CN111212928B

CN111212928B - 具有优异的热加工性和抗氢脆性的低Ni奥氏体不锈钢

Info

Publication number: CN111212928B
Application number: CN201880066674.8A
Authority: CN
Inventors: 李哉和; 曹圭珍; 李文洙
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Holdings Co ltd; Posco Holdings Inc
Priority date: 2017-08-22
Filing date: 2018-08-06
Publication date: 2022-11-01
Anticipated expiration: 2038-08-06
Also published as: JP7117369B2; EP3674434A4; CN111212928A; KR101952808B1; WO2019039768A1; JP2020531688A; EP3674434A1

Abstract

公开了具有在Mn和Ni的含量降低时可以产生的改善的热加工性和抗氢脆性的低Ni奥氏体不锈钢。根据本发明的奥氏体不锈钢以重量％计包含：0.05％至0.15％的C、0.2％至0.7％的Si、2.0％至5.0％的Mn、2.0％至5.0％的Ni、17.0％至19.0％的Cr、小于0.1％的P、小于0.01％的S、1.0％至3.0％的Cu、0.15％至0.30％的N，并且余量为Fe和不可避免的杂质，其中抗裂指数(CRN)值为0或更大，以及Md30值满足‑30℃至0℃的范围。

Description

具有优异的热加工性和抗氢脆性的低Ni奥氏体不锈钢

技术领域

本公开涉及具有降低的Mn含量的低Ni奥氏体不锈钢，并且更特别地，涉及具有由于Mn和Ni含量降低而可以产生的改善的热加工性和抗氢脆性的奥氏体不锈钢。

背景技术

以STS304和STS301为代表的加工硬化亚稳奥氏体不锈钢由于其优异的可加工性和耐腐蚀性而被广泛用于各种应用中。然而，这些钢种具有这样的缺点：原料成本根据高Ni含量而是高的。特别地，原料的供应与需求由于Ni原料价格的急剧波动而是不稳定的，从而使原料的价格波动，因此无法确保供应价格的稳定性。因此，各材料使用者需要开发具有降低的Ni含量的节约Ni的奥氏体不锈钢。

常规的节约Ni的奥氏体不锈钢主要添加5重量％或更多的Mn以将Ni减少至一定量来降低材料价格并根据Ni减少而确保奥氏体相稳定性。然而，当添加大量Mn时，由于在炼钢过程期间产生大量Mn烟而需要环境方面的改善。此外，由于Mn的含量高，因此存在这样的问题：由于产生炼钢夹杂物(MnS)而降低制造过程中的生产率，并且降低最终冷轧材料的表面耐腐蚀性以及机械特性例如延伸率。

为了解决该问题，期望降低Mn的含量。然而，在节约Ni的奥氏体不锈钢中将Mn含量减少大于一定量的情况下，由于奥氏体相稳定性降低，在铸造期间形成大量的δ铁素体，这可能引起品质问题，例如热轧期间的板坯边缘开裂和表面裂缝。

此外，在需要耐腐蚀性高的美观表面的产品的情况下，需要保持在最终冷轧成最终产品期间形成的表面特性。在氢气氛中施加光亮退火过程以保持最终冷轧品质和表面特性并通过适当退火确保良好退火材料特性的情况下，存在这样的问题：可加工性由于Mn含量降低所引起的氢脆缺陷而可能是差的。

发明内容

技术问题

本公开的实施方案旨在通过解决以上问题来提供即使Mn减少也具有优异的热加工性和抗氢脆性的低Ni奥氏体不锈钢。

此外，本公开的实施方案旨在提供可以确保STS304或STS301级的耐腐蚀性的低Ni奥氏体不锈钢。

技术方案

根据本公开的一个方面，具有优异的热加工性和抗氢脆性的低Ni奥氏体不锈钢以重量％计包含：0.05％至0.15％的C、0.2％至0.7％的Si、2.0％至5.0％的Mn、2.0％至5.0％的Ni、17.0％至19.0％的Cr、小于0.1％的P、小于0.01％的S、1.0％至3.0％的Cu、0.15％至0.30％的N、以及余量的Fe和其他不可避免的杂质，并且由以下方程式(1)表示的抗裂指数(CRN，crack resistance index)值为0或更大，以及由以下方程式(2)表示的Md30值满足-30℃至0℃的范围。

(1)CRN＝615+777C-26.3Si-1.8Mn+46.2Ni-56Cr+33.3Cu+767N

(2)Md30＝551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu)

此外，根据本公开的一个实施方案，由以下方程式(3)表示的耐点蚀当量数(PREN，pitting resistance equivalent number)值可以满足18或更大：

(3)PREN＝Cr+16N-0.5Mn

此外，根据本公开的一个实施方案，低Ni奥氏体不锈钢还可以以重量％计包含：0.001％至0.005％的B和0.001％至0.003％的Ca中的至少一者。

此外，根据本公开的一个实施方案，不锈钢的延伸率可以为50％或更大。

有益效果

本公开的实施方案可以通过向铁素体不锈钢引入Al镀层以改善导热性来改善铁素体不锈钢的散热。根据本公开的一个实施方案的具有优异的热加工性和抗氢脆性的低Ni奥氏体不锈钢由于抑制板坯再加热期间的δ铁素体生成而可以确保优异的热加工性，因此可以解决热轧期间的表面和边缘开裂以及品质问题。

此外，通过抑制由于确保奥氏体相稳定性而引起的形变诱发马氏体的产生，即使在氢气氛中进行光亮退火过程也可以确保优异的抗氢脆性和可加工性。此外，通过抑制由于确保奥氏体相稳定性而引起的形变诱发马氏体的形成，即使抑制氢气氛的光亮退火过程，也可以确保优异的抗氢脆性和可加工性。

此外，可以确保STS304或STS301级的优异耐腐蚀性。

附图说明

图1是示出根据Md30的马氏体峰强度的变化以及是否发生氢脆的图。

图2是示出根据Md30的延伸率的变化的图。

最佳实施方式

根据本公开的一个方面，具有优异的热加工性和抗氢脆性的低Ni奥氏体不锈钢以重量％计包含：0.05％至0.15％的C、0.2％至0.7％的Si、2.0％至5.0％的Mn、2.0％至5.0％的Ni、17.0％至19.0％的Cr、小于0.1％的P、小于0.01％的S、1.0％至3.0％的Cu、0.15％至0.30％的N、以及余量的Fe和其他不可避免的杂质，并且由以下方程式(1)表示的抗裂指数(CRN)值为0或更大，以及由以下方程式(2)表示的Md30值满足-30℃至0℃的范围。

(1)CRN＝615+777C-26.3Si-1.8Mn+46.2Ni-56Cr+33.3Cu+767N

(2)Md30＝551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu)

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述本公开的示例性实施方案。提供以下实施例用于将本公开的精神充分地传递给本领域普通技术人员。本公开可以以不同形式详细说明而不限于实施例，这将不在本文中进行描述。为了阐明本公开，将省略与说明不相关的部分的图示，并且为了帮助理解，将稍微放大组件的尺寸。

为了解决以上问题，本发明人得到各种合金组分的实验热加工性评估结果与作为抗裂指数(CRN)的预测的δ铁素体之间的相关性分析并通过抑制热加工期间的表面或边缘开裂形成而确保热加工性。同时，本发明人通过检查各合金组分的奥氏体相稳定性而预测光亮退火材料的抗氢脆性。此外，通过使用耐点蚀当量数(PREN)预测耐腐蚀性而得到具有优异的热加工性以及优异的可加工性和耐腐蚀性的合金组分。

根据本公开的一个实施方案的具有优异的热加工性和抗氢脆性的低Ni奥氏体不锈钢以重量％计包含：0.05％至0.15％的C、0.2％至0.7％的Si、2.0％至5.0％的Mn、2.0％至5.0％的Ni、17.0％至19.0％的Cr、小于0.1％的P、小于0.01％的S、1.0％至3.0％的Cu、0.15％至0.30％的N、以及余量的Fe和其他不可避免的杂质。

在下文中，将描述本公开的实施方案中的合金组分的含量的数值限制的原因。在下文中，除非另有说明，否则单位为重量％。

C的含量为0.05％至0.15％。

碳(C)是使奥氏体相稳定的有效元素。然而，过量添加C不仅会由于固溶强化作用而降低冷加工性，而且还会由于焊缝热影响区和热轧卷取后潜热引起Cr碳化物的晶界析出，从而不利地影响延展性、韧性和耐腐蚀性。为此，将上限设为0.15％。此外，如上所述，为了奥氏体相稳定化，优选添加0.05％或更多。

Si的含量为0.2％至0.7％。

Si在炼钢过程期间充当脱氧剂，并且有效于改善耐腐蚀性，并且当添加多于0.2％时，其特性是有效的。然而，Si是用于使铁素体相稳定的有效元素，并且当过量添加时，其促进在铸造板坯中形成δ铁素体，这不仅会降低热加工性，而且还会由于固溶强化作用而降低钢的延展性和韧性。为此，上限应该为0.7％。

Mn的含量为2.0％至5.0％。

Mn是替代Ni而添加的奥氏体相稳定元素，其通过抑制形变诱发马氏体形成而有效地改善冷轧特性。当以2.0％或更多添加时，该特性是有效的。然而，当过量添加时，基于S的夹杂物(MnS)增加，导致钢的延展性、韧性和耐腐蚀性降低，并且其上限为5.0％。

Ni的含量为2.0％至5.0％。

Ni是奥氏体相稳定元素并且对于确保良好的热加工性和冷加工性是必需的。特别地，即使在添加一定量或更多的Mn时，添加2.0％或更多的Ni也是必需的。然而，由于Ni是昂贵的元素，因此大量添加导致原料成本增加。因此其上限为5.0％。

Cr的含量为17.0％至19.0％。

Cr不仅是确保不锈钢所需的耐腐蚀性所必要的元素，而且其还有效于抑制马氏体相形成，并且当添加17.0％或更多时，其特性是有效的。另一方面，大量添加促进在板坯中形成δ铁素体，导致热加工性降低，因此上限为19.0％。

P的含量小于0.1％。

由于P降低耐腐蚀性或热加工性，因此上限为0.1％。

S的含量小于0.01％。

由于S降低耐腐蚀性或热加工性，因此上限为0.01％。

Cu的含量为1.0％至3.0％。

Cu是奥氏体相稳定元素并且有效于软化材料。为了表现出该软化效果，必需添加1.0％或更多。然而，大量添加Cu不仅增加材料成本，而且还引起热脆，因此上限为3.0％。

N的含量为0.15％至0.30％。

N是用于使奥氏体相稳定并且改善耐腐蚀性的有效元素，并且当添加0.15％或更多时，其特性是有效的。另一方面，过量添加N由于固溶强化作用而降低冷加工性，因此上限为0.30％。

此外，根据本公开的一个实施方案，低Ni奥氏体不锈钢还可以包含0.001％至0.005％的B和0.001％至0.003％的Ca中的至少一者。

B是通过在铸造期间抑制开裂而有效地确保良好的表面品质的元素，并且当添加0.001％时，其特性是有效的。另一方面，当过量添加B时，在退火/酸洗过程期间在产品的表面上形成氮化物(BN)，导致降低表面品质的问题。因此，上限为0.005％。

Ca抑制在包含高Mn时在晶界处产生的MnS炼钢夹杂物的形成，从而改善产品的清洁度，并且当添加0.001％时，其特性是有效的。另一方面，过量添加Ca由于Ca夹杂物而导致热加工性降低并且导致产品表面品质降低，因此上限为0.003％。

已知这些包含高Mn低Ni的奥氏体不锈钢的热加工性与分布在板坯中的δ铁素体分数相关联。这是当在高温区域中存在奥氏体和铁素体时由在轧制过程中施加的形变量时各相的不同形变阻力引起的开裂。为了确保热加工性，有必要设计抑制δ铁素体形成的合金组分并得出热加工条件。然而，当参照上述本公开的组分特征时，由于添加大量固溶强化元素例如C和N，因此由于在低温热加工期间的高热轧负荷而在材料的表面上可能出现大量开裂。因此，优选在操作期间在不引起异常操作的热轧温度下操作。

具体地，检查热轧材料的表面和边缘品质以将开裂的发生确定为热加工性的指标。经由利用对合金组分的计算机模拟的相分析来预测δ铁素体的相分数。热加工性评估的实验结果以及与预测的δ铁素体的相关性分析得出由方程式(1)表示的抗裂指数(CRN)范围。通过分析这些实验热加工性评估结果与预测的δ铁素体之间的相关性，得出由方程式(1)表示的抗裂指数(CRN)的范围。

根据本公开的一个实施方案的具有优异的热加工性和抗氢脆性的低Ni奥氏体不锈钢的抗裂指数(CRN)值为0或更大。

(1)CRN＝615+777C-26.3Si-1.8Mn+46.2Ni-56Cr+33.3Cu+767N

如果抗裂指数(CRN)为0或更大，则在热加工期间在表面和边缘上可以不发生开裂。

另一方面，如上所述，对于需要美观表面的产品，通常对冷轧材料进行光亮退火。该光亮退火是这样的热处理技术：通过在还原性气氛(露点-40℃至-60℃)下使用氮气(N₂)、氢气(H₂)等对不锈钢冷轧材料进行热处理来保持表面光亮且美观而不改变表面的颜色和外观，从而防止在热处理期间不锈钢冷轧材料的再氧化。使用氢气作为用于这样的光亮退火的气氛气体的光亮退火是最常见的，原因是其被最广泛地用于抑制表面的变色以及高热容。

当对其中Ni和Mn的含量与一般奥氏体不锈钢相比相对降低的不锈钢施加氢气氛的光亮退火时需要考虑一点。由于在光亮退火期间氢的渗透，最终材料很可能由于氢脆缺陷而遭受可加工性劣化。在具有减少的奥氏体相稳定元素(例如Ni和Mn)的不锈钢的情况下，在最终光亮退火之前的冷轧期间，在表面层周围形成应力诱发或形变诱发马氏体，形成在表面层上的马氏体相在光亮退火期间通过热处理转变成奥氏体相之前与氢原子(惰性气体)接触并且这些氢原子渗透到一些马氏体相中。由于存在的应力诱发或形变诱发马氏体相通过光亮退火转变成奥氏体相，渗透到内部的氢原子不能被排到外部而是以原子的状态被捕获在表面层中。对于作为一般的BCC和BCT结构的铁素体或马氏体相，渗透到表面层的氢原子在室温下在一定时间之后被自然烘出，并且不显著影响物理特性。另一方面，当表面马氏体相通过光亮退火转变成奥氏体相时，换句话说，当氢原子存在于FCC的晶格结构中时，即使在室温下在长时间之后，氢原子的自然烘出也不顺利并且在材料中长时间存在。

已知这些氢原子引起氢脆，通过一些加工或形变而被捕获在材料中的氢原子会变成氢分子(气体)的状态，并且当达到一定压力时，充当一定负荷下开裂的起点，导致延伸率劣化。

因此，对于具有相对低的Ni和Mn的奥氏体不锈钢，除了合金组分之外，必需控制通过加工硬化而形成在表面上的马氏体相的量以通过光亮退火确保美观的表面品质和优异的可加工性。

因此，根据本公开的一个实施方案的低Ni奥氏体不锈钢的由以下方程式(2)表示的Md30值满足-30℃至0℃的范围。

(2)Md30＝551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu)

在亚稳奥氏体不锈钢中，马氏体转变通过在马氏体转变开始温度(Ms)以上的温度下进行塑性加工而发生。通过该过程引起相变的上限温度由Md值表示，并且特别地，将给予30％应变时发生50％的马氏体相转变的温度(℃)称为Md30。较高的Md30值使得更容易产生形变诱发马氏体相，而较低的Md30值可以被认为相对难以产生形变诱发马氏体相。该Md30值被用作确定常规的亚稳奥氏体不锈钢的奥氏体稳定性的指标。

在进行氢气氛的光亮退火时，表示奥氏体稳定化的Md30与在冷轧期间引入的马氏体相的量之间的相关性以及在光亮退火期间是否由于引入到表面层中的马氏体相的量发生氢脆的实验结果示于图1中。

图1是示出根据Md30的马氏体峰强度的变化以及氢脆的图，●符号表示未发生氢脆，以及x符号表示发生氢脆。随着Md30值增加，表面马氏体相的峰强度由于奥氏体的相稳定性劣化而增加，并且当峰强度增加至高于一定值时，可以看出在氢气氛中的光亮退火期间发生氢脆。基于这些结果，确定将Md30值保持在0℃以下对于抑制氢脆是优选的。

此外，如在本公开中，在由于Mn和Ni的含量与现有的STS304和STS301相比降低而导致的大量的C和N对于改善奥氏体的相稳定性是不可避免的情况下，虽然可以降低Md30值，但是由于材料本身的加工硬化能力提高而难以确保期望的延伸率。特别地，考虑到在一般的300系列不锈钢应用中必须确保大于约50％的延伸率，有必要控制Md30值的下限。

图2是示出根据Md30的延伸率的变化的图，■符号表示延伸率为50％或更大，以及x符号表示延伸率小于50％。

参照图2，为了在合金组分范围内确保50％或更大的延伸率，确定将Md30值控制为-30℃或更大是优选的。

此外，由于需要确保与现有的STS304或STS301的耐腐蚀性相似的耐腐蚀性，有必要将合金组分的耐点蚀当量数(PREN)值保持在预定水平或更大。

因此，根据本公开的一个实施方案，由以下方程式(3)表示的耐点蚀当量数(PREN)值可以满足18或更大。

(3)PREN＝Cr+16N-0.5Mn

在下文中将通过本公开的优选实施方案更详细地描述。

实施例

对于下表1所示的各种合金组分范围，制备了200t板坯，并在1230℃下再加热2小时之后热轧至3t的厚度。然后，确定热轧材料的表面和边缘品质，并将是否发生开裂用作热加工性的判断指标。此外，通过合金组分的相分析预测δ铁素体的相比率。推导通过实验热加工性评估结果与预测的δ铁素体之间的相关性分析得出的方程式(1)的抗裂指数(CRN)并示于表2中。根据日本工业标准JIS Z 2241规定的金属材料的拉伸测试方法使用JIS Z2201规定的第5测试件测量延伸率。

<表1>

分类	C	Si	Mn	Ni	Cr	Cu	N
								比较例1	0.095	0.46	2.91	3.48	17.8	1.58	0.16
比较例2	0.076	0.45	3.01	2.9	18.1	1.61	0.22
								比较例3	0.102	0.43	4.37	3.54	18.1	1.44	0.25
比较例4	0.098	0.47	3.95	3.68	18.0	1.54	0.23
								实施例1	0.097	0.46	3.42	3.48	18.1	1.43	0.19
实施例2	0.096	0.47	3.83	3.45	18.2	1.47	0.23
								实施例3	0.096	0.44	3.94	3.31	18.2	1.5	0.21
实施例4	0.087	0.44	2.95	3.44	17.9	1.48	0.244

<表2>

在比较例2中，在热轧期间在表面和边缘处发生开裂，并且抗裂指数(CRN)为-0.47。在比较例1、3和4中，在热轧期间在表面和边缘上未产生开裂，因此当根据δ铁素体相分数得出的抗裂指数(CRN)显示0或更大时，发现热加工性是良好的指标。

结合表1和2参照图1，在比较例1和2的情况下，发现由于冷轧材料的表面马氏体相的峰强度增加(因为由组分计算的Md30值超过0℃)，发生氢脆，这由图1中的x表示。另一方面，在比较例3和4的情况下，Md30值满足0℃或更低，使得未发生氢脆，然而Md30值显示低于-30℃，因此测量延伸率小于50％。由此可见，Md30值的范围必须满足-30℃至0℃的范围以根据抗氢脆性和50％或更大的延伸率获得可加工性条件。

另一方面，在根据本公开的组分的范围内，根据方程式(3)的耐点蚀当量数(PREN)值满足18或更大，发现还可以确保STS304级的优异的耐腐蚀性。

如上所述，虽然参照本公开的实施方案描述了本公开，但是本公开不限于此，并且本领域普通技术人员将理解，在不脱离所附权利要求的概念和范围的情况下，可以做出各种修改和替换。

工业适用性

根据本公开的实施方案的低Ni奥氏体不锈钢即使Mn减少也可以确保优异的耐腐蚀性和可加工性，其可以应用于各种应用例如家用电器。

Claims

1.一种具有优异的热加工性和抗氢脆性的低Ni奥氏体不锈钢，以重量％计包含：

0.08％至0.15％的C、0.2％至0.7％的Si、2.95％至3.94％的Mn、3.31％至3.48％的Ni、17.0％至19.0％的Cr、小于0.1％的P、小于0.01％的S、1.0％至3.0％的Cu、0.15％至0.30％的N、以及余量的Fe和其他不可避免的杂质，

其中由以下方程式(1)表示的抗裂指数CRN值为0或更大，

其中由以下方程式(2)表示的Md30值满足-30℃至0℃的范围，

其中由以下方程式(3)表示的耐点蚀当量数PREN值满足18或更大，

(1)CRN＝615+777C-26.3Si-1.8Mn+46.2Ni-56Cr+33.3Cu+767N

(2)Md30＝551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu)

(3)PREN＝Cr+16N-0.5Mn

在此，C、Si、Mn、Ni、Cr、Cu、N意指各元素的以重量％计的含量。

2.根据权利要求1所述的低Ni奥氏体不锈钢，以重量％计还包含：

0.001％至0.005％的B和0.001％至0.003％的Ca中的至少一者。

3.根据权利要求1所述的低Ni奥氏体不锈钢，其中所述不锈钢的延伸率为50％或更大。