具备优良成形性和耐腐蚀性能的高强度铁素体不锈钢及其制造方法

摘要

具备优良成形性和耐腐蚀性能的高强度铁素体不锈钢及其制造方法，其成分重量百分比为：C0.004%-0.015%，N≤0.015%，Mn0.2-1.0%，Si0.2-1.0%，Cr17.0-20.0%，Ni0.25-0.6%，Cu0.2-1.0%，Mo0.05-0.5%，14(C+N)≤Nb+Ti≤1.0%，Nb/Ti≥1.5，0.3%≤Nb+V≤0.6%，P≤0.035%，S≤0.003%，其余为Fe和不可避免杂质；其屈服强度≥320MPa，点腐蚀电位≥0.3V，塑性应变指数，各向异性指标Δr≤0.3。本发明采用中Cr合金设计，利用Cu、Nb、Ti、Mo的合理匹配，提高其耐腐蚀性能，同时采用V、Nb配合结合连铸、热轧、退火、冷轧、退火等工艺对晶粒度精确控制，从而得到综合性能良好的铁素体不锈钢钢板。

说明书

技术领域

本发明涉及铁素体不锈钢，尤其涉及一种具备优良成形性和耐腐蚀性能的高强度铁素体不锈钢及其制造方法，该钢种屈服强度≥320MPa，点腐蚀电位≥0.3V，塑性应变指数，各向异性指标Δr≤0.3，具备非常优越的室温成形性能，能够满足各种复杂形状的冲压件，比如汽车油箱生产冲压要求。

背景技术

随着我国汽车工业的高速发展，汽车油箱用钢的使用量越来越大。汽车油箱在实际适用过程中直接暴露在大气环境中，工作环境比较复杂，尤其是在北方冬季采用了NaCl作为融雪剂后，路面飞溅液体对油箱的腐蚀相当强烈，所以对油箱用钢的耐腐蚀性能提出很高的要求。

目前国内的卡车基本全部采用碳钢镀铅板或者铝合金制作汽车油箱，其中碳钢需要添加防锈涂层，不利于环保，且在行驶过程中若被路面飞溅石子击伤后会很快发生锈蚀。采用铝合金油箱则成本高，强度低易破损，甚至交通安全事故中极易导致爆炸事故。为了满足使用以及安全的要求，常用厚度约3mm的铝合金板来制作油箱，性价比并不高。另外为了保证汽车油箱的容量和足够的刚度，部分车型的油箱形状比较复杂，此时对制作汽车油箱用的不锈钢室温冲压性能也提出很高的要求。

因此在国外发达国家，普遍使用304等奥氏体不锈钢来制作卡车油箱，因为奥氏体不锈钢具备优良的耐腐蚀性能，同时在加工过程中的加工硬化效果好，使油箱也具备较高的强度，能够满足油箱使用及加工的各项需求，但是奥氏体不锈钢含Ni量高，价格昂贵，对整车装备而言成本较高。

铁素体不锈钢要满足油箱的性能需求，必须同时具备优良的耐腐蚀性能，优良的成形性能和强度。

目前现有的铁素体不锈钢屈服强度均在200MPa-260MPa之间，而且常规的430、409等不锈钢用来加工油箱时，除了面临强度较低的问题外，还会在较短的时间内发生严重锈蚀，不仅影响外观，还增加了穿孔失效的风险，另外，在冷冲压加工的时候产生冲压开裂或者因为严重的各项异性而导致零件变形、起皱等缺陷。因此，开发具备优良成形性和耐腐蚀性能的高强度铁素体不锈钢才能满足油箱的使用要求。

表1

发明内容

本发明的目的在于提供一种具备优良成形性和耐腐蚀性能的高强度的中铬铁素体不锈钢及其制造方法，该钢种屈服强度≥320MPa，点腐蚀电位≥0.3V，塑性应变指数的同时各向异性指标Δr≤0.3，采用本发明材料钢种制作卡车油箱，可以减薄油箱壁厚，但不影响油箱的整体强度，同时又满足其腐蚀性能要求，即使在行驶过程中发生表面擦伤也不会导致局部的破损失效及腐蚀，可具备持久的较好使用性能。

为了满足钢的强度、可焊接性、耐腐蚀性及抗冲击性的要求，本发明采用了中Cr合金设计，针对油箱的使用环境，利用Cu、Nb、Ti、Mo的合理匹配提高其耐腐蚀性能，同时采用V、Nb的复合添加配合随后的连铸、热轧、退火、冷轧、退火等生产工艺对晶粒度精确控制，从而得到综合性能良好的铁素体不锈钢钢板。

本发明的具备优良成形性和耐腐蚀性能的高强度铁素体不锈钢，其化学成分的重量百分比为：C：0.004%-0.015%，N≤0.015%，Mn：0.2-1.0%，Si：0.2-1.0%，Cr：17.0-20.0%，Ni：0.25-0.6%，Cu:0.2-1.0%，Mo：0.05-0.5%，且满足14(C+N)≤Nb+Ti≤1.0%，Nb/Ti≥1.5，0.3%≤Nb+V≤0.6%且Nb、Ti、V均大于0，P≤0.035%，S≤0.003%，其余为Fe和不可避免的杂质；其屈服强度≥320MPa，点腐蚀电位≥0.3V，塑性应变指数，各向异性指标Δr≤0.3。

本发明的具备优良成形性和耐腐蚀性能的高强度的铁素体不锈钢的成分设计理由如下：

C和N：本发明钢种属于超低碳氮的铁素体不锈钢，因此在本发明钢中，碳和氮属于特别关注的控制元素，其中，N主要是杂质元素需要尽可能降低其含量。而C含量过低不利于保证材料的强度，尤其是C要与Nb、Ti形成碳化物起到提高材料强度的作用，当C含量非常低和非常高时，退火过程中的晶粒度控制也会受到影响。C过高则会影响材料的耐腐蚀性能和成形性能，因此设定了C的控制范围为0.004%-0.015%，N≤0.015%，降低氮含量主要是尽可能降低稳定化元素用量，特别是减少Ti的使用，提高产品的表面质量和提高晶间腐蚀性能。

Cr：Cr是提高耐蚀性和强度的主要合金元素。Cr能提高不锈钢耐蚀性，提高其耐大气腐蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀能力。Cr也能提高钢的强度，同时Cr含量提高使冷连轧出现表面缺陷的风险增加。Cr含量过低则不利于提高其腐蚀性能，因此Cr含量选择范围为17-20%。

Si：加入钢中起到脱氧和改善耐蚀性的作用，同时还可以进一步极高材料的强度。过低不利于脱氧作用和提高强度，一般大于0.2%。但Si含量大于1.0%，加工和韧性不利，对常温下成型也不利。考虑到整体性能，Si含量选择范围为0.2-1.0%。

Mn：Mn为弱奥氏体元素，Mn可以抑制不锈钢中硫的有害作用，提高热塑性。过低不利于提高其热塑性，过高不利于保证其耐腐蚀性。本发明钢中为了保证钢的强度和塑性，Mn含量选择范围为0.2-1.0%。

Cu：Cu为弱奥氏体形成元素，在本合金设计体系中对组织的影响可以忽略不计，然而适量的Cu可以抑制铁素体不锈钢的阳极溶解，减缓点蚀的形核和扩散，可以有效的提高材料的耐腐蚀性能。另外Cu也可提高材料强度，改善铁素体不锈钢的冷加工性能。Cu含量过低，对材料性能的改善没有明显作用，而太高又会对生产过程带来一定难度，所以添加Cu含量的范围为0.2-1.0%。

Ni：Ni为奥氏体形成元素，在铁素体不锈钢中不可存在过多，但是少量的Ni对材料焊缝的低温韧性改善非常有利，考虑该发明钢在实际使用时焊接为必不可少的工艺，所以将Ni添加量控制在0.25-0.6%。

Ti和Nb：Ti和Nb主要用于防止钢中铬和碳结合形成铬碳化物而引起的铬浓度降低导致耐腐蚀性降低，特别是引起晶间腐蚀；Ti还可以与钢中硫结合形成TiC₂S化合物以防止MnS所引起的点蚀。通过实验证明当Nb+Ti的含量大于或等于14×（C+N）时，无论是母材还是焊缝的晶间腐蚀基本不会发生。本发明钢中除了考虑改善材料晶间腐蚀以外，还利用Nb和Ti来提高材料的强度，同时通过其对间隙原子的固定作用而提高室温成形性能。Nb过高对钢的脆性转变温度不利。Nb与氮形成的氮化物(NbN)还会降低钢的热塑性，Nb过多则导致形成粗大的Fe₂Nb，对材料的室温成形性能反而有害。Ti作为稳定化元素与Nb复合添加对耐腐蚀性能和成形性能均有利，但是Ti含量较高时TiN夹杂物数量多，尺寸大，对材料的表面质量也会带来一定损害，考虑到Nb也可以提高材料的强度，所以本发明钢中稳定化元素添加以Nb为主，添加较少的Ti保证稳定化效果和提高材料的焊接性能，尤其是当Nb/Ti≥1.5的时候，焊缝组织细化的效果非常明显。因此。综合考虑到所加C、N的含量，Nb、Ti元素的选择范围为：14×(C+N)≤Nb+Ti≤1.0，Nb/Ti≥1.5。

V：V有利于提高材料强度，在铁素体不锈钢中与Nb作用相似，但是本发明钢中含Nb量过高时会在钢中形成粗大的Fe₂Nb相，其在本发明所设计的工艺条件下难以避免，这就导致Nb的强化作用有所减弱，因此添加一定量的V元素以保证材料的强度；另外当Nb+V的含量大于0.3时，在提高强度的同时，材料的各向异性也可以得到一定程度的改善，但是过多的V会明显降低屈强比，不利于成型加工，综合考虑，本发明钢中需要满足0.3≤Nb+V≤0.6。

Mo：Mo元素是显著提高材料耐点腐蚀的元素，对缝隙腐蚀的改善效果也非常明显，同时Mo也是能够显著提高材料强度的元素。综合考虑其对强度以及耐腐蚀性能的改善效果以及合金成本，可将Mo含量控制在0.05-0.5%。

P和S：铁素体不锈钢中磷和硫会严重影响不锈钢的耐蚀性和加工性能，必须严格控制，一般希望控制在P≤0.035wt%，S≤0.003wt%。

本发明的具备优良成形性和耐腐蚀性能的高强度铁素体不锈钢的制造方法，包括如下步骤：

（1）冶炼、连铸：按照上述化学成分的配比经电炉炼钢、AOD脱碳、VOD脱氧三步法冶炼并在VOD结束后进行喂钛丝处理获得钢液，然后将钢液连铸成连铸坯，且连铸坯中等轴晶比例不低于60%，其中连铸过程的连铸坯拉速为0.9-1.1m/min。

（2）热轧：将步骤（1）获得的连铸坯送入加热炉中加热至1150～1200℃进行热轧，热轧时先进行5-7道次粗轧并去除表面氧化皮，粗轧温度为1120-1050℃，再进行5-7道次精轧，精轧的终轧温度为980-930℃，最后采用层流冷却至600-660℃进行卷取，获得热轧卷。

（3）热轧后退火：将步骤（2）获得的热轧板在970℃-1020℃进行退火，然后酸洗，获得晶粒度为6-8级的退火热轧板。

（4）冷轧：将步骤（3）获得的退火热轧板进行五机架连轧获得冷轧板，其中轧制速度在250-500m/min，总压下量在70-85%之间，按照用途要求，最终轧制厚度控制在0.5mm-2.0mm之间。

（5）冷轧后退火：将步骤（4）获得的冷轧板进行退火并保温，获得所述具备优良成形性和耐腐蚀性的高强度铁素体不锈钢，其中，退火温度在920-1020℃之间，保温时间T为0.5t≤T≤1t，其中T单位为分钟，t为材料厚度，单位为mm。

进一步的，步骤（1）连铸过程中采用电磁搅拌，且电磁搅拌的电流为1000-1600A。

进一步的，步骤（1）获得的连铸坯在热轧前还进行带温表面修磨，修磨的起始温度不低于400℃，修磨的终了温度不低于200℃。

进一步的，步骤（2）精轧时每个轧制道次的压下量不得大于35%。关闭精轧机组内除轧制油喷淋系统以外的所有冷却水和除鳞水。

进一步的，步骤（4）五机架连轧中，连轧机的第一轧制道次和第二轧制道次的轧辊表面粗糙度在1.0-1.5μm之间，成品机架轧辊表面粗糙度在0.1-0.6μm之间，其他机架轧辊表面粗糙度在0.5-0.7μm之间。

本发明上述步骤（1）采用三步法冶炼并在VOD结束后进行喂钛丝处理，综合化学成分满足设计要求后即可获得满足成分要求的钢液；

本发明上述步骤（1）中，通过控制连铸过程拉速（0.9-1.1m/min）、加强电磁搅拌(电流1000-1600A)并结合稳定化元素等综合工艺使钢液经过连铸获得连铸坯，且连铸坯中等轴晶比例不低于60%。

本发明上述步骤（2）中，出精轧的带钢需以尽可能快的冷速冷至600℃-660℃的温度区间内进行卷取，以避免不必要的析出相影响产品性能。本发明所设计钢种热轧生产的关键点还在于必须严格控制精轧变形过程中每个轧制道次的压下量不得大于35%，且关闭精轧机组内除轧制油喷淋系统以外的所有冷却水和除鳞水，否则会导致无法修复的表面缺陷。

本发明上述步骤（3）中，热轧卷需经过退火酸洗后进行冷轧轧制，热轧板退火温度设定为970℃-1020℃，本发明在该工序关键控制点在于热轧板退火晶粒度必须严格控制在6级-8级之间（即平均晶粒尺寸控制在20μm到40μm）之间，晶粒过于细小不利于后续冷轧生产的控制，晶粒过于粗大带钢的韧性会急剧下降，脆断风险极高。且对于该成分设计，当热轧板的晶粒过于粗大时，会导致最终冷扎成品的各向异性明显加剧，不利于Δr的控制。

本发明上述步骤（4）中，经过退火、酸洗后的热轧板必须经过冷连轧（TCM）轧机进行生产，因为冷连轧轧辊直径比传统单机架轧机的轧辊直径粗，变形更加均匀，另外利用冷连轧生产单道次变形量大，在冷连轧的情况下，短时间内即可完成70-85%的压下量。且相邻两轧制道次之间停留时间极短，为带钢提供了极高的形变储存能，为后续生产对晶粒度的控制奠定了基础。

本发明上述步骤（4）中，冷连轧工序的关键点在于如下三方面：

（a）总压下量必须保证在70%-85%之间。

（b）为了确保带钢具备较高的形变储存能来保证成品的成形性能，轧制速度需要尽可能控制在300m/min以上，对于提高成形性能而言，轧制速度越快越好，对于常规不锈钢，如430，409等，轧制速度超过500m/min很正常，但是本发明的合金设计中为了增强最终成品的强度，所添加的合金元素会导致轧制过程中变形抗力增大，当轧制速度太快时候就会导致无法修复的表面缺陷。因此轧制速度务必控制在250mm/min-500m/min之间。

(c）第一轧制道次和第二轧制道次的轧辊表面粗糙度确保1.0-1.5μm之间，成品机架轧辊表面粗糙度控制在0.1-0.6μm之间，其他机架轧辊表面粗糙度可控制在0.5-0.7μm之间。

本发明上述步骤（5）中，冷轧后的退火温度确保在920℃-1020℃，且要确保冷轧板到达设定退火温度后保温时间为0.5t≤T≤1t，其中T单位为分钟，t为材料厚度，单位为mm，否则无法将晶粒度控制在7-9级。退火温度过高或保温时间过长会导致晶粒粗大，不利于材料冲压成形，Δr也会相应的增加；而退火温度过低导致材料强度过高，延伸率低，室温成形性能差。

本发明与现有技术相比，其主要区别如下，其中有代表性的现有专利的钢种，其成分对比如表1所示：

中国专利CN101487099A中公开了一种汽车油箱用钢，采用了中Cr设计外加Nb+Ti作为稳定化元素的合金化方式。其稳定化元素的添加主要是为了考虑固定C、N原子，提高耐腐蚀性能，而本发明钢中Nb、Ti还考虑了析出强化和固溶强化的作用，并添加了V作为强化元素，且添加Mo提高耐氯离子腐蚀，与该专利具有明显区别。

中国专利CN102206791A和CN101538683A均采用了Nb、Ti作为稳定化元素，其中CN102206791A采用了20-22Cr的高Cr设计，是依靠Cr含量来提高其耐腐蚀性能的，而CN101538683A也主要考虑了耐腐蚀性能和成形性能，且不含Mo，也未使用V作为强化元素提高材料的强度，与本发明明显不同。

日本专利JP6088168公开的铁素体不锈钢中也利用了Nb作为强化元素，采用中Cr的设计，同时利用Mo来提高耐腐蚀性能，但是其提出钢中必须含有0.005-0.05的Al元素，且Si元素必须低于0.06%，与本发明明显不同。

美国专利US2002117240公开了一种汽车油箱用铁素体不锈钢，提出了采用Nb、Ti、V合金化，但是并未根据各个元素之间的相互作用对合金量加以限制，其合金化旨在提高材料强度，并未对材料的成形性能和各项异性做充分考虑。

本发明采用了中Cr合金设计，针对油箱的使用环境，利用Cu、Nb、Ti、Mo的合理匹配提高其耐腐蚀性能，同时采用V、Nb的复合添加配合随后的连铸、热轧、退火、冷轧、退火等生产工艺对晶粒度精确控制，从而得到综合性能良好的铁素体不锈钢钢板，该铁素体不锈钢具有高的强度、优良的可焊接性、耐腐蚀性及抗冲击性，其屈服强度≥320MPa，点腐蚀电位≥0.3V，塑性应变指数，各向异性指标Δr≤0.3。

在生产工艺方面，本发明所设计的钢种必须采用冷连轧方式进行冷轧，且采用五机架串列式连轧机进行冷轧。

串列式连轧机（如图2所示的五机架串联式轧机）与常规多辊可逆轧机（如图1所示）的主要区别在于：

多辊可逆轧机轧辊直径小，带钢需要往返轧制至目标厚度；通常为综合考虑板形、表面等因素，需要9-11个轧制道次尚可完成轧制。

而连轧机轧辊直径大，本发明所使用五机架串列式冷连轧机组（如图2所示）：轧机工作辊辊径为405-455mm，轧辊宽度为1780mm，最大轧制力27000kN，最大轧制速度1300m/min。

本发明采用冷连轧生产与常规多辊可逆轧机生产方式相比区别在于：

1.轧制道次少，单道次压下量大。

2.总体变形速度快，传统可逆轧机完成一道次轧制的时间内仅可压下20-35%，而五机架连轧机在相同的时间内可完成最高达85%的总压下。除了生产效率高外，该五机架冷连轧工艺可明显提高材料的变形储存能，是本发明材料晶粒度控制和成形性能优化必不可少的工艺环节。

总之，采用本发明的化学成分设计以及上述生产工艺所获得的铁素体不锈钢，具有高强度，高r值和较低的各向异性指数Δr，同时具备非常优良的耐腐蚀性能，可以用来制作形状复杂，对耐腐蚀性能要求比较高的冲压件，比如汽车油箱，汽车排气系统消声器等。

附图说明

图1为常规的多辊可逆冷轧机示意图；

图2为本发明的五机架串列式轧机示意图；

图3为本发明对比例1单机架轧制冷轧态组织图片（压下量为75%）；

图4为本发明实施例1的五机架连轧机轧制冷轧态组织图片（压下量为75%）；

图5为本发明对比例1的成品钢退火组织图片；

图6为本发明实施例1的成品钢退火组织图片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细描述。

本发明具备优良成形性和耐腐蚀性能的高强度铁素体不锈钢实施例的成分参见表2，具体工艺参数如表3所示。

（1）冶炼、连铸：按照表2所示的化学成分的配比经电炉炼钢、AOD脱碳、VOD脱氧三步法冶炼并在VOD结束后进行喂钛丝处理获得钢液，然后将钢液连铸成连铸坯，连铸过程中采用电磁搅拌，且电磁搅拌的电流为1000-1600A，且连铸坯中等轴晶比例不低于60%，其中连铸过程的连铸坯拉速为0.9-1.1m/min。

（2）热轧：将步骤（1）获得的连铸坯送入加热炉中加热1150～1200℃进行热轧，热轧时先进行5-7道次粗轧并去除表面氧化皮，粗轧温度为1120-1050℃，再进行5-7道次精轧，精轧的终轧温度为980-930℃，精轧时每个轧制道次的压下量不得大于35%，且关闭精轧机组内除轧制油喷淋系统以外的所有冷却水和除鳞水，最后层流冷却至600-660℃进行卷取，获得热轧卷。

（3）热轧后退火：将步骤（2）获得的热轧板在970-1020℃进行退火，然后酸洗，获得晶粒度为6-8级的退火热轧板。

（4）冷轧：将步骤（3）获得的退火热轧板进行五机架连轧获得冷轧板，其中轧制速度在250-500m/min，总压下量在70-85%之间；按照用途要求，最终轧制厚度控制在0.5mm-2.0mm之间。五机架连轧中，连轧机的第一轧制道次和第二轧制道次的轧辊表面粗糙度在1.0-1.5μm之间，成品机架轧辊表面粗糙度在0.1-0.6μm之间，其他机架轧辊表面粗糙度在0.5-0.7μm之间。

（5）冷轧后退火：将步骤（4）获得的冷轧板进行退火并保温，退火温度在920-1020℃之间，保温时间T为0.5t≤T≤1t，其中T单位为分钟，t为材料厚度，单位为mm，获得各实施例的具备优良成形性和耐腐蚀性的高强度的铁素体不锈钢。

对比例1的钢种，其化学成分如表2所示，制造方法中的具体工艺参数如表3所示，

将实施例1-6的铁素体不锈钢和对比例1的钢种分别进行检测，其力学性能、耐腐蚀性能和成形性等如表4所示：其屈服强度≥320MPa，点腐蚀电位≥0.3V，塑性应变指数，各向异性指标Δr≤0.3；并且本发明的具备优良成形性和耐腐蚀性的高强度的铁素体不锈钢工业试制的效果很好。

将本发明实施例1和对比例1的冷轧态组织（压下量为75%）和成品钢退火组织分别进行检测，获得图3和图4，以及图5和图6。

从图3和图4的对比可知：采用连轧方法生产的带钢冷轧硬态组织明显比采用单机架轧制获得带钢组织细小，从而获得了更高的形变储存能，为后续晶粒细化控制提供了必要条件。

从图5和图6的对比可知：采用了冷连轧的钢板退火后晶粒更细小均匀，可显著改善其各向异性。

表2      单位：重量百分比

CSiMnPSCrNbNiCuNVTiMoFe/杂质实施例10.0040.450.450.010.00117.20.450.280.250.0080.070.121.2其余实施例20.0150.220.590.020.00219.50.320.200.350.0120.150.150.99其余实施例30.0080.800.650.010.00218.00.250.400.530.0100.060.251.5其余实施例40.0100.450.360.010.00119.00.400.571.00.0120.050.201.8其余实施例50.0090.300.750.0150.00119.840.130.230.820.0060.300.351.95其余实施例60.0120.270.460.010.00218.750.200.300.100.0070.210.271.65其余对比例10.0090.350.420.010.00218.20.45----0.006--0.15--其余

表3

表4