专利名称：一种高强度和高硬度的中铬铁素体不锈钢及其制造方法
技术领域：
本发明涉及铁 素体不锈钢，特别是涉及高強度和高硬度的中铬铁素体不锈钢及其制造方法。
背景技术：
中铬铁素体不锈钢铁在铁素体不锈钢家族中占有非常重要的地位。与低铬铁素体不锈钢相比，它有着更好的耐蚀性，与高铬铁素体不锈钢相比，又有着优良的成型性，因此非常适合于家电、厨卫制品等对耐蚀性和成型性都有一定要求的行业。以典型的中铬铁素体不锈钢SUS430为例，其在家电等行业的用途已经十分广泛，从微波炉内外壳、洗衣机内桶、电饭煲、电热水器内胆、电热水瓶等种类繁多的家用电器，到洗碗机、烤箱、灶具、消毒碗柜等厨卫设备、餐具、五金产品等，以及其它各种箱、柜、台、架等。我国是一个家电生产大国，但目前主要使用304奥氏体不锈钢和430铁素体不锈钢，而国外如美国和日本则以铁素体钢为主。近年来，随着国际镍价的波动，铁素体不锈钢的成本优势更加突出。因此，在我国鉄素体不锈钢尤其是中铬铁素体不锈钢在市场上有着巨大的使用空间。众所周知，430不锈钢是铁素体不锈钢家族中最为常用的ー种中铬铁素体不锈钢，但是，常规430在很多行业的应用又受到了一定的限制，其中有ー个很重要的原因是常规430的力学性能不能满足用户的要求，包括強度和硬度。一个比较突出的例子是在餐具制造行业，430由于优良的性价比已经得到了较为广泛的应用，但是某些高端餐具制造企业，由于常规430的力学性能不理想，在出口欧洲或美国时，受到了购买商的质疑。最終使生产厂家不得不改用其他材料。除了在餐具制造行业外，其他行业如洁具，厨具，电轨电刷，硬盘盒制造等，为了保证这些产品在受一定载荷作用下不会发生变形断裂使产品失效，或者在制造过程中表面更容易抛光，这些制造行业都对430的力学性能提出了更高的要求。目前，国内国外的一些不锈钢生产企业已经看准了高强铁素体不锈钢的应用前景，纷纷推出高强铁素体不锈钢的ー些产品。但是应该看到，无论是从成分上还是エ艺上改进，要提高中铬铁素体的強度，都还有很多技术难点要攻克。以常用中铬铁素体不锈钢430为例，首先，430 —般在退火状态下使用，使用组织为铁素体和碳化物，晶粒度一般为8级左右，因此很难再通过相变和晶粒细化来強化基体。其次，通过添加微合金元素的析出强化效果来提高材料強度，需要严格控制成分配比，轧制及热处理工艺，エ艺输出窗ロ较窄，生产难度较大。CN101050509A公开了 ー种高强高韧性的马氏体不锈钢，其强度达到了1700-1800MPa，该钢化学组成成分为(质量百分数)C彡O. 02%，Si彡O. I % ,Mn彡O. I %，S^O. 01%,P^O. 01%,Cr 10. 0-11. 5%,Ni 11. 7-12. 5%,Mo O. 5-2. 0%,Ti I. 2-1. 7%,Al 0.02-0. 5%，其余为Fe。该发明与现有技术相比具有低成本、高強度、高断裂韧性、高耐蚀的优点。但是该发明的主体是马氏体不锈钢，由于马氏体组织可以通过高温下奥氏体冷却得到，并产生相变强化，使钢材的強度得到大幅的提高，但是与之相对应的是材料的塑性和韧性大幅下降，因此该发明只能应用在对材料的塑性和韧性要求不是太高的地方，应用范围受到很大的限制。，CN1334883A公开了ー种耐延迟断裂性能优良的高强高韧不锈钢，该发明提供了一种建筑建材用的可以耐延迟断裂性能和提高韧性的高强高耐蚀不锈钢。该发明具体内容是，提供这样ー种耐延迟断裂性能优良的高强高韧不锈钢及不锈钢螺丝及其制造方法，即它以质量百分比，含有 O. 01-0. 25 % 的 C、0. 05-1. O % 的 Si、0. 1-2. O % 的 Mn,O. 1-3. O % 的Ni、11. 0-16. 0% 的 Cr, O. 01-0. 15% 的 Ν、0· 01-3. 0% 的 Mo，或者还含有 O. 001-0. 005% 的 B和/或O. 05-0. 5 %的Ti、O. 05-0. 5%的Nb和O. 05-0. 5 %的W中的ー种以上元素，它在材料中心部具有不到10%的铁素体并且从最外表面起至少I微米深的表层部具有马氏体和3-30%奥氏体的混合组织。需要注意的是该发明的強度由表面的奥氏体和马氏体来保证，而韧性由心部的铁素体组织来保证，这种设计虽然能同时提高材料的強度和韧性，但是热处理工艺复杂，成本较高。JP2004307901A公开了ー种具有优良力学性能铁素体不锈钢及其生产方法。该钢 的成分包含了合适的 C，N，Si，Mn，P，S，Cr, Cu，Ni，Mo，Al，和 Ti，并且满足 100Ρ% +Μο%彡3. 5%，Si%+Mn%+Ni%+Cu%彡O. 5%。该发明最终成品的晶粒度在7到10级。该发明通过控制元素含量满足一定的公式来控制钢种中第二相析出強化的效果，并通过控制晶粒度来提高钢材的性能，但需要指出的是在现实生产中，要精确元素的含量满足一定的公式并非一件容易的事情，另外该发明中含有Cu，Ni等贵金属，无疑增加了该发明的成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度和高硬度的中铬铁素体不锈钢。传统中铬铁素体不锈钢在耐蚀性和成型性等方面都有着优良的表现，但是在某些制品行业，尤其是需要对表面进行抛光处理的制品行业，往往存在強度和硬度偏低的问题。本发明要求解决的便是在不降低中铬铁素体不锈钢成型性和耐蚀性的前提下，提高中铬铁素体不锈钢的強度和硬度，硬度的提高能増加制品表面的抛光性，使制品行业使用更少的人工成本便能达到同样的抛光效果，而强度的提高可以降低制品行业所用金属材料的厚度，这对企业控制生产成本具有非常重要的意义。为实现上述目的，本发明的高強度和高硬度的中铬铁素体不锈钢，其重量百分比化学成分为C 0. 02-0. 10%, Si 0. 30-0. 80%, Mn :0. 40-1. O %, Cr :16. 0-20. O %, N O. 02-0. 08%, Ti 0-0. 3%, V :0. 08-0. 4%, Nb :0-0. 3%, V%^ 4XN%，其余为铁及不可避免的杂质。优选地，Nb0. 05-0. 3%, Ti 0. 05-0. 3%0C和N :钢中碳、氮都是间隙固溶原子，但氮在钢中溶解度比碳高得多，而且氮化物比碳化物更稳定更细小，在铁素体中的溶解度也更低，粗化倾向小，质点更稳定。因此，钢中增氮会形成更多的氮化合物，阻止晶粒长大，在钢中起细化晶粒的作用，对相同钒含量的钢，析出相具有更强的強化作用。在本发明中，碳和氮是非常重要的合金元素，对提高不锈钢的强度和硬度起着非常重要的作用。C是ー种强奥氏体形成元素，C的増加可以提高钢在高温下的奥氏体比例，从而在随后的冷却过程中产生相变，细化铁素体晶粒，N除了同样是奥氏体形成元素外，还可以与V形成VN的析出物，从而对钢材基体起到析出強化的效果。但是碳氮含量过高又会对不锈钢产生耐蚀性，韧性降低等不良效果，因此，对C和N的控制有一定的上限和下限控制。如C控制在O. 02-0. 12%，N控制在O. 02-0. 08%。P和S :P和S都是有害元素，P对于热加工性是有害的，而S会在晶粒边缘分离，并使晶粒边缘变脆，另外MnS的形成也对钢的耐蚀性及其有害。因此P和S的含量应该在现有炼钢能力的基础上尽量偏低。如P控制在O. 05%以下，S控制在O. 01%以下。Cr :铬是使铁素体不锈钢具有铁素体组织并且具有良好耐蚀性的主要作用，在铁素体不锈钢中，随铬量的増加对钢的组织的主要影响是加速α ,相和σ相的形成和沉淀并使钢的铁素体晶粒更加粗大。由于家电用用钢一般对成型性有较高的要求，所以本发明铬含量不能太高以防止α ；相和σ相的形成和沉淀对成型性产生有害的影响。本发明中Cr含量控制在16-20%。Nb和Ti :Nb和Ti在连铸的过程中，会与钢中的碳氮形成TiN，Nb (C，N)等析出物，这些析出物在钢液中成为钢液的非均匀形核质点，促进了连铸坯等轴晶的形成，而连铸坯等轴晶的提高对提高铁素体不锈钢的抗皱性，成形性都有非常重要的作用，另外，TiN,Nb(C, N)这些析出物在钢材的基体中析出，同样有阻碍位错滑移，形成沉淀强化，提高钢材強度，硬度的效果。本发明中控制Nb为O. 3%以下，Ti为O. 3%以下。优选地，添加Nb和/或 Ti 时添加量为 O. 05-0. 3 %，Ti 为 O. 05-0. 3 %。V V的加入可以在1000°C左右与钢种的N元素形成VN的沉淀析出，由于VN的析出非常细小，往往是纳米级别的，因此，沉淀強化的效果非常明显。另外，在钢中形成细小碳化钒和氮化钒，通过细小碳氮化物质点钉扎晶界作用，在加热过程中阻止奥氏体晶粒长大，在再结晶控轧过程中阻止形变奥氏体的再结晶，延缓再结晶奥氏体晶粒的长大通过碳氮化物的沉淀析出，显著提高钢材的強度。本发明中控制V为O. 08-0. 4%。本发明的另ー个目的是提供高强度和高硬度的中铬铁素体不锈钢的制造方法。本发明钢可利用现有不锈钢生产线，电炉+AOD两步法冶炼，经浇铸一热轧一罩式炉退火一酸洗一冷轧一冷退酸洗后得到该发明，值得注意的是热轧的终轧温度控制在8000C _950°C之间，热轧退火的温度控制在800°C _900°C之间，时间在16-24小时，冷却方式采用炉内缓冷；而冷轧退火的温度控制在900°C -1000°C之间，时间在1-2分钟，冷却方式采用水雾快冷。优选地，本发明中，热轧后退火采用BAF(罩式退火炉)退火。由于该钢种在高温下有奥氏体-铁素体双相组织，热轧后会产生大量的热轧马氏体，罩式退火炉由于退火时间较长，可使马氏体有充分的时间分解为铁素体和碳化物，对本发明的力学性能产生有益的影响。优选地，本发明中，冷退酸洗采用APC(连续退火酸洗机组)冷退酸洗。由于连续退火炉可产生较高的退火温度，使冷轧后的铁素体组织完全再结晶，可对本发明的力学性能产生有益的影响。经过上述成分和エ艺方案研制的高强中铬铁素体不锈钢在成型性和耐蚀性上仍然延续了中铬铁素体不锈钢的优良的综合性能，另外，该高强中铬铁素体不锈钢与常规中铬铁素体不锈钢相比，具有非常优良的力学性能，具体表现为抗拉强度450-600MPa，屈服强度250-350MPa，维氏硬度在145-170，延伸率30-40%。本发明的中铬铁素体不锈钢与现有技术的成分对比见表I。本发明的中铬铁素体不锈钢与现有技术的性能对比见表2。
表2本发明钢与现有技术钢的性能对比
权利要求
1.一种高强度和高硬度的中铬铁素体不锈钢，其化学成分的重量百分比为C:0.02-0. 10%, Si 0. 30-0. 80%, Mn 0. 40-1. 0%, Cr 16. 0-20. 0%, N 0. 02-0. 08%, Ti 0-0. 3%, V 0. 08-0. 4%, Nb :0-0. 3%，彡4XN%，其余为铁及不可避免的杂质。
2.如权利要求I所述的高強度和高硬度的中铬铁素体不锈钢，其特征在干，Nb0.05-0. 3%, Ti :0. 05-0. 3%0
3.如权利要求I或2所述的高強度和高硬度的中铬铁素体不锈钢，其抗拉强度为450-600MPa，屈服强度为250_350MPa，维氏硬度为145-170，延伸率为30-40%。
4.如权利要求1-3任一所述的高強度和高硬度的中铬铁素体不锈钢的制造方法，包括电炉+AOD两步法冶炼，经浇铸一热轧一罩式炉退火一酸洗一冷轧一连续退火酸洗，其中， 热轧的终轧温度控制在800V -950 V之间，热轧退火的温度控制在800 V -900 V之间，退火时间在16-24小时，冷却方式采用炉内缓冷； 冷轧退火的温度控制在900°C -1000°C之间，退火时间在1-2分钟，冷却方式采用水雾快冷。
5.如权利要求4所述的方法制造的高強度和高硬度的中铬铁素体不锈钢，其抗拉强度为450-600MPa，屈服强度为250_350MPa，维氏硬度为145-170，延伸率为30-40%。
全文摘要
本发明涉及一种高强度和高硬度的中铬铁素体不锈钢，其重量百分比化学成分为C0.02-0.10％，Si0.30-0.80％，Mn0.40-1.0％，Cr16.0-20.0％，N0.02-0.08％，Ti0-0.3％，V0.08-0.4％，Nb0-0.3％，V％≥4×N％，其余为铁及不可避免的杂质。该铁素体不锈钢的制造方法，包括电炉+AOD两步法冶炼，经浇铸→热轧→罩式炉退火→酸洗→冷轧→冷退酸洗，其中，热轧的终轧温度控制在800℃-950℃之间，热轧退火的温度控制在800℃-900℃之间，退火时间在16-24小时，冷却方式采用炉内缓冷；冷轧退火的温度控制在900℃-1000℃之间，退火时间在1-2分钟，冷退方式采用水雾快冷。得到的钢抗拉强度为450-600MPa，屈服强度为250-350MPa，维氏硬度为145-170，延伸率为30-40％。
文档编号C21D1/26GK102650019SQ20111004467
公开日2012年8月29日 申请日期2011年2月24日 优先权日2011年2月24日
发明者孙全社, 张鑫 申请人:宝山钢铁股份有限公司