CN1364944A - 一种在成型时破裂敏感较低的奥氏体不锈钢及其制备方法 - Google Patents

一种在成型时破裂敏感较低的奥氏体不锈钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种新的奥氏体不锈钢板含有0.1～1.0质量%的硅和不大于0.003质量%的铝。将分散在钢基体中的非金属夹杂物转化成含有不小于15质量%的SiO2和不大于40质量%Al2O3的MnO－SiO2－Al2O3。在炼钢时,用碱性渣覆盖钢水并在真空或非氧化气氛中用控制铝含量不大于1.0质量%的硅合金强烈脱氧。该奥氏体不锈钢板由于其较低的破裂敏感性和良好的成型性,可成型成目的形状而不发生破裂。

Description

一种在成型时破裂敏感较低的奥氏体不锈钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种成型性良好和在成型时破裂敏感较低的奥氏体不锈钢，并且还涉及一种制备该不锈钢的方法。
背景技术
奥氏体不锈钢与其它类型不锈钢比较，由于其优良的成型性，已在广泛的工业领域中被应用于各种用途，例如机动车部件和电子部件。随着用途的开发，提供较便宜材料的要求变得愈益强烈。
为了满足该要求，本申请的发明人就针对几乎不加工硬化，同时节省添加昂贵的镍含量的软奥氏体不锈钢的材料设计已进行了不断的研究。研究的结果，如JP9-263905A1所公开的，本发明人提出了抗加工硬化和热加工性良好的新的奥氏体不锈钢。所建议的奥氏体不锈钢含有适当水平的奥氏体形成元素，如铜和锰，同时硬化元素，如碳和氮被控制在较低水平。
目前，机动车和电子装置的部件或组件已被设计成小尺寸或轻型化。小尺寸或轻型化的趋势要求提供一种钢板，该钢板与常规钢板相比，成型性良好，能形成具有大冲压此，同时较薄的目的形状。由于剧烈的成型条件，非金属夹杂物对在成型时出现破裂造成显著影响。加速破裂出现和生长的典型夹杂物是高锰钢板中的锰尖晶石(MnO-Al2O3)。
图1是MnO-Al2O3的相图(由Oelsen，W.G.Heynert，Arch.Eisenhüttenwes，26(1995)，p.567所报导)。在1720℃时所生成的锰尖晶石是硬夹杂物。锰尖晶石一旦在炼钢或铸造步骤沉积在钢基体中，就不能通过热轧或冷轧变形。因此，与在炼钢或铸造步骤中所生成的锰尖晶石尺寸相等的尺寸为几十微米的锰尖晶石就这样保留在钢板中。用作电子装置等部件的钢板厚度为0.1～0.5毫米。当降低钢板厚度时，锰尖晶石的尺寸不能被忽视，而是加速了成型时破裂的产生。甚至当破裂被抑制时，锰尖晶石充当了在产品表面产生划痕的起始部位。当产品表面受到划痕损害时，该产品就不能提供给市场。
发明内容
本发明的目的在于通过将夹杂物转化成软沉淀而不产生硬的锰尖晶石，提供一种成型性良好的纯净的奥氏体不锈钢板。
本发明提出了一种在成型时破裂敏感较低的新的奥氏体不锈钢板，该钢板的组成为：碳最高达0.04质量％、硅为0.1～1质量％、锰最高达5.0质量％、硫最高达0.0060质量％、铝最高达0.003质量％、镍为5～9质量％、铬为15～20质量％、氮最高达0.035质量％、铜为1.0～5.0质量％，余量除不可避免的杂质外为铁。含有不小于15质量％SiO2和不大于40质量％Al2O3的非金属MnO-SiO2-Al2O3夹杂物以细颗粒被分散在钢基体中。
该不锈钢是通过在真空或非氧化气氛中用碱性渣覆盖钢水并通过添加铝含量控制在小于1质量％的硅合金使钢水强烈脱氧而制得的。
附图说明
图1是MnO-Al2O3的相图。
图2是说明产生锰尖晶石条件的曲线图。
图3是MnO-SiO2-Al2O3的相图。
具体实施方式
本发明人已研究和试验了脱氧和精炼条件对含有碳最高达0.04质量％、硅为0.1～1.0质量％、锰最高达5.0质量％、镍为5～9质量％、铬为15～20质量％、氮最高达0.035质量％、硫最高达0.0060质量％和铜为1.0～5.0质量％的奥氏体不锈钢板成型性的影响。该奥氏体不锈钢板在不同条件下脱氧和精炼后，被热轧和冷轧至厚度为0.3毫米。
以冲压比为3使各钢板经受冲压试验。注意在钢板中破裂的出现，其中为含有小于15质量％SiO2和大于40质量％Al2O3的锰尖晶石(MnO-Al2O3)夹杂物。结果证明，在热轧或冷轧时几乎不变形的锰尖晶石，在剧烈地冲压钢板时，充当了产生裂纹的起始部位。
本发明人已预先进行了各种试验以抑制锰尖晶石夹杂物的产生，并发现了作为脱氧剂的硅合金中铝含量对锰尖晶石夹杂物的Al2O3浓度带来显著影响。如图2所示，锰尖晶石夹杂物的Al2O3浓度与硅合金的铝含量成正比增加。当含有作为杂质的大于1.0质量％铝的硅合金被用作脱氧剂时，锰尖晶石夹杂物的Al2O3浓度超过40质量％。
锰尖晶石夹杂物的Al2O3浓度相应于硅合金的铝含量的增加应该是如下述。在添加硅合金作为脱氧剂之前，钢水中存在有MnO-Cr2O3夹杂物。尽管在添加硅合金后MnO-Cr2O3与硅和铝反应，但优先进行与对氧更为亲合的铝的反应。这就是说，MnO-Cr2O3与硅合金的反应基本上由硅合金的铝含量起主要作用。当硅合金含有杂质铝比例大于1.0质量％时，MnO-Cr2O3中的Cr2O3按照反应方程式(1)被Al2O3取代，结果产生锰尖晶石(MnO-Al2O3)。
    …(1)
当然，在脱氧时也发生反应(2)和(4)，而脱氧步骤在任何反应的中间变动至铸造和固化步骤。在工业脱氧-精炼过程中中断任何反应，使得留存的夹杂物中SiO2浓度为小于15质量％的低比例，同时MnO不能完全被Al2O3取代。
    …(2)
      …(3)
        …(4)
其中，X为钢水中所溶的元素，
而(XOn)夹杂物为夹杂物中存在的化合物。
当钢水在有酸性渣存在或暴露于空气未覆盖渣的情况下不添加强脱氧剂进行脱氧和精炼时，钢水的脱氧是不充分的。在这一场合，精炼钢的氧浓度仍较高，而就这样以未氧化状态留存MnO-Cr2O3夹杂物，致使精炼钢的纯度降低。这种钢由于MnO-Cr2O3也是硬夹杂物，对由夹杂物造成的破裂敏感。
另一方面，当钢水在存在有通过添加其铝含量控制在小于1.0质量％的作为强脱氧剂硅合金的碱性渣，在真空或非氧化气氛中进行精炼时，钢水中MnO-Cr2O3夹杂物的Cr2O3被SiO2和Al2O3取代。其反应产物为含有15质量％或更高的SiO2和小于40质量％Al2O3的MnO-SiO2-Al2O3夹杂物。根据MnO-SiO2-Al2O3的相图(图3所示，由Snow，R.B.，J.Amer.Ceram.Soc.26(1943)，p.11的报导)，通过将夹杂物的组成控制在范围①，使液相温度保持在较低水平。这种夹杂物在热轧时粘性变形，通过冷轧分散成细粒度并分布在钢基体中。该细粒度的夹杂物再也不能在成型时充当产生裂纹的起始部位，致使钢板可成型成目的形状而不发生破裂。
为产生软MnO-SiO2-Al2O3，铝含量比例较佳保持在不大于0.003质量％。这样低水平的铝含量通过使用控制铝含量不大于1.0质量％的硅合金未完成。
由下述对合金化元素、脱氧剂和夹杂物组成的说明进一步表明了本发明的其它特征。
碳最高达0.04质量％，氮最高达0.035质量％
碳和氮是通过固溶硬化强化钢板的元素。然而，过度的碳和氮含量造成提高0.2％屈服强度和硬度。屈服强度和硬度的提高使通过压力加工成型成目的形状的钢板成型性恶化，并造成在成型时产生破裂。在这一意义上，碳和氮分别被控制在不超过0.04质量％和0.035质量％。
硅为0.1～1.0质量％
硅是一种强脱氧剂组份。硅含量不小于0.1质量％，脱氧反应良好地进行。当硅含量小于0.1质量％时，脱氧反应不充分，致使在脱氧和精炼前产生的硬MnO-Cr2O3夹杂物就此留存在钢板中。然而，过度的硅含量大于1.0质量％，使钢板硬化并造成冲压时产生破裂。从而，硅含量被控制在0.1～1.0质量％范围内。
可用作强脱氧剂的硅源是硅铁，但工业上可得到的硅铁含有杂质铝。当钢水用含有大于1.0质量％比例铝的硅铁脱氧时，不可避免地产生造成成型时发生破裂的锰尖晶石夹杂物。从而，脱氧剂的铝含量将被控制在不大于1.0质量％。
铝最高达0.003质量％
夹杂物的组成根据钢水的铝含量大大地变化。当铝含量超过0.003质量％时，钢板中产生锰尖晶石夹杂物。从而，铝含量将被控制在小于0.003质量％。
非金属夹杂物
当非金属夹杂物被转化成含有不小于15质量％SiO2和不大于40质量％Al2O3的MnO-SiO2-Al2O3时，通过热轧和冷轧被破碎成细小无害的尺寸，以降低在成型时的破裂敏感性。当非金属夹杂物含有小于15质量％SiO2或大于40质量％Al2O3时，其转变为很难通过热轧或冷轧破碎的锰尖晶石。在这一场合，在将钢板成型成目的形状时易于发生破裂。从而，非金属夹杂物将被转化成含有不小于15质量％SiO2和不大于40质量％Al2O3的MnO-SiO2-Al2O3。
锰最高达5.0质量％
锰是一种合金化元素，当锰含量提高时使得钢板更软。锰对钢板硬度的影响在锰为5.0质量％时达到饱和，通过添加高于5.0质量％比例的锰钢板不会再变得更软。
硫最高达0.0060质量％
由于当硫含量增加时，钢板的热加工性恶化，硫含量将被控制在不大于0.0060质量％。为了使钢板具有优良的热加工性，较佳的是将硫含量限制在不大于0.0030质量％的比例。在硫含量超过0.0030质量％时，可通过添加硼改善钢板的热加工性。然而，过量添加高于0.03质量％的硼多少会使热加工性恶化。在这一点上，确定硼的上限为0.03质量％。
镍为5～9质量％
镍是奥氏体不锈钢的一种主要元素，镍含量不小于5质量％对保持奥氏体相是必需的。镍对改善成型性能也有效。然而，因为镍是一种昂贵的元素，镍的含量将被控制在不大于9质量％。即使通过添加9质量％或更少比例的镍也足以软化不锈钢板。
铬将被控制在不小于15质量％以保证耐腐蚀性能。因为过量添加铬会造成硬度提高，确定铬的上限为20质量％。
铜为1.0～5.0质量％
铜是一种对软化和成型性重要的元素。在不小于1.0质量％比例时显示出铜对软化和成型性的影响。为了节省消耗昂贵的镍，添加大于2质量％的铜能将镍含量减少至5质量％。在这一点上，添加铜为1.0质量％或更高比例，但较佳的是2.0质量％或更高。铜的这些作用是通过将锰尖晶石和MnO-Cr2O3夹杂物清除而有效地实现。然而，过量添加高于5.0质量％的铜会使钢板的热加工性恶化。
在炼钢时，钢水在有碱性渣存在时，在真空或非氧化气氛中通过添加强脱氧剂，如铝含量控制在较低水平的硅铁而被脱氧并精炼。该碱性渣具有通过添加CaO降低的SiO2活性。
对添加CaO的比例无任何限制，但渣的CaO/SiO2碱度较佳保持在1.4～3.0范围。过量添加CaO多少会阻碍制得均匀的渣。可以添加其它添加剂，如CaF2或Al2O3以使渣均匀。任选地在精炼时通过吹一种惰性气体或类似气体搅动钢水，以改进钢水的纯度。调节渣的组成对纯化钢水有效，但不能抑制由其本身造成的锰尖晶石夹杂物的产生，除非是在有碱性渣存在下，通过硅合金将钢水脱氧。
此外，按照满足条件(1)和(2)的合金化设计，较佳地将新的奥氏体不锈钢调节至合适的组成。这就是，通过控制到含有值d≤0和值a＞0的不大于9质量％镍和1.0～5.0质量％铜的组成，提供了一种具有硬度不大于130HV的热加工性良好的奥氏体不锈钢。
d＝1.9Ni+32C+27N+0.15(Mn+Cu)-1.5Cr+8.5≤0...(1)
a＝Ni+0.5Cr+0.7(Mn+Cu)-18＞0             ...(2)
实施例
将具有表1所示组成的各种奥氏体不锈钢500千克在感应加热炉中熔化，并在表2和表3所示的条件下精炼。将精炼过的钢铸造、热轧，在1050℃退火，酸洗而后冷轧至厚度为0.3毫米。钢板的夹杂物根据精炼条件而变化。
使各种不锈钢板以冲压比为3经受多级冲压试验，研究与夹杂物组成有关的，在冲压的试样中出现的破裂。
结果示于表2和表3。第1～6号试样为按照本发明精炼的不锈钢。这就是，在真空或非氧化气氛中精炼钢水，同时在有碱性渣存在时添加控制铝含量不大于1.0质量％的硅铁。在任何时候所产生的非金属夹杂物为含有不小于15质量％SiO2和小于40质量％Al2O3的MnO-SiO2-Al2O3。将第1～6号试样的不锈钢冲压成目的形状而不出现起始于非金属夹杂物的破裂。
另一方面，本发明范围以外的条件下精炼的第7～14号试样不锈钢中存在的非金属夹杂物为锰尖晶石或MnO-Cr2O3。当猛烈地冲压这些钢板时，产生在非金属夹杂物中开始的裂纹。
按照上述本发明，用限止在一定水平铝含量的硅合金将含有控制比例硅和铝的奥氏体不锈钢精炼和脱氧，以便形成在其中以非金属夹杂物MnO-SiO2-Al2O3形式细微地被分散在钢板中的结构。因为奥氏体不锈钢板由于其较低的破裂敏感性可成型成目的形状而不出现破裂，故可用作不同工业领域中的钢组件或部件。
                                                        表1：奥氏体不锈钢的组成
试样编号                                                      合金化元素(质量％) 备注
  碳   硅     锰     镍     铬     氮     硫     铜     铝   氧
  123456   0.0130.0340.0150.0140.0230.071   0.330.420.510.310.360.22     2.251.954.031.702.441.89     7.156.018.848.047.517.56     16.8518.3519.0117.0517.1418.58     0.0140.0090.0190.0120.0090.014     0.00580.00360.00480.00510.00100.0008     3.223.942.213.582.541.01     0.0010.0020.0030.0020.0030.003   0.00480.00410.00550.00610.00490.0068 发明实施例
  7891011121314   0.0110.0120.0310.0210.0150.0190.0170.016   0.220.330.350.220.580.710.380.24     1.541.582.342.982.664.181.363.54     7.776.517.567.788.666.455.658.24     18.4518.1116.0514.5615.6916.2516.0517.89     0.0110.0130.0140.0180.0200.0180.0140.014     0.00650.00250.00320.00150.00260.00150.00330.0015     3.024.434.595.123.253.663.112.56     0.0030.0040.0080.0070.0010.0010.0020.003   0.00650.00410.00770.00300.00980.01480.01770.0112 比较例
带下划线的是指本发明范围以外的条件。
                        表2：精炼条件对不锈钢板成型性的影响
                                                                                                                     (发明实施例)
 实施例编号     精炼条件            渣              非金属夹杂物的组成(质量％)  冲压试验的结果
气氛 铝含量   CaO/SiO2比例 MnO SiO2 Al2O3 CaO MgO
    1   真空     0.1   碱性     1.4     63.5     34.0     2.5 ○
    2   真空     0.001   碱性     2.2     64.2     35.7     5.6 ○
    3   氩气     0.001   碱性     3.0     60.5     19.2     15.4     4.9 ○
    4   氩气     0.8   碱性     1.4     54.8     29.5     18.4 ○
    5   氮气     0.2   碱性     2.2     60.4     29.8     5.9 ○
    6   氮气     0.5   碱性     2.5     59.4     30.7     5.8     2.5     1.6 ○
铝含量是指强脱氧剂硅合金中铝的比例。
○代表冲压的不锈钢板中不存在裂纹。
                                    表3：精炼条件对不锈钢板成型性的影响
                                                                                                                   (比较例)
 实施例   精炼条件          渣        非金属夹杂物的组成(质量％)   成型性   破裂起始处
气氛 铝含量   CaO/SiO2比例 MnO SiO2 Al2O3 Cr2O3
    7 真空     1.7 碱性     1.4   53.7   0.9   45.4 MnO-Al2O3夹杂物
8 氩气 0.5 碱性 1.4 60.1 0.4 39.5 × MnO-Al2O3夹杂物
    9 氮气     1.2 碱性     1.8   49.3   ND   50.7 × MnO-Al2O3夹杂物
    10 真空     2.1 碱性     2.0   51.9   ND   48.1 × MnO-Al2O3夹杂物
    11 真空     1.0         无渣   52.0   ND   ND   48.0 × MnO-Cr2O3夹杂物
    12 氩气     0.5 酸性     0.4   41.4   ND   ND   58.6 × MnO-Cr2O3夹杂物
    13 氩气     无 碱性     2.5   51.4   ND   ND   48.6 × MnO-Cr2O3夹杂物
    14 氮气     0.8         无渣   57.1   ND   ND   42.9 × MnO-Cr2O3夹杂物
铝含量是指强脱氧剂硅合金中铝的比例。
带下划线的代表本发明范围以外的条件。
ND：不存在有关组份。
×：成型时出现裂纹。

Claims (2)

1.一种在成型时破裂敏感较低的奥氏体不锈钢板，其特征在于所述的不锈钢的组成为：碳最高达0.04质量％、硅为0.1～1质量％、锰最高达5.0质量％、硫最高达0.0060质量％、铝最高达0.003质量％、镍为5～9质量％、铬为15～20质量％、氮最高达0.035质量％、铜为1.0～5.0质量％以及余量除不可避免的杂质外为铁，并有非金属MnO-SiO2-Al2O3夹杂物散布在其基体中，所述夹杂体含有不小于15质量％的SiO2和不大于40质量％的Al2O3。
2.一种制备奥氏体不锈钢的方法，其特征在于所述的方法包括如下步骤：
制备组成为：碳最高达0.04质量％、硅为0.1～1.0质量％、锰最高达5.0质量％、硫最高达0.0060质量％、铝最高达0.003质量％、镍为5～9质量％、铬为15～20质量％、氮最高达0.035质量％、铜为1.0～5.0质量％以及余量除不可避免的杂质外为铁的一种钢水；
在真空或非氧化气氛中用碱性渣覆盖所述钢水；以及
通过添加控制铝含量小于1.0质量％的硅合金使所述钢水强烈脱氧。
CNB011369620A 2001-01-09 2001-12-26 一种在成型时破裂敏感较低的奥氏体不锈钢及其制备方法 Expired - Lifetime CN1196804C (zh)

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