TWI405858B - 製造具有高機械性質的沃斯田不鏽鋼板的方法及如此所得之板 - Google Patents

Description

製造具有高機械性質的沃斯田不鏽鋼板的方法及如此所得之板

本發明係關於由具有高機械性質且尤其具有機械強度及均勻伸長率之極有利組合之沃斯田不鏽鋼製成之熱軋板的製造。

在汽車行業中，對於製造結構組件而言，一般慣例為使用各種等級之具有較為複雜或較不複雜之微觀結構之經塗佈碳鋼板。零件係由厚度處於1mm至3mm範圍內之板製造。然而，對於一些零件而言，需要同時具有較高耐蝕性與高可變形性之組合以用複雜拉制操作來生產零件。此外，已知沃斯田不鏽鋼由於其優良耐蝕性及其機械性質，尤其其高延性而被廣泛使用。舉例而言，根據EN 10088-1標準由參照1.4318所表示之沃斯田不鏽鋼為已知的，其中組成含有(含量係以重量表示)：、、Cr：16.50%至18.50%、Ni：6.00%至8.00%、N：0.10%至0.20%。由於在室溫下變形期間形成麻田散體(martensite)，所以此等鋼具有高機械性質。處於退火狀態之此等鋼之典型機械性質係如下：屈服強度R_p0.2 (相應於0.2%應力之習知屈服強度)：300-400MPa；均勻伸長率：、R_m (最大強度)MPa；乘積P=R_p0.2 (MPa)×均勻伸長率=約15750MPa.%。有可能使用此等處於藉由冷軋而加工硬化之狀態之等級：C850、C1000-EN-10088-2標準，此等名稱分別相應於850MPa及1000MPa之最小強度。藉由此操作而使屈服強度增加()表現為伸長率同時降低(A=30%)。乘積P因而達到約18000MPa.%。對於某些應用而言，此等性質令人滿意。然而，若為(例如)使減輕增強而需要在使用中具有高強度及高先前成形操作能力，其仍為不夠的。

藉由冷軋來加工硬化之一替代方法為在足夠低之溫度下藉由熱軋來加工硬化。此方法給予較佳之伸長率-強度綜合平衡，但具有在成形期間導致局部變形而引起蠕蟲狀缺陷之主要缺點。為避免熱軋後未再結晶之標準1.4318鋼上之此等蠕蟲狀缺陷，需要在熱軋後進行退火操作。

因此，本發明之目的為提供機械性質優於或相當於上文所提及之1.4318型等級之機械性質的沃斯田不鏽鋼熱軋板，該等沃斯田不鏽鋼熱軋板對於製造而言不昂貴且不易受蠕蟲狀缺陷外觀影響。

本發明之目的亦為提供由沃斯田不鏽鋼製成之熱軋板，其具有可與大於650MPa之屈服強度R_p0.2 或大於45%之均勻伸長率組合之大於21000MPa.%之乘積P。

出於此目的，本發明之標的為由沃斯田不鏽鋼製成之熱軋板，其乘積P(R_p0.2 (MPa)×均勻伸長率(%))大於21000MPa.%，且其化學組成包含(含量係以重量表示)：

N含量係如下：+0.12%，視情況： ，組成之其餘部分由鐵及由熔煉所產生之不可避免之雜質組成。

根據一較佳具體實例，鋼之鈮及氮含量(以重量表示)係如下：。

本發明之標的亦為由根據上述組成中之任一者之沃斯田不鏽鋼製成之熱軋板，其屈服強度R_p0.2 大於650MPa，特徵在於該鋼之平均沃斯田晶粒大小小於6微米，未再結晶表面分率介於30%與70%之間且鈮完全呈沈澱物形式。

本發明之標的亦為由根據上述特徵中之任一者之沃斯田不鏽鋼製成之熱軋板，其均勻伸長率大於45%，特徵在於鈮未完全沈澱。

本發明之標的亦為製造屈服強度R_p0.2 大於650MPa之由沃斯田不鏽鋼製成之熱軋板的方法，其中：提供由具有根據上述組成中之任一者之組成之鋼所製成之半成品；接著將該半成品再加熱至介於1250℃與1320℃之間的溫度；且接著在輥軋結束溫度低於990℃且在最後2個精軋機座上之累積縮減比(cumulative reduction ratio)大於30%之情況下輥軋該半成品。

根據一特定具體實例，提供由具有上述含有 之組成的鋼製成之半成品且接著在輥軋結束溫度低於970℃之情況下輥軋該半成品。

本發明之標的亦為製造均勻伸長率大於45%之由沃斯田不鏽鋼製成之熱軋板的方法，其中：提供由具有根據上述組成中之任一者之組成之鋼所製成之半成品；接著將該半成品再加熱至介於1250℃與1320℃之間的溫度；且接著在輥軋結束溫度高於1000℃之情況下輥軋該半成品。本發明之標的亦為製造乘積P(R_p0.2 (MPa)×均勻伸長率(%))大於21000MPa.%之由沃斯田不鏽鋼製成之熱軋板的方法，其中：提供由具有根據上述組成中之任一者之組成的鋼所製成之半成品；接著將該半成品再加熱至介於1250℃與1320℃之間的溫度；且接著熱軋該半成品。

本發明之標的亦為根據上述特徵中之任一者或由上述方法中之任一者所製造的由不鏽鋼製成之熱軋板之用途，其係用於製造汽車領域中之結構組件。

經由下文以實例方式給出之描述過程，本發明之其他特徵及優勢將變得顯而易見。多次試驗之後，本發明者已展示上文所提及之各種需求係藉由奉行下列條件來滿足：就鋼之化學組成而言，碳含量須等於或小於0.030%以避免易受粒間腐蝕影響之風險。出於獲得大於650MPa之屈服強度之目的，碳含量須等於或大於0.015%。

錳類似於矽為已知其在液體狀態下具去氧性質之元素且已知用於尤其藉由與硫結合來增加熱延性。此外，在環境溫度下錳促進沃斯田相之穩定性且降低疊差能(stacking fault energy)。其亦增加氮氣之溶解性。當錳含量介於0.5%與2%之間時，可以低成本獲得此等有利作用。

矽類似於錳為通常出於使液體鋼去氧之目的添加之元素。矽亦藉由固溶體硬化或藉由其對肥粒鐵δ含量之作用來增加屈服強度及拉伸強度。然而，高於2%，則降低可焊接性及熱延性。鉻為熟知用於增強在水性介質中之抗氧化性及耐蝕性之元素。當其含量處於16.5%與18%之間時，可令人滿意地獲得此作用。鎳為確保鋼之沃斯田結構在環境溫度下足夠穩定之必要元素。須相對於組成中促進α相形成之其他元素(諸如鉻)或促進γ相形成之彼等元素(諸如碳及氮)來決定最佳含量。當其含量等於或大於6%時，其對結構穩定性之作用為足夠的。高於7%，則由於此添加元素之費用而使生產成本過度增加。

鉬能夠增強抗孔蝕性。視情況，可以處於至多0.6%之範圍內之量來進行鉬之添加。硼係用於改良鋼之可鍛造性。視情況，可以介於0.0005%與0.0025%之間的量來進行硼之添加。添加更大量會顯著降低燃燒溫度。

硫為尤其降低熱可鍛造性及耐蝕性之元素-其含量須保持等於或小於0.015%。磷同樣降低熱延性-其含量須小於0.045%以獲得令人滿意之結果。

鋁為用於使液體金屬去氧之有效試劑。與上文所提及之矽及錳含量組合，當其含量等於或小於0.050%時，獲得最佳作用。出於製造具有高機械性質之沃斯田不鏽鋼之目的，鈮及氮為本發明之重要元素。

對於給定熱軋結束溫度而言，鈮在熱軋期間使再結晶延遲，添加其使得較高加工硬化因子得以保持(將熱軋稱作「加工硬化」)，因此增強此鋼之拉伸強度。其類似於Ti而一般用於防止碳化鉻形成(EN 1.4580及EN 1.4550經Nb穩定之沃斯田不鏽鋼)。最終，其可引起提供抗熱蠕變性之改良的金屬間相形成。氮為填隙固溶體中之硬化元素，就此方面而言其最尤其增強屈服強度。其亦已知在固溶體中作為沃斯田相之有效穩定劑且作為碳化鉻Cr₂₃ C₆ 沈澱之延遲劑。氮之溶解度在凝固期間經歷最大值-含量過高導致金屬中之體積缺陷形成。

出於硬化之目的而組合添加鈮及氮在沃斯田不鏽鋼中有些不常見。在本發明之情形中，已表明具有與上文所提及之1.4318鋼之組成相接近之組成的不鏽鋼可有利地獲益於鈮及氮之特定組合添加，出於獲得某些機械性質之目的而在確定條件下使該特定組合添加最佳化，該等確定條件係如下文所述：首先，已表明氮含量處於0.12%至0.16%之範圍內，同時鈮含量處於0.15%至0.31%之範圍內，鈮及氮含量係如下：(關係1)，使得在不需要如習知1.4318鋼中之輥軋後退火的情況下製造意欲拉伸之具有高機械性質之熱軋板成為可能，該拉制零件不經受蠕蟲狀缺陷之形成。

在熱軋結束期間出現之氮化物NbN沈澱降低固溶體中氮之量。在所有可用之鈮完全沈澱後，上述關係(1)使得固溶體中之氮保持與1.4318等級中之氮同樣多()。

此因而使得獲得沃斯田體於環境溫度下之相同介穩定性(metastability)成為可能。藉由增加N含量來降低Ni含量之可能性受限於凝固期間氮於鋼中之溶解度限制。對於本發明之鋼的Cr、Mn及Ni含量而言，氮含量須等於或小於0.16%。

須存在足夠量之鈮以獲得硬化作用且使再結晶延遲。此量須經調適以獲得高於輥軋結束溫度下之NbN溶線以在熱軋結束時獲得沈澱。

本發明之鈮及氮含量使得在熱軋後能夠獲得實質NbN沈澱。

組合添加0.15%至0.31%之鈮(較佳0.20%至0.31%之鈮)及0.12%至0.16%之氮，鈮及氮含量係如下：Nb/8+0.1%，使得獲得有利屈服強度/伸長率組合成為可能，其乘積P大於21000MPa.%。

除鐵之外，組成之剩餘部分由自熔煉所產生之不可避免之雜質組成，諸如Sn或Pb。

本發明之製造方法係如下來實施：熔煉具有上文所說明之組成之鋼。此熔煉之後，可繼而將此鋼鑄造成鑄塊，或在最通常狀況下，以(例如)厚度處於150mm至250mm範圍內之平板形式連續鑄造。亦可介於鋼對轉式輥之間以厚度為幾十毫米之薄板形式進行鑄造。首先將此等鑄造半成品加熱至介於1250℃與1320℃之間的溫度。1250℃溫度之目的在於使任何鈮基沈澱物(氮化物及碳氮化物)溶解。

然而，溫度須低於1320℃以避免過於接近可在某些隔離區域中達到之固相線溫度且避免導致局部開始呈現不利於熱成形之液體狀態。在介於對轉式輥之間直接鑄造薄板之狀況下，在低於1250℃之溫度下開始之熱軋此等半成品之步驟可在鑄造後直接進行，以便在此狀況下不需要中間再加熱步驟。

輥軋一般在尤其包含粗軋機座及精軋機座之連續熱軋鋼機上進行。已表明尤其藉由控制最後2個精軋機座中之縮減比(reduction ratio)來獲得尤其高之屈服強度R_p0.2 ：若進入倒數第二個精軋機座之板之厚度表示為e_N-2 且退出最後一個精軋機座之板之厚度表示為e_N ，則經過最後2個精軋機座之累積縮減比係定義為：。根據本發明，已表明當輥軋結束溫度低於990℃時且當累積縮減比大於30%時，所獲得之最終產品之屈服強度R_p0.2 大於650MPa，鈮因而完全呈沈澱物形式。

對於介於0.20%與0.31%之間的Nb含量及介於0.12%與0.16%之間的氮含量而言，當輥軋結束溫度低於970℃且ε大於30%時，獲得此650MPa最小值。

根據本發明，亦已表明當輥軋結束溫度高於1000℃時，有可能獲得具有大於45%之均勻伸長率之熱軋板。在此狀況下，鈮部分沈澱。

熱軋後，獲得不易受蠕蟲狀缺陷之外觀影響且不需要中間退火之板。

作為一非限制性實施例，下列結果展示由本發明所賦予之有利特徵。實施例：半成品係藉由鑄造具有下表中所提供之組成(以wt%計)之鋼來生產：

將鋼半成品在1280℃下再加熱30分鐘。接著藉由變化介於900℃與1100℃之間的輥軋結束溫度及累積縮減比ε來進行熱軋操作，以達到3mm之最終厚度。鋼板11-1、11-2、11-3等表示在不同條件下輥軋相同半成品11所獲得之板。所獲得之鋼的微觀結構尤其藉由量測再結晶沃斯田相之表面分率、所沈澱鈮相對於全部鈮之分率及平均晶粒大小來表徵。在結構不完全再結晶之狀況下，在結構之再結晶部分上進行後一量測。亦測定拉伸機械性質，尤其屈服強度R_p0.2 及均勻伸長率。亦記錄拉伸試驗期間可能存在之局部變形。已知該種局部變形之存在與成形操作期間之蠕蟲狀缺陷之外觀有關。

結果在下表2中給出：

因此，上表展示本發明之鋼11及12具有大於21000MPa.%之尤其有利之乘積R_p0.2 ×A，然而不管輥軋條件如何，參考R鋼不具有該種乘積。

此表亦展示當未再結晶分率介於30%與70%之間時且當平均晶粒大小小於6微米時，屈服強度R_p0.2 大於650MPa(試驗11-1、11-2、12-1、12-2)。此外，當未再結晶分率大於70%時，伸長率趨於降低。

獲得具有下列各特徵之鋼的此等特性：鈮含量介於0.15%與0.31%之間；且氮含量介於0.12%與0.16%之間；鈮及氮含量係如下：；輥軋結束溫度低於990℃；且累積縮減比ε大於30%。

在鋼具有介於0.20%與0.31%之間的鈮含量及介於0.12%與0.16%之間的氮含量之狀況下，鈮及氮含量係如下：，此等特性可在輥軋結束溫度低於970℃且在累積縮減比ε大於30%時獲得(試驗12-1及12-2)。

當鈮不完全沈澱(試驗11-3、11-4、12-4、12-5)時，均勻伸長率大於45%。對於本發明之鋼組成而言，當輥軋結束溫度高於1000℃時獲得此結果。相比而言，參考鋼不提供該等性質。

因此，某些製造條件(輥軋結束溫度及累積縮減比)應更尤其視需要生產具有尤其高之屈服強度之鋼板還是需要生產具有高伸長能力之鋼板來選擇。

此外，無論為何種熱軋條件，本發明之鋼之應力-應變曲線均未展示指示局部變形之平台，與當部分再結晶時即展現局部變形之參考鋼(試驗R-1、R-2、R-3)形成對比。此點藉由確保不存在蠕蟲狀缺陷而對成形操作尤其有利。

因此，本發明之熱軋鋼板由於其尤其高之機械性質且尤其其極有利之屈服強度與均勻伸長率之乘積而有利地用於需要良好可成形性及高耐蝕性之應用。當其用於汽車行業中時，可有利益地享有其對於結構組件之經濟製造的優勢。

Claims (11)

1. 一種由沃斯田不鏽鋼製成之熱軋板，其R_p0.2 (MPa)×均勻伸長率(%)之乘積大於21000 MPa.%且其化學組成包含以下各物，含量係以重量表示：0.015%C<0.030%、0.5%Mn2%、Si2%、16.5%Cr18%、6%Ni7%、S0.015%、P0.045%、Al0.050%、Mo0.6%、0.15%Nb0.31%、0.12%N0.16%、該Nb含量及該N含量係如下：Nb/8+0.1%NNb/8+0.12%，該組成之其餘部分由鐵及由熔煉所產生之不可避免之雜質組成。
2. 根據申請專利範圍第1項之由沃斯田不鏽鋼製成之熱軋板，其特徵在於該鋼之以重量表示之硼含量係如下：0.0005%B0.0025%。
3. 根據申請專利範圍第1項之由沃斯田不鏽鋼製成之 熱軋板，其特徵在於該鋼之以重量表示之鈮含量及氮含量係如下：0.20%Nb0.31%、0.12%N0.16%。
4. 根據申請專利範圍第1項至第3項中任一項之由沃斯田不鏽鋼製成之熱軋板，其屈服強度R_p0.2 大於650 MPa，特徵在於該鋼之平均沃斯田晶粒大小小於6微米，在於未再結晶表面分率介於30%與70%之間且在於該鈮完全呈沈澱物形式。
5. 根據申請專利範圍第1項至第3項中任一項之由沃斯田不鏽鋼製成之熱軋板，其均勻伸長率大於45%，特徵在於該鈮未完全沈澱。
6. 一種製造由沃斯田不鏽鋼製成之熱軋板之方法，其屈服強度R_p0.2 大於650 MPa，其中：提供由具有根據申請專利範圍第1項至第3項中任一項之組成之鋼製成之半成品；接著將該半成品再加熱至介於1250℃與1320℃之間的溫度；且接著在輥軋結束溫度低於990℃且最後2個精軋機座上之累積縮減比ε大於30%之情況下輥軋該半成品。
7. 根據申請專利範圍第6項之製造方法，其特徵在於提供由具有根據申請專利範圍第3項之組成之鋼製成的半成品且在輥軋結束溫度低於970℃之情況下輥軋該半成品。
8. 一種製造由沃斯田不鏽鋼製成之熱軋板之方法，其均 勻伸長率大於45%，其中：提供由具有根據申請專利範圍第1項至第3項中任一項之組成之鋼製成之半成品；接著將該半成品再加熱至介於1250℃與1320℃之間的溫度；且接著在輥軋結束溫度高於1000℃之情況下輥軋該半成品。
9. 一種製造由沃斯田不鏽鋼製成之熱軋板之方法，其R_p0.2 (MPa)×均勻伸長率(%)之乘積大於21000 MPa.%，其中：提供由具有根據申請專利範圍第1項至第3項中任一項之組成之鋼製成之半成品；接著將該半成品再加熱至介於1250℃與1320℃之間的溫度；且接著熱軋該半成品。
10. 一種根據申請專利範圍第1項至第5項中任一項之由不鏽鋼製成之熱軋板之用途，其係用於製造汽車領域中之結構組件。
11. 一種由根據申請專利範圍第6項至第9項中任一項之方法所製造之由不鏽鋼製成之熱軋板之用途，其係用於製造汽車領域中之結構組件。