CN103741053A - 一种具有良好抛光性能的铁素体不锈钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种具有良好抛光性能的铁素体不锈钢及其制造方法，其成分重量百分比为：C≤0.015%，N≤0.020%，Si≤0.5%，Mn≤0.5%，P≤0.030%，S≤0.010%，Cr 18～22%，Cu 0.30～0.50%，Ni≤0.30%，Nb 0.3～0.5%，Al≤0.002%，O≤0.005%，其余为Fe和不可避免杂质。本发明通过用Nb稳定化、控制钢中的氧含量及夹杂物类型，避免微米级第二相的析出及脆性夹杂的生成，以保证铁素体不锈钢的抛光性能。

Description

一种具有良好抛光性能的铁素体不锈钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种铁素体不锈钢，特别涉及一种具有良好抛光性能的铁素体不锈钢及其制造方法。

背景技术

铁素体不锈钢，特别含碳、氮很低的铁素体不锈钢具有优良的耐蚀性、成形性和可焊性，且具有高的产品性价比，是世界重点发展并替代奥氏体不锈钢的资源节约型产品，可广泛应用于建筑、家电、厨具、制品等领域。但对要求表面装饰如BA和高等级镜面研磨品的用途时，现有的Ti、Nb双稳定化或Ti单一稳定化的铁素体不锈钢并不适用。

在提高铁素体不锈钢的成形性方面，已做了大量研究，但对铁素体不锈钢的抛光性能的研究甚少。为改善铁素体不锈钢的成形性和抗起皱性能，通常采用Nb、Ti双稳定或Ti单稳定化设计，通过提高铸坯的等轴晶率、提高单道次粗轧和精轧压下率、降低终轧温度和卷取温度、增加热轧卷再结晶退火次数、增大冷轧压下率、冷轧退火等措施，来获得有利的织构以提高成形性。中国专利98801478.5公开了“深冲性和耐皱纹状变形性良好的铁素体不锈钢及其制造方法”；中国专利200410046247.3公开了具有优良成形性的铁素体不锈钢板及其生产方法。以上专利主要是通过在铁素体不锈钢中添加Nb、Ti稳定化元素，来促进TiN的析出，且按Ti和N一定的乘积配比来控制，而TiN作为液相中的形核质点促进等轴晶的形成，进而改善最终的织构，提高成形性。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有良好抛光性能的铁素体不锈钢及其制造方法，通过用Nb稳定化、控制钢中的氧含量及夹杂物类型，避免微米级第二相的析出及脆性夹杂的生成，以保证铁素体不锈钢的抛光性能。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种具有良好抛光性能的铁素体不锈钢，其成分重量百分比为：C≤0.015%，N≤0.020%，Si≤0.5%，Mn≤0.5%，P≤0.030%，S≤0.010%，Cr18～22%，Cu0.30～0.50%，Ni≤0.30%，Nb0.3～0.5%，Al≤0.002%，O≤0.005%，其余为Fe和不可避免杂质。

影响不锈钢抛光性的因素有多种。首先是合金化因素，采用Ti\Nb双稳定化或单Ti稳定化时，所析出的第二相TiN颗粒尺寸在2-5um左右，在研磨过程中容易划伤表面导致“钛条纹”，且Ti化学性质活泼，容易二次氧化，导致结晶器水口因Ti₂O夹杂结瘤或钢质不纯净。这些对后续抛光极为不利；采用单Nb稳定化时，钢水纯净度容易控制，且所析出的NbCN颗粒尺寸为几十到几百钢纳米，对抛光性能影响较小。另外，Nb在热轧工序加热时会固溶与铁素体基体中，显著提高钢的高温强度，从而避免热轧粘辊缺陷的产生。因此，本发明采用了单Nb稳定化。

第二种因素是脱氧方式。铝是一种强脱氧元素，钢液中[Al]和[O]可生成Al2O3。铝与氧的平衡可用以下方程表示： $\begin{array}{cc}2/3\left[\mathrm{Al}\right]+\left[O\right]=1/3{\mathrm{Al}}_2{O}_{3_{\left(s\right)}}& \mathrm{\Δ}{G}_8^{\mathrm{\θ}}\end{array}=-400690+128.76T\left({\mathrm{Jmol}}^{-1}\right)---\left(1\right)$

氧化铝生成吉布斯自由能为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}}_r{G}_{{\mathrm{Al}}_2{O}_3}=\mathrm{\Δ}{G}_8^{\mathrm{\θ}}+2.303\mathrm{RTlg}\frac{1}{a_{\left[\mathrm{Al}\right]}^{2/3}{a}_{\left[O\right]}}\\ =-159523+35862.61g\frac{1}{{4.093}^{2/3}{[\%\mathrm{Al}]}^{2/3}*[\%O]}\end{array}---\left(2\right)$

（其中Al₂O₃以纯物质为标准态，

根据公式（1）和（2），可以得到1873K时Al₂O₃（s）的生成吉布斯自由能Δ_rG_1873K和[%O]（即α_[O]）的关系曲线。如图1、图2所示。当反应（1）达平衡时，所需[O]量随着[Al]含量的增加而减少，且钢液中有极少量[O]时，就可以将[Al]氧化；Al₂O₃的Δ_rG_1873K和[%O]（即α_[O]）的关系曲线在[O]含量极低时就为负值，且下降趋势很快，说明钢液中[Al]与[O]极易反应，且生成氧化产物Al₂O₃很稳定。由此可见，采用Al或Al、Si复合脱氧时，所形成的脱氧产物必定含有Al₂O₃，这种化合物或复合夹杂物如镁铝尖晶石如果不能在凝固过程中上浮并被液面钢渣吸附的话，就会在基体中形成脆性夹杂物，从而使抛光性能急剧恶化。因此，为了保证钢的抛光性能，不得采用Al脱氧方式，同时对原料中的Al含量上限进行严格规定。采用Si脱氧时，所形成的夹杂物为硅酸盐，由于硅酸盐具有一定的塑形，因此对抛光性能的影响远低于Al₂O₃。另一方面，为降低夹杂物总量，需尽可能地降低钢中的氧含量。为此，本发明采用了Si脱氧，并对原料中的Al含量做了严格规定，并控制钢中氧含量不超过50ppm。

于此同时，在钛稳定化的铁素体不锈钢中，必须采用铝脱氧，通过控制钢液中合适的Al含量，防止钢中氧化钛夹杂物的形成，避免连铸结晶器结瘤。本发明研究结果和热力学计算结果表明，1873K下钢液中满足[%Ti]/[%Al]4/3<273.55时，[Al]在与[Ti]竞争氧化过程中占优，能够防止TiO₂夹杂生成，但这也不可避免地要形成Al₂O₃夹杂，从而导致抛光性恶化。因此从脱氧方式要求看，除需采用Si脱氧方式外，也需采用单铌稳定化合金设计。

第三种因素是表面粗糙度和表面缺陷。表面粗糙度和表面缺陷直接影响最终冷轧产品质量。冷轧带钢表面粗糙度主要取决于轧辊和平整辊的表面粗糙度、冷轧压下量和轧制道次数。抛开鳞折、划伤、辊道粘结等因素之外，板坯加热温度对表面缺陷影响巨大。过低的加热温度导致热轧辊迹缺陷，过高的加热温度会导致氧沿晶界从表面向基体扩散导致晶界氧化，从而造成表面缺陷。本发明板坯最佳加热温度为1100-1180℃。

具体的，在本发明的成分设计中：

Cr，是不锈钢中最主要的合金元素，随着Cr含量的增加，不锈钢在氧化性酸介质中耐蚀性、在Cl-溶液中耐应力腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀能力均显著提高。为保证所开发铁素体不锈钢具有良好的耐腐蚀性能，本发明中铁素体不锈钢的Cr含量限制在18～22%之间。

Cu，可以提高不锈钢耐腐蚀性，显著提高铁素体不锈钢的冷成型性能。过多的Cu容易在退火时以ε-Cu析出，导致冷加工性能和耐腐蚀性能的下降。因此，Cu含量限制在0.3～0.5%之间。

Nb与C、N具有很强的化合作用，通过形成稳定的Nb（CN）化合物，防止由于形成Cr的C化合物而引起的Cr浓度降低而导致的耐蚀性的下降。过高的Nb将导致Laves相Fe2Nb的析出，导致性能恶化。一般地，固定钢中C、N原子所需的最少含量应满足：Nb%≥10（C+N）。由此确定0.3%≤Nb≤0.5%，

C，在铁素体不锈钢中为有害元素。由于合金中Cr含量很高，且铁素体中C的溶解度比奥氏体中低得多，因而容易在晶界上析出M₂₃C₆。如在高于800℃以上析出，多以颗粒状在晶界形成，对脆性影响不大：如在600～700℃时，则多在晶界上以网状析出，使合金变脆。M₂₃C₆在晶界上以网状的析出速度很快，不仅使合金变脆，且因晶界贫Cr而引起严重的晶界腐蚀。因此，为改善铁素体不锈钢的耐晶间腐蚀性能和韧性，必须通过冶炼降低C含量或采用强C、N化合物形成元素加以固定。由于不可能完全将C去除，根据现有冶炼装备水平，规定C≤0.015%。

N，作为有害的间隙元素，在铁素体中的溶解度也很低，在合金Cr含量较高时，容易生成Cr₂N而降低铁素体不锈钢的耐腐蚀性能和韧性，因此，必须通过冶炼尽量去除。由于不可能完全将N去除，根据现有冶炼装备水平，规定N≤0.020%。

Si，在不锈钢中可用作脱氧剂、还原剂，能有效地提高不锈钢的高温抗氧化性能，所形成的夹杂物为塑性硅酸盐夹杂，对抛光性能的不利影响较小。但过多的Si会导致钢的塑性下降。规定Si≤0.50%。

Al，与Si的作用相似，是比Si更强的脱氧剂、还原剂。所形成的Al2O3夹杂为脆性夹杂，会恶化不锈钢的抛光性能。限定原料中的Al含量上限，禁止采用Al脱氧。

Mn，为扩大奥氏体区元素，在铁素体不锈钢中过量的Mn会导致双相组织而使加工性能变差。规定Mn≤0.5%。

P、S在钢中为杂质元素，降低钢的高温塑性，在铁素体不锈钢热加工过程中，易和其他因素一起作用而导致边裂等缺陷。此外，S还会降低铁素体不锈钢的耐点蚀性能。因此，应尽量降低其含量。

O，在钢中为杂质元素，降低钢的韧性、塑形和耐腐蚀性能，与Al结合后形成的Al₂O₃夹杂对抛光性能极为不利。为降低钢中夹杂总量，规定O≤0.005%。

本发明具有良好抛光性能的铁素体不锈钢的制造方法，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按下述成分冶炼并浇注成铸坯，其成分重量百分比为：C≤0.015%，N≤0.020%，Si≤0.5%，Mn≤0.5%，P≤0.030%，S≤0.010%，Cr18～22%，Cu0.30～0.50%，Ni≤0.30%，Nb0.3～0.5%，Al≤0.002%，O≤0.005%，其余为Fe和不可避免杂质；冶炼时采用Fe-Si合金脱氧；

2)热轧：将连铸坯加热至1100～1180℃后进行粗轧，在800～880℃完成精轧，在600～700℃进行卷取；

3)热轧钢带采用连续退火酸洗工艺，退火温度950～1150℃，保温时间1～5min，走带速度25～40m/min；

4)冷轧：冷轧压下量60%～80%；

5)冷轧后光亮退火：温度1050-1100℃；

6)平整：采用多道次平整。平整辊粗糙度≤0.015um。优选地，步骤（2）中，铸坯加热温度1130～1160℃。所述步骤（4）中，冷轧压下量为70～75%。所述步骤（5）中光亮退火温度为1060～1080℃。本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、通过采用硅脱氧取代硅铝复合脱氧，充分降低钢中氧含量，避免了Al₂O₃有害脆性夹杂的形成。

2、通过Nb单一稳定化代替Nb、Ti双稳定化或Ti单一稳定化，显著改善了连铸水口结瘤情况和连铸坯表面质量，降低了连铸坯修磨强度，提高了金属收得率；通过添加Nb，提高铁素体不锈钢高温强度，减少热轧粘辊缺陷的发生。

3、采用Nb单一稳定化取代Nb、Ti双稳定化或Ti单一稳定化，通过纳米级Nb（CN）第二相析出和避免微米级TiN析出，改善铁素体不锈钢的抛光性能。

4、本发明钢具有良好的耐腐蚀性能和成形性，同时还具有满意的抛光性能，可用于生产BA板和研磨抛光不锈钢板。BA板表面粗糙度≤0.01um，光泽度Gu≥700。

附图说明

图1为Al-O系中[%Al]和[O](ppm)溶度积关系曲线。

图2为Al₂O₃的Δ_rG_1873K和[%O]（即α_[O]）的关系曲线。

图3对比例1的Al₂O₃析出相。

图4为对比例1的Al₂O₃.TiO₂复合析出相的照片。

图5为比较例1Ti单一稳定化导致的水口TiO₂结瘤。

图6为比较例1TiN第二相的照片。

图7为本发明实施例4Nb(CN)第二相的照片。

图8为对比例1表面热轧辊迹照片。

图9为本发明实施例4的表面热轧辊迹。

图10为对比例1的BA表面的扫描电镜照片。

图11为本发明实施例4的BA表面的扫描电镜照片。

图12为对比例1的抛光表面的扫描电镜照片。

图13为本发明实施例4的抛光表面的扫描电镜照片。

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。

本发明钢的实施例如表1所示，表2为本发明钢实施例的生产工艺，表3为本发明实施例钢的性能。

本发明实施例采用单Nb稳定化。比较例采用了Ti单一稳定化或Nb、Ti双稳定化。

对比例1铸坯中的的夹杂物类型主要为Al₂O₃和Al₂O₃.TiO₂复合析出相，如图3、图4所示。

对比列1含有较高含量的钛，但由于Al含量太低，仅为为0.003%，钛在与铝竞争氧化过程中占优，且渣的氧化性较强，因而[Ti]被大量氧化，形成大量TiO₂夹杂，造成氧化钛型浸入式水口结瘤，如图5所示。在结瘤的同时，钢液纯净度急剧下降，最终使抛光性能恶化。

对比例1和实施例4轧制后第二相的类型、尺寸、分布如图6、图7所示。对比例1中的析出相主要为TiN，尺寸2-4um，而实施例4中的析出相主要为NbN或NbCN，颗粒尺寸50-100nm。可见实施例中的第二相要细小的多。

采用MTS测量了对比例1和实施例4的高温强度，如表3所示。实施例含铌钢的高温强度显然高于对比列含钛钢。Thermocalc计算结果表明，对比例中TiN第二相在1100℃温度下保持稳定，不发生溶解，而在实施例中铌大部分以固溶状态存在于钢中，这样，由于铌的固溶强化作用使实施例的高温强度显著提高。高温强度的提高增加了热轧时钢基体表面抵抗开裂的能力，从而显著降低了产生粘辊缺陷的概率。对比列1和实施列4的热轧表面质量情况如图8、图9所示。显然含铌高的实施例表面质量明显好于对比例，这验证了Nb提高高温强度对降低热轧表面缺陷的重要作用。

在相同的冷轧、光亮退火和平整工艺下，对比例和实施例BA表面和抛光表面的扫描电镜照片如图10～图13所示。对比例1的BA表面存在太多表面缺陷，随后的抛光工序难以消除这些缺陷，而实施例4的BA表面缺陷远少于实施例1，在经过标准的抛光工序后可获得满足客户要求的研磨抛光产品。

表1单位：重量百分比

表2

表3铁素体不锈钢比较例1和实施例4的高温强度

Claims (5)

1.一种具有良好抛光性能的铁素体不锈钢，其成分重量百分比为：C≤0.015%，N≤0.020%，Si≤0.5%，Mn≤0.5%，P≤0.030%，S≤0.010%，Cr18～22%，Cu0.30～0.50%，Ni≤0.30%，Nb0.3～0.5%，Al≤0.002%，O≤0.005%，其余为Fe和不可避免杂质。

2.如权利要求1所述的具有良好抛光性能的铁素体不锈钢的制造方法，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按下述成分冶炼并浇注成铸坯，其成分重量百分比为：C≤0.015%，N≤0.020%，Si≤0.5%，Mn≤0.5%，P≤0.030%，S≤0.010%，Cr18～22%，Cu0.30～0.50%，Ni≤0.30%，Nb0.3～0.5%，Al≤0.002%，O≤0.005%，其余为Fe和不可避免杂质；冶炼时采用Fe-Si合金脱氧；

2)热轧：将连铸坯加热至1100～1180℃后进行粗轧，在800～880℃完成精轧，在600～700℃进行卷取；

3)热轧钢带采用连续退火酸洗工艺，退火温度950～1150℃，保温时间1～5min，走带速度25～40m/min；

4)冷轧：冷轧压下量60%～80%；

5)冷轧后光亮退火：退火温度1050～1100℃；

6)平整：采用多道次平整，平整辊粗糙度≤0.015um。

3.如权利要求2所述的具有良好抛光性能的铁素体不锈钢的制造方法，其特征是，步骤（2）中，铸坯加热温度1130～1160℃。

4.如权利要求2所述的具有良好抛光性能的铁素体不锈钢的制造方法，其特征是，所述步骤（4）中，冷轧压下量为70～75%。

5.如权利要求2所述的具有良好抛光性能的铁素体不锈钢的制造方法，其特征是，所述步骤（5）中光亮退火温度为1060～1080℃。

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