一种高强塑纳米/亚微米晶冷轧304不锈钢带及其制备方法与流程

本发明属于冷轧奥氏体不锈钢带的制造领域，具体涉及一种高强塑纳米/亚微米晶冷轧304不锈钢带及其制备方法。

背景技术：

奥氏体不锈钢以其无磁性、优异的耐腐蚀性、耐高温氧化性、易焊接、易成型和良好的综合力学性能而被广泛应用于民用、交通、石油化工、核电国防、航空航天等领域。其中，300系奥氏体不锈钢如304、301等是应用最为广泛的一类奥氏体不锈钢。作为典型的亚稳态奥氏体不锈钢，304和301不锈钢由于具有良好的耐蚀性、塑性和韧性、优异的高低温力学性能；使得该不锈钢成为车辆制造业首选的结构材料，世界上发达国家的铁路、地铁等轨道客车的车体材料普遍采用304和301不锈钢。目前，轨道客车的车体材料主要包括普通钢(碳钢和耐候钢)、不锈钢、铝合金三种。不锈钢车体可省去涂装工序，由于具有优异的耐腐蚀性可实现车体结构的免维修化，大大降低了运行过程中的维修费用。此外，不锈钢车体的制造成本大大低于铝合金车体，而且不锈钢车体的减重效果明显。综合考虑制造成本，维修费用和轻量化水平等因素，不锈钢车体是目前最为经济的车体，具有十分广阔的应用前景。

随着交通运输行业向高品质、轻量化方向发展，如何在保证强度的情况下，实现车辆的减重，已经成为当前轨道客车车体材料的重要研究方向。轻量化不锈钢车体的发展，可实现节能减排、减少环境污染，符合可持续发展战略，带来巨大的经济效益；同时，车身重量的减轻，有利于轨道客车运行速度的提高，具有重要的社会意义。车辆的轻量化主要是车体的轻量化，而降低车体自重的主要方法是采用高强轻量化材料。然而，奥氏体不锈钢的屈服强度普遍偏低，由于在室温下就具有奥氏体组织，因此不能通过热处理的方式进行强化，通常利用冷加工的方式来提高强度。在冷变形的过程中，组织中将产生一定的变形诱导马氏体和残余应力，引起塑性的明显降低，这会影响复杂零部件的进一步成型，增加材料延迟开裂的风险，同时还会影响零部件在服役过程中的耐腐蚀性能。因此，开发兼具高屈服强度和优异塑性的奥氏体不锈钢成为当前的研究热点，不仅具有非常重要的科学研究意义，还能为高强塑性奥氏体不锈钢的工业化生产提供一定的理论指导。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高强塑纳米/亚微米晶冷轧304不锈钢带及其制备方法。

本发明制备的高强塑纳米/亚微米晶冷轧304不锈钢带，其化学成分按重量百分比为：c：<0.08％，si：<0.80％，mn：<2.0％，cr：17～20％，ni：8～10％，余量为fe、微量微合金元素mo、nb、v和其他不可避免的杂质，各组分重量百分比总和为100％；所述高强塑纳米/亚微米晶冷轧304不锈钢带的显微组织为多尺度纳米/亚微米晶奥氏体，奥氏体晶粒呈等轴状，晶粒尺寸为150～500nm的超细晶奥氏体基体组织中存在部分尺寸大于1μm的再结晶奥氏体粗晶；其厚度为0.3～1mm；其屈服强度≥800mpa，抗拉强度≥900mpa，总延伸率≥40％。

一种高强塑纳米/亚微米晶冷轧304不锈钢带的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，锻造和热轧：

(1)将304不锈钢钢锭锻造成厚度为50～60mm的坯料，随后将锻造坯置于加热炉中加热至1150～1250℃并保温2～3h；

(2)通过热轧机将锻造坯经5～7道次轧制成厚度为3～6mm的热轧板，随后水冷至室温，开轧温度为1100～1200℃，终轧温度为950～1050℃，总的热轧压下率为90～94％；

步骤2，固溶处理和冷轧：

将上述热轧板在1000～1100℃下保温10～60min，进行固溶处理，使热轧过程中产生的碳化物充分溶解；经酸洗去除表面氧化铁皮后，在冷轧机组上进行多道次室温冷轧，总的冷轧压下量为78～92％；

步骤3，等温退火：

将冷轧板于700～800℃进行等温退火处理，保温时间为1～10min，随后淬火至室温，获得高强塑纳米/亚微米晶冷轧304不锈钢带成品。

所述步骤1中，水冷的速率为20～40℃/s。

所述步骤2中，冷轧道次压下量控制在0.1～0.5mm，最终板厚为0.3～1mm。

所述步骤3中，退火所用加热炉为箱式电阻炉。

所述高强塑纳米/亚微米晶冷轧304不锈钢带化学成分按重量百分比为：c：<0.08％，si：<0.80％，mn：<2.0％，cr：17～20％，ni：8～10％，余量为fe、微量微合金元素mo、nb、v和其他不可避免的杂质，各组分重量百分比总和为100％。

所述高强塑纳米/亚微米晶冷轧304不锈钢带的显微组织为多尺度纳米/亚微米晶奥氏体，奥氏体晶粒呈等轴状，晶粒尺寸为150～500nm，奥氏体超细晶源于变形诱导马氏体向奥氏体的逆相变，尺寸大于1μm的再结晶奥氏体粗晶源于残余奥氏体的再结晶。

本发明开发出的高强塑纳米/亚微米晶冷轧304不锈钢带的屈服强度≥800mpa，抗拉强度≥900mpa，总延伸率≥40％，满足轨道客车用边梁、立柱等高强度构件的使用要求。所述制备工艺简单，在现有工艺装备条件下可实现工业化生产。

与现有技术相比，本发明的具有以下创新性：

(1)本发明所制备的成品，具有多尺度纳米/亚微米晶奥氏体组织，组织中不包含马氏体且残余应力较低，可有效降低材料延迟开裂的风险。

(2)本发明所制备的成品，兼具高强高塑性，厚度规格覆盖0.3～1.0mm，满足轨道客车高强度结构零部件和车架用钢的力学性能指标，可实现车体的有效减重，能满足不同位置的需求。

(3)本发明的制备工艺中，所使用的退火温度在700～800℃，低于现有奥氏体不锈钢冷轧薄板所采用的退火温度(1000℃以上)，可有效节约能耗、降低生产成本。

(4)本发明的制备工艺中，逆相变退火的保温时间较短，为1～10min，有效避免成品钢因在敏化温度区间(450～850℃)长时间保温所造成的晶间腐蚀倾向增大。

(5)本发明所述制备工艺，简单方便，对设备和技术无特殊要求，可在现有工艺装备条件下实现工业化生产。

附图说明

图1为实施例1中所制备的高强塑纳米/亚微米晶冷轧304不锈钢带成品显微组织的ebsd质量图；

图2为实施例2中所制备的高强塑纳米/亚微米晶冷轧304不锈钢带成品显微组织的ebsd质量图；

图3为实施例1～3中高强塑纳米/亚微米晶冷轧304不锈钢带成品的工程应力-工程应变曲线；

具体实施内容

实施例1

本实施例中304不锈钢坯料的成分为c：0.055％，si：0.40％，mn：1.63％，cr：17.30％，ni：8.45％，mo：0.12％，nb：0.04％，v：0.08％，余量为fe和其他不可避免的杂质，各组分重量百分比总和为100％。

本发明的一种高强塑纳米/亚微米晶冷轧304不锈钢带的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，锻造和热轧：

将厚度为50mm的锻造坯置于加热炉中随炉加热至1250℃并保温2h，然后在热轧机上经5道次轧制成厚度为4.5mm的热轧板，随后以30℃/s的冷速水冷至室温。开轧温度为1200℃，终轧温度为1050℃，总的热轧压下率为91％；

步骤2，固溶处理和冷轧：

将上述热轧板在1050℃保温30min进行固溶处理，使热轧过程中产生的碳化物等充分溶解，随后经酸洗去除表面氧化铁皮后，在冷轧机组上进行多道次室温冷轧，冷轧板最终板厚为1mm，总的冷轧压下量为78％；

步骤3，等温退火：

将上述冷轧板在加热炉中于750℃保温3min，随后淬火至室温，获得高强塑纳米/亚微米晶冷轧304不锈钢带成品。

成品钢的显微组织如图1所示，为等轴的奥氏体晶粒，由尺寸约为200nm的逆相变奥氏体和部分尺寸大于1μm的再结晶奥氏体粗晶组成。

对成品钢进行力学性能检测，对应的工程应力-工程应变曲线如图3所示，其屈服强度和抗拉强度分别为863mpa和945mpa，总延伸率为45％。

实施例2

本实施例中304不锈钢坯料的成分为c：0.075％，si：0.28％，mn：1.58％，cr：17.4％，ni：8.2％，mo：0.10％，nb：0.04％，v：0.07％，余量为fe和其他不可避免的杂质，各组分重量百分比总和为100％。

本发明的一种高强塑纳米/亚微米晶冷轧304不锈钢带的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，锻造和热轧：

将厚度为60mm的锻造坯置于加热炉中随炉加热至1200℃并保温3h，然后在热轧机上经7道次轧制成厚度为6mm的热轧板，随后以40℃/s的冷速水冷至室温。开轧温度为1160℃，终轧温度为1000℃，总的热轧压下率约90％；

步骤2，固溶处理和冷轧：

将上述热轧板在1000℃保温60min进行固溶处理，使热轧过程中产生的碳化物等充分溶解，随后经酸洗去除表面氧化铁皮后，在冷轧机组上进行多道次室温冷轧，冷轧板最终板厚为0.5mm，总的冷轧压下量为92％；

步骤3，等温退火：

将上述冷轧板在加热炉中于700℃保温5min，随后淬火至室温，获得高强塑纳米/亚微米晶冷轧304不锈钢带成品。

成品钢的显微组织如图2所示，为等轴的奥氏体晶粒，由尺寸约为230nm的逆相变奥氏体和部分尺寸大于1μm的再结晶奥氏体粗晶组成。

对成品钢进行力学性能检测，对应的工程应力-工程应变曲线如图3所示，其屈服强度和抗拉强度分别为846mpa和1007mpa，总延伸率为41.5％。

实施例3

本实施例中304不锈钢坯料的成分为c：0.062％，si：0.38％，mn：1.57％，cr：17.2％，ni：8.5％，mo：0.09％，nb：0.01％，v：0.02％，余量为fe和其他不可避免的杂质，各组分重量百分比总和为100％。

本发明的一种高强塑纳米/亚微米晶冷轧304不锈钢带的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，锻造和热轧：

将厚度为60mm的锻造坯置于加热炉中随炉加热至1180℃并保温2h，然后在热轧机上经7道次轧制成厚度为5mm的热轧板，随后以35℃/s的冷速水冷至室温。开轧温度为1150℃，终轧温度为1010℃，总的热轧压下率约为92％；

步骤2，固溶处理和冷轧：

将上述热轧板在1050℃保温30min进行固溶处理，使热轧过程中产生的碳化物等充分溶解，随后经酸洗去除表面氧化铁皮后，在冷轧机组上进行多道次室温冷轧，冷轧板最终板厚为0.3mm，总的冷轧压下量为93％；

步骤3，等温退火：

将上述冷轧板在加热炉中于800℃保温1min，随后淬火至室温，获得高强塑纳米/亚微米晶冷轧304不锈钢带成品。

成品钢的显微组织为等轴的奥氏体晶粒，由尺寸约为150nm的逆相变奥氏体和部分尺寸大于1μm的再结晶奥氏体粗晶组成。

对成品钢进行力学性能检测，对应的工程应力-工程应变曲线如图3所示，其屈服强度和抗拉强度分别为909mpa和994mpa，总延伸率为44.5％。

实施例4

本实施例中304不锈钢坯料的成分为c：0.045％，si：0.48％，mn：0.79％，cr：18.2％，ni：8.1％，mo：0.03％，nb：0.04％，v：0.12％，余量为fe和其他不可避免的杂质，各组分重量百分比总和为100％。

本发明的一种高强塑纳米/亚微米晶冷轧304不锈钢带的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，锻造和热轧：

将厚度为55mm的锻造坯置于加热炉中随炉加热至1220℃并保温2.5h，然后在热轧机上经6道次轧制成厚度为5mm的热轧板，随后以25℃/s的冷速水冷至室温。开轧温度为1180℃，终轧温度为950℃，总的热轧压下率为91％；

步骤2，固溶处理和冷轧：

将上述热轧板在1060℃保温30min进行固溶处理，使热轧过程中产生的碳化物等充分溶解，随后经酸洗去除表面氧化铁皮后，在冷轧机组上进行多道次室温冷轧，冷轧板最终板厚为0.7mm，总的冷轧压下量为86％；

步骤3，退火保温：

将上述冷轧板在加热炉中于750℃保温2min，随后淬火至室温，获得高强塑纳米/亚微米晶冷轧304不锈钢带成品。

成品钢的显微组织为等轴的奥氏体晶粒，由尺寸约为500nm的逆相变奥氏体和部分尺寸大于1μm的再结晶奥氏体粗晶组成。

对成品钢进行力学性能检测，其屈服强度和抗拉强度分别为810mpa和920mpa，总延伸率为49％。

实施例5

本实施例中304不锈钢坯料的成分为c：0.042％，si：0.46％，mn：1.2％，cr：18.5％，ni：8.0％，mo：0.01％，nb：0.01％，v：0.13％，余量为fe和其他不可避免的杂质，各组分重量百分比总和为100％。

本发明的一种高强塑纳米/亚微米晶冷轧304不锈钢带的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，锻造和热轧：

将厚度为50mm的锻造坯置于加热炉中随炉加热至1150℃并保温2h，然后在热轧机上经7道次轧制成厚度为3mm的热轧板，随后以20℃/s的冷速水冷至室温。开轧温度为1130℃，终轧温度为1020℃，总的热轧压下率为94％；

步骤2，固溶处理和冷轧：

将上述热轧板在1100℃保温10min进行固溶处理，使热轧过程中产生的碳化物等充分溶解，随后经酸洗去除表面氧化铁皮后，在冷轧机组上进行多道次室温冷轧，冷轧板最终板厚为0.6mm，总的冷轧压下量为80％；

步骤3，退火保温：

将上述冷轧板在加热炉中于700℃保温10min，随后淬火至室温，获得高强塑纳米/亚微米晶冷轧304不锈钢带成品。

成品钢的显微组织为等轴的奥氏体晶粒，由尺寸约为350nm的逆相变奥氏体和部分尺寸大于1μm的再结晶奥氏体粗晶组成。

对成品钢进行力学性能检测，其屈服强度和抗拉强度分别为835mpa和960mpa，总延伸率为42％。