CN112805398B - 具有优异的扩管性和时效裂纹抗力的奥氏体不锈钢 - Google Patents

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Abstract

公开了奥氏体不锈钢，其中即使在5轮或更多轮的扩管过程和卷边过程之后也不产生诸如时效裂纹或延迟断裂的缺陷。根据本发明的一个实施方案的扩管加工性和时效裂纹抗力优异的奥氏体不锈钢按重量％计包含：0.01％至0.04％的C、0.1％至1.0％的Si、0.1％至2.0％的Mn、16％至20％的Cr、6％至10％的Ni、0.1％至2.0％的Cu、0.2％或更少的Mo、0.035％至0.07％的N、0.1％或更少的C+N、以及余量的铁(Fe)和其他不可避免的杂质，并且具有小于‑500的Md30(℃)×晶粒尺寸(μm)值。

Description

具有优异的扩管性和时效裂纹抗力的奥氏体不锈钢
技术领域
本公开内容涉及具有优异的扩管加工性的奥氏体不锈钢，并且更具体地，具有优异的扩管加工性和时效裂纹抗力的奥氏体不锈钢，所述奥氏体不锈钢即使在多于5步的扩径过程和卷边过程之后也不会引起诸如时效裂纹或延迟断裂的缺陷。
背景技术
近来，为了更轻的重量和高功能，汽车燃料喷射管正在被换为不锈钢，所述不锈钢与碳钢相比具有优异的耐腐蚀性和高强度。通常，在制造1.2mm碳钢管之后，使其经历涂漆和涂覆过程以防止生锈，但是不锈钢由于其优异的耐腐蚀性而具有省去涂漆和涂覆过程的优点。
然而，由于汽车燃料喷射管经历复杂的加工步骤，例如5步至6步的扩管过程和最终的卷边过程，因此应用具有差加工性的铁素体不锈钢或双相不锈钢并不容易，并且正在考虑应用具有优异加工性的奥氏体不锈钢。特别地，汽车制造商希望在满足304组分标准(KS、JIS、ASTM)的范围内开发用于燃料喷射管的不锈钢，因此需要开发这样的奥氏体不锈钢：其满足230MPa或更大的屈服强度和550MPa或更大的抗拉强度的304材料标准(EN、KS)，并且即使在燃料喷射管的复杂加工中也不破裂。
专利文献1描述了一种油管，其特征在于该油管由加工硬化指数(n值)为0.49或更小的奥氏体不锈钢制成的管制成。然而，难以将专利文献1中提出的加工硬化指数(n值)为0.49或更小的冷轧产品的材料特性简单地应用于正在变得多样和复杂的汽车燃料喷射管的模制。
(专利文献0001)韩国专利申请公开第10-2003-0026330号(2003.03.31.)
发明内容
技术问题
为了解决上述问题，本公开内容旨在在304钢的组成标准内提供具有优异的扩管加工性和时效裂纹抗力的奥氏体不锈钢，所述奥氏体不锈钢即使在各种复杂形状的加工和多阶段扩管加工中也可以防止时效裂纹。
技术方案
根据本公开内容的一个方面，具有优异的扩管加工性和时效裂纹抗力的奥氏体不锈钢以全部组成的重量百分比(％)计包含：C：0.01％至0.04％，Si：0.1％至1.0％，Mn：0.1％至2.0％，Cr：16％至20％，Ni：6％至10％，Cu：0.1％至2.0％，Mo：0.2％或更小，N：0.035％至0.07％，剩余部分的铁(Fe)和其他不可避免的杂质，并且C+N满足0.1％或更小，由下式(1)表示的Md30(℃)值与平均晶粒尺寸(μm)的乘积满足小于-500。
(1)Md30(℃)＝551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*(Ni+Cu)-18.5*Mo
在此，C、N、Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Mo意指各元素的含量(重量％)。
此外，根据本公开内容的一个实施方案，C+N可以满足0.06％至0.1％的范围。
此外，根据本公开内容的一个实施方案，在0.3至0.4真实应变范围内的加工硬化指数n值可以满足0.45至0.5的范围。
此外，根据本公开内容的一个实施方案，上式(1)中的Md30值可以为-10℃或更低。
此外，根据本公开内容的一个实施方案，平均晶粒尺寸可以为45μm或更大。
此外，根据本公开内容的一个实施方案，不锈钢的时效裂纹极限深冲比(limiteddrawing ratio)可以为2.97或更大。
此外，根据本公开内容的一个实施方案，由下式(2)表示的扩孔率(HER)可以为72％或更大。
(2)HER＝(Dh-D0)/D0×100
在此，Dh为断裂之后的内径，以及D0为初始内径。
有益效果
根据本公开内容的实施方案的奥氏体不锈钢具有扩孔率为70％或更大的优异的扩管加工性，并且具有时效裂纹极限深冲比为2.9或更大的优异的时效裂纹抗力，因此当形成汽车燃料喷射管时可以不出现圆周的裂纹。
附图说明
图1是顺序地示出使用管组件形成用于车辆的燃料喷射管的过程的图。
图2是示出燃料喷射管的圆周方向上的裂纹数与Md30(℃)×晶粒尺寸(μm)相应的相关性的图。
图3是用于测量扩孔率的方法的示意图。
图4是示出根据本公开内容的一个实施方案的时效裂纹极限深冲比和扩孔率范围的图。
发明实施方式
根据本发明的一个实施方案的具有优异的扩管加工性和时效裂纹抗力的奥氏体不锈钢以重量百分比(％)计包含：C：0.01％至0.04％，Si：0.1％至1.0％，Mn：0.1％至2.0％，Cr：16％至20％，Ni：6％至10％，Cu：0.1％至2.0％，Mo：0.2％或更小，N：0.035％至0.07％，剩余部分的铁(Fe)和其他不可避免的杂质，并且C+N满足0.1％或更小，由下式(1)表示的Md30(℃)值与平均晶粒尺寸(μm)的乘积满足小于-500，
(1)Md30(℃)＝551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*(Ni+Cu)-18.5*Mo
在此，C、N、Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Mo意指各元素的含量(重量％)。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细地描述本公开内容的实施方案。提供以下实施方案以向本领域普通技术人员传递本公开内容的技术构思。然而，本公开内容不限于这些实施方案，并且可以以另外的形式来体现。在附图中，可能未示出与描述无关的部分以阐明本公开内容，并且此外，为了易于理解，或多或少地放大地示出了组件的尺寸。
近来，汽车燃料喷射管正在被换为具有优异的耐腐蚀性和高强度的不锈钢。然而，由于汽车燃料喷射管经历5步至6步的复杂加工步骤，因此在扩径过程和最终卷边过程中出现圆周的裂纹。因此，本发明人提出了具有优异的扩径特性和优异的时效裂纹抗力的不锈钢，使得可以使用用于汽车燃料喷射管用途的奥氏体不锈钢板来制造冷轧产品。
在本公开内容中，尝试开发在确保满足304材料标准的范围的材料强度(230MPa或更大的屈服强度、550MPa或更大的抗拉强度)的同时具有优异的扩管加工性和时效裂纹抗力的钢材料。在满足304组分标准和材料标准的范围内，不容易同时确保汽车燃料喷射管模制过程中所需的扩孔性和时效裂纹抗力。通常，304钢是具有转变诱发塑性(Transformation Induced Plasticity，TRIP)特性的钢，并且是通过利用0.5或更高的高加工硬化指数(n)而用于洗涤槽和西方餐具的钢种。然而，304钢具有以下问题：由于由TRIP引起的大量马氏体的产生，当形成燃料喷射管时，引起时效裂纹。
图1是顺序地示出使用管组件形成用于车辆的燃料喷射管的过程的图。
参照图1，在用于车辆的燃料喷射管的模制中，直径为28.6mm的管的一端经4步至5步扩径至直径约50mm，并且为此目的，需要70％或更大的扩管率。此外，通过卷边过程将最终扩径的燃料喷射口模制成59mm的直径，并且扩管率超过100％。
像这样，如果将一般304钢原样模制成燃料喷射管，则在燃料喷射管的喷射口的圆周方向上出现大量时效裂纹，因为不满足所需的高扩管率。因此，为了确保时效裂纹抗力，存在通过仅降低Md30(℃)值来将加工硬化指数n值控制为0.5或更小的方法。然而，由于扩孔率低，因此存在在如图1中所示的5步至6步的扩径/卷边加工步骤中出现裂纹的问题。因此，在本公开内容中，呈现了同时满足高扩管加工性和时效裂纹抗力的特定冷轧产品的组成范围和参数。
根据本公开内容的一个实施方案的具有优异的扩管加工性和时效裂纹抗力的奥氏体不锈钢以全部组成的重量百分比(％)计包含：C：0.01％至0.04％，Si：0.1％至1.0％，Mn：0.1％至2.0％，Cr：16％至20％，Ni：6％至10％，Cu：0.1％至2.0％，Mo：0.2％或更小，N：0.035％至0.07％，剩余部分的铁(Fe)和其他不可避免的杂质。
在下文中，将描述在本公开内容的实施方案中限制合金元素含量的数值的原因。在下文中，除非另有说明，否则单位为重量％。
C的含量为0.01％至0.04％。
在钢中，C是奥氏体相稳定元素，并且其添加的越多，使奥氏体相稳定越有效，因此需要添加0.01％或更多。然而，如果其包含多于0.04％，则使形变诱发马氏体硬化，从而在模制期间在严重形变的区域中引起时效裂纹(季节性裂纹)。
Si的含量为0.1％至1.0％。
在钢中，Si是在炼钢步骤中作为脱氧剂而添加的组分，并且当添加一定量时，在经历光亮退火过程时，在钝化膜中形成Si氧化物从而改善钢的耐腐蚀性。然而，当其包含多于1.0％时，存在降低钢的延性的问题。
Mn的含量为0.1％至2.0％。
在钢中，Mn是奥氏体相稳定元素，其包含的越多，奥氏体相越稳定，并且添加多于0.1％。过量添加抑制耐腐蚀性，因此将其限制为2％或更小。
Cr的含量为16.0％至20.0％。
钢中的Cr是用于改善耐腐蚀性的必要元素，并且需要添加16.0％或更多以确保耐腐蚀性。过量添加使材料硬化并且不利地降低可成形性例如扩管加工性，因此将其限制为20.0％。
Ni的含量为6.0％至10.0％。
钢中的镍是奥氏体相稳定元素，并且其添加越多，奥氏体相越稳定，从而使材料软化，并且需要添加6.0％或更多以抑制由形变诱发马氏体的出现引起的加工硬化。然而，如果过量添加昂贵的Ni，则出现成本增加的问题，并且将其限制为10.0％。
Cu的含量为0.1％至2.0％。
在钢中，Cu是奥氏体相稳定元素，并且当添加Cu时，使奥氏体相稳定并且具有抑制由形变诱发马氏体的出现引起的加工硬化的效果，因此添加0.1％或更多。然而，如果添加超过2.0％，则存在降低耐腐蚀性以及增加成本的问题。
Mo的含量为0.2％或更小。
在钢中，当添加Mo时，Mo具有改善耐腐蚀性和加工性的效果，但是过量添加导致成本增加，因此将其限制为0.2％或更小。
N的含量为0.035％至0.07％。
在钢中，N是奥氏体相稳定元素，并且其添加的越多，其使奥氏体相稳定越有效。此外，需要添加0.035％或更多以改善材料的强度。然而，如果其包含多于0.07％，则使形变诱发马氏体硬化，并且在模制期间在严重形变的区域中引起时效裂纹。
此外，根据本公开内容的一个实施方案，C+N可以满足0.06％至0.1％的范围。
通过将C+N的含量控制为0.06％或更大，根据本公开内容的奥氏体系不锈钢可以表现出230MPa或更大的屈服强度(YS)和550MPa或更大的抗拉强度(TS)，并且满足304材料标准。如果C+N超过0.1％，则Md30值和加工硬化指数n值降低，但是强度太高并且使材料硬化，这使时效裂纹的可能性增加。
此外，对于根据本公开内容的一个实施方案的具有优异的扩管加工性和时效裂纹抗力的奥氏体不锈钢，Md30(℃)值与平均晶粒尺寸(μm)的乘积满足小于-500。
即，满足[Md30(℃)×晶粒尺寸(μm)＜-500]，并且Md30表示为下式(1)。
(1)Md30＝551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*(Ni+Cu)-18.5*Mo-68*Nb
式(1)包含Nb，但是本公开内容不旨在添加Nb。因此，如果不添加Nb，则0替代相应的Nb变量，而如果含量以可测量的水平作为杂质包含在内，则该值可以被替代。
例如，根据本公开内容的奥氏体不锈钢的Md30值可以为-10℃或更低，以及平均晶粒尺寸(grain size，GS)可以为45μm或更大。
在亚稳奥氏体不锈钢中，马氏体转变通过在高于马氏体转变起始温度(Ms)的温度下进行塑性加工而发生。通过这样的加工引起相变的上限温度由Md值表示，并且特别地，将在施加30％应变时发生50％相转变为马氏体时的温度(℃)称为Md30。当Md30值高时，容易产生应变诱发马氏体相，而当Md30值低时，相对难以形成应变诱发马氏体相。使用该Md30值作为用于确定普通亚稳奥氏体不锈钢的奥氏体稳定化程度的指标。
Md30值影响所产生的应变诱发马氏体的量以及加工硬化指数。因此，对于根据本公开内容的一个实施方案的具有优异的扩管加工性和时效裂纹抗力的奥氏体不锈钢，在0.3至0.4真实应变范围内的加工硬化指数n值可以满足0.45至0.5的范围。大多数300系列奥氏体不锈钢材料在形变开始时在10％至20％的真实应变下的加工硬化指数(n)在0.3至0.4的范围内。然而，根据奥氏体稳定性(Md30)，大多数300系列奥氏体不锈钢材料在形变的后半段中在30％或更大的真实应变下的加工硬化指数为0.55或更大。
如果加工硬化指数n值小于0.45，则无法实现足够的加工硬化，并且延伸率稍微降低。如果其超过0.5，则可能发生过度的加工硬化，并且可能通过应变诱发马氏体相转变引起时效裂纹。
因此，根据本公开内容的一个实施方案的奥氏体不锈钢的时效裂纹极限深冲比可以为2.97或更大。时效裂纹极限深冲比是指其中不出现时效裂纹的极限深冲比，并且是指拉伸期间材料的最大直径(D)与冲头直径(D')之比(D/D')。
在本公开内容中，通过协调Md30值、最终冷轧产品的平均晶粒尺寸和C+N含量范围，可以确保优异的扩管加工性和时效裂纹抗力，并且即使在用于汽车燃料喷射管的扩径/卷边模制期间也可以防止裂纹。
此外，根据本公开内容的一个实施方案，由下式(2)表示的扩孔率(HoleExpansion Rate，HER)可以为72％或更大。
(2)HER＝(Dh-D0)/D0×100
在此，Dh是断裂之后的内径，以及D0是初始内径。
在下文中，将通过本公开内容的优选实施方案更详细地进行描述。
燃料喷射管模制-裂纹评估
对下表1中所示的奥氏体不锈钢中的一部分进行实验室真空熔融以制备锭，并使一部分经受电炉-VOD-连续铸造过程以生产板坯。将制备的锭和板坯在1,240℃下再加热1小时至2小时，然后通过粗轧机和连续精轧机由热轧材料制成，并在1,000℃至1,100℃的温度下进行热轧退火之后，进行冷轧和冷轧退火。
[表1]
类别 C N Si Mn Cr Ni Mo Cu
发明例1 0.02 0.04 0.3 1.5 18.3 8.3 0.1 1.2
发明例2 0.02 0.04 0.3 1.5 18.3 8.3 0.1 1.2
发明例3 0.056 0.04 0.39 1.01 18.1 8.07 0.101 0.82
发明例4 0.049 0.036 0.39 1.06 18.1 8.1 0.099 1.09
发明例5 0.05 0.038 0.4 1.0 18 9.2 0.096 0.102
发明例6 0.051 0.041 0.4 3.62 18.1 8.1 0.104 0.102
发明例7 0.052 0.041 0.4 4.5 18.1 8.09 0.097 0.1
比较例1 0.047 0.089 0.41 0.99 18.1 8.13 0.099 0.104
比较例2 0.054 0.108 0.4 0.97 18.2 8.12 0.103 0.1
比较例3 0.054 0.108 0.4 0.97 18.2 8.12 0.103 0.1
比较例4 0.048 0.042 0.4 2.13 18.2 8.04 0.099 0.11
比较例5 0.048 0.042 0.4 2.13 18.2 8.04 0.099 0.11
比较例6 0.051 0.041 0.4 3.62 18.1 8.1 0.104 0.103
比较例7 0.052 0.041 0.4 4.5 18.1 8.09 0.097 0.101
比较例8 0.048 0.054 0.37 1.01 18.2 8.11 0.103 0.101
比较例9 0.048 0.054 0.37 1.01 18.2 8.11 0.103 0.104
比较例10 0.047 0.089 0.41 0.99 18.1 8.13 0.099 0.1
比较例11 0.02 0.04 0.3 1.5 18.3 8.3 0.1 1.2
比较例12 0.06 0.025 0.4 0.8 18 8.1 0.3 0.8
比较例13 0.048 0.041 0.42 1.0 17.9 8.07 0.1 0.091
比较例14 0.048 0.041 0.42 1.0 17.9 8.07 0.1 0.091
比较例15 0.05 0.039 0.42 1.0 18.2 8.26 0.102 0.45
比较例16 0.05 0.039 0.42 1.0 18.2 8.26 0.102 0.45
比较例17 0.056 0.04 0.39 1.01 18.1 8.07 0.101 0.82
比较例18 0.049 0.036 0.39 1.06 18.1 8.1 0.099 1.09
比较例19 0.053 0.038 0.4 1.02 18 8.4 0.102 0.1
比较例20 0.053 0.038 0.4 1.02 18 8.4 0.102 0.1
比较例21 0.05 0.041 0.4 0.95 17.9 8.72 0.101 0.1
比较例22 0.05 0.041 0.4 0.95 17.9 8.72 0.101 0.1
比较例23 0.05 0.038 0.4 1.0 18 9.2 0.096 0.102
使用表1中所示的发明例钢种和比较例钢种，如图1中所示进行第1步至第5步的扩管和第6步的卷边。
[表2]
Figure GDA0003717545470000101
Figure GDA0003717545470000111
参照表1和表2，当根据本公开内容的C+N在0.06％至0.1％的范围内，并且Md30(℃)×晶粒尺寸(μm)的值小于-500时，发现即使在第5步的扩径加工和第6步的卷边之后，在燃料喷射管的端部处的卷边部分的圆周方向上也没有出现裂纹。
图2是示出燃料喷射管的圆周方向上的裂纹数与Md30(℃)×晶粒尺寸(μm)相应的相关性的图。如图2中所示，Md30(℃)×晶粒尺寸(μm)与管的端部处的圆周方向上的裂纹数之间的相关性显示出非常强的相关性。当Md30(℃)×晶粒尺寸(μm)参数值在-500至0的范围内时，在圆周方向上，在多达4个位置且至少1个位置中出现加工裂纹或时效裂纹。此外，确定当Md30(℃)×晶粒尺寸(μm)参数值显示出在0至500范围内的+值时，圆周方向上的裂纹数增加至5个或更多个。
发明例1至7将Md30值控制在-10℃或更低，并且制造大于45μm或更大的平均晶粒尺寸，并且将Md30(℃)×晶粒尺寸(μm)参数控制为-500或更小。在单轴拉伸测试中，在0.3至0.4真实应变范围内的加工硬化指数(n)在0.45至0.5的范围内，因此在扩管加工和卷边加工期间没有出现裂纹。
比较例1、2、3和10显示出C+N范围超过0.1％并且Md30值低至-10℃或更低，但在0.3至0.4真实应变范围内的加工硬化指数(n)也低至0.45或更小。其显示为低的，因此在扩管加工和卷边加工之后出现裂纹。
比较例6、7、11、12、15、16、17、18、21、23具有-5℃或更低的低Md30值。然而，由于小于45μm的细晶粒尺寸，由于在0.3至0.4真实应变区间内包括0.45或更小的加工硬化指数(n)，因此在扩管加工和卷边加工之后出现裂纹。
由于0℃或更高的高Md30值，比较例4、5、8、9、13、14、19、20的在0.3至0.4真实应变内的加工硬化指数(n)为0.5或更大。因此，在扩管加工和卷边加工之后产生许多应变诱发马氏体，并因此出现由于时效裂纹而产生的裂纹。
极限深冲比和扩管率评估
对于表1中列出的一些发明例钢种和比较例钢种测量时效裂纹极限深冲比和扩孔率(HER)。
时效裂纹极限深冲比是其中不出现时效裂纹的极限深冲比，并且是指拉伸加工期间材料的最大直径(D)与冲头直径(D')之比(D/D')。
图3是用于测量扩孔率的方法的示意图。使用图3的评估方法根据上述式(2)测量扩孔率。
[表3]
Figure GDA0003717545470000131
图4是示出根据本公开内容的一个实施方案的时效裂纹极限深冲比和扩孔率范围的图。为了确保即使在燃料喷射管的五步扩径加工和卷边部分加工之后也不引起裂纹的可模制性，需要材料的足够的扩孔性和时效裂纹抗力。通过将Md30值控制在-10℃或更低，制造45μm或更大的平均晶粒尺寸，并且将Md30(℃)×晶粒尺寸(μm)参数值控制为-500或更小，发明例1至7同时满足2.97或更高的时效裂纹极限深冲比和72％或更高的扩孔率(HER)。可以看出，图4的矩形框中的发明例满足本公开内容的时效裂纹极限深冲比和扩孔率二者。
比较例2、6、7、12、15和23具有-5℃或更低的低Md30值，但是由于30μm或更小的细晶粒尺寸而表现出70％或更小的扩管率。
比较例4、5、8、9、14、19和20由于0℃或更高的高Md30值而显示出小于2.97的时效裂纹极限深冲比。
如上所述，虽然已经描述了本公开内容的示例性实施方案，但是本公开内容不限于此，并且本领域普通技术人员将理解，可以在不脱离权利要求的构思和范围的情况下进行各种改变和修改。
工业适用性
根据本发明的奥氏体不锈钢具有优异的扩管加工性和时效裂纹抗力，并且可以在模制成汽车燃料喷射管期间防止裂纹，因此可以通过替代碳钢而用作复杂形状的汽车燃料喷射管。

Claims (1)

1.一种具有优异的扩管加工性和时效裂纹抗力的奥氏体不锈钢，所述奥氏体不锈钢以全部组成的重量百分比计包含：C：0.01％至0.04％，Si：0.1％至1.0％，Mn：0.1％至2.0％，Cr：16％至20％，Ni：6％至10％，Cu：0.1％至2.0％，Mo：0.2％或更小，N：0.035％至0.07％，剩余部分的铁和其他不可避免的杂质，以及
C+N满足0.06％至0.1％的范围，
由下式(1)表示的Md30与平均晶粒尺寸的乘积满足小于-500，Md30的单位为℃，所述平均晶粒尺寸的单位为μm，
其中下式(1)中的Md30为-10℃或更低，以及所述平均晶粒尺寸为45μm或更大；
其中在0.3至0.4的真实应变范围内的加工硬化指数n值满足0.45至0.5的范围；
其中所述不锈钢的时效裂纹极限深冲比为2.97或更大；
其中由下式(2)表示的扩孔率为72％或更大；
(1)Md30＝551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*(Ni+Cu)-18.5*Mo
在此，C、N、Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Mo意指各元素的重量百分含量
(2)扩孔率＝(Dh-D0)/D0×100％，
在此，Dh为断裂之后的内径，以及D0为初始内径。
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