CN1166805C - 形状平直度良好的高强度奥氏体不锈钢带及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

具有良好的平直度且维氏硬度400或更高的高强度奥氏体不锈钢带，其组成为：最高0.20质量%的C、最高4.0质量%的Si、最高5.0质量%的Mn、4.0-12.0质量%的Ni、12.0-20.0质量%的Cr、最高5.0质量%的Mo、最高0.15质量%的N，余量是Fe和不可避免的杂质，并且由公式(1)定义的Md(N)值是在0-125的范围内。它具有奥氏体和马氏体双相组织，其中包含3体积%或更高比率的回复转变的奥氏体相。该不锈钢带的制造方法是固溶热处理上述组成的钢带，冷轧该钢带以产生形变诱发的马氏体，然后在500-700℃再加热以引发回复。这种回复可有效地使钢带的形状平直化。Md(N)＝580-520C-2Si-16Mn-16Cr-23Ni-26Cu-300N-10Mo …(1)

Description

形状平直度良好的高强度奥氏体 不锈钢带及其制造方法
技术领域
本发明是关于由奥氏体和马氏体双相组织构成的高强度亚稳奥氏体不锈钢带，该不锈钢带具有良好的形状平直度，其维氏硬度为400或更高，此外，本发明还涉及该不锈钢带的制造方法。
背景技术
马氏体的加工硬化或沉淀硬化不锈钢一直被用来作为维氏硬度400或更高的高强度材料。
马氏体不锈钢例如SUS410或SUS420J2是通过从高温奥氏体相急冷淬火引发马氏体转变而硬化的材料。由于这种钢是通过热处理例如淬火-回火而调整达到维氏硬度400或更高，因而其制造过程中不能缺少这种热处理。但是，钢带在淬火之后其韧性将会降低，而且由于马氏体转变使其形状发生改变。这些缺点导致其制造条件受到很大限制。
在形状的偏差对用途产生不利影响的场合，人们常常使用加工硬化的奥氏体不锈钢例如SUS301或SUS304来代替上述马氏体不锈钢。这种加工硬化的奥氏体不锈钢在固溶处理的状态下具有奥氏体相，并且在随后的冷轧过程中产生对于改善强度十分有效的形变诱发的马氏体相。
虽然钢带的形状通过冷轧可以变得平直，但硬度对于轧制温度的依赖性很大，并且沿着钢带的纵向其形状不规则地改变。因此，从工业生产的角度考虑，在稳定状态下难以通过冷轧使钢带的形状变得平直。
即使不锈钢带例如SUS301或SUS304以相同的压下率进行冷轧，从奥氏体转变成形变诱发的马氏体的程度还取决于轧制温度。当钢带在高温下冷轧时，形变诱发的马氏体的产生受到抑制，导致冷轧的钢带硬度较差。相反，较低的轧制温度使得向形变诱发的马氏体转变加速，从而提高了冷轧钢带的硬度。硬度的提高引起变形抗力增大，因而钢带形状的平直化变得更加困难。
发明内容
本发明的目的是，提供形状平直度良好并且维氏硬度为400或更高的高强度奥氏体不锈钢带。平直度的改善不是通过在马氏体相状态下使钢带形状平直来实现，而是通过从形变诱发的马氏体回复成奥氏体时的体积变化从而抑制马氏体转变引起的形状恶化而达到的。
本发明的高强度奥氏体不锈钢带具有由下列元素构成的组成：最高0.20质量％的C、最高4.0质量％的Si、最高5.0质量％的Mn、4.0-12.0质量％的Ni、12.0-20.0质量％的Cr、最高5.0质量％的Mo、最高0.15质量％的N、任选地下列至少一种或多种元素：最高3.0质量％的Cu、最高0.5质量％的Ti、最高0.50质量％的Nb、最高0.2质量％的Al、最高0.015质量％的B、最高0.2质量％的REM(稀土金属)、最高0.2质量％的Y、最高0.1质量％的Ca和最高0.10质量％的Mg、余量是Fe和不可避免的杂质，并且，由公式(1)定义的Md(N)值是在0-125的范围内。该钢带具有奥氏体和马氏体双相组织，其中包含有3体积％以上比率的回复的奥氏体相。
Md(N)＝580-520C-2Si-16Mn-16Cr-23Ni-26Cu-300N-10Mo    ...(1)
本发明提出的新型奥氏体不锈钢带按以下所述制造：对具有适当控制组成的不锈钢带进行固溶处理和冷轧，产生形变诱发的马氏体相，然后在500-700℃再次加热以引发回复，从而在由形变诱发的马氏体构成的基体中产生3体积％或更高比率的奥氏体相。如果钢带是在以785Pa或更高的载荷加载的状态下进行回复，其形状平直度将得到进一步的改善。
具体实施方式
本发明人从各种不同的方面研究并检验了亚稳奥氏体不锈钢带的制造条件对于钢带的硬度和平直度的影响，所述不锈钢带在冷轧过程中产生形变诱发的马氏体。结果发现，促进由形变诱发的马氏体回复成奥氏体的热处理引起钢带的体积变化，从而有效地改善钢带的平直度。通过适当地控制钢的组成和回复条件，可以获得高的强度和良好的平直度。在本发明的说明书中，术语“钢带”还包括薄钢板，在薄钢板的热处理过程中同样可以实现向奥氏体的回复。
通过下面的说明，奥氏体不锈钢的组成以及回复的条件将更加清楚。
C：最高0.20质量％
C是奥氏体形成元素，它增加马氏体相的硬度并且还降低回复温度。随着回复温度的降低，回复成奥氏体的过程可以更加容易地以适合于改善平直度和硬度的适当比率进行控制。但是，随着碳含量的增加，在固溶处理后的冷却阶段或者在时效过程中，碳化铬在晶界上的沉淀析出加快，这种碳化铬的沉淀导致晶间腐蚀开裂抗力和疲劳强度的减弱。因此，C含量的上限被确定为0.20质量％，以便通过热处理条件和冷却速度来抑制碳化铬的析出。
Si：最高4.0质量％
Si是铁素体形成元素，它溶解在马氏体基体中，使马氏体相硬化并提高冷轧钢带的强度。Si对于时效硬化也是十分有效的，因为它在时效处理过程中促进应变时效。但是，过量添加Si引起高温开裂，并且对于制造工艺带来各种问题，因此Si含量的上限被确定为4.0质量％。
Mn：最高5.0质量％
Mn可以有效地抑制在高温区产生δ铁素体。随着Mn含量的增加，回复的起始温度降低，从而使得回复的奥氏体比率可以容易得到控制。但是，5.0质量％以上的过量添加Mn反而加快了在冷轧过程中产生形变诱发的马氏体，因而不可能利用回复来改善平直度。
Ni：4.0-12.0质量％
Ni与Mn同样抑制在高温区中产生δ铁素体，并且与C同样降低回复的起始温度。Ni还有效地改善钢带的沉淀硬化性能。Ni含量不低于4.0质量％时，这些效果十分显著，但是，12.0质量％以上的过量添加Ni反而加快了在冷轧过程中产生形变诱发的马氏体，因而难以引发平直化所需要的回复。
Cr：12.0-20.0质量％
Cr是改善抗腐蚀性的合金元素。Cr含量在12.0质量％或更高时，抗腐蚀性得到改善。但是，过量添加Cr会引起在高温区中产生过多的δ铁素体，因而需要增加奥氏体形成元素例如C、N、Ni、Mn和Cu。增加奥氏体形成元素使得在室温下奥氏体相变得稳定，并在冷轧过程中使形变诱发的马氏体难以产生。结果，时效之后的钢带的强度较差。因此，Cr含量的上限被限定在20.0质量％，以避免增加奥氏体形成元素。
Mo：最高5.0质量％
Mo有效地改善钢带的抗腐蚀性并且在回复过程中促进碳化物以细小颗粒形式分散。在用于使钢带形状平直化的回复处理中，再加热温度被确定在比常规时效处理温度更高的水平。虽然再加热温度的提高使应变的消除加快，但应变的急速消除因添加Mo受到抑制。Mo在时效过程中形成可以有效改善强度的沉淀物，并且在比常规时效温度高的回复温度下抑制强度的降低。Mo含量在1.5质量％或更高时这些效果十分明显。但5.0质量％以上的过量添加Mo使得在高温区中加速产生δ铁素体。
N：最高0.15质量％
N是奥氏体形成元素，它与C同样降低回复的起始温度。通过以适当的比率添加N，回复的奥氏体可以以适合于形状平直度和强化的比率容易地进行控制，但是，过量添加N使得铸造时产生气孔，因而N含量的上限被确定为0.15质量％。
Cu：最高3.0质量％
Cu是作为奥氏体形成元素的可选的合金元素，它降低回复的起始温度，在回复过程中促进时效硬化。但是，过量添加3.0质量％以上的Cu使得热加工性恶化并发生开裂。
Ti：最高0.5质量％
Ti是可选的合金元素，它促进时效硬化并且在回复过程中改善强度。但过量添加0.50质量％以上的Ti将导致板坯表面上产生划痕，对生产工艺带来一些麻烦。
Nb：最高0.50质量％
Nb是可选的合金元素，它在回复过程中改善强度，但使得钢带的热加工性恶化。因此，Nb的含量被限定到0.50质量％或更低。
Al：最高0.2质量％
Al是可选的合金元素，它在炼钢工序中被用来作为脱氧剂并显著地减少对于压力加工有害的A型杂质。Al的上述作用在含量为0.2质量％时达到饱和，过量添加Al会引起其它一些问题例如产生表面裂痕。
B：最高0.015质量％
B是可选的合金元素，它可以有效地抑制热轧钢带中产生边缘裂纹，这种边缘裂纹是由于在热轧温度下δ铁素体与奥氏体的变形抗力差别而产生的。但过量添加0.015质量％以上的B导致产生低熔点的硼化物，使热加工性恶化。
REM(稀土金属)：最高0.2质量％
Y：最高0.2质量％
Ca：最高0.1质量％
Mg：最高0.1质量％
REM、Y、Ca和Mg都是可选的合金元素，它们改善热加工性和抗氧化性。当它们的含量分别为REM：0.2质量％、Y：0.2质量％、Ca：0.1质量％和Mg：0.1质量％时，上述效果达到饱和，过量添加这些元素将使钢的洁净度恶化。
除了上述元素外，本发明的钢带还可以进一步含有P、S和O。P是对于固溶强化有效的元素，但它对韧性是害的，因此P含量的上限最好是限定在通常可以允许的水平即0.04质量％。S含量应当控制在尽可能低的水平，因为S是一种有害的元素，它在热轧时引起产生耳裂。S的有害影响可以通过添加B而得到抑制，因此可以允许的S含量最好是限定在0.02质量％或更低。O形成非金属氧化物夹质，使得钢的洁净度恶化并且对压力加工性和弯曲性产生有害的影响，因此O含量最好被控制在0.02质量％或更低。
由公式Md(N)＝580-520C-2Si-16Mn-16Cr-23Ni-26Cu-300N-10Mo定义的Md(N)值：0-125
根据本发明，通过再加热时引起由形变诱发的马氏体，其中，所述回复成为奥氏体而发生的体积变化来使不锈钢带的形状平直化，马氏体是通过冷轧产生的。对于这种回复来说，表征奥氏体相对加工稳定性的Md(N)值被控制在0-125的范围内，以便在固溶处理后通过冷轧产生形变诱发的马氏体。Md(N)值应当不低于0，否则，为了产生可以有效地改善强度的马氏体相，必须在极低的温度下进行冷轧，而这对于工业生产来说是不适宜的。相反，如果Md(N)值超过125，回复过程中产生的奥氏体相在冷却到室温时将重新转变成马氏体，导致形状恶化。
回复的温度：500-700℃
当固溶处理的钢带被冷轧时，由于冷轧而产生形变诱发的马氏体。随后，将冷轧的钢带在某一温度下再次加热，以使形变诱发的马氏体回复成奥氏体。如果再加热的温度低于500℃，从工业生产角度来说回复过程进行太慢。但是，高于700℃的再加热温度极大地加速回复过程，并使马氏体相软化，因而难以稳定地使钢带具有400或更高的维氏硬度。此外，由于碳化物沉淀而产生的敏化作用，过高的再加热温度还会引起抗腐蚀性恶化。
回复的奥氏体比率：3体积％或更高
由马氏体回复成奥氏体时发生的体积变化是收缩10％左右，由于这一收缩变形使钢带变得平直。虽然由于冷轧过程中奥氏体转变成马氏体而产生的体积膨胀使得钢带的形状产生纵弯曲，但通过对冷轧钢带进行再加热而产生的由形变诱发的马氏体回复成奥氏体时的收缩变形可以消除这种形状的纵弯曲。经过在各种条件下进行试验，本发明人发现，对钢带的平直度有效的回复的奥氏体比率是至少3体积％。
回复过程中施加到钢带上的载荷：785Pa或更高
通过在回复过程中向带卷施加张力或者通过带卷本身的重力可以使钢带保持良好的形状状态。在用压板等对钢带施加载荷的状态下进行回复可以进一步改善钢带的平直度，因为这种回复是在受到约束的情况下进行的。在这种情况下，载荷最好是每单位面积785Pa或更高，这解释了回复时的高温强度。
实施例
在真空炉中熔炼250kg具有表1所示组成的不锈钢，将其浇铸成锭，锻造，热轧至4.0mm厚，在1050℃下退火1分钟，然后用酸进行酸洗。将钢带冷轧后，重新加热600秒以引发回复。冷轧和再加热的条件示于表2中。在表1中，No.1-8不锈钢的组成满足本发明规定的条件，而No.9-14不锈钢的组成超出本发明的范围。在表2中，No.1-10不锈钢是根据本发明的条件进行处理，而No.11-19不锈钢是在本发明范围以外的条件下加工处理的。
                                          表1：实施例和比较例中使用的不锈钢的化学组成
    钢No.                                                              合金元素(质量％)     其它元素   Md(N) 备注
    C     Si     Mn     P     S     Ni     Cr     Mo     N     O
    12345678     0.1250.0780.0800.0580.0770.0800.0820.018     1.432.542.721.351.543.752.730.37     2.800.314.181.260.890.300.372.21     0.0250.0230.0250.0260.0270.0330.0280.032     0.0150.0020.0050.0060.0010.0080.0180.009     5.898.235.226.806.238.425.196.23     18.0213.4216.2012.4815.6513.6512.5917.58     0.982.291.532.301.982.281.520.24     0.0890.0640.1340.0780.0840.0760.1150.080     0.00420.00580.00680.00740.00840.00790.00640.0077 B：0.008Nb：0.28Al：0.14Ti：0.37，B：0.011Cu：1.67，Nb：0.31Ca：0.009，Y：0.05   7.083.331.3124.584.068.495.583.6 实施例
    91011121314     0.2140.0840.1850.1020.1280.098     0.520.450.871.780.240.59     0.340.425.283.451.980.98     0.0250.0240.0290.0350.0190.022     0.0070.0090.0070.0180.0220.014     9.244.566.762.037.006.95     16.2316.2514.0519.0012.8916.78     1.870.861.891.524.231.87     0.0090.0080.0110.0650.1230.163     0.00560.00590.00600.00450.00950.0088 Nb：0.23Ti：0.34，Ca：0.005Ca：0.017Cu：1.87   -31.4 152.8 -4.982.8-13.816.3 比较例
下划线为超出本发明范围的值。
                         表2：冷轧和回复的影响
  实施例No.     钢No.   压下率(％)   回复温度(℃)     硬度HV1   回复的奥氏体的比率(体积％)     最大耳高度(mm) 备注
  12345678910     1223455678   85506064356070705045   525650625574650650647689543674     483520488462523563487423503423   4108613141418622     1.81.61.41.21.51.11.21.21.80.9 实施例
  111213141516171819     12391011121314   855060903085608580   732 480 785650634589625653589     375 391 308 386 389 305 378 356443   252342847211     1.15.90.96.78.30.85.66.50.2 比较例
下划线为超出本发明范围的值。
由表2可以看出，实施例No.1-10的不锈钢带具有良好的平直度，并且维氏硬度平均在400或更高。这些钢带在回复之后具有被控制在小于2mm的最大耳高度。
比较例No.11-13的不锈钢具有在本发明所限定范围内的组成。但是，在比较例No.12的钢中产生的回复的奥氏体不足，因为再加热温度低于500℃。比较例No.11和13的钢，维氏硬度低于400，因为再加热温度高于700℃。
比较例No.14-18的不锈钢带，由于其组成超出本发明规定的范围，因而在维氏硬度400或更高的情况下平直度较差。特别是比较例No.15的钢带，由于Md(N)值高于125，在冷却过程中由于回复的奥氏体重新转变成马氏体而产生较大变形。比较例No.19的钢由于N含量过高，其表面上分布有裂痕，这些缺陷是由于炼钢和铸造过程中的气孔而产生的。
将每一钢带的两边缘切掉10mm宽，制成宽200mm、长300mm的薄钢板，用压板以表3中所示的压力压制，进一步改善该钢板的平直度。将该钢板再加热600秒，在加压的条件下引发回复。考察施加到钢板上的载荷对再加热的钢板的平直度的影响，结果示于表3中，该表中还示出回复的奥氏体比率和平均维氏硬度(载荷为10kg)。
由表3可以看出，实施例No.1-6的钢，由于在回复过程中施加载荷，其平均维氏硬度为400或更高，耳高度被抑制在1.0mm以下。所施加的载荷与最大耳高度的关系表明，通过施加785Pa或更高的载荷有效地使钢板的形状平直化。
            表3：回复期间施加的载荷对钢板的平直度的影响
  实施例No.     钢No.     压下率(％)   回复的温度(℃)     施加的压力(Pa)   硬度HV1   回复的奥氏体比率(体积％)   最大的耳高度(mm)
  123456     122334     855060606064   550604625650700610     29443925785156986354416   577520477462415534   411156328   0.80.30.80.40.60.2
根据上述本发明，通过适当控制组成和回复条件，使回复的奥氏体以预定的比率分散在形变诱发的马氏体基体中，可以制成具有良好平直度且维氏硬度400或更高的奥氏体不锈钢带。该不锈钢带还具有良好的抗腐蚀性。由于这些良好的性能，该奥氏体不锈钢可以在广泛的工业领域中被用来作为各种弹簧材料或高强度材料，例如压板、不锈钢框架、板簧、挡板阀、金属衬垫、包装材料、承板、不锈钢镜、减振器弹簧、盘式制动器、制动器钥匙、钢带和金属掩模。

Claims (4)

1.具有良好的形状平直度且维氏硬度400或更高的高强度奥氏体不锈钢带，该不锈钢带的组成为：最高0.20质量％的C、最高4.0质量％的Si、最高5.0质量％的Mn、4.0-12.0质量％的Ni、12.0-20.0质量％的Cr、0.24-5.0质量％的Mo、0.064-0.15质量％的N，余量是Fe和不可避免的杂质，并且，由公式(1)定义的Md(N)值是在0-125的范围内，该钢带具有奥氏体和马氏体双相组织，其中包含有3体积％以上比率的回复奥氏体相。
Md(N)＝580-520C-2Si-16Mn-16Cr-23Ni-26Cu-300N-10Mo  ...(1)
2.如权利要求1所述的奥氏体不锈钢带，其特征在于，该不锈钢带还含有下列的至少一种或多种元素：最高3.0质量％的Cu、最高0.5质量％的Ti、最高0.50质量％的Nb、最高0.2质量％的Al、最高0.015质量％的B、最高0.2质量％的REM(稀土金属)、最高0.2质量％的Y、最高0.1质量％的Ca和最高0.10质量％的Mg。
3.形状平直度良好且维氏硬度400或更高的高强度奥氏体不锈钢带的制造方法，该方法包括下列工序：
提供具有下列成分的奥氏体不锈钢带，即，最高0.20质量％的C、最高4.0质量％的Si、最高5.0质量％的Mn、4.0-12.0质量％的Ni、12.0-20.0质量％的Cr、0.24-5.0质量％的Mo、0.064-0.15质量％的N，可选地下列元素中的至少一种或多种：最高3.0质量％的Cu、最高0.5质量％的Ti、最高0.50质量％的Nb、最高0.2质量％的Al、最高0.015质量％的B、最高0.2质量％的REM(稀土金属)、最高0.2质量％的Y、最高0.1质量％的Ca和最高0.10质量％的Mg，余量是Fe和不可避免的杂质，并且，由公式(1)定义的Md(N)值是在0-125的范围内；
对该奥氏体不锈钢带进行固溶热处理；
冷轧该奥氏体不锈钢带，使之产生形变诱发的马氏体相；
在500-700℃再次加热该冷轧的奥氏体不锈钢带，使得在由形变诱发的马氏体相构成的基体中以3体积％或更高的比率生成奥氏体相。
Md(N)＝580-520C-2Si-16Mn-16Cr-23Ni-26Cu-300N-10Mo  ...(1)
4.如权利要求3所述的维氏硬度400或更高的高强度奥氏体不锈钢带的制造方法，其中，在施加785Pa或更高载荷的状态下对奥氏体不锈钢带进行再次加热。
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