专利名称：成形性优良的铁素体系不锈钢板及其制造方法
技术领域：
本发明特别涉及最适宜用于要求具有高温强度和抗氧化性的汽车排气系统构件等的成形性优良的铁素体系不锈钢板及其制造方法。
背景技术：
在汽车排气岐管和消音器等排气系统构件中，一般使用要求具有高温强度和抗氧化性、且耐热性优良的铁素体系不锈钢。这些构件借助于压力加工由钢板而制造，因此要求母材钢板具有压力成形性。另一方面，使用的环境温度也逐年提高，有必要增加Cr、Mo、Nb等合金元素的添加量而提高高温强度、抗氧化性以及热疲劳特性等。当添加元素增加时，采用简单的制造方法便会使母材钢板的加工性降低，因此常常不能进行压力成形。
加工性的指标有延性和深拉深性等，但在上述排气构件的加工中，重要的有成为基本指标的伸长率和r值。在r值的提高方面，加大冷轧压下率是有效的，但是，上述构件将较厚的材料(1.5～2mm左右)用作母材，所以在冷轧母材的厚度受到某种程度限制的现行制造工艺中，不能充分确保冷轧压下率。
为了解决这一问题，在成分和制造方法上下了许多工夫，以便无损于高温特性而使r值得以提高。
在现有技术中，特开平9-279312号公报已经公开了如下的技术，即通过成分调整来提高上述用作耐热钢的铁素体系不锈钢板的成形性，如果只是这样，则对于冷轧压下率较低的加厚材，存在冲压裂纹等问题。
特开2002-30346号公报规定了热轧精轧开始温度、终轧温度，以及根据Nb含量与热轧板退火温度之间的关系确定的最佳热轧板退火温度，但特别地，由于与Nb系析出物有关的其它元素(C、N、Cr、Mo等)的影响，如果只是这样，则常常不能获得充分的加工性。另外，特开平8-199235号公报公开了将热轧板于650～900℃的范围进行1～30小时的时效处理的方法。这是在冷轧前通过使Nb析出物析出而促进再结晶的技术思想，但即便使用该方法，也常常不能获得充分的加工性，存在生产效率显著下降的课题。一般地说，热轧钢板卷取成卷材而提供给下道工序，但已经判明当以卷取状态实施时效处理时，卷材的长度方向(最外卷取部和最内卷取部)的组织以及进行成品加工时的加工性明显地不同，从而使不均匀性增大。
发明内容
本发明提供一种现有技术问题得以解决、且成形性优良的铁素体系不锈钢板。
为了解决上述课题，本发明者对于铁素体系不锈钢板的成形性，就成分和制造过程的组织、析出物进行了详细地研究，从而完成了以下所述的发明。
上述课题得以解决的本发明的要点如下(1)一种成形性优良的铁素体系不锈钢板，其特征在于以质量％计，含有C0.001～0.010％、Si0.01～0.3％、Mn0.01～0.3％、P0.01～0.04％、N0.001～0.020％、Cr10～20％、Nb0.3～1.0％、Mo0.5～2.0％，余量由Fe和不可避免的杂质构成，其中总析出物以质量％计为0.05～0.60％以下。
(2)根据(1)所述的成形性优良的铁素体系不锈钢板，其特征在于以质量％计，进一步含有Ti0.05～0.20％、Al0.005～0.100％、B0.0003～0.0050％之中的1种、2种或更多种。
(3)根据(1)或(2)所述的成形性优良的铁素体系不锈钢板，其特征在于以质量％计，进一步含有Cu0.2～3.0％、W0.01～1.0％、Sn0.01～1.0％之中的1种、2种或更多种。
(4)一种成形性优良的铁素体系不锈钢板的制造方法，其特征在于制造具有(1)～(3)的任一项所述的成分组成的冷轧母材，使其Nb系析出物以体积％计为0.15％～0.6％且直径为0.1μm～1μm，接着进行冷轧，并于1010～1080℃的温度下进行退火。
(5)一种成形性优良的铁素体系不锈钢板的制造方法，其特征在于制造具有(1)～(3)的任一项所述的成分组成的冷轧母材，使其再结晶晶粒直径为1μm～40μm且再结晶率为10～90％，接着进行冷轧，并于1010～1080℃的温度下进行退火。
(6)一种成形性优良的铁素体系不锈钢板的制造方法，其特征在于制造具有(1)～(3)的任一项所述的成分组成的冷轧母材，使其Nb系析出物以体积％计为0.15％～0.6％且直径为0.1μm～1μm、并且使再结晶晶粒直径为1μm～40μm且再结晶率为10～90％，接着进行冷轧，并于1010～1080℃的温度下进行退火。
图1表示成品板的析出量与伸长率之间的关系。
图2表示加热到700～950℃时，析出的Nb系析出物量与成品板的r值之间的关系。
图3表示冷轧母材的Nb系析出物直径与成品板的r值之间的关系。
图4表示冷轧母材的再结晶晶粒直径、再结晶率与r值和Δr值之间的关系。
具体实施例方式
下面就本发明的限定理由进行说明。
Cr从耐蚀性的角度考虑，需要添加10％或以上，但添加量超过20％时，因韧性退化而引起加工性变差，除此以外，材质也发生退化。因此，Cr的范围设定为10～20％。再者，从确保抗氧化性以及高温强度的角度考虑，Cr优选为13～19％。
Nb从固溶强化以及析出强化的角度考虑，它是用于提高高温强度的必要元素。另外，以碳氮化物的形式将C和N固定下来，还具有的作用是发展对成品板的耐蚀性和r值产生影响的再结晶织构。其作用在Nb为0.3％或以上时可以表现出来，因此下限设定为0.3％。另外，本发明控制冷轧前的Nb系析出物(Nb碳氮化物和以Fe、Cr、Nb、Mo为主成分的金属间化合物即拉维斯相)以提高加工性，因此，需要有足以固定C、N的Nb添加量。其效果在1.0％时达到饱和，因此上限设定为1.0％。再者，考虑到制造成本以及生产效率，优选为0.35～0.55％。
Mo使耐蚀性提高，同时为了控制高温氧化，对耐热钢来说是必要的元素。另外，也是拉维斯相生成元素，为了控制拉维斯相的生成并使加工性得以提高，0.5％或以上是必要的。这是因为在低于0.5％时，不会析出为发展再结晶织构所必要的拉维斯相，因而成品板的再结晶织构也不会发达。另外，考虑到通过Mo的固溶而确保高温强度，Mo的下限设定为0.5％。但是，过量的添加将导致韧性的退化以及伸长率的降低，因此上限设定为2.0％。再者，考虑到制造成本和生产效率，优选为1.0～1.8％。
C使成形性和耐蚀性退化，因此其含量越少越好，故上限设定为0.010％。但是，过度的减少将导致精炼成本的增加，因此下限设定为0.001％。再者，考虑到生产成本和耐蚀性，优选为0.002～0.005％。
Si除了有时添加作为脱氧元素以外，还具有提高抗氧化性的作用，但由于是固溶强化元素，从材质上说其含量越少越好。另外，Si的添加具有促进拉维斯相生成的作用，过多地添加时，拉维斯相生成量增多，但微细析出将导致r值的降低，因此适度添加是有效的。本发明考虑制造工序中拉维斯相析出量以及尺寸，将上限设定为0.3％。另一方面，为了确保抗氧化性，将下限设定为0.01％。但是，过度的减少将导致精炼成本的增加，因此下限优选为0.05％。再者，从材质的角度考虑，上限优选为0.25％。
Mn与Si一样是固溶强化元素，因此，从材质上说其含量越少越好，所以上限设定为0.3％。另一方面，为了确保氧化皮的附着性，下限设定为0.010％。但是，过度的减少将导致精炼成本的增加，因此下限优选为为0.10％。再者，从材质的角度考虑，上限优选为0.25％。
P与Mn和Si一样是固溶强化元素，从材质上说其含量越少越好，所以上限设定为0.04％。但是，过度的减少将导致精炼成本的增加，因此下限优选为0.01％。再者，考虑到生产成本和耐蚀性，进一步优选为0.015～0.025％。
N与C一样使成形性和耐蚀性退化，因此其含量越少越好，故上限设定为0.020％。但是，过度的减少将导致精炼成本的增加，因此下限设定为0.001％。再者，考虑到生产成本、加工性以及耐蚀性，优选为0.004～0.010％。
Ti与C、N、S相结合可提高耐蚀性、耐晶间腐蚀性、以及深拉深性，是根据需要添加的元素。固定C、N的作用从0.05％开始表现出来，因此其下限设定为0.05％。另外，通过与Nb的复合添加，能够使长时间暴露在高温中的高温强度得以提高，也有利于抗氧化性以及耐热疲劳性的提高。但是，过量的添加将导致炼钢过程的可生产性问题和冷轧工序的缺陷的发生，或者由于固溶Ti的增加而引起材质的退化，因此上限设定为0.20％。再者，考虑到生产成本等因素，优选为0.07～0.15％。
Al有时作为脱氧剂而添加，其作用从0.005％开始表现出来，因此下限设定为0.005％。另外，添加量超过0.100％时，将导致伸长率的降低、焊接性和表面品质的退化以及抗氧化性的下降等，因此上限设定为0.10％。再者，考虑到精炼成本，优选为0.01～0.08％。
B是通过晶界偏析而使成品的2次加工性能提高的元素，因为该作用的表现是从0.0003％开始的，因此下限设定为0.0003％。但是，过量的添加将导致加工性、耐蚀性的降低，因此上限设定为0.0050％。再者，考虑到成本因素，优选为0.0005～0.0010％。
Cu、W以及Sn为了高温强度的更加稳定化，可以根据用途进行添加，当Cu的添加量为0.2％或以上、W和Sn的添加量为0.01％或以上时，则表现出有利于高温强度的作用。另一方面，当Cu的添加量超过3.0％、W和Sn的添加量超过1.0％时，则除了使延性明显退化以外，还产生表面缺陷。再者，考虑到生产成本和可生产性，Cu优选为0.5～2.0％，W、Sn优选为0.1～0.5％。
像本发明那样以耐热用途而使用的钢，因其合金添加量较多，故而总析出物比一般钢更多地生成。本发明已经发现成品板的总析出物含量对冲压成形性将产生很大影响，以质量％计设定为0.60％或以下是有效的。图1表示成品板的析出量与伸长率之间的关系。在此，使用10％乙酰丙酮+1％四甲基氯化铵+甲醇，电解抽取出总析出物，求出总析出物的质量％即为析出量；根据JISZ2241，在轧制方向进行拉伸试验时的断裂伸长率即为伸长率。由此，当析出量为0.5％或以下时，可以得到35％或以上的伸长率，能够得到耐热钢板的压力加工所要求的延性。成品板的总析出量受成分和制造过程中热处理温度的影响。在本发明的钢成分范围内，可以将冷轧板的退火温度设定为1010℃或以上，但过度的高温退火将伴随着晶粒直径的粗大化，在进行压力加工时将导致表面粗糙和从粗糙部位的断裂，因而在1080℃或以下即可。析出量的下限越低，伸长率越提高，但过度的降低将导致高温特性的退化，因此下限设定为0.05％，优选为0.10～0.50％。
下面就制造工序中冷轧母材的组织进行说明。
本发明产品的主要使用用途是耐热构件，作为耐热构件的钢，要求具有优良的高温特性，因而将添加Cr、Nb以及Mo。前面已经提及了这些元素的范围，但添加它们的钢在制造工序和使用中，将析出Nb系析出物(被称为主要含有Nb碳氮化物和Nb、Mo、Cr的拉维斯相的金属间化合物)。该析出物在950℃或以下析出，本发明仔细研究了该析出量对成品板加工性的影响。图3表示将冷轧母材加热到700～950℃时Nb系析出物的析出量(质量％)与成品板的r值之间的关系。在此，析出量是通过抽取残渣分析而求出析出的Nb量。另外，关于平均r值的评价，是由冷轧退火板裁取JIS13号B拉伸试片，继而在轧制方向、与轧制方向成45°角的方向、与轧制方向成90°角的方向施加15％变形，然后用式(1)以及式(2)计算出平均r值。
R＝ln(W0/W)/ln(t0/t) 式(1)式中W0表示拉伸前的板宽，W表示拉伸后的板宽，t0表示拉伸前的板厚，t表示拉伸后的板厚。
平均r值＝(r0+2r45+r90)/4式(2)式中r0表示轧制方向的r值，r45表示与轧制方向成45°角的方向上的r值，r90表示与轧制方向垂直的方向上的r值。从图2可以看出，当Nb系析出物析出0.15％或以上时，r值达1.4或以上。像该钢那样的耐热钢板所希望的r值只要为1.4或以上即可，因此将上述数值设定为本发明的范围。另外，即使Nb析出物超过0.6％，r值的效果也达到饱和，且有损于材料的韧性，因此上限设定为0.6％。优选的范围是0.2～0.6％。
本发明已经发现，不只是Nb系析出量，而且析出物的尺寸对r值也是重要的。也就是说，即使Nb析出量多，在其微细析出的情况下，于冷轧板退火时的再结晶和晶粒生长过程中，阻碍母相的再结晶和晶粒生长，因此r值并不提高。图3表示存在于冷轧母材中的析出物直径与成品板r值之间的关系。在此，所谓析出物直径是指利用电子显微镜就成品板析出物进行观察并测定形状后，换算得到的当量圆直径。求出100个或更多个析出物的当量圆直径后，将其平均值设定为析出物直径。由此，当存在于冷轧母材中的析出物直径为0.1μm或以上时，r值达1.4或以上。但超过1μm时，其效果达到饱和，且有损于材料的韧性，因此优选的范围是0.1μm～1μm，进一步优选的范围以0.2μm～0.6μm为宜。
正如上面说叙述的那样，冷轧母材可以使用完全再结晶的母材，因此可以确定热轧以及退火条件。但是已经判明，即使得到完全再结晶组织，如果再结晶的晶粒粗大，有时也难以得到所期待的r值。另外，对于使用该钢的耐热构件的加工，不仅要求r值，而且有时也要求r值的各向异性要小些。以Δr定义r值的各向异性，当该值较大时，将带来加工件的形状不良和成品率下降等问题，因此该部件要求具有Δr为0.4或以下的特性。也就是说，对该加工而言，要求高r值、低Δr，本发明发现，与以前不同的冷轧母材组织是极其有效的。图4表示冷轧母材的再结晶晶粒直径、再结晶率与成品板的r值和Δr之间的关系。由此可知，当优选的再结晶晶粒直径范围为1μm～40μm时，r值达1.4或以上，进而再结晶率为90％或以下时，Δr值达0.4或以下。其中，Δr值可用式(3)求出。
Δr值＝(r0+r90)/4-2r45式(3)这可以认为，在微细化冷轧前的组织时，冷轧中容易引入来自晶界的变形带，于冷轧板退火时容易形成使r值提高的再结晶织构。另外，当冷轧前组织的再结晶率为90％或以下时，起因于热轧组织的非再结晶组织部的取向对各向异性的降低起着主导的作用。再结晶率过低时，将导致成品的伸长率的降低，因此优选的再结晶率设定为10～90％。
实施例熔炼表1和表3所示成分组成的钢并将其铸造成板坯，继而热轧板坯使之成为5mm厚的热轧钢卷。然后，对一部分热轧钢卷进行热轧板退火和酸洗，对另一部分钢卷只进行酸洗处理，继而冷轧至2mm厚，之后进行连续退火和酸洗，便得到成品板材。冷轧板的退火是在1010～1080℃的温度下，保持30～120秒钟后进行空冷。由这样得到的成品板裁取试片，用前述方法就r值和Δr进行了测定。另外，通过拉伸试验(JIS13号B)测定了轧制方向的常温伸长率。再者，测定了950℃下的高温强度(屈服强度)。对耐热钢而言，如果常温伸长率为35％或以上、高温强度为20MPa或以上，就能够满足严格的压力加工以及耐久性要求。
表2、表4清楚地表明，当采用本方法制造具有本发明规定的成分组成的钢时，与比较例相比，平均r值和常温伸长率较高且Δr较低，从而加工性优良。另外，高温强度也满足上述范围。在此，关于冷轧母材的Nb系析出物量、尺寸、再结晶晶粒直径以及再结晶率，根据钢成分改变热轧板的退火条件可以对其加以调整。根据钢成分的不同，有时即使不实施热轧板退火也能进入本发明的范围。另外，添加Cu、W、Sn时，将带来高温强度的进一步提高以及耐热部件疲劳寿命的延长。
此外，板坯厚度以及热轧板厚度等可以进行适当的设计，关于热轧板的退火条件，可以适当选择冷轧前的析出物以及组织形态进入本范围的条件，根据成分的不同，也可以省略热轧板的退火工序。另外，进行冷轧时，可以适当选择压下率、轧辊粗糙度、轧辊直径、轧制油、轧制道次数、轧制速度以及轧制温度等。在冷轧途中，如果采用引入中间退火的2次冷轧法，则特性将得到进一步的提高。根据需要，中间退火和最终退火可以是在氢气或氮气等的无氧化气氛中进行退火的光亮退火，也可以是在大气中进行的退火。
表1
表2
表3
*偏离本发明的数据表4
*偏离本发明的数据根据本发明，不需要新型的设备便能够高效地提供成形性优良的铁素体系不锈钢板。
权利要求
1.一种成形性优良的铁素体系不锈钢板，其特征在于以质量％计，含有C0.001～0.010％、Si0.01～0.3％、Mn0.01～0.3％、P0.01～0.04％、N0.001～0.020％、Cr10～20％、Nb0.3～1.0％、Mo0.5～2.0％，余量由Fe和不可避免的杂质构成，其中总析出物以质量％计为0.05～0.60％以下。
2.根据权利要求1所述的成形性优良的铁素体系不锈钢板，其特征在于以质量％计，进一步含有Ti0.05～0.20％、Al0.005～0.100％、B0.0003～0.0050％之中的1种、2种或更多种。
3.根据权利要求1或2所述的成形性优良的铁素体系不锈钢板，其特征在于以质量％计，进一步含有Cu0.2～3.0％、W0.01～1.0％、Sn0.01～1.0％之中的1种、2种或更多种。
4.一种成形性优良的铁素体系不锈钢板的制造方法，其特征在于制造具有权利要求1～3的任一项所述的成分组成的冷轧母材，使其Nb系析出物以体积％计为0.15％～0.6％且直径为0.1μm～1μm，接着进行冷轧，并于1010～1080℃的温度下进行退火。
5.一种成形性优良的铁素体系不锈钢板的制造方法，其特征在于制造具有权利要求1～3的任一项所述的成分组成的冷轧母材，使其再结晶晶粒直径为1μm～40μm且再结晶率为10～90％，接着进行冷轧，并于1010～1080℃的温度下进行退火。
6.一种成形性优良的铁素体系不锈钢板的制造方法，其特征在于制造具有权利要求1～3的任一项所述的成分组成的冷轧母材，使其Nb系析出物以体积％计为0.15％～0.6％且直径为0.1μm～1μm，并且使再结晶晶粒直径为1μm～40μm且再结晶率为10～90％，接着进行冷轧，并于1010～1080℃的温度下进行退火。
全文摘要
本发明提供一种成形性优良的铁素体系不锈钢板，其以质量％计，含有C0.001～0.010％、Si0.01～0.3％、Mn0.01～1.0％、P0.01～0.04％、Cr10～20％、N0.001～0.020％、Nb0.3～1.0％、Mo0.5～2.0％，余量由Fe和不可避免的杂质构成，其中总析出物以质量％计为0.05～0.60％以下。本发明还提供一种上述成形性优良的铁素体系不锈钢板的制造方法，在制造过程中制造冷轧母材，使其Nb系析出物以体积％计为0.15％～0.6％且直径为0.1μm～1μm、和/或使再结晶晶粒直径为1μm～40μm且再结晶率为10～90％，接着进行冷轧，并于1010～1080℃的温度下进行退火。
文档编号C22C38/32GK1788102SQ20058000034
公开日2006年6月14日 申请日期2005年3月29日 优先权日2004年4月7日
发明者滨田纯一, 小野直人, 井上宣治, 木村谦 申请人:新日铁住金不锈钢株式会社