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CN104169450A - 耐热奥氏体系不锈钢钢板 - Google Patents

耐热奥氏体系不锈钢钢板 Download PDF

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CN104169450A CN201380012380.4A CN201380012380A CN104169450A CN 104169450 A CN104169450 A CN 104169450A CN 201380012380 A CN201380012380 A CN 201380012380A CN 104169450 A CN104169450 A CN 104169450A
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Abstract

本发明以便宜的成分体系提供高温强度和蠕变特性优异的奥氏体系不锈钢钢板。本发明的耐热奥氏体系不锈钢钢板的特征在于，其按质量％计含有C：0.03％～0.06％、N：0.1％～0.3％、Si：1％以下、Mn：3％以下、P：0.04％以下、S：0.03％以下、Ni：5～12％、Cr：15～20％、Al：0.01％～0.1％、Nb：0.05％～0.3％、V：0.05％～0.30％和Ti：0.03％以下，并且(Nb+V)/(C+N)为2以下，而且剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，钢中的以碳氮化物为主体的析出物的量为1％以下。

Description

耐热奥氏体系不锈钢钢板
技术领域
本发明涉及在汽车用涡轮壳等暴露于高温下的部位使用的耐热奥氏体系不锈钢以及其制造方法。
背景技术
以往，由于在汽车用的涡轮壳等中使用的材料在达到800℃的高温环境下需要极高的高温强度，因此一直在使用不锈钢铸钢。然而，针对近年来降低成本的需求，提出了由钢板来制造部件，其能够比由铸钢通过切削加工来制造部件更廉价地制造，并且其开发正在进行。作为在高温环境下使用的不锈钢钢板，使用了以SUS310S为代表的奥氏体系不锈钢。然而，近年来，高温强度、抗氧化性等对使用材料的要求性能变严，SUS310S变得不能充分应对。
对涡轮相关材料要求的特性为高温强度和蠕变特性。就蠕变特性而言，与寿命相比，某一定时间后的变形的大小更为重要。另外，由于加工是必须，因此还要求一定程度的加工性。
专利文献1所公开的发明通过添加P来谋求提高蠕变强度。然而，添加P存在使得焊接性及蠕变延展性降低的问题。另外，还存在使得耐蚀性降低的顾虑。专利文献2所公开的发明通过除了添加P以外还添加REM、特别是Nd，提高蠕变延展性及焊接性。然而，添加REM会导致成本上升。
专利文献3和4公开了耐热性优异的奥氏体系不锈钢。这里，公开了对各成分元素进行相互调整而耐热性优异、特别是焊接部的耐脆化裂纹性优异的钢。然而，此时的蠕变特性仅是在650℃以下进行评价，没有在800℃下进行评价。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭62-243742号公报
专利文献2：WO2006/106944号公报
专利文献3：WO2009/044796号公报
专利文献4：WO2009/044802号公报
发明内容
发明所要解决的课题
本发明所要解决的课题在于：以便宜的成分体系来提高高温强度和蠕变特性。
用于解决课题的手段
本发明者们为了开发能够作为汽车涡轮用材料来使用的奥氏体系不锈钢，着眼于800℃下的高温强度和蠕变特性而进行了研究。
对于改善奥氏体系不锈钢的高温强度、特别是蠕变强度而言，碳化物的析出是有效的。M23C6、TiC、NbC等碳化物被用于提高蠕变强度。本发明者们不仅着眼于碳化物，而且还着眼于氮化物，就它们对高温强度、蠕变强度产生的影响进行了详细研究。其结果是，发现通过积极地添加N和Nb、微量添加V、进而对Al和Ti的含量进行限制以及对制造方法进行设计，能够提高高温强度和蠕变强度。虽然其机理并未详细解明，但获得了下述的见解。
·在高温下使用产品时的Nb系的碳氮化物的微细析出对于提高蠕变特性是重要的。
·Al、Ti系的氮化物的析出优选尽可能地降低。
·当过量添加Nb时，Laves相(Fe2Nb)析出，不会提高蠕变特性。
·当微量添加V时，Nb系碳氮化物的粗大化得到抑制，对于提高蠕变特性是有效的。
·当产品中残存未固溶碳氮化物等的析出物时，它们成为析出的核生成位点，会妨碍Nb系碳氮化物的微细析出。
·产品中的残存析出物量会对蠕变特性产生影响，因此优选尽可能降低产品中的残存析出物量。
·残存析出物量依赖于制造工艺，特别是热轧的加热温度和最终退火温度的影响大。
由以上见解，本发明者们确定了Nb、V、C、N、Al、Ti含量的最佳范围，并且对制造工艺进行了优化，由此完成了高温强度、蠕变特性优异的发明。
即，本发明的主旨如下所述。
(1)一种耐热奥氏体系不锈钢钢板，其特征在于，其按质量％计含有C：0.03％～0.06％、N：0.1％～0.3％、Si：1％以下、Mn：3％以下、P：0.04％以下、S：0.03％以下、Ni：5～12％、Cr：15～20％、Al：0.01％～0.1％、Nb：0.05％～0.3％、V：0.05％～0.30％和Ti：0.03％以下，并且(Nb+V)/(C+N)为2以下，而且剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，钢中的以碳氮化物为主体的析出物的量为1％以下。
(2)根据(1)所述的耐热奥氏体系不锈钢钢板，其特征在于，其还含有Cu：1％以下、Mo：3％以下、W：3％以下、Co：1％以下和B：0.01％以下中的一种或两种以上。
(3)(1)或(2)所述的耐热奥氏体系不锈钢钢板的制造方法，其特征在于，在由制钢-热轧-酸洗-冷轧-退火/酸洗各工序构成的钢板的制造工序中，热轧的加热温度为1200℃～1300℃，最终退火温度为1100℃～1200℃。
具体实施方式
下面，对成分范围的限定理由进行说明。成分含量都按质量％计。
C：0.03％～0.06％
C为对于确保高温强度、蠕变强度有效的元素。当其添加量为0.03％以下时，无法发挥该效果。另外，即使添加0.1％以上也仅仅会增加固溶状态下的未固溶碳氮化物。
N：0.1％～0.3％
N对于本发明来说是重要的元素。通过添加N而形成微细的碳氮化物，提高高温强度和蠕变强度。当小于0.1％时，该效果小。另外，当添加超过0.3％时，需要特别的设备，因此将其上限设定为0.3％。
Si：1％以下
Si是不仅作为脱氧元素有用而且对于抗氧化性也有效的元素。然而，当过量地添加时，产生韧性、延展性的降低，因此将其上限设定为1％。
Mn：3％以下
Mn与Si同样地作为脱氧元素是有用的。另外，将钢中不可避免地含有的S作为硫化物来固定，从而改善热加工性。然而，当过量地添加时，机械特性会劣化，因此将其上限设定为3％。
P：0.04％以下
P使得本发明钢的蠕变强度提高，但是会使得蠕变延展性、焊接性降低。因此，将上限设定为0.04％。
S：0.03％以下
S在钢中作为不可避免的杂质含有，会使得热加工性显著降低。因此，将0.03％设定为上限。
Ni：5～12％
Ni是作为奥氏体系不锈钢的必需元素，而且其是确保耐蚀性的重要元素。其适宜的量为5～12％。
Cr：15～20％
Cr是作为奥氏体系不锈钢的必需元素，其是确保耐蚀性、抗氧化性的重要元素。然而，当Cr含量高时，机械特性劣化。因此，设定为15％～20％。
Al：0.01％～0.06％
Al作为脱氧元素是有用的，能够以低成本脱氧，因此添加。其效果通过添加0.01％以上而展现出来。然而，由于Al会形成AlN而使得蠕变特性降低，因此在本发明中抑制其添加，优选为0.06％以下。更优选的范围为0.03％～0.06％的范围。
Nb：0.05％～0.3％
在本发明中，Nb为必需元素。据认为其起到下述作用：通过与N同时添加，使得Nb系的碳氮化物微细地析出，并且抑制其生长速度；借助上述效果来提高蠕变特性。上述效果通过添加0.05％以上而获得。然而，添加超过0.3％不仅使得碳氮化物粗大化，而且会形成被称为Laves相的Fe2Nb，因此使得蠕变特性降低，故不优选。
V：0.05％～0.15％
V对于本发明来说是必要的元素。其是提高高温强度、蠕变强度的元素。此外，在本发明中，与Nb一起形成Nb-V系的碳氮化物，结果更加微细地析出，进一步提高蠕变特性。该效果可通过添加0.05％以上而获得。然而，当超过0.30％过量地添加时，会由于形成VN而使得蠕变特性降低，故不优选。
Ti：0.03％以下
在本发明中，Ti为应当限制的元素。Ti易于与C、N、特别是N结合，形成粗大的碳氮化物，抑制微细的Nb系碳氮化物的形成，结果使得蠕变特性降低，因而不优选。当Ti为0.03％以下时，几乎能够忽略上述弊端，因此将其设定为上限。
另外，就Nb、V、C、N而言，优选(Nb+V)/(C+N)按质量％计为2以下。这是因为，当超过2时，Nb、V变得过量，形成Laves相等，使得蠕变特性降低。另外，虽然对于下限没有特别限定，但是过低时，C、N过量，有可能由于Cr系碳化物析出等而使得耐蚀性等降低，故优选为0.2以上。
Cu：1％以下
Cu为在高温下使用时会微细地析出而大大提高蠕变强度的元素，在本发明中以1％为上限来添加。当超过1％时，热加工性和蠕变延展性降低以及常温延展性均降低，因而不优选。在添加的情况下，通过添加0.1％以上会显著地展现其效果。
Mo：3％以下
Mo为提高高温强度、蠕变特性的元素，可以根据需要添加。然而，当过量地添加时，有损组织稳定性，故不优选，其添加量优选为3％以下。
W：3％以下
W也与Mo同样地为提高高温强度、蠕变强度的元素，可以根据需要添加。然而，当过量地添加时，有损组织稳定性，故不优选，其添加量优选为3％以下。
Co：1％以下
Co也与Mo、W同样地为提高高温强度、蠕变强度的元素，可以根据需要添加。然而，当过量地添加时，有损组织稳定性，故不优选，而且还昂贵，因此其添加优选1％以下。
B：0.01％以下
B也是提高高温强度、蠕变特性的元素。然而，过量的添加会使得常温延展性降低，因此其添加设定为0.01％以下。优选为0.0003％～0.0050％。
除了上述这些合金元素的规定以外，本发明还规定了碳氮化物的析出量。这是基于对于下述现象的原因进行研究而得到的结果：就算合金量相同，蠕变特性有时也会根据制造条件的不同而不同。当对蠕变特性较差的钢的蠕变试验前后的组织进行观察时，发现：在蠕变试验前已经存在某种程度的粗大析出物，在试验中，粗大的析出物成为核，生成新的析出物。即，产品中的析出物会妨碍高温下的微细析出，据认为这是使得蠕变特性降低的原因。因此，减少产品中的析出量是重要的。发明者们进行了各种试验，发现：当产品中的析出量为1％以下时，不会对蠕变特性产生影响。因此，将析出物量的上限设定为1％。下限并没有特别限定。
然而，由于碳氮化物会在较高温下生成，因此难以完全地固溶，设定为小于0.01％会给制造设备带来极大不便，因而析出量优选为0.01％以上。
接着，对制造方法进行说明。本发明的钢板的制造方法由制钢-热轧-酸洗-冷轧-退火/酸洗各工序构成。制钢时，优选对含有上述必需成分以及根据需要添加的成分的钢进行转炉熔炼并接着进行二次精炼的方法。依据公知的铸造方法(连续铸造)，将熔炼得到的钢水形成板坯。板坯加热至规定的温度，以连续轧制热轧至规定的板厚。
之后，对热轧板实施退火，然后进行冷轧，进而进行最终退火、酸洗，形成产品。冷轧、退火可以反复进行多次。另外，也可以不进行最终退火、酸洗而进行光亮退火来形成产品。在该情况下，光亮退火的退火条件优选与最终退火为相同条件。
如上所述，碳氮化物的析出量在本发明中是重要的，优选减少产品中的析出量。然而，由于碳氮化物是在较高温下生成的，因此难以使其完全固溶，并且对制造设备产生较大负荷。
因此，本发明者们对碳氮化物的析出量和蠕变特性以及制造方法进行了详细研究，从而发现了最佳制造条件。在该制造工序中，对于本发明来说重要的工序为热轧和最终退火。通过组合这两个工序的制造条件，产品的碳氮化物量会成为1％以下，可获得优异的蠕变特性。首先，热轧的加热温度设定为1200℃～1300℃。当小于1200℃时，未固溶的碳氮化物残留较多，因此蠕变强度降低。另外，即使超过1300℃，蠕变特性也不会提高，加热炉的寿命变短等弊害增多，故将1300℃设定为上限。
另外，将最终退火温度设定为1100℃～1200℃。当小于1100℃时，至热轧工序结束时，剩存的未固溶碳氮化物残留较多，蠕变特性降低，故不优选。另外，当超过1200℃时，板断裂等的危险性增大，故将上限设定为1200℃。
其他工序的制造方法没有特别限定，热轧条件、热轧板厚等只要适当地选择就行。另外，可以在冷轧/退火后通过调质轧制、张力平整进行矫正。
此外，就产品板厚而言，也只要根据要求的部件厚度进行选择就行。
实施例1
对表1所示的成分组成的钢进行熔炼并铸造成板坯，将板坯进行热轧并制成5mm厚的热轧卷。此时的加热温度为1250℃。之后，以1100度的退火温度对热轧卷进行退火，然后进行酸洗，进而冷轧至2mm厚，实施退火/酸洗而制成产品板。最终退火温度为1150℃，退火时间为120秒。
另外，就钢No.1，改变加热温度和最终退火条件来制作钢板。这些钢为1A钢～1F钢。除了变更了的条件以外与No.1钢相同。
从这样操作而得到的产品板采取常温拉伸试验(JIS13B号)、高温拉伸试验片。接下来，将进行常温拉伸试验(以JIS Z 2241为基准)而得到的全拉伸率值作为加工性的指标。另外，作为高温特性的指标，在800℃下实施拉伸试验，测定0.2％屈服强度及抗拉强度(以JIS G 0567为基准)。进而，使用相同试验片，进行蠕变应变试验。将试验温度设定为800℃、试验时间设定为300小时，施加各种负载，求出应变量，由它们求出形成1％应变量的负荷应力。该值越大，可以说蠕变特性越好。此外，从产品板求出抽取残渣量，作为析出物量。另外，还进行了残渣的X射线衍射试验，确认残渣为碳氮化物主体。
这些试验结果也示于表1。
由表1可知，本发明钢显示优异的高温强度和蠕变特性。另外，可知比较钢的高温强度、蠕变特性较差，而且还存在其他问题，是不优选的。
产业上的可利用性
由以上的说明可知：根据本发明，能够提供蠕变特性优异的耐热不锈钢钢板，特别是通过将其适用于排气部件，由降低部件成本和轻量化而产生的环境对策等社会贡献非常大。

Claims (3)

1.一种耐热奥氏体系不锈钢钢板，其特征在于，其按质量％计含有C：0.03％～0.06％、N：0.1％～0.3％、Si：1％以下、Mn：3％以下、P：0.04％以下、S：0.03％以下、Ni：5～12％、Cr：15～20％、Al：0.01％～0.1％、Nb：0.05％～0.3％、V：0.05％～0.30％和Ti：0.03％以下，
并且(Nb+V)/(C+N)为2以下，
而且剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，钢中的以碳氮化物为主体的析出物的量为1％以下。
2.根据权利要求1所述的耐热奥氏体系不锈钢钢板，其特征在于，其还含有Cu：1％以下、Mo：3％以下、W：3％以下、Co：1％以下和B：0.01％以下中的一种或两种以上。
3.权利要求1或2所述的耐热奥氏体系不锈钢钢板的制造方法，其特征在于，在由制钢-热轧-酸洗-冷轧-退火/酸洗各工序构成的钢板的制造工序中，热轧的加热温度为1200℃～1300℃，最终退火温度为1100℃～1200℃。
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