CN102400064B - 一种冲压性能优良的奥氏体不锈钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种奥氏体不锈钢，其化学成分的重量百分配比为：C≤0.03％，Si≤0.75％，Mn：2.0-3.5％，Cr：16-19％，Ni：8.0-9.50％，Cu：2.0-3.0％，Nb：0.1-0.25％，N≤0.03％，Al≤0.005％，同时Nb、C、N的含量须满足：Nb-8(C+N)≥0，(C+Nb)≤0.30％，其余为Fe和不可避免的杂质。其制造方法包括：在冶炼过程中，炉渣碱度控制在1.5-2.5，在真空或非真空条件下，采用铝含量低于1.0wt％的硅铁或硅锰合金脱氧，经过充分镇静的钢水在无氧化保护条件下浇注成钢锭或钢坯；热轧和冷轧；冷轧后的材料热处理工艺是在1010-1070℃快冷，以保证获得比6.0级更细小的金相组织。本发明钢具有冲压性能优良、避免冲压开裂、避免中间退火的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种奥氏体不锈钢，特别涉及一种冲压性能优良、避免冲压开裂、避免中间退火的奥氏体不锈钢及其制造方法。
背景技术
奥氏体不锈钢具有较好的综合力学性能，便于进行机械加工、冲压和焊接，而且在氧化性环境中具有优良的耐腐蚀性能和良好的耐热性能，因而广泛用于各种加工领域，特别是在深冲领域更是具有其它不锈钢难以比拟的优势。
但是不锈钢冷轧产品在厨房设备及用具、保温杯(壶)、太阳能、精密电子等行业的一些制品，由于对深加工性能、表面质量、机械性能和中间退火等要求较高，普通304一般不能满足加工要求。为此国内外成熟的不锈钢企业，都对其用于冲压产品的材料进行了针对性的成分设计和工艺改进，确保其产品可以满足用户的使用。比如CN1113661A通过向304不锈钢中添加3％以下的Cu含量提高其深冲性能；US5571343通过向304不锈钢中添加Cu，控制材料的Md30和铁素体含量，改善材料的冲压开裂问题；JP2001081535A在304基础上添加Si和Al含量，达到降低Md30改善成形性能的目的；JP07204791A通过控制C、N、Ni等元素间的关系改善材料的深冲性能；CN1502716A也是通过成分调整材料的铁素体含量达到改善成形性能的目的；CN1364944A则是通过控制材料的夹杂物组成提高其材料的深加工性能，它更关注的是材料加工方法对性能的影响。
由上述专利材料的控制手段看，绝大多数都是在304不锈钢的基础上，添加Ni、Cu、Al或Mn等元素，降低材料的Md30达到改善成形性的目的。但仍不能满足冲压性能的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冲压性能优良、避免冲压开裂、避免冲压中间退火的奥氏体不锈钢。
为实现上述目的，本发明的奥氏体不锈钢，其化学成分的重量百分配比为：C≤0.03％，Si≤0.75％，Mn：2.0-3.0％，Cr：16-19％，Ni：8.0-9.50％，Cu：2.0-3.0％，Nb：0.1-0.25％，N≤0.03％，Al≤0.005％，同时Nb、C、N的含量须满足：Nb-8(C+N)≥0，(C+Nb)≤0.30％，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明是在304不锈钢基础上，除添加Cu、Mn元素降低Md30外，还降低304不锈钢的C、N含量，添加Nb元素，最大限度地降低材料中间隙原子对材料成形性能的负面影响，从而实现提高材料成形性能的目的。
本发明的另一个目的在于提供上述奥氏体不锈钢的制造方法。该方法包括：
在冶炼过程中，炉渣碱度控制在1.5-2.5，在真空或非真空条件下，采用铝含量低于1.0％的硅铁或硅锰合金脱氧，经过充分镇静的钢水在无氧化保护条件下浇注成钢锭或钢坯；
本发明适合的热轧加热温度控制在1200-1240℃；本发明与SUS304相比冷轧硬化程度小，道次最大变形率可接近或等于35％，从而在同样的变形率条件下，可减少冷轧轧制道次；
冷轧后的材料热处理工艺1010-1070℃快冷，如水冷或风冷，以保证获得比6.0级更细小的金相组织。
上述工艺可在冶金工厂生产SUS304的装备上生产。
附图说明
图1是本发明实施例1钢与18Cr-8Ni-0.009Al钢的夹杂物控制效果比较。其中，1a是18Cr-8Ni-0.009Al钢的夹杂物形貌；1b是本发明钢的夹杂物形貌。
图2是本发明实施例1钢与SUS304钢的冷加工硬化比较。
具体实施方式
以下对本发明进行较为详细的说明。
本发明中除非另有指明，含量均指重量百分比含量。
SUS304属于亚稳定的奥氏体不锈钢，在冷变形过程中，这种亚稳定的奥氏体会转变为形变马氏体，由于形变马氏体的生成使得材料具有很高的强度和硬度，从而造成材料再变形的困难，影响材料的深冲压性能，严重时可造成材料在变形过程开裂，或者变形后时效开裂。Md30(℃)是表征这种马氏体转变程度的重要指标之一(公式1)，Md30(℃)越低材料冷变形时形成的形变马氏体量越少，材料的冲压性能越好、材料冲压后时效开裂的倾向越低。
Md30(℃)＝551-462(C％+N％)-9.2Si％-8.1Mn％-13.7Cr％
-18.5Mo％-29(Ni％+Cu％)-68Nb％-1.42(γ-8.0)(1)
公式中γ：材料晶粒度
本发明人发现奥氏体不锈钢冲压过程，实质是金属在模具间的流动过程，这个过程伴随着材料的变形硬化，从而影响成形性能。变形硬化是位错的积累阻碍了其它位错的通道造成，位错的湮灭、重新排列以及交叉滑移将会降低变形的硬化程度，同时金属的堆垛层错能比较高，金属流动更容易或变形更容易，因而增加提高金属堆垛层错能的元素有利材料的成形。
C：碳在不锈钢中是强烈稳定奥氏体且扩大奥氏体区元素，也是材料强化元素。但由于C原子半径相对金属Fe、Cr、Ni、Cu等原子要小很多，在金属材料中属于间隙原子，不利于材料的耐腐蚀性能和冲压性能。因此，本发明的碳含量限定为≤0.03％。优选地，C≤0.02％，更优选为0.007-0.02％。
Si：硅是不锈钢冶炼过程中常用的一种脱氧元素，必须保证钢水中有一定含量的Si，钢水脱氧才能充分；另一方面硅降低材料的堆垛层错能，不利于材料的变形。因而将硅含量的范围确定为≤0.75％。优选地，硅含量为0.20-0.70％，更优选为0.40-0.70。
Mn：锰是奥氏体形成元素之一，具有稳定奥氏体组织的作用，同时锰还是一种廉价的、降低Md30(℃)的元素(公式1)，但考虑其对材料耐腐蚀性能有一定的负作用，将钢中的锰含量确定为：2.0-3.5％。优选地，锰含量为2.5-3.5％，更优选为2.7-3.45％。
Cr：铬是不锈钢的最基本的元素，是不锈钢获得耐腐蚀性的基本元素。同时Cr也是不锈钢中的铁素体形成元素，由于本发明要求较低的C、N(强奥氏体形成元素)含量，为了保持材料的相的平衡，本发明铬含量为16-19％。优选为16.1-18.8％，更优选为16.5-18.6％。
Ni：Ni属于强奥氏体形成、稳定元素，有较高的堆垛层错能，是提高材料成形性能的主要合金，但由于其昂贵的价格限制其大量添加，本发明镍含量为8.0-9.0％。优选为8.05-9.0％，更优选为8.06-8.7％。
Cu：Cu属于奥氏体形成、稳定元素，有较高的堆垛层错能，是提高材料成形性能的主要合金，但过高的Cu含量影响材料的热加工性能，本发明镍含量为2.0-3.0％。优选为2.05-2.95％，更优选为2.08-2.92％，最优选为2.3-2.92％。
N：氮是强烈的奥氏体形成元素，由于N属于间隙元素不利于材料的成形性能，本发明钢的氮含量为≤0.03％。优选为≤0.02％，更优选为0.005-0.015％。
Nb：Nb与不锈钢中的C、N具有很强的结合力，降低了奥氏体不锈钢中的C、N间隙原子的有害作用，使得材料“IF”化，Nb细化了奥氏体不锈钢的晶粒，降低材料的Md30(℃)，固溶的Nb增加材料的堆垛层错能有利于材料的层间流动，但过高的Nb提高材料的强度、增加生产成本，因而本发明Nb含量0.1-0.25％。为保证添加Nb的效果，Nb、C、N的含量须满足：Nb-8(C+N)≥0及(C+Nb)≤0.30％。优选为0.15-0.25％。
Al：Al在不锈钢中主要以Al2O3夹杂物的形式存在，由于该类夹杂属于不能随金属变形的脆性夹杂，对材料的成形性能有比较大的危害，为限制其危害作用本发明规定Al≤0.005％，优选为0.003-0.005％。
P：磷在不锈钢中是有害元素，应尽可能使钢中磷含量低，但不锈钢冶炼脱磷还没有经济、有效的手段，本发明钢确定磷的含量为≤0.03％。
S：硫在不锈钢中也是有害元素，容易在钢中生成MnS等夹杂，同时硫恶化钢的热加工性能，对材料的耐腐蚀性能也有负面作用。因而，本发明将钢中硫含量为≤0.02％，优选为≤0.005％。
本发明通过降低SUS304不锈钢的间隙原子C、N含量，提高材料的变形流动性能，增加Cu含量改善材料的成形性能，提高Mn、Cu元素降低材料的Md30(℃)，添加Nb减轻C、N间隙原子的危害、降低材料的Md30(℃)、细化材料的晶粒增加强度避免材料冲压开裂，使得本发明的成形性能得到提高。
材料热处理后的晶粒度，不仅影响Md30(℃)(公式1)，而且可一定程度上提高材料的强度，降低冲压开裂的风险。
奥氏体不锈钢用作冲压材料时，大多数情况下都是采用薄规格的材料，因而冲压加工材料不仅对材料的成形性能有比较高的要求，同时对影响材料冲压加工的夹杂物的水平也有较高的要求，因而本发明同时规定了该材料的生产工艺。
本发明的具有优良冲压性能奥氏体不锈钢的制造工艺：在冶炼过程中，炉渣碱度控制在1.5-2.5，在真空或非真空条件下，采用铝含量低于1.0％的硅铁或硅锰合金脱氧，经过充分镇静的钢水在无氧化保护条件下浇注成钢锭或钢坯，本发明适合的热轧加热温度控制在1200-1240℃；本发明与SUS304相比冷轧硬化程度小，道次变形率可接近35％，从而在同样的变形率条件下，可减少冷轧轧制道次；冷轧后本材料热处理工艺1010-1070℃快冷，以保证获得比6.0级更细小的金相组织。该材料可在冶金工厂生产SUS304的装备生产。
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
表1为本发明材料典型成分(％)与相关专利的典型成分(％)、Md30(℃)的比较。由表1可见，除提高胀形能力的JP08295980A外，大部分专利产品的Md30(℃)都低于常规SUS304，都取得了改善材料冲压成形性能的目标，但本发明Md30(℃)控制到了-47℃，是几种材料中最低的，在相同的变形条件下，本材料继续冷变形的能力相对较强。
表1专利材料典型成分、Md30(℃)对比
表2本发明实施列的化学成分及Md30(℃)控制结果
表2列出了本发明材料实施列的成分控制及其计算所得的Md30(℃)，可见随着成分的变化，Md30(℃)在-20℃～-75℃范围变化，均低于常规SUS304大约15℃的水平。
试验例1：力学性能
按照GB/T 228-2002方法进行拉伸试验，测定本发明实施例的钢与SUS304钢的屈服强度、抗拉强度、屈强比、延伸率，其结果见表3。
试验例2：按照GB/T 4340.1(维氏硬度)方法，测定本发明实施例的钢与SUS304钢的硬度，其结果见表3。
试验例3：IE(杯突值)
按照GB4156实验方法，实验材料均为0.5mm产品，测定本发明实施例的钢与SUS304钢的IE，其结果见表3。
试验例4：LDR(极限拉深比)
按照GB/T15825.3实验方法，实验材料均为0.5mm产品，测定本发明实施例的钢与SUS304钢的LDR，其结果见表3。
试验例5：组织
LDR实验后利用铁素体仪检测平均马氏体含量(面积百分数)，其结果见表3。
表3本发明实施列典型成形性能对比
表3列出了本发明实施列典型的成形性能指标与常规SUS304的对比，本发明材料的强度、硬度明显低于常规SUS304，而反映材料拉深性能指标的LDR、材料冷变形后的马氏体含量明显优于SUS304，反映材料胀形性能指标的IE不如常规SUS304。表2、表3充分显示了本发明材料冲压性能优良、可避免冲压开裂、能避免冲压中间退火的优异性能。
试验例6：夹杂物组成与形貌
采用透射电镜测定的本发明实施例钢的夹杂物的控制效果与常规SUS304的对比见图1和表4、表5，其中图1a是18Cr-8Ni-0.009Al钢的夹杂物形貌；图1b是本发明实施例1钢的夹杂物形貌；表4是18Cr-8Ni-0.009Al钢的夹杂物组成；表5是本发明实施例1钢的夹杂物组成。
表418Cr-8Ni-0.009Al钢的夹杂物组成
| 元素 | Wt％ | At％ |
| OK | 33.65 | 48.24 |
| MgK | 14.13 | 13.33 |
| AlK | 36.82 | 31.29 |
| SiK | 00.59 | 00.49 |
| CaK | 02.40 | 01.37 |
| TiK | 00.80 | 00.38 |
| CrK | 03.58 | 01.58 |
| MnK | 04.24 | 01.77 |
| FeK | 03.79 | 01.56 |
| 基质 | 校正 | ZAF |
表5本发明钢夹杂物组成
| 元素 | Wt％ | At％ |
| OK | 15.11 | 33.62 |
| MgK | 02.60 | 03.81 |
| AlK | 04.15 | 05.47 |
| SiK | 08.42 | 10.67 |
| SK | 00.10 | 00.11 |
| CaK | 05.23 | 04.65 |
| TiK | 00.82 | 00.61 |
| CrK | 13.53 | 09.27 |
| MnK | 01.80 | 01.17 |
| FeK | 44.30 | 28.24 |
| NiK | 03.93 | 02.38 |
| 基质 | 校正 | ZAF |
其中XK表示元素X，Wt％：表示重量％，At％：表示原子％，ZAF：定量分析的修正因子。
从图1以及表4和表5的对比可见，本发明材料的夹杂物控制更有利于材料的冲压成形。
试验例7：在不同冷轧变形率条件下的强度
在不同冷轧变形率条件下本发明实施例1钢与常规SUS304强度的对比见图2。
从图中可见，由于本发明材料具有较低的Md30(℃)，材料经过冷轧后的强度明显低于SUS304，具有比SUS304更优良的冲压性能。
Claims (15)
1.一种奥氏体不锈钢，其化学成分的重量百分配比为：C≤0.03％，Si≤0.75％，Mn：2.0-3.5％，Cr：16-19％，Ni：8.0-9.50％，Cu：2.0-3.0％，Nb：0.1-0.25％，N≤0.03％，Al≤0.005％，同时Nb、C、N的含量须满足：Nb-8(C+N)≥0，(C+Nb)≤0.30％，其余为Fe和不可避免的杂质；Md30≤-20℃；
所述钢通过包含如下步骤的方法制造：
包括：
在冶炼过程中，炉渣碱度控制在1.5-2.5，在真空或非真空条件下，采用铝含量低于1.0wt％的硅铁或硅锰合金脱氧，经过充分镇静的钢水在无氧化保护条件下浇注成钢锭或钢坯；
热轧和冷轧；
冷轧后的材料热处理工艺是在1010-1070℃快冷，以保证获得比6.0级更细小的金相组织。
2.如权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，C≤0.02％。
3.如权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，C：0.007-0.02％。
4.如权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，Si：0.20-0.70％。
5.如权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，Mn：2.5-3.45％。
6.如权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，Al：0.003-0.005％。
7.如权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，Cr：16.1-18.8％。
8.如权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，Ni：8.05-9.0％。
9.如权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，Cu：2.05-2.95％。
10.如权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，Nb：0.15-0.25％。
11.如权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，N：0.005-0.02％。
12.如权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，P≤0.03％，S≤0.02％。
13.如权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，所述快冷是水冷或风冷。
14.如权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，热轧中适合的加热温度控制在1200-1240℃。
15.如权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，冷轧中道次最大变形率为35％。
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