一种高成形性低铬铁素体不锈钢及制造方法

摘要

一种高成形性低铬铁素体不锈钢及其制造方法，其化学成分重量百分比为：C≤0.015％，Si0.010～0.35％，Mn0.015～0.25％，Cr9.5～11％，Ti0.15～0.20％，P≤0.025％，S≤0.002％，N≤0.010％，(C+N)≤0.025％，Ca0.0010～0.0050％，Al≤0.05％，Ti单稳定：6(C+N)≤Ti，其余Fe和不可避免的杂质，杂质元素Ni≤0.3％，Cu≤0.3％，O≤0.0050％，且Ni+0.5Cu≤0.35％，其它杂质元素总量低于0.05％。本发明通过降低Cr、Si、Mn含量，通过控制其在钢中的固溶量，降低固溶强化作用，以降低强度、硬度以提高成形性；严格控制Ni、Cu含量，减少马氏体相形成的可能性，以降低不锈钢硬度和强度，提高成形性能。通过控制铁水和废钢混合使用的比例，来控制钢中杂质元素Ni、Cu含量，最终控制杂质元素Ni、Cu对硬度、强度等性能的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及铁素体不锈钢及制造方法，特别涉及一种高成形性低铬铁素体不锈钢及制造方法，本发明产品还可以在满足一定的耐高温、抗氧化的前提下，应用于其它对成形性要求较高的环境，特别适用于制作摩托车排气管等小管径产品或者成形性要求较高的产品，包含晶粒度为6～8级。

背景技术

传统摩托车排气系统采用碳钢或者碳钢镀铝板进行制作，目前由于环境保护的压力，对摩托车的尾气排放也提出了更高的要求，国内各大摩托车行业、环保企业及相关科研院所围绕着如何进一步降低摩托车尾气排放问题，进行深入细致研究摩托车排气管的升级换代。为了提高汽油的燃烧效率，使用催化梅技术，加装催化转化器，这样排气管使用温度达到300～750℃，碳钢在这种环境下耐热性，抗氧化性都达不到要求，而不锈钢具有抗氧化性和耐热性能的优点。

其中，铁素体不锈钢具有的省镍、抗腐蚀性优良及低的热膨胀系数、高的强度等物理和力学性能等综合成本有性能的优势，使其成了汽车、摩托车等排气系统的首选材料，而排气管管件要进行弯曲、缩径、扩管等复杂的加工，廉价低档次的铁素体不锈钢的成型性能达不到，这样就不得不使用更高档的不锈钢，兼顾成本问题，摩托车厂家一般选用SUH409L等材料制作摩托车排气管。而摩托车排气量一般低于汽车，相应的排气系统的管径也比汽车排气系统的管径小，在摩托车排气管生产中，采用常规用于汽车排气系统的SUH409L材料制作摩托车排气管，尤其是在原碳钢焊管生产线上，在生产过程中经常出现回弹过大，材料制管成形后无法进行焊接的问题，另外在扩管还经常出现扩管、扩径开裂的问题。

市场上常见的SUH409L的化学成分为：C0.013％，Si0.56％，Mn0.21％，P0.031％，S0.0016％，Ti0.19％，Cr11.37％，N0.009％，Ca0.001％，Al0.01％，Ni0.11％；和力学性能为：R_p0.2，215MPa，Rm，400MPa，A₅₀39％，HV125。

在满足耐一定温度、抗氧化性的基础之上，适当降低材料的强度和表面硬度，提高加工性能。其中Si、Mn、Cr等元素含量的降低对材料的屈服强度及表面硬度的降低，以及杂质元素Ni、Cu的降低对提高延伸率和扩管率都是有好处的。

现有大多数专利的技术方案都是通过添加较多的Nb、Ti、V、Al、稀土等元素的方法来保证材料的塑形和耐腐蚀性能的，但是上述这些合金元素过多会明显提高材料的合金成本和制造成本，同时也提高了材料的强度和表面硬度，同时对Ni、Cu等残余元素的含量对材料性能的影响没有做出明确的研究。而在大生产过程中使用的废钢会带有一定量的Ni、Cu等残余元素，会对铁素体不锈钢的强度、硬度等性能产生影响，Ni、Cu是奥氏体形成元素，含量过高，在热轧空冷过程中会促进马氏体相产生，提高了强度和硬度；同时常规元素Si、Mn、Cr含量的提高也会增加材料的强度和硬度，因此研究残余元素Ni、Cu以及常规元素Si、Mn、Cr对材料强度、硬度的影响研究是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高成形性低铬铁素体不锈钢及其方法，该铁素体不锈钢具有高成形性、耐腐蚀性和抗氧化性良好；具有在300～750℃之间具有抗氧化性良好，并且具有低的屈服强度和表面硬度、高的延伸率和扩孔率等特点，其中屈服强度不大于200MPa，表面显微硬度不大于120HV，扩孔率不小于35％。本发明产品适合于摩托车及汽车尾气排放系统等小口径不锈钢焊管高成形性的经济型铁素体不锈钢。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种高成形性低铬铁素体不锈钢，其化学成分重量百分比为：C≤0.015％，Si：0.010～0.35％，Mn：0.015～0.25％，Cr：9.5～11％，Ti：0.15～0.20％，P≤0.025％，S≤0.002％，N≤0.010％，(C+N)≤0.025％，Ca：0.0010～0.0050％，Al≤0.05％，Ti单稳定：6(C+N)≤Ti，其余Fe和不可避免的杂质，杂质元素Ni≤0.3％，Cu≤0.3％，O≤0.0050％，且Ni+0.5Cu≤0.35％，其它杂质元素总量低于0.05％。

本发明的铁素体不锈钢化学成分设计的选择原因如下：

C、N：当材料中C、N过高时，对腐蚀性能、成形性能等有不利的影响；并且C、N是强烈的奥氏体形成元素，当奥氏体相增多时，在热轧后空冷时，促进了马氏体相的生成，提高了强度和硬度，使得延伸率恶化，因此必须严格控制其含量，在目前冶炼设备保证生产能力的情况下，比较容易实现C的含量限制为0.015％以下，N的含量限制为0.01％以下的目标，降低C、N含量也是为了降低对Ti的使用，以保证良好的表面质量。

Si：Si是铁素体相形成元素，当Si的含量增加时，铁素体相的稳定性变高并且改变了抗氧化性、耐硝酸和硫酸腐蚀性，但是Si提高了硬度、屈服强度和抗拉强度，降低了延伸率，劣化了成形性，因此Si的含量控制在0.35％以下。

Mn：Mn可以抑制钢种硫的作用，提高热塑性，但是当Mn的含量变高时，MnS形成容易引起点蚀，降低了不锈钢的抗腐蚀性能，因此Mn的含量控制在0.25％以下。

P：P在不锈钢中被视为有害元素，应尽量控制得越低越好。

S：S在不锈钢中也被视为有害元素，须严格控制硫的含量，越低越好。

Ti：Ti主要用于防止C与Cr形成碳铬化物引起的贫铬区，从而导致耐腐蚀性能降低，特别是晶间腐蚀。Ti还可以提高铁素体不锈钢的冷成型性能和焊接性能，但当加入高Ti时，使得炼钢时夹杂物变多，导致表面出现条纹状的缺陷等，添加稳定性元素Ti时按照6(C+N)添加，因此Ti的含量控制在0.15％～0.2％之间。

Cr：Cr是不锈钢中最重要的合金元素，铬形成Cr2O3致密的氧化膜，阻碍氧和金属离子的扩散，从而提高钢的抗氧化性和抗腐蚀性能；但Cr的含量太高时，延伸率降低，成形性能变差，本发明中Cr含量控制在10～11％之间。

Ni、Cu：Ni是奥氏体相形成元素，当奥氏体含量增加时，在热轧后空冷时，促进了马氏体相的生成，提高了强度和硬度，使得延伸率恶化，因此尽量控制Ni的含量，其含量控制在0.3％以下。Ni含量对材料力学性能的影响如图1所示。Cu也是奥氏体形成元素，与Ni对强度和硬度的影响方式相同，其含量也控制在0.3％以下，且Ni+0.5Cu≤0.35％。

Al：Al作为不锈钢炼钢脱氧剂使用有利于减少其夹杂物。当其过高时，会导致Al氧化物形成造成韧性降低并影响产品表面质量。实际生产中比较难以控制加入量，合金中含有较高的Si时，可以少用Al脱氧。本申请钢种采用一定含量的Si脱氧并添加少量的Al脱氧，因此Al≤0.05wt％。

O：O是钢中的杂质元素之一，主要以形成的氧化物夹杂形式存在，较高的O表明夹杂物较高。降低钢中O含量就可以确保钢中夹杂物含量较低，有利于提高成形性和点蚀性能。钢中O≤0.0050时可以确保材料具有较高的冲压成型性能和抗点蚀性能。

本发明一种高成形性低铬铁素体不锈钢的制造方法，其包括如下步骤：

1)炼钢：

按下述成分冶炼，其化学成分重量百分比为：C：≤0.015％，Si≤0.35％，Mn≤0.25％，Cr：9.5～11％，Ti：0.15～0.2％，P：≤0.025％，S：≤0.002％，N：≤0.010％，(C+N)≤0.025％，Ca：0.0010～0.0050％，Al≤0.05％，Ti单稳定：6(C+N)≤Ti，其余Fe和不可避免的杂质，杂质元素Ni≤0.3％，Cu≤0.3％，O≤0.0050％，且Ni+0.5Cu≤0.35％，其它杂质元素总量低于0.05％；采用铁水+废钢，或者单独使用铁水，通过电炉炼钢、AOD脱碳、VOD脱氧三步法炼钢并在VOD结束后进行喂硅钙钡丝和钛丝处理，综合成分满足设计要求后就可以获得满足成分要求的钢液；

2)连铸

通过控制连铸过程拉速0.9～1.05m/min、加强电磁搅拌，电流1200～1600安培，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40％；

3)修磨：连铸坯进行带温表面修磨，修磨起始温度不低于340℃，修磨终了温度不低于200℃，修磨后带温送加热炉加热1050～1140℃并保温时间不小于160min进行热轧；

4)热轧：

首先进行5～7道次粗轧，温度区间1050～900℃，并去表面氧化皮，中间坯经过5～7道次精轧，温度区间950～800℃、冷却和卷取获得热轧板卷；

5)退火酸洗：热轧退火温度为850～950℃；退火时间为150～350s；

6)冷轧：冷轧加工确保一定的轧制压下率60～80％；

7)退火酸洗：冷轧板轧后还需要经过冷轧退火和酸洗，退火温度900～950℃，时间为30～200s，通过控制退火温度和时间使冷轧不锈钢可以充分再结晶，且晶粒度等级达到6-8级，最终获得厚度为0.5～2.5mm的冷轧不锈钢板。

进一步，步骤1)中，采用铁水+废钢冶炼时，铁水百分含量大于20wt％。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

(1)在成分中通过降低Cr、Si、Mn的含量，通过控制其在钢中的固溶量，降低固溶强化的作用以降低强度、硬度以提高成形性；严格控制奥氏体化元素Ni、Cu的含量，减少马氏体相形成的可能性，以降低不锈钢的硬度和强度，提高成形性能，本发明不锈钢可制作形状比较复杂和小管径的零部件。

(2)通过控制铁水和废钢混合使用的比例，来控制钢中奥氏体形成元素Ni、Cu的含量，当Ni、Cu含量增加时，在热轧后空冷时，促进了马氏体相的生成，提高了强度和硬度，使得延伸率恶化，因此需要控制杂质元素Ni、Cu的含量，当Ni+0.5Cu≤0.35％时，满足低硬度、低强度和高扩口率的要求。

(3)废钢中含有超纯铁素体不锈钢中不需要的Ni、Cu等奥氏体形成元素，如果直接用废钢炼钢冶炼，则钢种会含有过高的Ni和Cu，对强度、硬度会带来不利的影响，而铁水作为一种相对比较纯净的原料，当使用纯铁水炼钢或者铁水(质量分数大于20％)和废钢混合使用时，可以控制Ni+0.5Cu≤0.35％。

(4)本发明所使用的材料合金成本低(低Cr)，具有较高的经济效益。

附图说明

图1为Ni含量对力学性能(硬度)影响的示意图。

图2为Ni含量对力学性能(强度)影响的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

通过图1、图2可以看出，随着杂质元素Ni含量的提高，硬度和强度都有增加的趋势，因此要严格控制Ni的含量，其中Cu对强度和硬度的影响机理与Ni对强度和硬度的影响相同。

在炼钢中通过控制铁水与废钢的比例，可以控制杂质元素Ni和Cu的含量，当铁水的质量分数大于20％时，Ni+0.5Cu≤0.35％。

本发明通过降低Si、Mn、Cr的含量，严格杂质控制Ni、Cu的含量，实施例成分如表1所示，表2为本发明实施例的工艺控制，表3所示本发明实施例性能。通过实施例与对比例的性能对比可以看出，本发明钢屈服强度控制在不大于200MPa；显微硬度不大于120HV，扩口率不小于38.7％，与对比例相比，扩口率有明显的提高，满足了成形性的要求。

表3铁素体不锈钢实施例力学性能

钢种R_p0.2(MPa)Rm(MPa)A₅₀(％)IE值rHV扩口率/％实施例119238740.811.711.4111439.8实施例218338541.211.761.3711141.0实施例318138540.811.721.3111240.5实施例417537941.711.801.3810841.9实施例519439239.511.661.4011540.2实施例619939539.211.691.3811740.9实施例720039940.411.651.4211740.9实施例819539139.511.571.3211540.2实施例919739539.011.641.3512038.7实施例1017337840.611.751.3910841.3对比例12154003911.601.3112532.4对比例219738740.711.751.3512333.7对比例320539138.111.651.3012730.9