专利名称：用于形成波纹管的铁素体不锈钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于形成波纹管的铁素体不锈钢。
同用奥氏体不锈钢制造的波纹管相比，铁素体不锈钢制造的波纹管的特点是抗应力性能和抗腐蚀裂纹性能极佳。但是形成波纹管极难，而且在成形时常发生破裂。本发明涉及能减少形成时可能发生的破裂数量的用于形成波纹管的铁素体不锈钢。
在各种处理气体，溶液和粉末的机器和设备中，原料大部分经金属管输送。将波纹管用于这类金属管的中间部位以便吸收因热膨胀产生的应变和振动，并防止应变和振动的传递。传统上一直用铜、奥氏体不锈钢等材料作波纹管，因为将其它金属形成波纹管结构一直是困难的。换言之，铜和奥氏体不锈钢有很大的冷态下的延伸率，并且是最佳的波纹管材料，对这种材料更要特别施加凸胀处理和拉伸成形。反之，那些包含体心立方晶格的金属，如碳素钢则不能凸胀法处理，因为这类金属的延展性，特别是在焊接部位的延展性不足。
另一方面，尽管用奥氏体不锈钢制造的波纹管易于生产，但它们也有问题，即，由于腐蚀性溶液通过该波纹管会产生应力腐蚀裂纹。波纹管通过在其凸峰部位和凹谷部位弯曲吸收应力和振动，而且出于此原因，应力总作用在凸峰和凹谷部位。换言之，波纹管具有这样的结构或组件；由此它们应力总也去除不了。尽管如此，奥氏体不锈钢是一种具有高应力腐蚀裂纹敏感性的合金。因而，用奥氏体钢制造的波纹管就有这样的问题，极可能出现应力腐蚀裂纹。
为避免应力腐蚀裂纹，仅有两种方法，即或采用应力腐蚀裂纹敏感性低的材料，或采用不易产生应力腐蚀裂纹的结构，即不遗留应力负载的结构。为减少奥氏体不锈钢的应力腐蚀裂纹敏感性，比如，日本未审专利公开49-107915推荐通过提高Ni含量来降低Cr、N、Mo和P含量。然而，即使采用这种钢时，只将应力腐蚀裂纹出现前的时间延长到某种程度，但是，不能防止发生应力腐蚀裂纹。
另一方面，可以想到的是，通过增加凹下一凸起的数目，或通过减小下凹部位或凸起部位的弯角来减少作用于下凹部位或凸起部位的应力，以便将应力分散。但按照这种方法，波纹管变得长或很大，从而设备尺寸变得很大，生产成本增高。尽管如此，应力腐蚀裂纹敏感性的问题仍未解决，而且起因于环境的应力腐蚀裂纹问题也未解决。
相反，本发明人通过限制铁素体不锈钢延展性，成功地生产实际上消除应力腐蚀裂纹敏感性的波纹管。
虽然本发明人在将铁素体不锈钢加工成波纹管方面取得了成功，但由于材料延展性不足，多次在加工过程中，尤其是波纹管的凸峰部位及成形部位的末端出现破裂，而且与加工奥氏体不锈钢相比产率极低。因此，本发明人进行了实验，以便通过以已知原理为基础将C和N含量降至最低含量来改善该原料的延展性。虽然通过拉伸试验证明改善了原料的延展性，但在波纹管凸峰和已成形部位末端的破裂仍不一定减少。
所以当检查断口时，检测到了断口部分的Al和O，由此发现铝的氧化物与断裂相关。从这事实推断断裂从夹杂物开始然后发展成韧性断裂。过去一直认为当弯曲工件时，特别是平行于轧制方向弯曲时，沿轧制方向延伸的硫化物型夹杂起了弯曲断裂起始点的作用，而球状的氧化铝型夹杂，除非其特别粗大，则认为是无害的。进而，根据拉伸试验，除非氧化铝型夹杂非常粗大，延展性不下降。
如果氧化铝型夹杂是断裂的原因，则可以降低Al含量来采取反措施。由此，当将Al的加入量，以酸溶性Al计，降至0.005％或更低时，则脱氧不完全，尽管消除了Al型的夹杂物，但大量出现Si型的夹杂物。虽然一直未将这种材料形成波纹管，但根据以往的经验可以相信，加工裂纹的发展是不可避免的。换言之，当加Al时，则出现氧化铝型夹杂，而当降低Al含量时，脱氧不完全并出现大量Si型夹杂物。在无论哪种情况下，因夹杂导致的裂纹都不能防止。
如上所述，本发明人曾遇到这样一种现象它们与妨碍常规的波纹管的加工障碍不同，因此常规原理不能解决这种障碍。
因此本发明试图防止由于与常规概念不同的夹杂引起的加工裂纹及改进铁素体不锈钢在波纹管方面的产量和生产率。
本发明人对在将铁素体不锈钢形成波纹管的过程中出现断裂的条件作了各种分析，并发现，在最终退火温度很高的材料中裂纹的出现程度是相当和缓的。据信，如果最终退火温度高，则材料的强度下降而延展性可改善，并且高的最终退火温度对于减少成形过程中的裂纹在质量上可能是有利的。然而，当以拉伸试检测该材料的机械性能时，强度的下降程度和延展性改善的程度并不总是明显的。
另一方面，详细地检查了在将铁素体不锈钢形成波纹管时断裂发生的部位。结果发现，当在晶界中存有氧化铝型夹杂物时，它们极易成为断裂的起始点。当将这一事实与上述的，当材料的最终退火温度较高而裂纹的发生变小的事实综合考虑时，假定最终退火温度越高，晶粒变得越粗，而且最终存在于晶界上的化铝夹杂的量减少，从而在形成波纹管的过程中发生断裂的出现率下降。
为什么存在于晶界中的夹杂对形成波纹管时出现断裂有很大影响的原因尚未被证实。然而，由于形成波纹管不是一个方向上的，如拉伸或弯曲的变形，而是还涉及二维方向变形的二维过程，这种变形形式的区别大概发生影响。
从上述结果推测当除氧化铝型夹杂的任何夹杂存在于晶界中时，在形成波纹管时较易出现断裂。因此，为防止出现断裂，尽可能地减少夹杂，同时减少晶界的面积是重要的。
照先前的概念，沿轧制方向延展的夹杂物有损于与夹杂物成直角方向的延伸(弯曲)。当钢脱氧不充分时，产生Si型的拉长的夹杂物。因此，可靠地进行脱氧是重要的，而且就此而言加Al是不可缺少的。
本发明的目的是通过减少晶界中存在夹杂的可能性来防止在形成波纹管时出现裂纹，这是在上述概念的基础上通过增大晶粒尺寸而实现的。用于形成波纹管的凸胀对原材料施以二维变形，但在将钢管形成波纹管时，与轧制方向成直角方向上的变形特别大。另一方面，由于铁素体不锈钢通常有沿轧制方向延长的晶粒，所以在此基本上与轧制方向平行的晶粒中存在夹杂物的几率特别大。因此，本发明不仅通过增加晶粒尽寸来减少晶界上存在夹杂物的几率，而且主要目标是减少与轧制方向平行的晶界。
当基于上述概念进行各种检验时，可通过将在与轧制方向垂直方向的截面中测得的，以晶粒度数目表示的晶粒度限于8.5或更低，较好是不超过8.0，最好是不大于7.5来急剧地减少在形成波纹管过程中出现的裂纹。晶粒度数按ASTM标准确定。
控制在与轧制方向垂直的截面中测得的晶粒度和在平行于轧制方向的截面中测得晶粒度的方法可通过扩大和结合常规原则实施。
冷轧材料的再结晶以这样的方式发生冷轧前的晶粒经冷轧沿轧制方向延伸，然后这样延伸的晶粒被后续的退火截断，而使之进行分段的再结晶。如果该晶粒度在冷轧前很大，或压下较小，在这种情况下，在与轧制方向成直角的截面中测得的晶粒度则变大。
当通过降低退火温度来降低再结晶起点时在与轧制方向平行的截面中测得的晶粒度则变大。当退火温度变得更低时，该晶粒不进行再结晶，而是仅仅软化。在此情况下，该晶粒与沿轧制方向中轧制的和冷轧的晶粒没有不同。
因此，通过根据冷轧前的晶粒度选择适宜的压缩比控制在与轧制方向垂直的截面中测得的晶粒度，及将退火温度设定为适宜的温度来控制在与轧制方向平行的截面中测得的晶粒度就成为可能。
换言之，通过适当选择冷轧前的晶粒度，冷轧压缩比及退火温度则可适宜地控制在与轧制方向垂直的截面中测得的晶粒度和在与轧制方向平行的截面中测得的晶粒度。
在上述技术概念的基础上完成了本发明。首先本发明提供了一种用于形成波纹管的铁素体不锈钢，它包含(重量％)C不大于0.02％Cr11.0-22.0％Al0.01-0.08％
N不大于0.015％，其中在与轧制方向垂直方向的截面中测得的晶粒度，按晶粒度级数，不大于8.5，而在与轧制方向平行截面垂直的截面中测得的晶粒度，以晶粒度级数，平均不小于5.0当波纹管的使用温度在600-900℃的范围中时，已在常温下在原料中析出的Cr的碳氮化物再次固溶，以再在晶界沉淀，进而变得粗大，降低原料的强度并起着疲劳和腐蚀疲劳的起始点的作用。这种再沉淀可通过将Cr的碳氮化物在生产该原料的阶段固定于在这种温度范围中不固溶的那些碳化物或氮化物上而消除。因此，本发明试图通过加Ti和Nb将C和N转化为高温稳定的Ti和Nb的碳氮化物。
当温度在这样高的范围内时，各种存在于大气中的，如汽车排气系统中的盐粘附和熔融而产生熔盐腐蚀。在此情况下，除了抗氧化性外，还要求所谓的“抗熔盐腐蚀性”。已发现加适量的Si以形成稳定的氧化硅膜对防止这种熔盐腐蚀是有效的。
第二，本发明人已完成了作为实施方案之一的第二种概念，该概念的目的在于用于600-900℃的环境，如汽车排汽系统中。本发明提供一种用于形成波纹管的铁素体不锈钢，它包含(重量％)C不大于0.02％，Si0.1-1.5％，Mn不大于1.0％，Cr11.0％-22.0％，Al0.01-0.08％，
N不大于0.015％，至少以下组分中的一种Ti至少为C和N含量总量的4倍并不大于0.6％，Nb至少为C和N含量总量的8倍并不大于1.0％，及其它不可避免的杂质和Fe，其中，在垂直于轧制方向的截面中所测的晶粒度，以晶粒度级数计，不大于8.5，而在平行于轧制方向的截面中所测得晶粒度，以晶粒度级数计，平均不小于5.0。
第三，波纹管经常用作处理化学物质设备的组件。在此情况下，迄今所知的改善化学抗力的元素都可加入，以便满足对耐腐蚀性的要求。第三和第四发明已与上述概念一致地作为对要求高耐蚀性方面的应用的实施方案而完成。本发明进一步提供形成波纹管的铁素体不锈钢，它包括(重量％)C不大于0.02％，Cr11.0-22.0％，Al0.01-0.08％，N不大于0.015％，至少一种下列组分，Mo不大于2％，Cu不大于1.5％，和Ni不大于1.5％，其中在垂直于轧制方向的截面中所测得的晶粒度，以晶粒度级数计，不大于8.5，而在平行于轧制方向截面垂直的截面中的测得的晶粒度，以晶粒度级数计，平均不小于5.0。
第四，本发明提供，形成波纹管的铁素体不锈钢，它包括(重量％)C不大于0.02％，Si0.1-1.5％，Mn不大于1.0％，Cr11.0-22.0％，Al0.01-0.08％，至少一种如下组分Ti至少4倍于C和N的总量，并不大于0.6％，及Nb至少8倍于C和N的总量，并不大于1.0％，至少一种如下组分Mo不大于2％；Cu不大于1.5％；Ni不大于1.5％及其它不可避免的杂质和Fe，其中在垂直于轧制方向的截面中测得的晶粒度，以晶粒度级数计，不大于8.5，而在平行于轧制方向截面中垂直的截面中测得的晶粒度，以晶粒度级数计，平均不小于5.0。
接着，说明本发明的限定条件。
本发明的用于波纹管的铁素体不锈钢被限于那样一些铁素体不锈钢其中C限于不大于0.02％，而N不大于0.015％。
该铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢相比，不管在波纹管中的Cr含量如何，有高得多的抗应力腐蚀裂纹性能。然而，如果Cr含量小于11％，则基本的耐蚀性变得极低，如果大量加Cr，则加工性能恶化。因此，将Cr的上限定为22.0％。
如果原料中C含量超过0.02％，将该钢形成波纹管变得困难，即使形成了，则由于在原料中析出铬碳化物而使疲劳特性恶化。因此，C的上限定为0.02％。
如果原料中的N含量超过0.015％，如同C的情况一样，形成波纹管变得困难，既便形成了，由于原料中析出铬氮化物而恶化了疲劳特性。因此将N上限定为0.015％。
Al是脱氧所需的元素。由于必须可靠地进行脱氧，则其下限定为0.01％。如果大量加Al，由溶液粘度变高，作为脱氧产物的氧化铝型夹杂的上浮受到限制，因而该夹杂物容易留下来。此外，原料的延展性下降。因此将其上限定为0.08％。
为减少晶界，特别是基本上平行于轧制方向的晶粒界面，将垂直于轧制方向的截面中测得的晶粒度，以晶粒度级数计，限于不大于8.5，较好是不大于8.0，更好是不大于7.5，以此方法，在将该钢形成波纹管的过程中产生的裂纹急剧减少。因此其上限被定为8.0。然而，若晶粒度过大，则在加工过程中出现的凹凸度变大，而且使用中的疲劳特性恶化。因此，将垂直于与轧制方向平行的截面(L截面)的截面(C截面)中测得的平均晶粒度下限定为不小于5.0级。
在第二发明中，作为旨在用于600-900℃环境，如在汽车排气系统中的实施方案，添加Si来构成其特性。
为保证抗熔盐腐蚀性，必须在600-900℃的温度范围内形成稳定的Si氧化膜，而且为此目的，必须至少加0.1％的Si。然而，若大量加Si，则将该钢形成波纹管变得极为困难，即使形成了，凸起部位和下凹部位间的差别变得如此之少，以致必须将结构拉得极长以保证波纹管的功能。因此，将其上限定为1.5％。
虽然Mn对在将原料形成波纹管时保证其加工性能是必须的，但将Mn上限定为1.0％，因为加了Si来保证耐熔盐腐蚀性。
作为对焊接方法无需某些限制及没有使用过程中的析出物粗化而导致疲劳特性和腐蚀疲劳特性下降的实施方案而完成的第三发明的特点是加了Ti和Nb。
当Ti在焊接期间被固溶时，它固定了大部分的C和N，因此它的当量至少为C和N含量总和的4倍。因此以该值定为其下限。但当大量加Ti时，它在焊接时吸收N并形成氮化物，因此对焊接方法的限制又变得必要了。因此，将其上限定为0.6％。
当在焊接期间Nb被固溶时，它固定大部分的C和N，而且它的当量至少为C和N含量总和的8倍。因此将该值定为其下限。但当大量加Nb时，它在焊接时吸收N并形成氮化物，于是又需对焊接方法进行限制。因此将其上限定为1.0％。
第四发明，是旨在适用于需要高的耐腐蚀性用途的实施方案，其特征是至少加了Mo、Cu和Ni的一种。
Mo对氯离子特别有效，但当将其以超过2％的量加入时，加工性能下降而且将其加工成波纹管变得困难。
Cu改善耐蚀性，在含硫酸的低pH值环境中尤为如此，但当以超过1.5％的量将其加入时，没转化到固溶体的Cu在焊接部位的晶界析出并使形成波纹管变得困难。因此以该值定为其上限。
Ni改善在低pH环境中的耐蚀性，但当其以超过1.5％的量加入时，在焊接部位出现马氏体相，而且形成波纹管变得困难。因此将该值定为其上限。
通过将C和N限定低含量则可使作为基体金属的铁素体不锈钢充分确保波纹管的上凸部分和下凹部分间的直径差。
通过限制定Al而可靠地进行脱氧以减少夹杂物，与此同时，在晶界上存在的并成为将铁素体不锈钢形成波纹管的过程中成为出现断裂原因的夹杂物通过限制特别有害的，平行于轧制方向的晶界的面积而被减少。结果，由于二维变形而打开和低强度的晶界可减少，最后减少了形成波纹管过程中的断裂。
由于往基体金属中加了适当的Ti，Cr的碳化物在焊接部位和热影响部位的析出也可被消除，而且还可消除出现晶界腐蚀和整个面耐腐蚀性的恶化。因此，通过限定焊接方法而将熔融部位和热影响部位减至最小的措施就变得不必要了，从而某些对焊接方法的限制也不必要了。
再者，由于加适当量的Ti，原料中的，于600-900℃环境中沉淀的Cr的碳氮化物再次固熔，而且结果是由于Cr的碳氮化物在晶界再沉淀而导致的原料强度下降和疲劳特性恶化可被消除。由于适量加硅和限制Cr含量，除主要由Cr构成的氧化物膜外，还可形成稳定的Si氧化物膜。因此抗氧化性得以改善，而且所谓的抗因环境中存在的各种盐的附着和熔化而产生的熔盐腐蚀的性能也可得以改善。结果，可将铁素体不锈钢形成有600-900℃的优良高温特性的，如在汽车排汽系统中的波纹管。
如上所述，本发明可明显地改进用不含贵重Ni的并具有优良的耐应力腐蚀裂纹性能的经济的铁素体不锈钢制成的波纹管的生产率。按常规，虽然可将铁素体不锈钢形成波纹管，但与奥氏体不锈钢相比，在成形过程中更常出现断裂，而且生产成本也较高。然而，本发明大大地改善了生产率，而且不含Ni的优点降低了生产成本。
本发明的钢使得生产除应力腐蚀裂纹外，还充分满足高温疲劳和熔盐腐蚀方面要求的波纹管成为可能，即使在用于600-900℃的，如汽车即排汽系统中的高温环境中也是如此。
结果，使用这种波纹管的设备的维修可极为减化，而且该设备的使用寿命总的来说可以延长。由于维修可如此地简化，生产率得以提高。因此本发明提供了很大的工业优越性。
实施例1.
用列于表1的钢的0.7mm厚的冷轧板(退火材)制成外径Φ55mm的电焊钢管。在此情况下，通过限制冷轧的压缩比和冷轧后的退火温度控制每种冷轧退火材的晶粒。用该焊接管中的每一种用液压凸胀进行波纹管的生产检测，该管的峰间隔为15mm，有三种峰高度，10，11和12mm，峰总数为18，而全长为约250mm。表2示出了该结果和该原料的每种晶粒度间的关系。
表1
表2
p><p>*原材料厚0.7mm，管外径Φ55mm*目标加工形状峰间距15mm，18个峰，全长约250mm的波纹管*峰高度10，11和12mm(对应于“加工裂纹”的数值)。
在本发明的1-9号钢中，当将其形成峰高10mm的波纹管时未出现任何裂纹。但当峰高为11mm时，在2号钢中出现裂纹，该钢中在垂直于轧制方向的截面中测量晶粒度，以及在峰高为12mm的7号钢出现裂纹。另一方面，在10和11号钢中出现裂纹，其中在垂直于轧制方向的截面(C截面)中所测的晶粒尺寸很大(晶粒度级数小)。从对断裂的观察，在假设为起点附近检测到了假定为Al氧化物的氧化物。
在大量加Al的12号钢(G号钢)中，在形成波纹管时也出现裂纹。，在假定为开裂起始点测到了相当粗大的Al型夹杂物。含高含量N的13号钢(H号钢)有高的强度但延展性低，从而出现裂纹。在少量加Al的14号钢(I号钢)中，在形成波纹管的过程中出现裂纹。对断裂的观察发现大理的。Si氧化物型的夹杂，因而假定断裂是以这些夹杂作起点而产生的。
权利要求
1.一种用于形成波纹管的铁素体不锈钢，以重量％计，它包含C不大于0.02％，Cr11.0-22.0％，Al0.01-0.08％，N不大于0.015％，其中在轧制方向垂直方向的截面中测得的晶粒度，以晶粒度级数计，不大于8.5，而在平行于轧制方向截面垂直的截面中测得的晶粒度，以晶粒度级数计，平均不小于5.0级。
2.一种用于形成波纹管的铁素体不锈钢，以重量％计，它包含C不大于0.02％，Si0.1-1.5％，Mn不大于1.0％，Cr11.0-22.0％，Al0.01-0.08％N不大于0.015％，下列组分中的至少一种Ti至少4倍于C和N含量的总和，并不大于0.6％，Nb至少8倍于C和N含量的总和并不大于1.0％及其它不可避免的杂质和Fe，其中在轧制方向垂直方向的截面中测得的晶粒度，以晶粒度级数计，不大于8.5，而在平行于轧制方向截面垂直的截面测得的晶粒度，以晶粒度级数计，平均不小于5.0。
3.一种用于形成波纹管的铁素体不锈钢，以重量％计，它包含C不大于0.02％，Cr11.0-22.0％，Al0.01-0.08％，N不大于0.015％，下列组分中的至少一种Mo不大于2％，Cu不大于1.5％，Ni不大于1.5％，其中在轧制方向垂直方向的截面中测得的晶粒度，以晶粒度级数计，不大于8.5，而在平行于轧制方向截面垂直的截面中测得的晶粒度，以晶粒度级数计，平均不小于5.0。
4.一种用于形成波纹管的铁素体不锈钢，以重量％计，它包含C不大于0.02％，Si0.1-1.5％，Mn不大于1.0％，Cr11.0-22.0％，Al0.01-0.08％，N不大于0.015％，至少一种以下的组分Ti至少4倍于C和N含量的总和，并不大于0.6％，及Nb至少8倍于C和N含量的总和，并不大于1.0％，至少一种以下的组分Mo不大于2％，Cu不大于1.5％，Ni不大于1.5％，及不可避免的夹质和Fe，其中在轧制方向垂直方向的截面中测得的晶粒度，以晶粒度级数计，不大于8.5，而在平行于轧制方向截面垂直的截面中测得的晶粒度，以晶粒度级数计，平均至少5.0。
5.按照权利要求1-4中任一项的用于形成波纹管的铁素体不锈钢，其中在轧制方向垂直方向的截面中测得的晶粒度，以晶粒度级数计，不大于8.0，而在平行于轧制方向截面垂直的截面中测得的晶粒度，以晶粒度级数计，平均不小于5.0。
6.按照权利要求1-4中任一项的用于形成波纹管的铁素体不锈钢，其中在轧制方向垂直方向的截面中测得的晶粒度，以晶粒度级数计，不大于7.5，而在平行于轧制方向截面垂直的截面中测得的晶粒度，以晶粒度级数计，平均不小于5.0。
全文摘要
公开了一种用于形成波纹管的具有高耐应力腐蚀裂纹性能的铁素体不锈钢，它包含，以重量％计，不大于0.02％的C、0.1-1.5％的Si，不大于1.0％的Mn、11.0-22.0％的Cr、0.01-0.08％的Al，不大于0.015％的N，不大于0.6％的Ti和不大于1.0％的Nb中的至少一种，无论何时需要，还含不大于2％的Mn，不大于1.5％的Cu及不大于1.5％的Ni中的至少一种。以晶粒度级数计，该钢在轧制方向垂直方向的截面中测得的晶粒度不大于8.5，而在平行于轧制方向截面垂直的截面中测得的晶粒度平均不少于5.0。
文档编号C22C38/00GK1136596SQ9511946
公开日1996年11月27日 申请日期1995年12月28日 优先权日1994年12月28日
发明者高田健, 山本章夫 申请人:新日本制铁株式会社