CN111727265B - 含介稳态奥氏体的镀钢在升高温度下的减缩 - Google Patents
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Abstract
使介稳态钢在镀覆之后且在冷轧之前或期间升温会抑制奥氏体到马氏体的转变，从而导致较低轧机负载和相似负载下的较高减缩量。与在室温下通过冷轧减缩相同量的钢相比时，如此温轧的钢具有增强的机械性质。
Description
优先权
本申请案主张对2018年3月13日申请的标题为含介稳态奥氏体的镀钢在升高温度下的减缩(REDUCTION AT ELEVATED TEMPERATURE OF COATED STEELS CONTAININGMETASTABLE AUSTENITE)的美国临时申请案第62/642,208号的优先权，其揭示内容以引用的方式并入本文中。
背景技术
本发明属于含有大量介稳态奥氏体(metastable austenite)(5％-100％)的钢。奥氏体如果在机械形变时转变为马氏体(martensite)，那么认为其是介稳态的。此类马氏体称为形变诱导的马氏体，其在将钢加热到马氏体恢复为奥氏体的高温之前是稳定的。
由于与介稳态奥氏体到马氏体的形变诱导的转变相关的高加工硬化率，含介稳态奥氏体的钢有时在室温或更高温度下轧制以实现高屈服和抗拉强度。
如果此一钢在轧制条件下要经镀覆以免受腐蚀，那么轧制钢的高强度在镀覆工艺期间带来独特挑战，这是因为镀覆线通常经设计用于较低强度钢产品。增加的强度引起涉及牵引钢带穿过线的能力、使钢带围绕轧辊弯曲的能力和借助拉伸弯曲矫直或其它方式实施任何形状校正的能力的挑战。
此外，在一些镀覆技术中，钢带经受高温，此导致一些或所有形变诱导的马氏体恢复成奥氏体。由于此逆转，钢带的机械性质将下降，由此失去前期轧制工艺的有益效应。
发明内容
由于介稳态奥氏体到更高强度的马氏体相的形变诱导的转变，故含介稳态奥氏体的钢的冷轧可具挑战性。此类钢的冷轧导致轧机负载的显著增加且钢通常需要经历退火，以在可实施进一步冷减缩之前使含奥氏体的微结构部分或完全恢复或重结晶。
为克服上述识别的挑战，有利的是在轧制之前在部分或完全退火条件下镀覆此介稳态钢。此处，退火还可指临界区退火或奥氏体化。在此退火条件下，材料将具有较低强度和硬度，此使得其更易于借助镀覆线进行处理。另外，对镀覆线的热轮廓的任何暴露不应使性质下降到任何显著程度。
本发明方法涉及在退火条件下镀覆含介稳态奥氏体的钢，随后温轧。温轧涉及在轧制之前或期间使材料升温到高于周围条件的温度，以抑制奥氏体到马氏体的转变。温轧可导致较低轧机负载和在相似负载下的较高减缩量，这是因为钢在高于周围条件的温度下的较低流动强度和增加的延展性。实现较高减缩的能力还可使得在钢可加工成最终规格之前需要较少的中间退火。
令人惊讶的是，与通过冷轧减缩到相同量的钢相比，如此温轧的钢已显示增强的机械性质。温轧、随后后续退火还可产生较冷轧相同量并退火的钢中所实现者更好的机械性质。温轧的益处可在中等温度下实现而且还不需要大量的线修改。
附图说明
图1绘示介稳态钢中马氏体百分比随由温轧和冷轧所产生减缩百分比的变化。
图2绘示介稳态钢的伸长百分比随由冷轧和温轧所产生减缩百分比的变化。
图3绘示屈服强度和极限抗拉强度随冷轧和温轧的减缩的变化。
图4绘示总伸长率随冷轧和温轧的减缩的变化。
图5绘示强度-延展性乘积(极限抗拉强度与总伸长率的乘积)随冷轧和温轧的减缩的变化。
具体实施方式
本发明涉及含有大量介稳态奥氏体(5％-100％奥氏体)的钢，其称为“介稳态钢”。奥氏体如果在机械形变时转变为马氏体，那么认为其是介稳态的。此马氏体称为形变诱导的马氏体。形变诱导的马氏体是稳定成分，直到将钢暴露于升高温度为止。含有此介稳态奥氏体的钢可为碳钢或不锈钢。
存在几种途径可用来表征奥氏体的稳定性。一种途径是基于奥氏体的化学组成计算其不稳定因子(IF)。此因子描述于美国专利3,599,320(其揭示内容以引用的方式并入本文中)中，其将IF定义为：
IF＝37.193 -51.248(％C)-0.4677(％Cr)-1.0174(％Mn)-34.396(％N)-2.5884(％Ni)
方程式1
将计算的IF值在0-2.9的钢分类为“轻微介稳态”且将IF高于2.9的钢分类为“中等介稳态”。本发明的方法对于IF高于2.9的含介稳态奥氏体的钢最为重要。
表征奥氏体稳定性的另一技术是计算或测量所谓的Md30温度。对于给定介稳态钢组成，当在Md30温度下形变为0.3真应变时，50％的奥氏体转变为马氏体。对于给定介稳态钢组成，Md温度是形变时高于其不形成马氏体的温度。Md和Md30温度为业内所熟知。除凭经验确定以外，特定钢组成的Md30温度还可通过可在文献中找到的若干方程式之一来计算，所述方程式包括以下：
如野原K.(Nohara,K.)、小野Y.(Ono,Y.)和大桥N.(Ohashi,N.)1977.介稳态奥氏体不锈钢中应变诱导马氏体转变的组成和粒度依赖性(Composition and Grain-SizeDependencies of Strain-Induced Martensitic Transformation in MetastableAustenitic Stainless Steels).日本钢铁学会期刊(Journal of Iron and SteelInstitute of Japan),63(5),第212-222页(其揭示内容以引用的方式并入本文中)所教示：
Md30＝551-462(％C+％N)-68*％Nb-13.7*Cr-29(％Cu+％Ni)-8.1*％Mn-18.5*％Mo-9.2*％Si 方程式2
如安杰尔T.(Angel,T.)1954.马氏体在奥氏体不锈钢中的形成(Formation ofMartensite in Austenitic Stainless Steels).钢铁学会期刊(Journal of the Ironand Steel Institute),177(5),第165-174页(其揭示内容以引用的方式并入本文中)所教示：
Md30＝413-462*(％C+％N)-13.7*％Cr-8.1*％Mn-18.5*％Mo-9.5*％Ni-9.2*％Si
方程式3
低稳定性指示奥氏体在形变时易于转变为马氏体且其在低应变时易于转变为马氏体。相反，高稳定性指示奥氏体对形变诱导的马氏体转变具有抵抗性且需要高应变以使任何奥氏体转变为马氏体。低不稳定性是由高Md30温度指示，也就是说，随着Md30温度增加，奥氏体更加不稳定。介稳态奥氏体的Md30温度高于Ms温度(也就是，非热马氏体的马氏体变态起始温度)。
随着奥氏体转变为更高强度的马氏体，具有大量介稳态奥氏体的钢快速硬化。此类钢的冷轧仍是挑战，这是因为更高程度的转变可导致负载超过辊轧机的能力或容量。然后此类钢需要退火，以在钢可进一步轧制之前，将一些或全部马氏体部分或完全转变为奥氏体或其它较低强度成分。如果在轧制期间可抑制奥氏体到马氏体的转变，那么钢可以较低轧机负载轧制成更薄规格。一种抑制此转变的途径是在冷轧之前或期间使钢升温。此处，升温是指将钢加热到高于周围条件但低于大约930℉或499℃的温度。温轧已显示具有产生更好的机械性质的额外益处。温轧描述于2017年1月17日申请的标题为“含介稳态稳奥氏体钢的温轧(Warm Rolling of Steels Containing Metastable Austenite)”的美国专利申请案第15/407,992号中，其内容以引用的方式并入本文中。
此类钢可经镀覆以防止腐蚀。钢的典型镀层可为锌或基于锌的合金、铝或基于铝或基于铝-硅的合金或任何其它业内已知施加到钢的金属镀层。
在经大量硬化处理的钢中，由于以下两个主要因素，镀覆变得具有挑战性：
1.镀覆线设备处理高强度材料的能力；和
2.钢带在热浸镀工艺中暴露于高温，此可导致一些或全部马氏体逆转恢复到低强度奥氏体，导致较低屈服强度和抗拉强度。
一种维持此类钢的高强度的途径是在退火条件或其它不存在形变诱导的马氏体的条件下镀覆此类钢且随后温轧此类钢。
一个实施例涉及对热轧钢带实施冷轧或温轧操作，随后退火以实现没有或具有极少形变诱导的马氏体且具有重结晶微结构的材料。此轧制之后是镀覆操作，例如热浸镀铝、热浸镀锌或电镀锌。镀覆之后是在高于室温(大约70℉或21℃)且在一些实施例中接近或高于钢的Md温度的温度下轧制此类介稳态钢。
此材料的卷材可以对所属领域技术人员将显而易见的途径升温，所述途径包括以下方法中的一者或其组合：
I.在将卷材置于轧制线之前使卷材在炉/烘箱中升温。
II.在进入冷轧机的第一机架中之前，在辊轧机中使用一些类型的直列式加热系统(例如，感应加热器或辐射加热器)使镀覆卷材升温；
III.使辊轧机所用的冷却剂升温。使冷却剂升温可以多种方式实施，例如关闭辊轧机上的冷却塔并运行一些其它材料以加热冷却剂。在轧制之前使冷却剂升温的其它方法对于所属领域技术人员来说将显而易见；和
IV.使用嵌入式加热器或其它方式升温或加热冷轧机的轧辊。
根据特定组成的典型金属加工处理，在镀覆和冷轧(如果适用)之前，可将介稳态钢熔化、浇铸、热轧和退火。在一些实施例中，在镀覆之后和冷轧之前，将钢升温到不高于250℉或121℃的温度；在其它实施例中，将钢升温到不高于930℉或499℃的温度。在其它实施例中，将介稳态钢升温到接近或高于特定介稳态钢组成的Md温度的温度。且在其它实施例中，将介稳态钢升温到接近或高于特定介稳态钢组成的Md30温度的温度。所述温轧道次可为第一、第二或任何后续“冷轧”步骤中的一或多者。
图1比较轧制温度对含介稳态奥氏体的钢在轧制过程中形变诱导的马氏体形成程度的影响。对于相同的减缩量，与在室温下轧制的冷轧钢相比，在每一温轧条件下形成的马氏体显著较少。温轧在减少所形成马氏体的量方面的益处甚至可在相对较低温度(在此情形中，150℉或66℃)下观察到，并且随着温轧温度升高，马氏体的形成减少。
图2显示在温轧和冷轧之后含介稳态奥氏体的钢的总伸长率。令人惊讶的是，温轧导致总伸长率在降低之前存在初始增加。这些结果指示，温轧的益处可通过改变在一定温度下所实施的减缩量或通过改变轧制温度来调整。相反，冷轧总是导致总伸长率随着减缩量增加而降低。
实例1
将含介稳态奥氏体的退火钢用富锌镀层电镀锌且然后在室温(大约21℃)下冷轧或在270℉或132℃温轧。表1汇总如此镀覆的性质和轧制后的性质。
表1
图3显示对于冷轧和温轧二者，屈服强度和极限抗拉强度均随轧制减缩增加而增加。图4证实对于冷轧来说，伸长率随减缩增加而降低。令人惊讶的是，温轧后的伸长率在减缩高达大约30％减缩的情形下大体未变，此后其稍微降低。温轧的此有益效应进一步显示于图5中，图5比较冷轧和温轧镀覆样品的强度-延展性乘积(极限抗拉强度和总伸长率的乘积)。轧制对强度-延展性乘积的效应类似于其对总伸长率的效应。对于冷轧来说，强度-延展性乘积随减缩增加而降低。然而，对于高达大约30％的减缩，强度-延展性乘积由于温轧而增加。
实例2
根据以下工艺制备介稳态钢：
a.选择不稳定因子(IF)大于或等于2.9的介稳态钢，其中IF是通过以下方程式计算：
IF＝37.193-51.248(％C)-0.4677(％Cr)-1.0174(％Mn)-34.396(％N)-2.5884(％Ni)
b.在镀覆所述介稳态钢之前，使所述介稳态钢退火；
c.在镀覆所述介稳态钢之后，将所述介稳态钢升温到高于70°F的升温温度；和
d.轧制所述经镀覆和升温的介稳态钢。
实例3
根据实例2的工艺制备介稳态钢，其中所述升温温度接近或高于特定介稳态钢组成的Md温度。
实例4
根据实例2的工艺制备介稳态钢，其中所述升温温度接近或高于特定介稳态钢组成的Md30温度。
实例5
根据实例2的工艺制备介稳态钢，其中所述升温温度小于或等于930°F。
实例6
根据实例2的工艺制备介稳态钢，其中所述升温温度小于或等于250°F。
实例7
根据实例4的工艺制备介稳态钢，其中所述介稳态钢的Md30温度是根据以下方程式计算：
Md30＝551-462(％C+％N)-68*％Nb-13.7*Cr-29(％Cu+％Ni)-8.1*％Mn-18.5*％Mo-9.2*％Si。
实例8
根据实例4的工艺制备介稳态钢，其中所述介稳态钢的Md30温度是根据以下方程式计算：
Md30＝413-462*(％C+％N)-13.7*％Cr-8.1*％Mn-18.5*％Mo-9.5*％Ni-9.2*％Si
实例9
根据实例2、3、4、5、6、7或8的工艺制备介稳态钢，其进一步包含其中在轧制后将所述介稳态钢进一步在室温轧制的步骤。
实例10
根据实例2、3、4、5、6、7或8的工艺制备介稳态钢，其进一步包含其中在轧制后将所述介稳态钢进一步退火的步骤。
实例11
根据10实例的工艺制备介稳态钢，其进一步包含其中在退火后将所述介稳态钢进一步在室温下轧制的步骤。
实例12
根据10实例的工艺制备介稳态钢，其进一步包含其中在退火后将所述介稳态钢进一步温轧的步骤。
实例13
根据12实例的工艺制备介稳态钢，其中用于所述进一步温轧步骤的所述升温温度是接近或高于特定介稳态钢组成的Md温度。
实例14
根据12实例的工艺制备介稳态钢，其中用于所述进一步温轧步骤的所述升温温度是接近或高于特定介稳态钢组成的Md30温度。
实例15
根据12实例的工艺制备介稳态钢，其中用于所述进一步温轧步骤的所述升温温度小于或等于930°F。
实例16
根据12实例的工艺制备介稳态钢，其中用于所述进一步温轧步骤的所述升温温度小于或等于250°F。
实例17
根据14实例的工艺制备介稳态钢，其中用于所述进一步温轧步骤的所述介稳态钢的Md30温度是根据以下方程式计算：
Md30＝551-462(％C+％N)-68*％Nb-13.7*Cr-29(％Cu+％Ni)-8.1*％Mn-18.5*％Mo-9.2*％Si。
实例18
根据14实例的工艺制备介稳态钢，其中用于所述进一步温轧步骤的所述介稳态钢的Md30温度是根据以下方程式计算：
Md30＝413-462*(％C+％N)-13.7*％Cr-8.1*％Mn-18.5*％Mo-9.5*％Ni-9.2*％Si。
Claims (9)
1.一种镀覆介稳态钢带的方法，所述方法包含以下步骤：
a.选择不稳定因子IF大于或等于2.9的介稳态钢带，其中所述介稳态钢带是含有介稳态奥氏体的钢带，其中IF是通过以下方程式计算：
IF＝37.193-51.248(％C)-0.4677(％Cr)-1.0174(％Mn)-34.396(％N)-2.5884(％Ni)
b.在镀覆所述介稳态钢带之前，使所述介稳态钢带退火；
c.使用金属镀层镀覆所述介稳态钢带；
d.在镀覆所述介稳态钢带之后，将所述介稳态钢带升温到高于70℉的升温温度；和
f.轧制所述经镀覆和升温的介稳态钢带。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述升温温度处于或高于特定介稳态钢带组成的Md温度，其中对于给定介稳态钢组成，Md温度是形变时高于其不形成马氏体的温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述升温温度处于或高于特定介稳态钢带组成的Md30温度，其中对于给定介稳态钢组成，当在Md30温度下形变为0.3真应变时，50％的奥氏体转变为马氏体。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述升温温度小于或等于930℉。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述介稳态钢带的所述Md30温度是根据以下方程式计算：
Md30＝551-462(％C+％N)-68*％Nb-13.7*Cr-29(％Cu+％Ni)-8.1*％Mn-18.5*％Mo-9.2*％Si。
6.根据权利要求3所述的方法，其中所述介稳态钢带的所述Md30温度是根据以下方程式计算：
Md30＝413-462*(％C+％N)-13.7*％Cr-8.1*％Mn-18.5*％Mo-9.5*％Ni-9.2*％Si。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的方法，其进一步包含其中在轧制后将所述介稳态钢带进一步在室温下轧制的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包含其中在室温下轧制之前将所述介稳态镀钢退火的步骤。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属镀层为锌或基于锌的合金、铝或基于铝或基于铝-硅的合金。
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