细化晶粒组织，提高抗氧化性，过高则会恶化 纯净度，对生产也会带来明显的副作用，因此适量添加，其含量限定在0.001％～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，因此，将含量限定在P≤0.035％，S≤0.01％。
Cu：是弱奥氏体形成元素，可以提高冷加工成型性能，但铜又能显著降低钢的热加工性能，在热加工时容易产生热脆，且铜含量超过0.5％塑性显著降低，因此将铜的 含量限定为小于0.5％。
Ni：是奥氏体形成元素，在常规的铁素体不锈钢中，镍含量极少，尤其在含钼铜的铁素体不锈钢中，Ni含量增加，应力腐蚀裂纹的敏感性增加，会增大铁素体轧制过程中 的边裂风险，同时成形性下降，因此将含量限定在Ni≤0.2％且Ni+Cu≤0.5％，
Ti和Al：是铁素体形成元素，铁素体不锈钢中常加钛或铝，其目的是为了固定钢种的的氮元素，由于其固溶度积很低，在液相中就可形成氮化钛或者氮化铝，在高温钎 焊中不利于焊料的铺展性，因此，将含量限定在Al≤0.03％，Ti≤0.03％。
所述铁素体不锈钢的平均塑性应变比r满足：r＝(r0+r90+2r45)/4，其中，r0为沿着轧 制方向的厚向异性系数，r45为与轧制方向成45°的厚向异性系数，r90为垂直于轧制方向的厚向异性系数，在拉伸15％后，所述铁素体不锈钢的平均塑性应变比r≥1.5。如此， 铁素体不锈钢具有较好的成形性能。
优选地，所述铁素体不锈钢在1000℃时的抗拉强度σ≥21MPa。如此，在高温下， 铁素体不锈钢获得较好的强度。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种上述的铁素体不锈钢的 制备方法，其特征在于依次包括以下步骤：
1)按照上述的成分配比通过电炉炼钢、AOD脱碳、VOD脱氧三步法炼钢，在VOD 脱氧结束后喂入硅钙钡丝处理；
2)连铸；
3)连铸坯表面修磨：
在修磨温度200℃以上进行修磨；
4)热轧
5)热轧后退火
6)酸洗
7)冷轧、冷轧后退火及酸洗
步骤4)中，在1100℃～1250℃进行抽钢，经过粗轧和精轧后，其终轧温度为850℃～1000℃，通过层流冷却控制卷曲温度在650℃～750℃，获得热轧板卷。
优选地，所述粗轧采用5～7道次可逆式粗轧，精轧的次数为7道次。
优选地，在步骤7)中，冷轧退火温度为950℃～1150℃。温度过低组织未再结晶，温度过高，晶粒异常长大，会恶化铁素体不锈钢的成形性能。
优选地，所述铁素体不锈钢的平均晶粒尺寸为15um～50um。该晶粒尺寸范围有利于材料的成形性能、其成形性能较好，晶粒尺寸太小或太大延伸率下降，不利于冲压变 形。
与现有技术相比，本发明的铁素体不锈钢通过控制Ce、Nb、Al和Ti等元素含量 的添加、各元素的相互协同配合及晶粒尺寸控制，而使得制备的铁素体不锈钢不仅具备 高的高温强度，而且具有优良的高温钎焊性能和室温成形性能，从而能被广泛应用在汽 车排气岐管及汽车用废气再循环系统。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例的具有良好高温强度的铁素体不锈钢，按重量百分比，该铁素体不锈 钢的化学组分为C:0.002％～0.03％，N:0.002％～0.03％，Si:0.1％～0.8％，Mn:0.1％～1.0％， Cr:16.0％～21.0％，Nb：0.3％～1.0％，Mo：0.8％～3.0％，Ce：0.001％～0.05％，Cu：≤0.5％， Ni：≤0.2％且Ni+Cu≤0.5％，Ti：≤0.03％，Al：≤0.03％，余量为Fe及不可避免杂质。
表1为各实施例的铁素体不锈钢与对比例的化学成分对照表(重量百分比wt％)
Figure BDA0002309775230000041
Figure BDA0002309775230000051
对比例1中，Mo含量为0.03％，其含量明显低于本实施例中所要求的Mo含量(Mo：0.8％～3.0％)；Ti含量为0.11％，其含量明显高于本实施例中所要求的Ti的含量(Ti： ≤0.03％)，从而使得对比例1中钎焊铺展性差；对比例2中，Ti含量为0.12％，其含量 明显高于本实施例中所要求的Ti的含量(Ti：≤0.03％)；Nb含量为0.23％，其含量明显 低于本实施例中所要求的Nb含量(Nb：0.3％～1.0％)，则对比例2中高温强度低，钎焊 铺展性差；对比例3中，Al含量为0.05％，其含量高于本实施例中所要求的Al含量(Al： ≤0.03％)，Ce含量为0.054％，其含量明显低于本实施例中所要求的Ce含量(Ce： 0.001％～0.05％)，则对比例3中成形性能和钎焊铺展性差。
上述钎焊铺展性为1000℃加热后钎料在铁素体不锈钢基体上面积能扩展两倍以上 为好，反之为差。
此外，本实施例中，铁素体不锈钢的平均塑性应变比r满足：r＝(r0+r90+2r45)/4，其中，r0为沿着轧制方向的厚向异性系数，r45为与轧制方向成45°的厚向异性系数，r90为垂直于轧制方向的厚向异性系数，在拉伸15％后，铁素体不锈钢的平均塑性应变比r ≥1.5，并且，铁素体不锈钢在1000℃时的抗拉强度σ≥21MPa，具体参见下表2。
表2本发明各实施例和对比例的高温和常温性能指标
Figure BDA0002309775230000052
Figure BDA0002309775230000061
上述各实施例的铁素体不锈钢的制备方法依次包括以下步骤：
1)按照表格1中各实施例中的成分配比通过电炉炼钢、AOD脱碳、VOD脱氧三 步法炼钢，在VOD脱氧结束后喂入硅钙钡丝处理；
2)连铸，在浇铸过程中严格控制拉速在0.8m/min-1.2m/min、稳定结晶器的液面和开口度，从而保证板坯的表面质量；
3)连铸坯表面修磨：在修磨温度200℃以上进行修磨；
4)热轧：修磨完成后，即送往热轧保温炉中进行保温，在热轧过程中，严格控制 氧化气氛，其中氧化气氛为含氧气的混合气，在1100℃～1250℃进行抽钢，经过5～7道 次可逆式粗轧和7道次精轧，其终轧温度为850℃～1000℃，精轧后通过层流冷却控制卷 曲温度在650℃～750℃，获得热轧板卷；如此，板材受热均匀；
5)热轧后退火：
6)酸洗；在HF+HNO3混酸进行酸洗；
7)冷轧、冷轧后退火及酸洗：采用连轧机组或者单机架可逆机组进行冷轧，冷轧退火温度为950℃～1150℃；可以重复进行冷轧+退火+酸洗多轧程进行生产；由此制备 出的铁素体不锈钢的平均晶粒尺寸为15um～50um，且获得的铁素体不锈钢具备良好的 高温强度和室温成形性能。

Claims (8)

1.一种具有良好高温强度的铁素体不锈钢，其特征在于：按重量百分比，该铁素体不锈钢的化学组分为C:0.002％～0.03％，N:0.002％～0.03％，Si:0.1％～0.8％，Mn:0.1％～1.0％，Cr:16.0％～21.0％，Nb：0.3％～1.0％，Mo：0.8％～3.0％，Ce：0.001％～0.05％，Cu：≤0.5％，Ni：≤0.2％且Ni+Cu≤0.5％，Ti：≤0.03％，Al：≤0.03％，余量为Fe及不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的铁素体不锈钢，其特征在于：所述铁素体不锈钢的平均塑性应变比r满足：r＝(r0+r90+2r45)/4，其中，r0为沿着轧制方向的厚向异性系数，r45为与轧制方向成45°的厚向异性系数，r90为垂直于轧制方向的厚向异性系数，在拉伸15％后，所述铁素体不锈钢的平均塑性应变比r≥1.5。
3.根据权利要求1所述的铁素体不锈钢，其特征在于：所述铁素体不锈钢在1000℃时的抗拉强度σ≥21MPa。
4.一种权利要求1至3中任一项权利要求所述的铁素体不锈钢的制备方法，其特征在于依次包括以下步骤：
1)按照上述的成分配比通过电炉炼钢、AOD脱碳、VOD脱氧三步法炼钢，在VOD脱氧结束后喂入硅钙钡丝处理；
2)连铸；
3)连铸坯表面修磨：
在修磨温度200℃以上进行修磨；
4)热轧
5)热轧后退火
6)酸洗
7)冷轧、冷轧后退火及酸洗。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤4)中，在1100℃～1250℃进行抽钢，经过粗轧和精轧后，其终轧温度为850℃～1000℃，通过层流冷却控制卷曲温度在650℃～750℃，获得热轧板卷。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述粗轧采用5～7道次可逆式粗轧，精轧的次数为7道次。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：在步骤7)中，冷轧退火温度为950℃～1150℃。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述铁素体不锈钢的平均晶粒尺寸为15um～50um。
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