CN111247265A - 加工性和抗季裂性优异的奥氏体不锈钢及利用它的拉伸加工产品 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加工性和抗季裂性优异的奥氏体不锈钢，即使用于水槽边角的曲率半径为50mm以下的设计型水槽(Design Sink)，也不会产生季裂或滞后断裂等缺陷。根据本发明的一个实施方案，加工性和抗季裂性优异的奥氏体不锈钢包含以重量％计：C：0.01％至0.04％、Si：0.1％至1％、Mn：0.1％至2％、Ni：6％至10％、Cr：16％至20％、Cu：1％至2％、Mo：0.01％至0.2％、N：0.035％至0.07％、余量的Fe和不可避免的杂质，其中奥氏体稳定化参数(ASP)值为‑3以下，在真实应变率为0.3至0.4的范围下加工硬化指数n满足0.4至0.5的范围。

Description

加工性和抗季裂性优异的奥氏体不锈钢及利用它的拉伸加工 产品
技术领域
本发明涉及一种加工性和抗季裂性优异的奥氏体不锈钢，即使用于水槽边角的曲率半径为50mm以下的设计型水槽(Design Sink)，也不会产生季裂或滞后断裂等缺陷。
背景技术
厨房水槽的槽体一般使用不锈钢。主要使用300系列通用不锈钢，而普通槽体的形状不存在成型性问题，因此得到广泛的使用。
然而，近来有许多尝试设计出各种形状复杂的槽体，以加强市场竞争力。特别是，对于采用小半径边角(Tight Radius Corner)的水槽即设计型水槽(Design Sink)，一般具有50mm以下的边角曲率半径R。对于STS304等奥氏体不锈钢，其加工性远远优于铁素体不锈钢，但是加工成设计型水槽时，边角部分会经常产生裂纹。
图1示出了边角曲率半径R为20mm的设计型水槽模型的成型时变形量分布。如图1所示，拉伸加工时，变形量会集中到从凸缘部分至底部的边角上，因此集中变形部分上会产生裂纹。
为了解决这些问题，尝试用加入Cu的奥氏体不锈钢来制作产品，但是没有给出材料固有的加工硬化值的具体控制方法，因此仍然存在边角部分的裂纹问题。
另外，近来要求满足304材料规格(EN，KS)，即屈服强度为230MPa以上以及拉伸强度为540MPa以上，因此实际上通过仅加入Cu、Ni获得软质奥氏体不锈钢是受到限制的。
发明内容
技术问题
本发明的实施例旨在提供一种加工性和抗季裂性优异的奥氏体不锈钢，即使用于水槽边角的曲率半径为50mm以下的设计型水槽(Design Sink)，也不会产生季裂或滞后断裂等缺陷。
另外，本发明的实施例旨在提供一种加工性和强度及耐腐蚀性优异的奥氏体不锈钢。
技术方案
根据本发明的一个实施例的加工性和抗季裂性优异的奥氏体不锈钢，以重量％计，所述奥氏体不锈钢包含C：0.01％至0.04％、Si：0.1％至1％、Mn：0.1％至2％、Ni：6％至10％、Cr：16％至20％、Cu：1％至2％、Mo：0.01％至0.2％、N：0.035％至0.07％、余量的Fe和不可避免的杂质，由下述公式1表示的奥氏体稳定化参数(ASP)值为-3以下，在真实应变率为0.3至0.4的范围下加工硬化指数n值满足0.4至0.5的范围。
(1)565-445*C-495*N-11.3*Si-3.81*Mn-28.6*Ni-14.9*Cr-30.0*Cu
其中，C、N、Si、Mn、Ni、Cr、Cu表示各元素的含量(重量％)。
另外，根据本发明的一个实施例，所述不锈钢可满足下述公式2。
(2)Cu/(100*N)＝0.55
其中，Cu、N表示各元素的含量(重量％)。
另外，根据本发明的一个实施例，所述不锈钢的屈服强度(YS)可为230MPa以上以及拉伸强度(TS)可为540MPa以上。
另外，根据本发明的一个实施例，所述不锈钢满足下述公式3。
(3)100*N-(Mn+Cu)＝0
其中，N、Mn、Cu表示各元素的含量(重量％)。
另外，根据本发明的一个实施例，所述不锈钢的孔蚀电位可为245mV以上。
根据本发明的一个实施例的加工性和抗季裂性优异的奥氏体不锈钢拉伸加工产品，对所述不锈钢利用冲头进行拉伸加工时，在所述拉伸加工产品的底面和距离底面10mm、20mm、30mm、40mm的侧壁位置上测定的应变诱发马氏体量分别满足小于1.0％、1.0％、5.0％、10％和15％。
另外，根据本发明的一个实施例，所述拉伸加工产品在加工24小时后不会产生季裂。
发明效果
根据本发明的实施例的加工性和抗季裂性优异的奥氏体不锈钢，即使用于水槽边角的曲率半径为50mm以下的设计型水槽(Design Sink)，也可以防止季裂或滞后断裂等缺陷。
另外，通过确保屈服强度为230MPa以上以及拉伸强度为540MPa以上，可以满足材料规格，由于孔蚀电位为245mV以上，从而具有优异的耐腐蚀性。
附图说明
图1示出了边角的曲率半径为20mm的设计型水槽模型的成型时变形量分布。
图2是示出根据本发明的实施例的奥氏体不锈钢和比较钢的真实应变率-加工硬化指数关联性的曲线图。
图3是示意性地示出利用冲头的杯形拉伸(Cup Drawing)加工的剖视图。
图4示出了杯形拉伸加工后测定加工产品的应变诱发马氏体量的位置。
具体实施方式
根据本发明的一个实施例的加工性和抗季裂性优异的奥氏体不锈钢，以重量％计，所述奥氏体不锈钢包含C：0.01％至0.04％、Si：0.1％至1％、Mn：0.1％至2％、Ni：6％至10％、Cr：16％至20％、Cu：1％至2％、Mo：0.01％至0.2％、N：0.035％至0.07％、余量的Fe和不可避免的杂质，由下述公式1表示的奥氏体稳定化参数(ASP)值为-3以下，在真实应变率为0.3至0.4的范围下加工硬化指数n值满足0.4至0.5的范围。
(1)565-445*C-495*N-11.3*Si-3.81*Mn-28.6*Ni-14.9*Cr-30.0*Cu
其中，C、N、Si、Mn、Ni、Cr、Cu表示各元素的含量(重量％)。
在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。下述实施例是为了向本发明所属技术领域的普通技术人员充分传递本发明的思想而提供的。本发明不限于下述实施例，还能以不同方式具体实施。为了清楚地描述本发明，附图中省略了无关的部分，而且可以稍微放大表示构件的尺寸，以有助于理解。
本发明人研究了可用奥氏体不锈钢板成型为无裂纹设计型水槽的加工条件，但是仅控制加工条件，无法抑制产生龟裂，因此开发了新的奥氏体不锈钢。
近来，随着强调水槽产品的设计性的趋势，对冲压成型产品形状复杂或者边角的曲率半径R为50mm以下的设计型水槽(Design Sink)的需求正在增加。虽然STS304钢种具有优异的深拉性，但是复杂形状的加工或者设计型水槽加工时经常会产生裂纹。从这一点上可知，对于通过冲压成型具有复杂的形状或者边角曲率半径R控制成50mm以下的设计型水槽产品，不仅深拉性很重要，而且控制加工硬化指数也很重要。
在本发明中，通过控制成分组分以及基于奥氏体稳定化参数(AusteniteStability Parameter，以下称为“ASP”)值的加工硬化指数，可以确保加工性和抗季裂性。
根据本发明的一个实施例的加工性和抗季裂性优异的奥氏体不锈钢，以重量％计，所述奥氏体不锈钢包含C：0.01％至0.04％、Si：0.1％至1％、Mn：0.1％至2％、Ni：6％至10％、Cr：16％至20％、Cu：1％至2％、Mo：0.01％至0.2％、N：0.035％至0.07％、余量的Fe和不可避免的杂质。
在下文中，将描述限制本发明的实施例中的合金成分含量值的理由。在没有特别提及的情况下，下文中含量单位是重量％。
碳(C)的含量为0.01％至0.04％。
钢中的碳作为奥氏体相稳定化元素，其加入量越多越具有使奥氏体相稳定化的效果，因此需要加入0.01％以上，但是含量为0.04％以上时，将会导致应变诱发马氏体硬质化，从而造成在水槽成型过程中严重变形的部位上产生季裂(season cracking)。
硅(Si)的含量为0.1％至1.0％。
钢中的硅是炼钢步骤中作为脱氧剂加入的成分，当加入一定量时，如果经过光亮退火(Bright Annea ling)工艺，就会在钝化膜上形成硅氧化物(Si-Oxide)，从而具有提高钢的耐腐蚀性的效果。然而，当含量为1.0％以上时，存在降低钢的延展性的问题。
锰(Mn)的含量为0.1％至2.0％。
钢中的锰作为奥氏体相稳定化元素，其含量越多奥氏体相越稳定，所以加入0.1％以上，但是过量加入就会损害耐腐蚀性，因此限制在2％以下。
镍(Ni)的含量为6.0％至10.0％。
钢中的镍作为奥氏体相稳定化元素，其加入量越多奥氏体相越稳定，使得材料软质化，为了抑制应变诱发马氏体的产生所导致的加工硬化，需要加入6％以上。但是，如果过量加入高价镍，就会出现成本上升的问题，因此限制在10％。
铬(Cr)的含量为16.0％至20.0％。
钢中的铬是用于改善耐腐蚀性的必要元素，为了确保大气环境以及水槽用途下的耐腐蚀性，需要加入16％以上。但是，如果过量加入，就会导致材料硬质化，还会降低深拉性等成型性，因此限制在20％。
铜(Cu)的含量为1.0％至2.0％。
钢中的铜作为奥氏体相稳定化元素，其加入量越多奥氏体相越稳定，具有抑制应变诱发马氏体的产生所导致的加工硬化的效果，所以加入1％以上。然而，如果加入2％以上，则存在耐腐蚀性下降以及成本上升的问题。
钼(Mo)的含量为0.01％至0.2％。
钢中的钼具有提高耐腐蚀性和加工性的效果，所以加入0.01％以上，而过量加入会增加成本，因此限制在0.2％以下。
氮(N)的含量为0.035％至0.07％。
钢中的氮作为奥氏体相稳定化元素，其加入量越多奥氏体相越稳定，为了提高材料的强度，需要加入0.035％以上。但是，如果含量为0.07％以上，就会导致应变诱发马氏体硬质化，进而在水槽成型过程中严重变形的部位上产生季裂(season cracking)。
另外，满足上述成分组分以及由下述公式1表示的奥氏体稳定化参数(ASP)值为-3以下。
(1)565-445*C-495*N-11.3*Si-3.81*Mn-28.6*Ni-14.9*Cr-30.0*Cu
图2是示出根据本发明的实施例的奥氏体不锈钢和比较钢的真实应变率-加工硬化指数关联性的曲线图。
参见图2，大多数300系列奥氏体不锈钢材料在变形初期即真实应变率为10％至20％的范围下具有0.3至0.4的加工硬化指数(n)，但是根据奥氏体的稳定化程度在变形后期即真实应变率为30％至40％的范围下具有0.55至0.65的加工硬化指数。对于边角曲率半径R小的设计型水槽，制造变形初期的加工硬化指数和变形后期的加工硬化指数相似的材料很重要，以避免上述的现象。
根据本发明的一个实施例的奥氏体不锈钢，由于奥氏体稳定化参数(ASP)值满足-3以下，在真实应变率为0.3至0.4的范围下，加工硬化指数n值可以是0.4至0.5的范围。
另一方面，从水槽成型公司的观点来看，虽然材料的优异的成型性也很重要，但是有时必须保证符合每个国家的材料规格。对于加入Cu的高成型奥氏体不锈钢，也存在无法保证304材料规格的材料强度的问题，因此本发明旨在开发出一种可确保优异的材料强度和耐腐蚀性的钢材，其具有加工性和抗季裂性，同时满足材料规格。
根据本发明的一个实施例的奥氏体不锈钢可满足下述公式2。
(2)Cu/(100*N)＝0.55
通过将Cu和N的含量控制成满足上述公式2，根据本发明的奥氏体不锈钢可以确保屈服强度(YS)为230MPa以上以及拉伸强度(TS)为540MPa以上。
另外，根据本发明的一个实施例的奥氏体不锈钢可满足下述公式3。
(3)100*N-(Mn+Cu)＝0
为了将奥氏体稳定化参数(ASP)控制成在真实应变率为0.3至0.4的范围下加工硬化指数n值满足0.4至0.5的范围，如果提高Mn、Cu的含量，就无法确保设计型水槽中要求的STS304水平的耐腐蚀性。因此，将N、Mn、Cu的含量控制成满足上述公式3，从而根据本发明的奥氏体不锈钢可以确保孔蚀电位为245mV以上。
图3是示意性地示出利用冲头的杯形拉伸(Cup Drawing)加工的剖视图。
深拉是在拉伸模具2上放置圆形坯料(blank)后用坯料夹3以适当的压力按压所述圆形坯料，接着冲头1将圆形坯料拉进模具2内，此时材料中心部分被缓慢地拉伸，同时材料外周部分沿模具侧面滑进模具2内。
通常，当深拉时，在围绕冲头1底面的材料底面部分10厚度会减小，该部分的应力状态是双轴拉伸状态。
在凸缘部分30材料朝半径方向的模具2入口侧拉伸，因此圆周方向上产生压缩变形，而半径方向上产生拉伸变形。在所述压缩变形和拉伸变形的主变形作用下，在凸缘部分30发生厚度增加。也就是说，对于凸缘部分30，材料的实际厚度变厚，同时随着压缩变形导致的加工硬化材料的强度上升。
侧壁部分20沿着模具2的侧面上下拉伸并拉深，因此材料的厚度变薄，同时由于加工硬化材料的强度上升，但是一般显著低于凸缘部分30的加工硬化程度。
随着拉伸的进行，具有相同的断裂极限的坯料的凸缘部分30和侧壁部分20会发生断裂极限的差异。也就是说，凸缘部分30具有[强度高×厚度厚]的断裂极限，而侧壁部分20具有[强度稍高×厚度薄]的断裂极限，因此导致断裂极限不均匀，变形集中在拉伸时强度较弱的部分上，从而产生裂纹。
由于边角曲率半径R小的设计型水槽(Des ign Sink)的边角部分的凸缘部分30的压缩变形量远大于普通水槽，这种断裂极限的差异更大，因此用STS304难以成型。
使用根据本发明的一个实施例的奥氏体不锈钢拉伸加工时，可以防止加工后产生季裂(season cracking)。
对于根据本发明的一个实施例的加工性和抗季裂性优异的奥氏体不锈钢拉伸加工产品，对所述不锈钢利用冲头在极限拉伸比极限拉伸比(LDR)为2.0至2.3的范围下进行拉伸(Drawing)加工时，在所述拉伸加工产品的底面和距离底面10mm、20mm、30mm、40mm的侧壁位置上测定的应变诱发马氏体量分别满足小于1.0％、1.0％、5.0％、10％和15％。
极限拉伸比(Limited Drawing Ratio)是指材料最大直径(D)和冲头直径(d)之比(D/d)。
如果奥氏体稳定化参数(ASP)值大于-3，则拉伸加工时无法抑制γ→α’相变，在加工24小时后可能会产生季裂。因此，使用根据本发明的奥氏体稳定化参数(ASP)值为-3以下的所述不锈钢进行拉伸加工时，可以控制拉伸加工产品的应变诱发马氏体量，从而可以防止季裂。
下面通过本发明的优选实施例进一步详细描述。
评价加工性和强度
将下表1所示的成分系列的奥氏体不锈钢的一部分通过Lab.真空熔化制成钢锭(1ngot)，一部分经过电炉-VOD-连铸工艺制成板坯(Slab)。将制成的钢锭和板坯在1240℃下再加热1小时至2小时后，通过粗轧机和连续精轧机制成热轧材料，并在1000℃至1100℃的温度下进行热轧退火之后，再实施冷轧以及冷轧退火。
【表1】
分类 C Si Mn Ni Cr Cu Mo N
发明钢1 0.02 0.3 1.5 8.3 18.1 1.2 0.1 0.045
发明钢2 0.02 0.3 1.52 8.1 18 1.43 0.095 0.045
发明钢3 0.021 0.82 1.5 8.1 18.2 1.43 0.1 0.045
发明钢4 0.019 0.31 1.46 8.14 18.2 1 0.1 0.061
发明钢5 0.019 0.31 1.51 8.15 18.2 1.27 0.1 0.043
比较钢1 0.11 0.6 0.85 6.6 17.2 0.6 0.1 0.048
比较钢2 0.055 0.4 1.1 8.1 18.2 0.1 0.1 0.04
比较钢3 0.11 0.58 0.86 6.7 17.6 0.9 0.1 0.05
比较钢4 0.01 0.5 1.2 7.6 16.9 2.9 0.1 0.01
比较钢5 0.02 0.6 2.2 6.6 17.2 2.9 0.1 0.04
测定表1所示的发明钢和比较钢的奥氏体稳定化参数(ASP)值、Cu/(100*N)值及机械性能值即屈服强度、拉伸强度、加工硬化指数n值(真实应变率为0.3至0.4)，并示于下表2中。
【表2】
Figure BDA0002457836820000101
Figure BDA0002457836820000111
发明钢1至5都是将Cu/(100*N)值控制在0.55以下，同时将ASP值控制在-3以下，从而确保了目标屈服强度(230MPa以上)和拉伸强度(540MPa以上)，可以获得在适合于设计型水槽的真实应变率为0.3至0.4的范围下的加工硬化指数n值为0.5以下。
相比之下，对于比较钢1至3，其Cu/(100*N)值分别为0.13、0.03、0.20，虽然具有本发明所希望的屈服强度和拉伸强度，但是ASP值分别为18.1、5.6、-2.5，超出了本发明所希望的范围，其结果在真实应变率为0.3至0.4的范围下加工硬化指数n值为0.5以上，并不适合设计型水槽的用途。
对于比较钢4和5，其ASP值为-10.9、-11.1，虽然落入本发明所希望的范围，但是Cu/(100*N)值分别为2.90、0.73，超出了本发明所希望的范围，因此没有确保材料的充分的屈服强度和拉伸强度。
评价耐腐蚀性
下表3示出了所述公式3的100*N-(Mn+Cu)值和孔蚀电位的关联性。对于孔蚀电位，对钢板表面进行#600研磨加工后，利用30℃的3.5％NaCl溶液进行测定。
【表3】
Figure BDA0002457836820000112
Figure BDA0002457836820000121
对于发明钢1至5，100*N-(Mn+Cu)值均为0以上，表示材料的耐腐蚀性的孔蚀电位落入本发明所希望的范围，即245mV以上。然而，为了提高奥氏体稳定化程度，将Mn、Cu的含量设计成较高的比较钢4和5，其ASP值为-10.9和-11.1(参见表2)，尽管满足本发明所希望的范围，但是100*N-(Mn+Cu)值分别为-3.1、-1.1，没有满足公式3，其结果孔蚀电位值为200mV以下，无法确保设计型水槽中要求的STS304水平的耐腐蚀性(孔蚀电位为245mV以上)。
评价抗季裂性
使用直径为50mm的冲头以100mm/min的冲压速度对根据本发明的一个实施例的奥氏体不锈钢进行杯形拉伸(cup drawing)。拉伸加工是在极限拉伸比(LDR)为1.9至2.3的范围以及杯体的上部不会产生褶皱和断裂的范围下实施。拉伸加工之后，如图4所示在杯形加工产品的底面和距离底面10mm、20mm、30mm、40mm的侧壁位置上测定了应变诱发马氏体(α’)量，并示于下表4中，表示拉伸加工24小时后是否产生季裂。应变诱发马氏体量是利用铁素体含量测定仪(ferrite-scope)来测定的。
【表4】
Figure BDA0002457836820000122
Figure BDA0002457836820000131
对于发明钢1、4、5，其ASP值为-18.6、-16.9、-16.6(参见表2)，成型时的γ→d’相变得到抑制，实际杯形拉伸后的杯形加工产品的各位置上的马氏体生成量最多小于15％。但是，对于比较钢1、2，其ASP值为18.1、5.6(参见表2)，容易发生成型时的γ→α’相变，实际杯形拉伸后的各位置上的马氏体生成量最多达到40％至49％。因此，比较例1、2造成了在杯形拉伸加工24小时后产生季裂(season cracking)的问题。
上面描述了本发明的示例性实施例，但本发明不限于上述实施例，所属技术领域的普通技术人员在不脱离权利要求书的概念和范围的情况下可以进行各种变更及变形。
工业实用性
根据本发明的实施例的奥氏体不锈钢同时具有耐腐蚀性及优异的加工性和抗季裂性，可应用于设计型水槽等高成型产品。

Claims (7)

1.一种加工性和抗季裂性优异的奥氏体不锈钢，其特征在于，
以重量％计，所述奥氏体不锈钢包含C：0.01％至0.04％、Si：0.1％至1％、Mn：0.1％至2％、Ni：6％至10％、Cr：16％至20％、Cu：1％至2％、Mo：0.01％至0.2％、N：0.035％至0.07％、余量的Fe和不可避免的杂质，
由下述公式1表示的奥氏体稳定化参数(ASP)值为-3以下，
在真实应变率为0.3至0.4的范围下加工硬化指数n值满足0.4至0.5的范围，
(1)565-445*C-495*N-11.3*Si-3.81*Mn-28.6*Ni-14.9*Cr-30.0*Gu
其中，C、N、Si、Mn、Ni、Cr、Cu表示各元素的含量(重量％)。
2.根据权利要求1所述的加工性和抗季裂性优异的奥氏体不锈钢，其特征在于，
所述不锈钢满足下述公式2，
(2)Cu/(100*N)＝0.55
其中，Cu、N表示各元素的含量(重量％)。
3.根据权利要求2所述的加工性和抗季裂性优异的奥氏体不锈钢，其特征在于，
所述不锈钢的屈服强度(YS)为230MPa以上以及拉伸强度(TS)为540MPa以上。
4.根据权利要求1所述的加工性和抗季裂性优异的奥氏体不锈钢，其特征在于，
所述不锈钢满足下述公式3，
(3)100*N-(Mn+Cu)＝0
其中，N、Mn、Cu表示各元素的含量(重量％)。
5.根据权利要求4所述的加工性和抗季裂性优异的奥氏体不锈钢，其特征在于，
所述不锈钢的孔蚀电位为245mV以上。
6.一种加工性和抗季裂性优异的奥氏体不锈钢拉伸加工产品，其特征在于，
对根据权利要求1至5中任何一项所述的不锈钢利用冲头进行拉伸加工时，
在所述拉伸加工产品的底面和距离底面10mm、20mm、30mm、40mm的侧壁位置上测定的应变诱发马氏体量分别满足小于1.0％、1.0％、5.0％、10％和15％。
7.根据权利要求6所述的加工性和抗季裂性优异的奥氏体不锈钢拉伸加工产品，其特征在于，
所述拉伸加工产品在所述加工24小时后不会产生季裂。
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