专利名称:具有优良成形性和二次加工性的加磷铁素体不锈钢的制作方法
本发明涉及有优良成形性和二次加工性的加磷铁素体不锈钢。
铁素体不锈钢有适中的成形性和耐腐蚀性。与奥氏体不锈钢比较，它们比较便宜，因此较大量的铁素体不锈钢在商业上用于制造耐用消费品，包括炊具和作为建筑材料。另一方面，低铬铁素体不锈钢，包括按AISI 409和SUS410L生产的，在高温下具有高强度和抗氧化性，相对低碳钢相比，适宜商用的铁素体不锈钢，包括低铬铁素体不锈钢在内，仍然贵得多。故迫切需要发展更便宜的铁素体不锈钢。
本发明的目的是提供一种新型的铁素体不锈钢，它能廉价生产并有优良的成形性和二次加工性。
按照本发明可以提供一种加磷铁素体不锈钢，它具有优良的成形性和二次加工性，该不锈钢各组分的重量百分比基本如下碳 0.0050到0.0500%铬 10.00到18.00%硅 最高达0.50%锰 最高达0.50%磷 大于0.040%但不超过0.200%镍 最高达0.60%可溶铝 0.0050到0.200%硼 微量到0.0050%铁和不可避免的杂质平衡并进一步与合金元素平衡，以便横座标为(Cr+50×P)的百分数和纵座标为(C+10×B+Sol.Al)的百分数的点能落在图1ABCD四边形区域内，其中A、B、C和D点的座标分别为(12.0，0.30)、(12.0，0.005)(22.0，0.020)和(22.0，0.30)。
附图简要说明图1是表示根据本发明生产的钢中碳、铬、可溶铝和硼含量之间关系的曲线。
图2是表示13%Cr-0.03%C铁素体不锈钢中磷含量对
r值影响的曲线。
图3是表示13%Cr-0.03%C-0.10%P铁素体不锈钢中，可溶铝含量对夏氏冲击试验值影响的曲线。
图4是表示测定二次加工性试验(扩管试验CuP expansion test)结果的曲线，基于上述结果得到了本发明钢中碳、铬、磷、可溶铝和硼含量之间的关系。
按照本发明生产的铁素体不锈钢本质特征在于磷的作用，要精确地加入与其它合金元素有关的适量磷，而在普通铁素体不锈钢中却要求减少磷。
9种铁素体不锈钢热轧板材统一在日本JISG 4304中，10种铁素体不锈钢冷轧板材统一在日本JISG 4305中。关于上述标准化铁素体不锈钢板的磷含量，标准规定SUS447Jl(Cr28.50到32.00%)和SUSXM27(Cr25.00到27.50%)两类不锈钢的磷含量不大于0.030%，而其它类别不锈钢的磷含量不大于0.040%。一方面，铁素体不锈钢呈体心立方点阵晶体结构，这种晶体结构本质地导致降低材料的韧性。另一方面，材料中高达11%或更多的铬也进一步降低材料的韧性。可以判明，有关杂质尤其是磷对材料韧性的影响不利。标准规定磷含量严格保证不超过0.03%(或0.040%)。
已经发现，在铁素体不锈钢中添加适量的磷能改善热轧材料的酸洗性，并能改善冷轧材料的二次加工性。
图2用曲线示出磷对冷轧产品
r值的影响，估计该影响在阴影区表示的测量中有某些变化。根据对厚度为0.7mm、不同磷含量和(13%Cr-0.03%C)基本组分的冷轧钢板的测量，得到图2表示的结果。用相同的常规工艺过程制备全部试验钢板，该工艺过程包括热轧、热轧钢板退火、冷轧和冷轧钢板的退火步骤。众所周知上述工艺过程中，
r值是表示材料深拉性能的典型测量值。
r值愈大，尤其是超过1.0的更大的
r值，则材料的深拉性能愈好。从图2看出，在普通铁素体不锈钢中约有0.025%的磷含量时，通常发现
r值低于1.0，当磷含量增加并超过0.075%时，
r值最终高达1.4或更大。
已经说过，由于添加磷改善了热轧铁素体不锈钢的酸洗性能。从而不必使用在酸洗铁素体不锈钢中通常应用的昂贵的硝酸-盐酸，只用在酸洗低碳钢中通常用的盐酸就能很好地完成酸洗。
通过浓集磷可以改善铁素体不锈钢的加工性和酸洗性，从提供廉价铁素体不锈钢的观点来看，它是非常有益的。首先，磷本身就是很便宜的元素。以前都是使用钛、铌和铝等昂贵的合金元素来改善铁素体不锈钢的二次加工性，这势必导致产品价格的增加。通过添加适当的铁-磷合金等磷源或者使用含磷的生铁水，可以实现浓集磷。使用铁-磷合金浓集磷，产品价格增加是很少的。使用含磷生铁水浓集磷，产品价格反而能降低，因为有效地利用了以前除去的磷，并因此可以取消或减少脱磷炉料。此外，在使用生铁水浓集磷的情况下，采用价格低廉的含磷铁和铬矿原料作为原材料来生产不锈钢是可能的，因为它们含磷量高。其次还可以使用盐酸酸洗液来完成热轧材料的酸洗步骤，它的优点是不仅经济而且工艺简单。
然而不能否认，铁素体不锈钢中的磷常常对钢的某些性能产生有害影响，磷的存在常常削弱铁素体不锈钢的韧性和二次加工性。
我们发现，通过控制碳、铬含量和添加微量可溶铝，可以克服磷对铁素体不锈钢韧性的有害影响。
图3用曲线示出了可溶铝含量对韧性的影响(由夏氏冲击试验值反映出来)。通过测量不同可溶铝含量基本组分为13%Cr-0.03%C-0.10%P的的试验样品，获得了图3表示的结果。每一个样品都是这样制备的，将上述基本组分和一定可溶铝含量的30公斤锭料，在1100℃下锻造，随后将锻件在760℃下均热处理4小时，最后从已均热处理的材料上切下试验样品。分别在20℃和0℃下进行夏氏冲击试验。合格的冲击试验值至少为5kgf·m/cm2。图3示出，在试验温度下，含有0.002%可溶铝的钢全部冲击试验值几乎都为零，而当可溶铝含量超过0.0050%并接近0.010%时，钢的冲击试验值急剧增加大大超过至小合格值5kgf·m/cm2，并在可溶铝含量大于0.020%时，可溶铝改善韧性的影响趋于饱和。
关于“二次加工性”术语，我们指的是深拉材料的加工性。我们已经得知，当深拉(第一次拉延)富磷铁素体不锈钢冷轧板材然后重复撞击它时，或者当深拉富磷铁素体不锈钢板材经受撞击造成的震动时，脆性断裂经常发生在平行于第一次拉延的方向上。由于第一次拉延，材料韧性降低造成了这类断裂，温度愈低、第一次拉延愈强烈，则愈可能发生这类断裂。二次加工性是材料的一种性能，它不同于韧性和成形性，因此应该注意，常常有这种情况，即令一种材料具有由高
r值表示的良好深拉性能，但由于该材料二次加工性能差，也无法成功地把它加工成所希望的最终产品。
有关磷对富磷铁素体不锈钢二次加工性能的影响，还没有完全弄懂其准确的作用机理。然而我们可假定，鉴于磷本质上是一种在晶界有偏析趋向的元素，已经在晶界偏析的磷起着削弱晶间结合力的作用，由于第一次拉延使这种作用加强，从而由晶间破坏引起的断裂就可能发生。
已经发现，添加一些严格平衡的合金元素可以克服磷对二次加工性的有害影响，如同本书所提出的，它们不仅单独也共同起作用。
图4是表示测定二次加工性试验(扩管试验)结果的曲线，在上述结果基础上，得到了本发明钢中碳、铬、磷、可溶铝和硼含量之间的关系。图4表示的结果是通过厚度为0.7mm、不同组分的冷轧钢板试验而获得的。用相同的常规工艺制备这种冷轧钢板，该工艺包括热轧、热轧钢板退火、冷轧和冷轧钢板退火步骤。用于试验的每一块钢板都以2.0的拉延率被深拉成外径为27.0mm的杯，在0℃用园锥冲压机把杯膨胀到破裂。检查杯是韧性破坏还是脆性破坏，对每一种一定组分用于试验的钢，制备5到10个杯并进行膨胀破坏试验，测定发生脆性破坏杯的百分数，即脆性破坏率。这种试验将被定义为扩管试验(cup expansion test)。如果用于试验的一定组分的全部杯，在扩管试验中都没发生脆性破坏，即脆性破坏率为零，那么可以说该种组分钢的二次加工性是令人满意的。
图4中试验钢的组分表示在座标系中，横座标为公式(Cr+50×P)表示的百分数，纵座标为公式(C+10×B+Sol.Al)表示的百分数。在式中Cr、P、C、B和Sol.Al代表钢中相应元素的百分比。图4展示了钢的组分和冷轧材料二次加工性之间存在着清楚的相关性。更准确地说，从图4可以看出对属于B(12.0，0.005)C(22.0，0.020)连线以上和C(22.0，0.020)D(22.0，0.30)连线左边区域内的点所示组分的钢，除了P1和P2钢以外，在扩管试验中完全观察不到脆性破坏。图4进一步展示了铬和磷削弱二次加工性的作用，而碳、硼和可溶铝有助于增强二次加工性。
可以认为，P1和P2钢的例外情况是由特定合金元素造成的。顺便提一下，P1和P2钢有以下表1表示的组分。由于P1钢0.0035%很低的碳含量，我们认为，尽管钢中存在着相当数量的可溶铝，P1钢也不会表现出令人满意的二次加工性。由于P2钢含有过分超量的铬(18.60%)，较低的磷含量削弱了其二次加工性。因此对于本发明目的来说，除了规定铬的上限外，还有必要规定碳的下限。
表1 化学组分(重量百分比)
基于上述扩管试验结果及其重要性，我们按照图4中曲线规定某些添加合金元素的相互比例，即规定碳百分比最小值为0.005%，铬百分比最大值为18.00%。
还没有完全弄懂碳、硼和可溶铝增强二次加工性的精确作用机理。但我们可假设如下，关于碳和硼的作用，估计它们自己在晶界偏析，从而增强晶界或者阻止对二次加工性有害的磷在晶界偏析。关于可溶铝的作用，它有助于抑制碳化铬的沉析，作为碳化铬所消耗的碳减少，碳量也被溶解或者在晶界的偏析增加。根据上述机理，这种碳的作用会增强二次加工性。
现在将说明各个添加合金元素的数值限制。
碳至少应该为0.0050%，如同上文对P1钢所说明的那样，如果碳含量太低将得不到所希望的二次加工性。但太高的碳含量不仅使材料变得过硬，导致令人不满意的成形性，也有害于材料的焊接性能。为了避免这些麻烦，要求规定碳的上限为0.0500%。
为了得到所希望的耐腐蚀性能，要求铬的下限为10.00%。从铬的这个下限和最低可能的磷含量测得了图1中的AB线。如同上文对P2钢所说明的那样，太高的铬含量会削弱韧性即材料的二次加工性。为此，铬的上限规定为18.00%。
硅有助于改善高温下材料的抗氧化硅，但硅的上限规定为0.050%，因为太高的硅含量使材料变得过硬。
锰是一种改善材料热加工性和焊接区韧性的元素。锰含量大于0.50%时，这种作用趋于饱和，并用产品变得昂贵。为此锰的上限规定为0.50%。
硫是一种有害元素，它不利材料的耐腐蚀性和热加工性。因而含硫量愈低，我们愈喜欢。目前硫可允许的上限规定为0.030%。
镍有益于改善铁素体材料的韧性，但是高含量的镍使产品变得昂贵，这违反本发明的目的。因此目前采用常规标准铁素体不锈钢0.60%镍上限作为本发明合金中镍的上限。
磷含量对于本发明目的来说是至关重要的。磷含量不大于0.040%时，要求预先从生铁中除去磷或者在转炉中专门处理以除去磷，这导致增加生产成本。而且也享受不到能改善酸洗性和成形性的富集磷的效果。因而要求磷的含量大于0.040%。但太高的磷含量有害于材料的韧性、热加工性和二次加工性，虽然按照本发明可以通过精确平衡其它合金元素来降低这种有害影响。目前我们规定磷的上限为0.20%。
铝作为钢生产过程中的脱氧剂，可以减少钢中氧含量和清洁钢。酸溶性铝(可溶铝)有助于抑制磷对产品韧性和二次加工性的有害作用。为了得到可溶铝的这种有益作用，至少需要0.005%的可溶铝。但可溶铝含量大于0.200%时，这种作用趋于饱和，还可能在浇铸步骤中造成注口堵塞的技术问题。
甚至极少量的硼也能显著改善材料的二次加工性。微量的硼足以能获得所希望的二次加工性，只要碳和可溶铝的配合量适合于特定的铬和磷含量。为了得到最佳二次加工性，我们推荐硼含量至少为0.0005%但硼的上限规定为0.0050%，因为硼往往导致削弱产品的成形性。
对于本发明目的来说氮不是很重要的。在钢生产过程中氮不可避免地会进入产品，按照本发明生产的铁素体不锈钢中，含氮量的范围为0.0050%到0.05%，这和常规不锈钢中出现的情况一样。
为达到本发明的目的，合金元素必须分别控制在上述各自的范围内，此外取决于一定铬和磷的含量，碳、硼和可溶铝必须平衡，以便横座标为(Cr+50×P)百分数和纵座标为(C+10×B+Sol.Al)百分数的点可以落在图1的ABCD四边形区域内。
通过以下工作和对照实例将进一步介绍本发明的特色和有益结果。制备具有表2示出的化学组分的钢水。用每一种钢水制备一块厚度为3.2mm的热轧带钢。对每一块热轧带钢酸洗除锈，并且不经任何中间热处理将其冷轧至0.7mm的厚度，然后须经820℃下均热1分钟并在空气中冷却的步骤完成退火，这样制备的钢样用于试验
r值和二次加工性。
r值按下式计算r＝(ro+2r45+r90)/4式中ro、r45和r90.分别是沿着与轧制方向成0°、45°和90°方向测量的Lankford值。为了测定二次加工性，参照上述图4在0℃下进行扩管试验并按图4估算结果。
表2
A按照本发明生产的钢B对照钢表2(续)
表3
A按照本发明生产的钢B对照钢＊扩管经验O脆性破坏率为0
脆性破坏率小于50%●脆性破坏率不小于50%
可以展示以下情况。
1号到7号钢有相当高的
r值，显示出它们优良的深拉性能。在扩营试验中没发生脆性破坏，这反映了它们令人满意的二次加工性。
8号对照钢含有超过本书中规定的磷量，(Cr+50×p)百分比也超过图1表示的范围，所以这种钢尽管
r值相当高，而其二次加工性并不令人满意。
9号对照钢磷含量低，因而它的
r值也低，这表示它的深拉性能差。
10号对照钢含有0.0028%的碳量，这低于本书规定，因而这种钢的二次加工性是不够的。
11号对照钢含有合金元素的数量分别在本书规定的各自范围内，但(Cr+50p)百分比超过图1表示的范围，使得其二次加工性并不令人满意。
12号对照钢含有0.003%的可溶铝，这低于本书规定，(C+10B+可溶Al)百分比相对于20.59%的(Cr+50p)来说也太低，结果二次加工性也不令人满意。
13号对照钢可溶铝含量也低于本书规定，而铬百分比和(Cr+50p)百分比又太高，因此，这种钢的二次加工性差。
权利要求
1.具有优良成形性和二次加工性的加磷铁素体不锈钢，其特征在于它基本上由以下重量百分比的元素组成碳0.0050到0.0500%铬10.00到18.00%硅最高达0.50%锰最高达0.50%磷大于0.040%但不超过0.200%硫最高达0.030%镍最高达0.60%可溶铝0.005到0.200%硼微量到0.0050%平衡铁和不可避免的杂质，进一步平衡合金元素，以便使横座标为(Cr+50×p)百分数和纵座标(C+10×B+Sol.Al)百分数的点可以落在图1ABCD四边形的区域内，此处A、B、C和D点的座标分别为(12.0，0.30)、(12.0，0.005)(22.0，0.020)和(22.0，0.30)。
2.按照权项(1)所说的具有优良成形性和二次加工性的加磷铁素体不锈钢，其特征在于硼的百分比从0.0005到0.0050%。
专利摘要
铁素体不锈钢基本上由以下重量百分比的元素组成(％)，0.0050到0.050的碳，10.00到18.00的铬，最高达0.50的硅，最高达0.50的锰，大于0.040但不超过0.200的磷，最高达0.030的硫，最高达0.60的镍，0.005到0.200的可溶铝和微量到0.0050的硼，铁和杂质平衡，碳、铬、磷、可溶铝和硼含量进一步平衡，以便使横座标为(Cr+50×P)百分数和纵座标为(C+10×B+Sol.Al)百分数的点可以落在图1ABCD四边形区域内。
文档编号C22C38/54GK85104196SQ85104196
公开日1986年12月31日 申请日期1985年6月1日
发明者星野和夫, 宫楠克久, 清水勇 申请人:日新制钢株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan