CN111492081A - 具有改善的强度和表面导电性的非磁性奥氏体不锈钢 - Google Patents

具有改善的强度和表面导电性的非磁性奥氏体不锈钢 Download PDF

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Abstract

公开了具有改善的强度和表面导电性的非磁性奥氏体不锈钢。根据本发明的一个实施方案的奥氏体不锈钢包含：按重量％计，0.07％至0.2％的C，0.15％至0.4％的N，0.8％至2％的Si，16％至22％的Mn，0.01％或更少的S(不包括0)，12.5％至20％的Cr，1％至3％的Cu，余量为Fe和其他不可避免的杂质，并且满足下式(1)。(1)Ni+0.65Cr+1.05Mn+0.35Si+12.6C+33.6N≥40(其中Ni、Cr、Mn、Si、C和N为各元素的重量％)。

Description

具有改善的强度和表面导电性的非磁性奥氏体不锈钢
技术领域
本公开涉及非磁性奥氏体不锈钢，并且更特别地，涉及可应用于要求强度和表面导电性以及非磁性特性的环境的具有改善的强度和表面导电性的非磁性奥氏体不锈钢。
背景技术
近来，根据各领域的工业发展，用于电子部件的材料需要除了高强度和非磁性特性或高强度和非磁性特性之外还具有优异的表面导电性的奥氏体不锈钢。通常，用于电子部件的材料包含大量昂贵的Ni，这具有增加原料成本的问题。
以STS304为代表的奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性，并且在退火热处理中表现出非磁性奥氏体组织，并且在各种装置中用作非磁性钢。然而，存在根据应用进行加工的情况，并且当向STS304钢施加深冲(deep drawing)和冲压加工时，由于向应变诱导的马氏体组织的相变，因此难以维持非磁性特性，并且存在出现延迟开裂的问题。
因此，为了对此进行补偿，需要开发能够在降低Ni含量的同时确保强度和表面导电性等于或高于一般奥氏体不锈钢的强度和表面导电性的新的钢类型。
发明内容
技术问题
本公开的实施方案通过在不添加Ni的情况下控制含量元素以抑制应变诱导的马氏体并控制凝固期间的δ-铁素体含量来解决以上问题，并且提供了具有改善的强度和表面导电性的非磁性奥氏体不锈钢。
技术方案
根据本公开的一个方面，奥氏体不锈钢包含：按全部组成的重量百分比(％)计，C：0.07％至0.2％，N：0.15％至0.4％，Si：0.8％至2％，Mn：16％至22％，S：0.01％或更少(不包括0)，Cr：12.5％至20％，Cu：1％至3％，剩余部分为铁(Fe)和其他不可避免的杂质，并且满足下式(1)，
(1)Ni+0.65Cr+1.05Mn+0.35Si+12.6C+33.6N≥40
Ni、Cr、Mn、Si、C、N为各元素的重量％。
由下式(2)表示的屈服强度可以为450MPa或更大。
(2)屈服强度(MPa)＝185+1977C+605N+3.65Cu-3.63Mn
C、N、Cu、Mn为各元素的重量％。
在70％冷加工之后测量的铁素体含量可以小于0.1％。
即使在70％冷加工下，磁导率可以为1.005或更小。
由下式(3)表示的堆垛层错能(SFE)可以为41mJ/m2或更大。
(3)SFE(mJ/m2)＝25.7+1.59(Ni+Cu)-0.85Cr+0.00lCr2+38.2N0.5-2.8Si-1.34Mn+0.06Mn2
Ni、Cu、Cr、N、Si、Mn为各元素的重量％。
冷轧材料硬度(Hv)值可以为215或更大。
钝化膜的2nm以内的区域中的Cu+Mn含量可以为0.2％或更大。
表面电阻可以小于10mΩcm2。
有益效果
根据所公开的实施方案，可以通过在不添加Ni的情况下控制所包含的元素以抑制应变诱导的马氏体并控制凝固期间的δ-铁素体含量来提供具有改善的强度和表面导电性的非磁性奥氏体不锈钢。
另外，根据所公开的实施方案的具有改善的强度和表面导电性的非磁性奥氏体不锈钢可以用于各种装置中使用的非磁性组件的各种应用中。
另外，根据所公开的实施方案，不需要对材料进行长时间的热处理以除去由于δ-铁素体导致的磁性的额外过程，因此，可以提供具有简单的制造工艺的非磁性奥氏体不锈钢。
附图说明
图1是示出Ni当量与磁导率之间的相关性的图。
图2是示出Ni当量与屈服强度预测式之间的相关性的图。
具体实施方式
根据本公开的一个实施方案的具有改善的强度和表面导电性的非磁性奥氏体不锈钢包含：按全部组成的重量百分比(％)计，C：0.07％至0.2％，N：0.15％至0.4％，Si：0.8％至2％，Mn：16％至22％，S：0.01％或更少(不包括0)，Cr：12.5％至20％，Cu：1％至3％，剩余部分为铁(Fe)和其他不可避免的杂质，并且满足下式(1)，
(1)Ni+0.65C+1.05Mn+0.35Si+12.6C+33.6N≥40
Ni、Cr、Mn、Si、C、N为各元素的重量％。
发明实施方式
提供以下实施方案以将本公开的技术概念转达给本领域普通技术人员。然而，本公开不限于这些实施方案，而是可以以另一种形式呈现。在附图中，为了使本公开清楚，可以不示出与说明书无关的部分，并且为了容易理解，组件的尺寸或多或少被放大示出。
另外，当部件“包括”或“包含”要素时，除非存在与其相反的特定描述，否则该部件还可以包括另外的要素，而不排除另外的要素。
除非在上下文中具有明显不同的含义，否则以单数形式使用的表达也涵盖了复数形式的表达。
在下文中，描述了非磁性奥氏体不锈钢，所述非磁性奥氏体不锈钢即使在不需要用于分解δ-铁素体的额外过程的常规工艺中制造，也可以通过控制钢的显微组织中存在的δ-铁素体的含量来确保非磁性特性，并且与常用的STS304不锈钢相比具有改善的强度和表面导电性。
具体地，本公开在不添加昂贵的Ni的情况下，甚至在没有额外的热处理过程的情况下，仅通过控制合金元素也提供了表现出优异的非磁性特性的奥氏体不锈钢。
根据本公开的一个实施方案的奥氏体不锈钢包含：按全部组成的重量百分比(％)计，C：0.07％至0.2％，N：0.15％至0.4％，Si：0.8％至2％，Mn：16％至22％，S：0.01％或更少(不包括0)，Cr：12.5％至20％，Cu：1％至3％，剩余部分为铁(Fe)和其他不可避免的杂质，并且满足下式(1)，
(1)0.65Cr+1.05Mn+0.35Si+12.6C+33.6N≥40
在下文中，将描述本公开的实施方案中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0.07％至0.2％。
碳(C)是强的奥氏体相稳定化元素，并且期望添加0.07％或更多以通过固溶强化来增加材料强度。然而，当含量过多时，其可能容易地与对耐腐蚀性有效的碳化物形成元素例如Cr结合，从而降低晶界周围的Cr含量而使耐腐蚀性降低，并且可以将上限限制为0.2％。
N的含量为0.15％至0.4％。
氮(N)是强的奥氏体相稳定化元素，并且是不含Ni的钢中的必不可少的元素。在本公开中期望添加0.15％或更多。然而，如果含量过多，则可能产生由于氮化物析出和氮孔导致的表面缺陷，并且可以将上限限制为0.4％。
Si的含量为0.8％至2％。
硅(Si)是可用于脱氧的元素，并且当不添加Ni时，硅(Si)具有改善耐腐蚀性的效果，因此优选添加0.8％或更多。然而，如果含量过多，则与冲击韧性有关的机械特性降低，并且可以将上限限制为2％。
Mn的含量为16％至22％。
锰(Mn)是在不添加Ni时对奥氏体相的稳定必不可少的核心元素，并且优选添加16％或更多。然而，如果含量过多，则可能发生表面缺陷，并且可以将上限限制为22％。
S的含量为0.01％或更少。
硫(S)形成MnS，并且该MnS成为腐蚀的起点并降低了耐腐蚀性，因此优选将其限制为0.01％或小。
Cr的含量为12.5％至20％。
铬(Cr)是不锈钢的耐腐蚀性改善元素中含量最多的元素，并且优选添加12.5％或更多以表现出耐腐蚀性。然而，Cr是铁素体稳定化元素。随着Cr含量增加，铁素体分数增加而抑制奥氏体稳定。可以将上限限制为20％。
Cu的含量为1％至3％。
铜(Cu)在本公开中是必不可少的元素，像Mn一样，铜增加奥氏体相稳定性并改善耐腐蚀性。另外，铜(Cu)与Mn一起添加以溶解在钝化膜中以增加表面导电性，因此优选添加1％或更多。然而，如果含量过多，则成型性反而劣化，并且可以将上限限制为3％。
在本公开中，将镍(Ni)视为杂质，因为当以少量添加时其洗提(elution)和可成形性劣化。
本公开的剩余组分为铁(Fe)。然而，在常规制造工艺中，可能不可避免地混合有来自原料或周围环境的非期望的杂质，因此无法排除杂质。由于这些杂质在普通制造过程中对于任何技术人员都是已知的，因此它们在本说明书中没有具体提及。
通常，用于电子部件的奥氏体不锈钢需要诸如板成形和深冲的过程。在模制的成品中，形成了变形量为约50％或更大的变形组织，并且即使在这些变形的部分中也必须保持非磁性特性。
对于使用钢的非磁性特性的电子部件的材料，应用于部件的钢的磁导率μ应当为1.005或更小以用于常规操作。为了满足这一点，必须控制在钢的凝固期间形成的δ-铁素体的含量。
通常，存在于奥氏体不锈钢的显微组织中的δ-铁素体由于具有体心立方结构(body-centered cubic structure，BCC)的组织的特性而变为磁性的，而奥氏体由于面心立方结构(face-centered cubic structure，FCC)而不变为磁性。因此，可以通过控制δ-铁素体的分数来获得期望大小的磁特性，并且在非磁性钢的情况下，必须使δ-铁素体的分数尽可能低或消除δ-铁素体的分数。
特别地，可以通过添加奥氏体稳定化元素来降低δ-铁素体的分数。通常，可以通过控制可用于使奥氏体稳定的Ni含量来抑制δ-铁素体的形成，而不使其他物理特性劣化。
然而，由于Ni是非常昂贵的元素，因此其使用范围可能受到限制。因此，本公开试图通过在不添加Ni的情况下控制Mn、Si、C、N的含量来确保奥氏体不锈钢的非磁性特性。非磁性特性可以表示为指示奥氏体稳定性的Ni当量(Nieq)值。
Ni当量是指在给定的组成成分中不形成δ-铁素体的最小Ni含量，并且可以如下表示。
Ni当量＝Ni+0.65Cr+1.05Mn+0.35Si+12.6C+33.6N
在此，Ni、Cr、Mn、Si、C和N为各元素的重量％。
本公开的发明人发现，当Ni当量值为40或更大时，通过模拟实际的严重成型部件(severe molding part)在70％冷加工之后测量的铁素体含量应当满足0.1％或更小，使得磁导率为1.005或更小，使得可以满足非磁性特性。
图1是示出根据Nieq的磁导率的相关性的图。参照图1，可以看出，当Ni当量为40或更大时，在奥氏体不锈钢的70％冷变形之后，磁导率满足1.005或更小。
根据本公开的一个实施方案，奥氏体不锈钢的冷轧退火板可以满足450Mpa或更大的屈服强度和215或更大的硬度(Hv)值，屈服强度由下式(2)表示。
(2)屈服强度(Mpa)预测式＝185+1977C+605N+3.65Cu-3.63Mn
在此，C、N、Cu、Mn为各元素的重量％。
对于用于电子部件的材料，必须确保用于各种加工环境的强度。在本公开中，在不添加Ni的情况下，控制对于提高屈服强度有效的C、N和Cu的含量以实现奥氏体不锈钢的高强度。
本公开的发明人发现，由式(2)表示的包括C、N和Cu含量的屈服强度预测式很好地反映了钢的强度，并且发现当式(2)的范围为450或更大时，可以确保期望的强度。
图2是示出根据Nieq的屈服强度(MPa)的相关性的图。
参照图2，可以看出，当Ni当量值为40或更大时，奥氏体不锈钢的冷轧退火板的屈服强度满足450Mpa或更大。
根据本公开的一个实施方案，奥氏体不锈钢可以满足41mJ/m2或更大的由下式(3)表示的堆垛层错能。
(3)SFE(mJ/m2)＝25.7+1.59(Ni+Cu)-0.85Cr+0.001Cr2+38.2N0.s-2.85i-1.34Mn+0.06Mn2
考虑到易于加工例如板成形和深冲以及高强度，必须确保奥氏体不锈钢的延展性。
已知奥氏体相的堆垛层错能(SFE，mJ/m2)控制奥氏体相的变形机理。通常，奥氏体相的堆垛层错能表明在奥氏体不锈钢呈单相的情况下，从外部添加的塑性变形能对奥氏体相的变形做出贡献的程度。
通常，堆垛层错能越低，在奥氏体相中形成ε马氏体相之后，有助于钢的加工硬化的应变诱导的马氏体相增加得越多。
当堆垛层错能适中时，在奥氏体相中形成机械孪晶。在适中的堆垛层错能的情况下，在这些孪晶的相交处形成应变诱导的马氏体相，并且所施加的塑性变形能机械地引起相变，导致从奥氏体相转变为马氏体相。因此，在不锈钢的情况下，已知除了中间相(ε马氏体相或机械孪晶)之间的差异以外，在相当宽的范围内形成应变诱导的马氏体相。因此，当堆垛层错能小于41mJ/m2时，在奥氏体相中形成ε马氏体相之后形成应变诱导的马氏体相，或在奥氏体相中形成机械孪晶之后形成应变诱导的马氏体相。
然而，当堆垛层错能为41mJ/m2或更大时，已知从奥氏体相到马氏体相的转变不会很好地发生，因为该转变在没有形成机械孪晶或ε马氏体相的情况下通过位错运动进行。
当由式(3)表示的奥氏体相的堆垛层错能为41mJ/m2或更大时，作为使用透射电子显微镜调查的结果，本公开的发明人确定在塑性变形之后未观察到马氏体相的形成。
根据本公开的一个实施方案，奥氏体不锈钢可以在距离表面层2nm以内的区域中具有0.2％或更大的Cu+Mn含量。
在用于电子部件的奥氏体不锈钢中，表面导电性是重要因素。在本公开中，证实了通过控制Cu和Mn的含量，当在钝化膜的厚度的2nm以内的区域中Cu+Mn含量为0.2％或更大时，表面电阻为10mΩcm2或更小。发现Cu和Mn被部分取代并溶解在由Cr氧化物层构成的钝化膜中，从而增加了电子迁移率并增加了表面导电性。
在下文中，将通过本公开的优选实施方案更详细地进行描述。
实施例
如表1所示，在改变钢的各组分的含量的同时，通过50kg的铸锭来生产不锈钢。在将铸锭在1250℃下加热3小时之后，进行热轧以产生4mm厚的热轧材料。对热轧材料进行冷轧，加工至2.5mm的最终厚度，在1100℃下在空气中退火30秒，然后酸洗。
通过对以该方式制备的试样进行拉伸测试来测量屈服强度(YS，Mpa)，并将其与屈服强度预测式进行比较。另外，通过维氏硬度测试测量硬度(Hv)。
[表1]
Figure BDA0002545186320000081
实验中使用了根据表1的本发明的钢和比较钢。
将2.5mm冷轧试样以70％的冷轧压下率进行冷轧，以模拟由实际的电子部件材料制成的模制品的非磁性特性和表面电阻特性，从而生产了厚度为0.75mm的冷轧板。使用铁素体观测装置测量制造的冷轧板的铁素体含量(％)，并使用磁导率测量装置(FERROMASTER)测量磁导率。
另外，通过使用辉光放电光谱仪(GDS)分析设备分析距离冷轧板的表面层2nm处的钝化膜中的Mn+Cu(重量％)。
通过将镀金的Cu板(面积2cm2)放置在冷轧板的顶部/底部并施加10N/cm2的压力，通过用DC 4端子法测量电阻，将表面电阻表示为表面电阻值。如果表面电阻小于10mΩcm2，则将表面电阻测量标准评估为良好，而如果表面电阻为10mΩcm2或更大，则将其评估为不足。
下表2中示出了各组分下的奥氏体不锈钢的堆垛层错能(SFE)、铁素体含量、磁导率和屈服强度估计值和测量值、硬度以及在距离表面层2nm处的Mn+Cu含量和表面电阻评估结果。
[表2]
Figure BDA0002545186320000091
图1是示出根据Nieq的磁导率的相关性的图。
参照图1和表2，与比较例相比，在发明例的情况下，由式(1)表示的Nieq值大于或等于40并且磁导率为1.005或更小，因此可以确定满足非磁性特性。
图2是示出根据Nieq的屈服强度(MPa)的相关性的图。
参考图1和表2，与比较例相比，在发明例的情况下，可以确定由式(1)表示的Nieq值为40或更大，屈服强度为450MPa或更大并且硬度为215Hv或更大。另外，参照表2，可以看出，在本发明的钢的情况下，屈服强度的预测式与屈服强度的测量值之间的差异极小，因此式(2)很好地反映了奥氏体不锈钢的强度。
另外，与比较例相比，在实施例的情况下，堆垛层错能(SFE)值为41mJ/m2或更大，并且可以抑制在塑性变形之后马氏体相的形成，从而确保延展性，并且在距离表面层2nm以内的区域中，Cu+Mn含量为0.2％或更大并且发生Cu和Mn的集中，因此测量表面电阻为10mΩcm2或更小。即，可以确定表面导电性得到改善。
另一方面，在比较例1中，包含8.1％的Ni，但Mn含量过低为1.5％，并且Nieq值小于40。具体地，参照表1和表2，在比较例1的情况下，Nieq值为23.745(其在本公开范围之外)，并且磁导率为5.2，其显示出磁性，因此无法确保450MPa或更大的高强度和期望的表面导电性。
参照表1和表2，在比较例2的情况下，C、Si和Mn含量满足本公开的范围，但是Nieq值为38.45(其小于40)。因此，作为1.1的磁导率不能确保期望的非磁性特性，并且不能确保450MPa或更大的高强度和期望的表面导电性。
参照表1和表2，即使在比较例3中，Nieq值为30.38(其小于40)，并且磁导率为2.5，因此无法确保期望的非磁性特性，并且无法确保450MPa或更大的高强度特性。
另外，在比较例3的情况下，未添加与Mn一起溶解在钝化膜中的Cu，因此在距离表面层2nm以内的区域中的Cu+Mn含量为0.0001％。因此，测量表面电阻为45mΩcm2，从而无法确保期望的表面导电性。
根据本公开的一个实施方案的奥氏体不锈钢在不添加Ni的情况下控制含量元素以抑制应变诱导的马氏体，并且控制凝固期间的δ-铁素体含量，从而在确保非磁性特性的同时增加了强度和表面导电性。
尽管已经参照示例性实施方案具体描述了本公开，但是本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以做出形式和细节上的各种改变。
工业适用性
根据本公开的实施方案的具有改善的表面导电性的非磁性奥氏体不锈钢可应用于用于电子部件的材料。

Claims (8)

1.一种奥氏体不锈钢，包含：按全部组成的重量百分比(％)计，C：0.07％至0.2％，N：0.15％至0.4％，Si：0.8％至2％，Mn：16％至22％，S：0.01％或更少而不包括0，Cr：12.5％至20％，Cu：1％至3％，剩余部分为铁(Fe)和其他不可避免的杂质，并且满足下式(1)，
(1)Ni+0.65Cr+1.05Mn+0.35Si+12.6C+33.6N≥40
Ni、Cr、Mn、Si、C、N为各元素的重量％。
2.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其中由下式(2)表示的屈服强度为450MPa或更大，
(2)屈服强度(MPa)＝185+1977C+605N+3.65Cu-3.63Mn
(C、N、Cu、Mn为各元素的重量％)。
3.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其中在70％冷加工之后测量的铁素体含量小于0.1％。
4.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其中即使在70％冷加工下，磁导率为1.005或更小。
5.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其中由下式(3)表示的堆垛层错能(SFE)为41mJ/m2或更大，
(3)SFE(mJ/m2)＝25.7+1.59(Ni+Cu)-0.85Cr+0.001Cr2+38.2N0.5-2.8Si-1.34Mn+0.06Mn2
Ni、Cu、Cr、N、Si、Mn为各元素的重量％。
6.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其中冷轧材料硬度(Hv)值为215或更大。
7.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其中钝化膜的2nm以内的区域中的Cu+Mn含量为0.2％或更大。
8.根据权利要求7所述的奥氏体不锈钢，其中表面电阻小于10mΩcm2。
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