专利名称：韧性及焊接部延性好的建筑外装饰用铁素体不锈钢及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种以屋顶材料及墙壁材料使用的铁素体不锈钢，更特别是涉及一种耐腐蚀性及韧性，进而焊接部的延性等各特性改善了的铁素体不锈钢及其制造方法。
一般情况下，耐腐蚀性好的铁素体不锈钢(ferritic stainless steel)普遍以外装饰材料使用于建筑物的屋顶及墙壁。这种用途的不锈钢要求具有耐腐蚀性、韧性及好的焊接性。其中，是否有必要焊接性是由建筑施工方法决定。当以屋顶材料使用时，即便使用不必焊接的方法(folding batten type)，在某些角落部也难免进行焊接作业。如今为了建筑物的造形美，建筑物的外观变得越来越复杂，因此焊接性成了重要的要求特性之一。
到目前为止，建筑用外装饰材料考虑到耐腐蚀性及焊接性而普遍采用了奥氏体不锈钢(austenitic stainless steel)。但是，由于价格昂贵的Ni而使奥氏体不锈钢材料比较贵，所以在使用上受到了限制。最近普遍以比较廉价的铁素体不锈钢用作建筑外装饰材料。其代表性的例子是大韩民国专利公报第95-3159号。
大韩民国专利公报第95-3159号，揭示了解决以铁素体不锈钢为建筑用外装饰材料时发生的作业性(pocket wave的发生)问题的方法。具体地说，上述先前技术涉及一种建筑外装饰用不锈钢，其包含，由Cr:10-32％,C+N:0.005-0.1％,Mo:0.2-3.5％,Cu:0.1-3.0％,Nb:0.1-0.9％及Ti,V,Zr,B四个元素的和为0.15-1.0％中选择的至少一个元素与剩余的Fe及其他不可避免的元素构成，并且在冷轧的宽度方向上取得的对试板的张力试验中，在达到弹性界限时测出的变形比为大于2.5。并且在该专利公开中记述，上述变形比是通过把光整冷轧或平整(skin-pass or temper rolling)过的钢板在200-500℃的温度下进行5-48秒的时效处理(seasoning)而确保。
但是，根据上述先前技术的铁素体不锈钢，并没有考虑以建筑外装饰材料使用时要求的重要特性，即焊接性，另外还要求进一步改善耐腐蚀性及韧性。特别是由于外装饰材料的特性，要求建筑外装饰材料用铁素体不锈钢板表面的光泽度较低，但是上述先前技术并没有考虑这一点。另外，根据上述先前技术，在完成光整冷轧或平整后，在低温中进行时效处理，但是在这种情况下因为形成致密的氧化膜，所以会发生最终酸洗困难的问题。
另外，若想提高铁素体不锈钢的韧性，则应降低Cr,Mo,C,N的含量。但是，Cr,Mo含量的减少会降低耐腐蚀性，C,N含量的减少不仅会使工程变得困难，而且需要很多费用。因此在一定的Cr,Mo,C,N浓度下，应当在不降低耐腐蚀性的状况下提高韧性。另外在焊接时由于氮的污染，会引起韧性及耐腐蚀性的降低。所以为了满足建筑外装饰用材料的焊接要求，有必要对韧性、耐腐蚀性及焊接性等进行全面考虑，从而设计出各种成分，但是对此研究并不如意，前述的先前技术也是一样的。
本发明的目的在于提供一种耐腐蚀性及韧性，进而焊接性等各特性全面改善了的铁素体不锈钢。
本发明的另一目的在于提供一种不仅具有耐腐蚀性、韧性及焊接性，而且具有建筑外装饰用材料的重要特性，即具有适当光泽度的铁素体不锈钢的制造方法。
为了实现上述目的，根据本发明的铁素体不锈钢，各成分按重量百分比分别为C:0.015％以下，N:0.02％以下，Si:0.5％以下，Mn:0.5％以下，P:0.03％以下，S:0.004％以下，O:0.005％以下，Nb:0.36％以下，Ti:0.15％以下，Cu:0.5％以下，Al:0.15％以下，Mo:4％以下，Cr:24-32％，并且稳定性比(Nb+Ti/C+N)为8-24。
另外，为了实现上述另一目的的本发明的制造方法包括如下步骤对各成分按重量百分比分别为，C:0.015％以下，N:0.02％以下，Si:0.5％以下，Mn:0.5％以下，P:0.03％以下，S:0.004％以下，O:0.005％以下，Nb:0.36％以下，Ti:0.15％以下，Cu:0.5％以下，Al:0.15％以下，Mo:4％以下，Cr:24-32％，并且稳定性比(Nb+Ti/C+N)满足8-24的钢板进行均质化处理、热轧(hot rolling)、退火(annealing)及酸洗处理，然后进行冷轧(coldrolling)、、退火及酸洗处理，然后进行钝(dull)压延而使钢板的表面粗糙度(Ra:surface roughness)为1.5±0.5μm，再进行退火及酸洗处理。
下面对本发明作详细说明。
根据本发明的铁素体不锈钢的特征是第一，在本发明中，与过去的铁素体不锈钢相类似，作为稳定性元素，复合添加Ti+Nb，但是其添加的目的不同。在本发明中，以新阐明的Ti对焊接部展延性及酸洗后对耐腐蚀性产生影响的研究结果为基础，在考虑到Ti的添加量与Nb的关系后而进行调整。即提高焊接部成型性的同时，抑制粗大的TiN(2μm以下)析出，从而为了确保韧性而使Ti的含量最佳化。另外，为了抑制敏感性(sensitize inhibition)，代替Ti添加了Nb。
第二，在过去的铁素体不锈钢中，以Al作为脱氧剂添加的，但在本发明中以Al对韧性产生影响的研究结果为基础，对Al的含量进行控制(control)，与此同时考虑Al氧化物对耐腐蚀性产生的负面影响，通过控制氧的含量而限制Al氧化物的大小。
除此以外，考虑到对铁素体不锈钢要求的各种特性，对C+N,Si,Mn,P,S,O,Nb,Ti,Cu,Al,Mo,Cr,Nb+Ti进行控制，对此说明如下为了使韧性的降低最小化，应对上述C及N的含量分别控制在0.015％以下及0.02以下，并且由于其含量越少，材料的性质则越好，所以并不限制其最低限度。另外，考虑到敏感性，使C+N为0.03％以下为好。
上述Si作为提高脱氧及耐氧化性的元素，为了抑制韧性的降低，应控制在0.5％以内。
上述Mn作为提高脱氧的元素，因其降低介物MnS的耐腐蚀性，故应控制在0.5％以内。
因上述P不仅降低耐腐蚀性而且还降低韧性，故控制在0.03％以内。
因上述S降低耐腐蚀性，故控制在0.004％以内。
因上述氧增加介质的含量，从而降低韧性及耐腐蚀性，所以应尽可能控制氧的含量，故控制在0.005％以内。
虽然上述Cu在还原性环境下增加耐腐蚀性，但是在添加0.5％以上时，降低耐点腐蚀性(pitting corrosion resistance)、抗应力腐蚀性(stress corrosionresistance)及热加工性(hot workability)，故控制在0.5％以内。
到目前为止，上述Al主要是为了脱氧而添加的，但为了耐腐蚀性而最大限度地控制了其在钢中的含量。与此不同，在本发明中考虑到Al对韧性产生的影响，作为积极添加的元素，起到一种防止因添加Ti而使韧性降低的效果。但是，若过量添加Al，则因产生Al氧化物而降低耐腐蚀性，故Al控制在0.15％以内。在本发明中，为了最大限度地控制由于添加Al而产生的耐腐蚀性降低，把Al氧化物的大小控制在约小于1μm比较好。
到目前为止，上述Ti用以控制形成使敏感化及耐腐蚀性降低的MnS的形成。与此不同，在本发明中以Ti对韧性、焊接部的展延性及酸洗后的耐腐蚀性产生影响的新的试验结果为基础，调整Ti的添加量。作为建筑用材料，在不可避免地进行焊接时，添加有Ti的钢的焊接部韧性与没有添加Ti的钢的焊接部韧性相类似，但是在焊接部的展延性方面，添加Ti比较好。另外，添加有Ti的钢在酸洗后，其耐腐蚀性比没有添加Ti的钢好。所以，为了提高焊接部的展延性及酸洗后的耐腐蚀性而添加Ti，但是考虑到其韧性而使添加的上限控制在0.15％以内。因这种Ti凝固时形成TiN从而使韧性劣化，但是如果尽可能使TiN大小为约2μm，则可在一定程度上防止韧性劣化。若只考虑产品的韧性，则不添加Ti比较有利。
上述Nb是为了防止敏感性而添加的，若添加0.36％以上，则由于析出而使韧性降低，故最大含量为0.36％。
稳定性比((Ti+Nb)/(C+N))是考虑耐腐蚀性及韧性而决定的。在耐腐蚀性方面来说，适当的稳定性比为8左右，其可防止晶间腐蚀(integranularcorrosion)。但是，建筑外装饰用钢材经焊接工程而使用时，由于氮的渗透而使焊接部中的C+N增加，因此应提高稳定性比。但是如前述，若Ti增加，则韧性降低，因此应考虑由于焊接而发生的C+N量的增加以及韧性，而最终确定最佳稳定性比。通常，氮的污染程度由焊接方法决定，但会污染到约300ppm程度，考虑到这一点，应使原材料部的最大稳定性比为24，从而即使在焊接时C+N受到污染，也能保证焊接部的稳定比为8-10。这一程度的稳定性比可以防止韧性的急剧降低。如上所述，在本发明中，材料性质(耐腐蚀性，韧性)的最佳化方面，为了不使抗晶间腐蚀性因敏感化而急速降低，及为了同时确保韧性而把最佳稳定性比设定为8～24。
所以把最佳Nb含量设定为％Nb=(8～24)×％(C+N)-％Ti即可。
在此，(C+N)的百分比含量等于焊接部(C+N)的重量含量，考虑焊接部的展延性、耐腐蚀性及韧性后决定Ti即可。即，虽然原材料的(C+N)含量限制在0.03％，但由于焊接时空气中氮的污染，焊接部的氮浓度有可能增加，所以适当的Nb含量由污染程度及Ti含量而决定。
虽然上述Cr提高耐腐蚀性，但是随着Cr含量的增加，Cr(C,N)及Cr氧化物的析出度增加，从而引起韧性降低，故Cr的适当范围为24-32％。
虽然上述Mo提高耐腐蚀性，但由于高温相(σ,χ)析出而引起韧性降低，故Mo的适当范围为4％以内。对具有上述构成的钢板，以通常的方法经均质化处理、热轧、热轧板退火、酸洗、冷轧、冷轧板退火及二次酸洗等一系列工程制造冷轧板后，根据本发明进行钝(dull)压延、退火及最终酸洗处理，从而制造出具有一定光泽度的建筑外装饰用铁素体不锈钢板。
为了获得上述热轧前的冷轧板，以通常的制造方法进行，其具体制造方法举例说明如下。
在1100-1200℃下，对钢板进行30分至2小时均质化处理，然后进行压延，此时为了抑制热轧板发生脆化，进行水冷却比较好，水冷却在500-600℃下进行。按上述方法完成热轧后，在980-1050℃下进行1-5分钟的热轧板退火，为了清除退火锈皮而在混合酸溶液(硝酸+氢氟酸)中经约1-5分钟的沉积酸洗工程。完成酸洗处理的热轧板根据用途经冷轧而制造成冷轧板。冷轧板的退火及二次酸洗与上面所述的热轧后的退火及酸洗条件相类似。因冷轧板的厚度薄，所以退火及酸洗时间比热轧板的退火及酸洗时间短。
对退火的冷轧板进行酸洗后，根据本发明进行钝压延。过去进行钝压延是为了在铁素体不锈钢板表面上形成花纹，而在轧辊表面上以化学方法形成花纹后进行。与此不同，在本发明中是为了降低钢板的光泽度而进行。此时，应注意的是，为了降低钢板的光泽度而增加钢表面的V粗糙度时，即钢表面的粗糙形状以极端地深或形成棱角，则在使用时因大气中的污染物质易于附着，因此容易引起腐蚀。因此钢板花纹的沟不应过深以及不应形成棱角，为流线形比较好。这可通过适当地调整钢板表面的粗糙状而实现。
即，对钢板表面进行钝压后，其表面粗糙度(粗糙度Ra)为1.5±0.5μm比较好。这是考虑到光泽度及抗腐蚀而设定的。
以上述方法钝压延后进行退火，一般情况下，退火的目的是为了使材料软质化。但是钝压延时的下压率只有约6％，因此以上述条件退火时，会使材料的软化过度，所以会降低材料性质。实际例子中，冷轧后的硬度(Hv)是190，把该材料退火时，其硬度(Hv)约为150。但是在钝压延后，跟前述相同的条件进行退火时，其硬度(Hv)约130，表明其材料过度软化。因此，钝压延后进行的退火条件与冷轧板退火条件相比，要求温度低及要求维持时间短。例如在850-1100℃下进行。酸洗溶液与一次酸洗时使用的相同，但因钝压延后退火的板，由于其粗糙度高从而使酸洗比较困难，所以稍微延长酸洗时间为好。
根据本发明制造的铁素体不锈钢不仅满足低光泽度的特性，而且不以过去的技术(韩国专利公报第95-3159号)在低温下进行时效处理也不会发生pocket wave。
下面通过优选实施例对本发明作详细说明。表1表示用于本发明实施例中的25kg钢锭(ingot)的化学成分。
由上述构成的各钢锭在真空感应炉(vacuuminduction furnace)中溶解后，在Ar环境下，在1200℃下经2小时的热处理而完成均质化处理，再经热轧成6mm厚度后进行水冷却，然后进行退火及酸洗，再经冷轧后，在1050℃中进行了30秒钟的冷轧板退火。试验前对各试板研磨至SIC#200。为了评价焊接部试板的品质特性，焊接工艺是在下表2中列出的条件下进行的。
对上述试板作了如下评价(1)敏感度(2)焊接部母材的韧性变化(3)焊接部展延性(4)耐腐蚀性(5)光泽度(1)敏感度母材的敏感度通过EPR试验(Corrosion vol 40 1984,584-593)及Lee提出的沉积试验(Corrosion vol 37 1981,437_443)而测出，焊接部的敏感度通过Modified strauss test(ASTM A262-91A-F)而测出。用于敏感度试验的母材试板，试验前在620℃中进行了10分钟的敏感化处理。表3中列示了敏感度的测定结果。
根据上表3显示的母材部试验结果，当稳定性比为7.6时，没有发生敏感化，但是当稳定性比为0时发生了敏感化。另外，在焊接部，稳定性比为10左右时没有发生敏感化，但是当稳定性比为7.6时发生了敏感化。因此稳定性比为10左右比较适当。
(2)焊接部母材的韧性变化表4列示了根据稳定性元素及Al的焊接部母材的韧性变化。在此，韧性-脆性转变温度(ductility brittleness transitiontemperature)越低，则表示韧性越高。
从上表4可知，母材部的韧性是以下述顺序增加的。
未添加钢＜Ti+Nb添加钢＜Ti+Nb+Al添加钢＜Nb+Al添加钢。
(在此，未添加钢表示没有添加Ti,Nb,Al)如上所述，建筑外装饰用铁素体不锈钢的韧性由添加的稳定性元素Ti、Nb及Al决定。具体地说，没有添加Ti、Nb及Al的钢(1-2)中，由于形成Cr(C,N)，所以其韧性非常脆弱。另外，添加0.1％Ti的钢(6,12)，由于在材料内部形成角形形态的TiN，所以发现未添加Ti的钢与添加Nb+Al(Nb)的钢(13,15,16,17)相比，其韧性降低。复合添加有Ti+Nb+Al的钢(12,14)中，随着Ti含量的减少，其韧性增加，这是因为随着Ti含量的减少，所形成的TiN减少的缘故。因此，为了提高韧性不添加Ti为好。
韧性优秀的钢(与添加有Ti的钢相比，没有添加Ti而添加Nb或Nb+Al的钢)中，发现Nb中添加有Al钢的韧性最为优秀(5,7,11,13,15,16,17)。添加Al的钢与未添加Al的钢相比，虽然其韧性提高了，但是并没有表现出直线关系。即，随着Al的添加，其韧性也增加，但超过了某一临界浓度后，其韧性开始降低(13,15-17)。添加微量Al时，能够使韧性提高的原因是，钢中的氧浓度降低以及抑制了氧化物的形成，随着Al的添加，使韧性降低的原因是由于固溶Al的增加而引起的固溶强化(solid solutionhardening)。所以，Al的最佳添加量为，在钢中氧浓度的减少不发生急剧变化的范围内的最少添加量，0.03％比较适当。但是，由于Al的添加量是由通过Al的脱氧工艺前阶段的钢中的氧含量而决定，所以Al添加量的最大值定为约0.15％。如前所述，母材的韧性以上述添加元素顺序而增加，焊接部的韧性也表现出相同的倾向，但与母材相比，根据合金元素的焊接部上的韧性变化非常小。
(3)根据稳定性元素及Al的焊接部展延性表5列示了根据稳定性元素及Al的焊接部展延性的变化。在此Erichen值越大表示展延性越好。
从上表5可知，与单独添加Nb的钢相比，复合添加Ti,Nb的钢的展延性更加优秀。
(4)耐腐蚀性表6列示了耐腐蚀性的测定结果。耐腐蚀性是在80℃,20％NaCl溶液(盐水条件)中，通过极化试验(polarizarion testing)在点腐蚀电压(pittingcorrosion potential)及钝态涂层(passivity coating)中测得的电流。对极化前的试板进行两种处理(研磨或最终酸洗)。
从上述表6可知，在研磨试板中，单独添加Nb钢的耐点腐蚀性最为优秀，但是在最终酸洗的试板中，添加Nb+Ti+Al钢的耐点腐蚀性最为优秀。一般情况下，生产工程中酸洗作业为最终工程，另外为了提高韧性，在考虑到要求添加Al的事实，在耐腐蚀性方面，可判断添加Nb+Ti+Al的钢最好。
(5)光泽度及表面特性表7中列示了光泽度及表面特性。AP为一般的冷轧酸洗工程，是冷轧后进行酸洗的方法。BA是冷轧后不经退火-酸洗工程，而经光亮退火(bright annealing)的方法。DR是冷轧、退火及酸洗后，进行光整冷轧或平整时，利用高粗糙度的轧辊(Ra=1.5μm)进行压延，从而提高钢板的粗糙度后进行退火及酸洗的表面处理方法(热轧法)。上述热轧法在二次压延时，只是以把刻于轧辊上的纹印到钢板上的程度把下压率设为6％左右。
从上述表7可知，若根据本发明进行热轧，则与BA,AP方法相比能更有效地降低光泽度。一般情况下，冷轧后，为了钢板的表面处理而进行退火、酸洗及光整冷轧或平整，从而制成钢板。以屋顶材料使用时，为了美观以及为了降低金属固有的高光泽度特性，以钝压延方法代替光整冷轧或平整为比较有利。
通过上述实施例获得的结果如下。
当材料不需要焊接使用时，在耐腐蚀性及韧性方面，添加有Nb+Al的钢最为适当。但是当材料需要焊接使用时，合金元素对焊接部韧性变化所起的作用并不理想，而添加有Ti+Nb+Al的钢中，其焊接部的韧性比较优秀。为了以建筑外装饰材料使用，降低其光泽度是必须的，为此对经粗糙度大的轧辊压延后的钢板进行酸洗是必须的。为了降低光泽度而进行表面酸洗处理工程后，发现添加有Ti+Nb+Al的钢的耐腐蚀性最为优秀。因此，为了以建筑外装饰材料使用，酸洗及焊接不可避免，为此复合添加有Ti,Nb,Al的钢在耐腐蚀性及韧性方面最为优秀。Ti,Al时，适当地控制TiN的析出物及氧化物大小则更好。
如上所述，根据本发明，可提供具有符合要求的耐腐蚀性、韧性、焊接性及光泽度的建筑外装饰用铁素体不锈钢。
权利要求
1．一种建筑外装饰用铁素体不锈钢板，其包含按重量％，C:0.015％以下，N:0.02％以下，Si:0.5％以下，Mn:0.5％以下，P:0.03％以下，S:0.004％以下，O:0.005％以下，Nb:0.36％以下，Ti:0.15％以下，Cu:0.5％以下，Al:0.15％以下，Mo:4％以下，Cr:24-32％以及剩余部分的Fe和其他不可避免的不纯物，其特征在于，C+N为0.03％以下；及稳定性比((Nb+Ti)/(C+N)为8-24。
2．按照权利要求1所述的铁素体不锈钢板，其特征在于上述铁素体不锈钢板的表面粗糙度(Ra)为1.5±0.5μm。
3．按照权利要求1所述的铁素体不锈钢板，其特征在于上述Al为0.003-0.15％。
4．按照权利要求3所述的铁素体不锈钢板，其特征在于上述铁素体不锈钢板中分散的铝氧化物大小为1μm以下。
5．按照权利要求1所述的铁素体不锈钢板，其特征在于上述Ti为0.025-0.15％。
6．按照权利要求5所述的铁素体不锈钢板，其特征在于上述铁素体不锈钢板中分散的钛与氮的析出物(TiN)的大小为2μm以下。
7．一种制造建筑外装饰用铁素体不锈钢的方法，其包括如下步骤:制造按重量％包含，C:0.015％以下，N:0.02％以下，Si:0.5％以下，Mn:0.5％以下，P:0.03％以下，S:0.004％以下，O:0.005％以下，Nb:0.36％以下，Ti:0.15％以下，Cu:0.5％以下，Al:0.15％以下，Mo:4％以下，Cr:24-32％以及剩余部分的Fe和其他不可避免的不纯物，C+N为0.03％以下；稳定性比((Nb+Ti)/(C+N)为8-24的铁素体不锈钢板的阶段；对上述金属板进行均质化处理后，经热轧而制成热轧钢板的阶段；对上述热轧钢板进行热退火及酸洗处理的阶段；对上述退火、酸洗处理过的金属板进行冷轧从而制成冷轧钢板的阶段；对上述冷轧钢板进行冷退火及酸洗处理的阶段；对上述退火、酸洗处理过的冷轧钢板进一步进行钝压延从而使钢板表面的粗糙度达到1.5±0.5μm的阶段；及对上述钝压延过的钢板进行退火及酸洗处理的阶段。
8．按照权利要求7所述的制造方法，其特征在于上述钝压延阶段中，经过钝压延在钢板的表面上形成流线形的凹凸状。
全文摘要
根据本发明的铁素体不锈钢,按重量百分比包括:C:0.015%以下，N:0.02%以下,Si:0.5%以下,Mn:0.5%以下,P:0.03%以下,S:0.004%以下,O:0.005%以下,Nb:0.36%以下,Ti:0.15%以下,Cu:0.5%以下,Al:0.15%以下,Mo:4%以下,Cr:24－32%以及剩余部分的Fe和其他不可避免的不纯物,其中稳定性比((Nb+Ti)/(C+N))为8－24,Al氧化物的大小为1μm以下,Ti与N的析出物的大小为2μm以下。
文档编号C22C38/28GK1314499SQ0010435
公开日2001年9月26日 申请日期2000年3月16日 优先权日2000年3月16日
发明者金熙山, 李庸得, 金泳台 申请人:浦项综合钢铁株式会社