CN114746569A

CN114746569A - 具有改善的磁化强度的铁素体不锈钢及其制造方法

Info

Publication number: CN114746569A
Application number: CN202080083299.5A
Authority: CN
Inventors: 李启万; 姜亨求
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Holdings Inc
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2020-11-18
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2040-11-18
Also published as: CN114746569B; US20220396849A1; EP4043605A4; JP2023502232A; KR102326044B1; KR20210079670A; JP7465965B2; EP4043605A1; WO2021125580A1

Abstract

公开了具有改善的磁化强度的铁素体不锈钢。基于重量％，所公开的铁素体不锈钢包含：0.01％或更少(不包括0)的C、0.003％或更少(不包括0)的N、15％至18％的Cr、0.3％至1.0％的Mn、0.2％至0.3％的Si、0.005％或更少(不包括0)的Al、0.005％或更少(不包括0)的Ti、以及余量的Fe和不可避免的杂质，并且满足下式(1)。式(1)：(Ti+Al+8*(C+N)/Mn)≤0.3，其中Ti、Al、C、N和Mn意指各元素的量(重量％)。

Description

具有改善的磁化强度的铁素体不锈钢及其制造方法

技术领域

本公开内容涉及铁素体不锈钢及其制造方法，更特别地，涉及通过控制晶体织构而具有改善的磁化强度的铁素体不锈钢及其制造方法。

背景技术

感应灶是通过向其中安装的线圈施加高频电流来利用电磁场直接加热炊具的烹饪用具。

虽然燃气灶和高亮电灶的热效率(容器加热效率)分别为约45％和约65％，但高热效率为约90％的感应灶可以减少烹饪时间。此外，感应灶是安全的，因为顶板不直接加热并且容易清洗，因为溢出的食物不粘着在其上。因此，近来感应灶的市场已经扩大。

根据炉灶的变化趋势，用于电磁炉的材料的市场正在增加。由于感应灶通过磁感应产生热，因此在用于电磁炉的材料中需要磁特性。铸造钢板、搪瓷钢板和铁素体不锈钢是其使用的主要材料，并且近来，还将具有其中堆叠有铝板和碳钢板或铁素体不锈钢板的多层结构的复合钢板用于电磁炉。

感应灶通过电流线圈将通过磁场产生的涡电流的电阻热用作主要热源。由涡电流产生的功率P_ec如下。

在该等式中，B为磁通密度，t为样品的厚度，f为频率，以及r为电阻率。

由于由涡电流产生的功率Pec与磁通密度的平方成比例，因此必须使磁通密度最大化以容易地加热感应灶。

同时，通常使用包含硅的电工钢板作为电动机用材料，但在需要耐腐蚀性的环境中使用具有体心立方(body centered cubic，BCC)结构的具有强磁特性的铁素体不锈钢。

然而，铁素体不锈钢的磁特性不如电工钢板。因此，铁素体不锈钢在需要能量效率的电动机/西式餐具的材料的应用中受到限制。

因此，需要开发可用于感应加热的具有改善的磁化强度的铁素体不锈钢。

发明内容

技术问题

提供了通过经由调节组分来控制碳氮化物的数量而具有改善的磁化强度的铁素体不锈钢及其制造方法。

技术方案

根据本公开内容的一个方面，按重量百分比(重量％)计，具有改善的磁化强度的铁素体不锈钢包含：0.01％或更少(不包括0)的碳(C)、0.003％或更少(不包括0)的氮(N)、15％至18％的铬(Cr)、0.3％至1.0％的锰(Mn)、0.2％至0.3％的硅(Si)、0.005％或更少(不包括0)的铝(Al)、0.005％或更少(不包括0)的钛(Ti)、以及余量的铁(Fe)和不可避免的杂质，并且满足下式(1)，

式(1)：(Ti+Al+8*(C+N)/Mn)≤0.3

(其中Ti、Al、C、N和Mn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，氮化物或碳化物的分布可以以100个/mm²或更小的密度分布。

此外，根据本公开内容的一个实施方案，{001}晶体织构的强度可以为10.0或更大。

此外，根据本公开内容的一个实施方案，B₅₀值可以为0.5T或更大。

根据本公开内容的另一个方面，用于制造具有改善的磁化强度的铁素体不锈钢的方法包括：对板坯进行热轧，按重量百分比(重量％)计，所述板坯包含：0.01％或更少(不包括0)的碳(C)、0.003％或更少(不包括0)的氮(N)、15％至18％的铬(Cr)、0.3％至1.0％的锰(Mn)、0.2％至0.3％的硅(Si)、0.005％或更少(不包括0)的铝(A1)、0.005％或更少(不包括0)的钛(Ti)、以及余量的铁(Fe)和不可避免的杂质，并且满足下式(1)；对经热轧的钢板进行热轧退火；以及对经热轧的钢板进行冷轧，

式(1)：(Ti+Al+8*(C+N)/Mn)≤0.3

(其中Ti、Al、C、N和Mn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，冷轧压下率可以为55％至80％。

此外，根据本公开内容的一个实施方案，热轧退火可以在900℃至1,200℃的温度范围内进行。

有益效果

根据本公开内容的实施方案，可以提供具有改善的磁化强度的铁素体不锈钢及其制造方法。

附图说明

图1是示出根据铁素体不锈钢的晶体织构的磁感应的变化的图。

图2是示出相对于铁素体不锈钢的晶体织构的F值的磁化强度的变化的图。

具体实施方式

本公开内容提供了具有改善的磁化强度的铁素体不锈钢，按重量百分比(重量％)计，所述铁素体不锈钢包含：0.01％或更少(不包括0)的碳(C)、0.003％或更少(不包括0)的氮(N)、15％至18％的铬(Cr)、0.3％至1.0％的锰(Mn)、0.2％至0.3％的硅(Si)、0.005％或更少(不包括0)的铝(Al)、0.005％或更少(不包括0)的钛(Ti)、以及余量的铁(Fe)和不可避免的杂质，并且满足下式(1)，

式(1)：(Ti+Al+8*(C+N)/Mn)≤0.3

(其中Ti、Al、C、N和Mn意指各元素的含量(重量％))。

发明实施方式

在下文中，将参照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公开内容所属领域的普通技术人员充分地传达本公开内容的精神。本公开内容不限于本文所示的实施方案，而是可以以其他形式呈现。在附图中，为了使本公开内容的描述清楚，省略了与描述无关的部分，并且为了清楚起见，元件的尺寸可能被放大。

在整个说明书中，除非另有说明，否则术语“包括”一个要素并不排除其他要素，而是还可以包括另外的要素。

如本文中所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式旨在也包括复数形式。

在下文中，将参照附图详细地描述本公开内容的实施方案。首先，将描述铁素体不锈钢，然后将描述用于制造铁素体不锈钢的方法。

在铁素体不锈钢中，<100>方向是最容易的磁化的方向，以及<111>方向是最难的磁化的方向。因此，将<100>方向称为易磁化方向，以及将<111>方向称为难磁化方向。

同时，晶体织构是指平面和取向在晶体聚集体中如何排列，以及其中晶体织构沿特定方向形成的图案被称为晶体织构纤维。显示晶体的聚集特性的晶体织构与磁化强度密切相关。

在通过连铸、热轧、冷轧和冷退火的普通过程制造的常规铁素体不锈钢中，已知整体可加工性随着晶体织构中的g-纤维的分数增加而增加。然而，g-纤维晶体织构不适合于需要磁化强度的用途，因为其中不包括易磁化方向。

本发明人进行了各种研究来改善铁素体不锈钢的磁化强度，并且发现抑制导致形成无序晶体织构的碳氮化物的形成是重要的。

可以通过控制合金元素Ti、Al、C和N的含量，使基体中的S含量最小化，并且添加适当量的Mn以使晶粒生长来抑制碳氮化物的形成。

按重量百分比(重量％)计，根据本公开内容的具有改善的磁化强度的铁素体不锈钢包含：0.01％或更少(不包括0)的碳(C)、0.003％或更少(不包括0)的氮(N)、15％至18％的铬(Cr)、0.3％至1.0％的锰(Mn)、0.2％至0.3％的硅(Si)、0.005％或更少(不包括0)的铝(Al)、0.005％或更少(不包括0)的钛(Ti)、以及余量的铁(Fe)和不可避免的杂质。

在下文中，将描述关于本公开内容的实施方案中的合金元素的含量的数值限制的原因。在下文中，除非另有说明，否则组分的单位表示重量％。

C的含量为0.01％或更少(不包括0)。

作为间隙固溶强化元素的碳(C)改善铁素体不锈钢的强度。然而，当C含量过多时，奥氏体相在高温下形成并在冷却期间转变以在最终产品中形成马氏体相。由于马氏体相使磁化强度劣化，因此C含量的上限可以设定为0.01％。

N的含量为0.003％或更少(不包括0)。

同样作为与C类似的间隙固溶强化元素的氮(N)增强铁素体不锈钢的强度。此外，作为奥氏体相稳定化元素，过量的N导致形成马氏体相的问题。N与Al或Ti结合以形成氮化物来促进晶粒成核，从而抑制对磁化强度有效的柱状组织的形成，而促进具有无序晶体织构的细等轴组织的形成。因此，N含量的上限可以设定为0.003％。

Cr的含量为15％至18％。

铬(C)是包含在不锈钢中用于改善耐腐蚀性的元素中量最多的基本元素，并且Cr含量可以为15％或更大以表现出耐腐蚀性。然而，过量的Cr可能导致在热轧期间形成致密的氧化皮，从而导致粘着缺陷并且可能增加制造成本。因此，Cr含量的上限可以设定为18％。

Mn的含量为0.3％至1.0％。

锰(Mn)是与包含在基体中并抑制晶界迁移的硫(S)结合以形成硫化物的元素。在本公开内容中，Mn以0.3％或更大的量添加以促进具有{001}取向的晶粒的生长。然而，过量的Mn可能导致使磁特性劣化的奥氏体相的形成。因此，Mn含量的上限可以设定为1.0％。

Si的含量为0.2％至0.3％。

作为对于脱氧而必须添加的合金元素的硅(Si)改善强度和耐腐蚀性并稳定铁素体相。在本公开内容中，作为铁素体形成元素的Si可以以0.2％或更大的量添加，以抑制妨碍形成{001}晶体织构的奥氏体相。然而，过量的Si可能增加脆化以使可加工性劣化，并且可能与碳结合以形成碳化物从而使磁化强度劣化。因此，Si含量的上限可以设定为0.3％。

Al的含量为0.005％或更少(不包括0)。

铝(A1)是用于脱氧而基本上添加的合金元素，稳定铁素体相，并与N结合以形成氮化物。用作晶粒成核位点的氮化物形成具有无序晶体织构的新晶粒，从而使磁化强度劣化。因此，Al含量的上限可以设定为0.005％。

Ti的含量为0.005％或更少(不包括0)。

钛(Ti)与C或N结合以形成碳氮化物。碳氮化物用作晶粒成核位点以产生具有无序晶体织构的新晶粒，从而使磁化强度劣化。因此，Ti含量的上限可以设定为0.005％。

本公开内容的组成的剩余组分为铁(Fe)。然而，所述组成可以包含从原料或周围环境中不可避免地并入的非预期杂质。在本公开内容中，除上述合金组分之外，不排除添加其他合金组分。不可避免的杂质可以为磷(P)和硫(S)。杂质在本公开内容中没有具体提及，因为它们对制造领域的任何技术人员是已知的。

尽管在铁素体不锈钢的连铸过程中形成了作为凝固的取向的{001}取向，但{001}取向导致了使可成形性劣化并且形成为铁素体的固有表面缺陷的隆起物的问题。因此，通常在铁素体不锈钢的连铸期间使用电子搅拌装置来使粗大的柱状组织的形成最小化以使{111}晶体织构最大化并抑制隆起物的形成。

同时，在结晶材料中，磁化强度(磁特性)也受晶体取向影响。由于在铁素体不锈钢中<100>方向是最容易的磁化的方向，以及<111>方向是最难的磁化的方向，因此将<100>方向称为易磁化方向，以及将<111>方向称为难磁化方向。因此，使在作为易磁化方向的<100>方向上取向的晶粒最大化以改善铁素体不锈钢的磁化强度是重要的。

图1的矩形示出了被最广泛地用于表示晶体织构的取向分布函数(orientationdistribution function，ODF)的j2＝45°平面。参照图1，具有{001}平面的取向例如{001}<110>取向和{001}<010>取向排列在ODF的上端(F＝0°)，以及具有{111}平面的取向例如{111}<110>取向和{111}<121>取向排列在ODF的中间(F＝55°)。

参照图2，可以确定当F为0°时表现出最大的磁化强度，并且随着F增加至55°磁化强度劣化。此外，可以确定随着F从55°增加至90°，磁化强度稍微增加。

参照图1和图2，当对磁化强度无效的{111}晶体织构的体积分数大于对磁化强度有效的{001}晶体织构的体积分数时，可以确定铁素体不锈钢板的磁特性迅速降低。因此，在本公开内容中，尽可能多地增加{001}晶体织构的分数以改善铁素体不锈钢的磁化强度。

同时，在炼钢过程期间形成在钢水中的碳氮化物在凝固过程中充当成核位点。因此，促进了晶粒成核以形成具有无序晶体织构的新晶粒，{001}晶体织构被减弱，并形成细的铸造组织。

因此，必须控制合金元素以使氮化物和碳化物的形成最小化。

根据本公开内容的一个实施方案，满足上述合金元素组成的具有改善的磁化强度的铁素体不锈钢可以满足下式(1)。

式(1)：(Ti+Al+8*(C+N)/Mn)≤0.3

在此，Ti、Al、C、N和Mn意指各元素的含量(重量％)。

本发明人得出了式(1)以通过使碳氮化物的形成最小化来使包含{001}晶体织构的柱状组织的形成最大化。考虑到通过不仅降低C和N的含量而且降低Al和Ti(为与C或N结合以形成碳氮化物的元素)的含量来抑制碳氮化物的形成，并且通过使用与S(为抑制{001}晶粒生长的杂质)结合的一定量的Mn来促进晶粒的生长，得出了上式(1)。

确定式(1)的值越低，碳氮化物的分布越低，并且包含{001}晶体织构的柱状组织的形成越容易。具体地，当式(1)的值超过0.3时，最终钢板中的氮化物或碳化物的分布超过100个/mm²，无法获得{001}晶体织构的分数。因此，铁素体不锈钢可能无法获得磁化强度。因此，式(1)的值的上限设定为0.3。

如上所述，必须使{001}晶体织构最大化并且使{111}晶体织构最小化以改善铁素体不锈钢的磁化强度。

从这方面来看，本公开内容引入了{001}晶体织构的强度以量化晶体织构。即，在铁素体不锈钢中，随着{001}晶体织构的强度增加，磁化强度可以得到改善。因此，在本公开内容中，{001}晶体织构的强度被控制为10.0或更大。

因此，根据本公开内容的一个实施方案的铁素体不锈钢的B₅₀值可以为0.5T或更大。B₅₀是指在磁化力为5000A/m的磁场中测量的磁通密度并且用作表示磁化强度的指数。

随着B₅₀值增加，感应加热更容易，因此B₅₀值越大对其越有效。当B₅₀小于0.5T时，与向其施加的磁场相比，不容易产生磁化，使得其能量效率降低。当将B₅₀值小于0.5T的钢应用于感应灶用烹饪容器时，加热速率降低。因此，在本公开内容中，将B₅₀控制为0.5T或更大。

在下文中，将描述根据本公开内容的一个实施方案的制造具有改善的磁化强度的铁素体不锈钢的方法。根据一个实施方案的用于制造具有改善的磁化强度的铁素体不锈钢的方法包括：对板坯进行热轧，按重量百分比(重量％)计，所述板坯包含：0.01％或更少(不包括0)的碳(C)、0.003％或更少(不包括0)的氮(N)、15％至18％的铬(Cr)、0.3％至1.0％的锰(Mn)、0.2％至0.3％的硅(Si)、0.005％或更少(不包括0)的铝(A1)、0.005或更少(不包括0)的钛(Ti)、以及余量的铁(Fe)和不可避免的杂质，并且满足下式(1)；对经热轧的钢板进行热轧退火；以及对经热轧的钢板进行冷轧。

式(1)：(Ti+Al+8*(C+N)/Mn)≤0.3

在式中，Ti、Al、C、N和Mn意指各元素的含量(重量％)。

如上所述描述了关于合金元素含量的数值限制的原因。

对包含所述组成的不锈钢板坯进行加热。板坯的加热温度可以在1100℃至1300℃的范围内。当加热温度超过1300℃时，在细组织中的偏析区域中发生液化导致热轧期间的破裂。当加热温度低于1100℃时，热轧不容易进行。

将加热的板坯通过热轧过程加工成热轧钢板。

如果需要，可以使经热轧的钢板经受热轧退火。在进行热退火的情况下，退火温度可以为900℃至1200℃。当退火温度低于900℃时，再结晶无法充分地发生，无法获得均匀的显微组织。当退火温度超过1200℃时，磁特性劣化且板形状变形。在这种情况下，经热轧的铁素体不锈钢的厚度可以为3mm至6mm。

然后，通过冷轧过程制备冷轧钢板。

为了增强对磁化强度有效的{001}晶体织构，应在冷轧期间控制总压下率。基于本发明人进行的实验的结果，通过以55％至80％的压下率进行冷轧，在具有最终厚度的冷轧钢板中增强了对磁化强度有效的{001}晶体织构。

在此，压下率被定义为(冷轧之前的钢板厚度-冷轧之后的钢板厚度)/(冷轧之前的钢板厚度)。

如上所述，通过经由在调节合金元素的同时控制冷轧压下率来制备最终的冷轧钢板，可以最大限度地增强对磁化强度有效的{001}晶体织构而不引起破裂。

如上所述制备的冷轧钢板中的氮化物或碳化物的分布为100个/mm²或更少。

此外，在所制备的冷轧钢板中，{001}晶体织构的强度为10.0或更大，以及B₅₀值为0.5T或更大。

此外，经冷轧的铁素体不锈钢的厚度可以为0.4mm至1.2mm。

实施例

在下文中，将参照以下实施例更详细地描述本公开内容。

制备具有下表1所示的各合金元素的化学组成并且厚度为250mm的铁素体不锈钢的铸带。根据本领域通常使用的任何方法，使用粗轧机和精轧机来对带材进行热轧以制备厚度为3mm至6.0mm的热轧铁素体不锈钢板。

表1

随后，将根据实施例和比较例的热轧钢板在下表2所示的条件下以不同的冷轧压下率进行冷轧，然后进行最终退火以制备厚度为0.4mm至1.2mm的冷轧退火铁素体不锈钢。

使用SEM-EDS装置测量包含在最终的冷轧退火钢板中的碳氮化物的分布。使用在最终产品的宽度为1mm且长度为1mm的截面区域内以1,000x或更高的放大倍数自动测量氧化物的尺寸和组分的分析方法，并且示出了至少5个区域的平均值。

在最终的冷轧退火钢板的横截面上通过电子背散射衍射(EBSD)测量晶体织构。

基于EBSD数据来计算取向分布函数(ODF)并且使用{001}取向的强度作为晶体织构的指数。

此外，制备尺寸为60mm x 60mm的铁素体不锈钢板的样品使得轧制方向和磁化方向位于0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°。使用单片测试机在5000A/m的磁场中测量磁通密度，并且将作为7个方向的平均值的B₅₀表示为磁化强度的指数。

表2

在本公开内容中，获得0.5T或更大的磁通密度(B₅₀)以将铁素体不锈钢应用于电磁炉用材料。

在实施例1和2的情况下，满足本公开内容中提出的组成范围并且(Ti+Al+8*(C+N)/Mn)值为0.3或更小，因此可以将无序晶体织构的形成抑制为小于100个/mm²，并且使基体中的S含量最小化。因此，获得了10.0或更大的{001}强度，并且获得了0.5T或更大的B₅₀值，表明磁化强度的改善。

在比较例1至6中，由于过量的C、N、Ti和Al，(Ti+Al+8*(C+N)/Mn)值超过0.3，因此在最终的冷轧退火钢板中过量地形成碳氮化物。因此，抑制了{001}晶体织构的形成并且增强了{111}晶体织构，因此{001}强度小于10.0且B₅₀值小于0.31。

在比较例7中，尽管将(Ti+Al+8*(C+N)/Mn)值控制为低于0.3，但由于过量的Si，过量形成的碳氮化物大于100个/mm²。因此，可能无法形成{001}晶体织构，并因此得到B₅₀值为0.22。

在比较例8中，尽管将(Ti+Al+8*(C+N)/Mn)值控制为低于0.3，并且适当地控制Si含量，但Mn含量为0.23％，这低于根据本公开内容的下限0.3，无法充分地除去抑制晶界迁移的S。因此，可能无法形成{001}晶体织构，并且得到B₅₀值为0.27。

参照表2，在比较例9和10的情况下，尽管满足本公开内容中提出的组成并且适当地调节析出物的数量，但冷轧压下率低于55％或高于80％，因此最终的冷轧退火钢板具有低于10.0的低{001}强度，以及B₅₀值为0.18和0.28，其低于0.5。

如上所述，通过经由控制热轧钢板的退火温度来抑制{111}晶体织构的形成并增强{001}晶体织构，根据本公开内容的一个实施方案制备的铁素体不锈钢可以具有适用于西方餐具/需要能量效率的电动机的材料的磁特性。

尽管已经参照示例性实施方案具体描述了本公开内容，但本领域技术人员应理解，在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下，可以做出形式和细节上的各种改变。

工业适用性

根据本公开内容的铁素体不锈钢具有0.5T或更大的B₅₀值，因此可以应用于西方餐具/需要能量效率的电动机的材料。

Claims

1.一种具有改善的磁化强度的铁素体不锈钢，按重量百分比(重量％)计，包含：0.01％或更少但不包括0的碳(C)、0.003％或更少但不包括0的氮(N)、15％至18％的铬(Cr)、0.3％至1.0％的锰(Mn)、0.2％至0.3％的硅(Si)、0.005％或更少但不包括0的铝(Al)、0.005％或更少但不包括0的钛(Ti)、以及余量的铁(Fe)和不可避免的杂质，并且满足下式(1)，

式(1)：(Ti+Al+8*(C+N)/Mn)≤0.3

其中Ti、Al、C、N和Mn意指各元素的含量(重量％)。

2.根据权利要求1所述的铁素体不锈钢，其中氮化物或碳化物的分布为100个/mm²或更少。

3.根据权利要求1所述的铁素体不锈钢，其中{001}晶体织构的强度为10.0或更大。

4.根据权利要求1所述的铁素体不锈钢，其中B₅₀值为0.5T或更大。

5.一种用于制造具有改善的磁化强度的铁素体不锈钢的方法，所述方法包括：

对板坯进行热轧，按重量百分比(重量％)计，所述板坯包含：0.01％或更少但不包括0的碳(C)、0.003％或更少但不包括0的氮(N)、15％至18％的铬(Cr)、0.3％至1.0％的锰(Mn)、0.2％至0.3％的硅(Si)、0.005％或更少但不包括0的铝(Al)、0.005％或更少但不包括0的钛(Ti)、以及余量的铁(Fe)和不可避免的杂质，并且满足下式(1)；

对经热轧的钢板进行热轧退火；以及

对所述经热轧的钢板进行冷轧，

式(1)：(Ti+Al+8*(C+N)/Mn)≤0.3

其中Ti、Al、C、N和Mn意指各元素的含量(重量％)。

6.根据权利要求5所述的方法，其中冷轧压下率为55％至80％。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述热轧退火在900℃至1,200℃的温度范围内进行。