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TWI655293B - 高強度雙相不銹鋼之製造方法 - Google Patents

高強度雙相不銹鋼之製造方法 Download PDF

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TWI655293B
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讓 歐洛夫 安德森
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奧托昆布公司
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Abstract

本發明係關於一種藉由變形製造具有TRIP(相變誘導塑性)效應之高強度肥粒鐵沃斯田鐵系雙相不銹鋼的方法。在於950-1150℃之溫度範圍內的熱處理後，為在保留可成形性下具有至少1000MPa之高抗拉強度值，使肥粒鐵沃斯田鐵系雙相不銹鋼以至少10%、較佳至少20%之減縮程度變形，以致在20%之減縮程度下，伸長率(A50)係至少15%。

Description

高強度雙相不銹鋼之製造方法
本發明係關於一種藉由以使得可將於高強度值下之保留可成形性利用於肥粒鐵沃斯田鐵系雙相不銹鋼中之方式變形來製造具有所達成TRIP(相變誘導塑性)效應之高強度肥粒鐵沃斯田鐵系雙相不銹鋼的方法。
變形係一種透過以特定保證強度或抗拉強度為目標之精密冷減縮(cold reduction)用來提高材料強度之技術。例如經由回火輥軋對變形不銹鋼進行之表面處理根據EN 10088-2標準指示為2H及根據ASTM A666-03標準指示為TR。
標準沃斯田鐵系不銹鋼諸如301/EN 1.4310、304/EN 1.4301及316L/EN 1.4404係以針對強度調整目的進行的回火輥軋狀態使用。歸因於加工硬化，獲得高強度。此外，由於由變形部分中之應變誘導麻田散鐵相變所導致的硬化，即所謂的TRIP(相變誘導塑性)效應，鋼301及304具有優異的可加工性。然而，伴隨強度增加之可加工性的減低並不利。此行為針對含有至多0.03重量% C、至多1.0重量% Si、至多 2.0重量% Mn、16.0-18.0重量% Cr、6-8重量% Ni、至多0.25重量% N、視情況至多0.3重量% Nb、其餘為鐵及無可避免之雜質之沃斯田鐵系不銹鋼的金屬墊片製造應用於美國專利6,893,727中。該微結構有利地為具有至少40%麻田散鐵及其餘為沃斯田鐵的雙相結構或麻田散鐵之單相結構。
美國專利6,282,933係關於一種用於撓性管或繫纜之金屬骨架的製造方法。該方法包括在成形之前及在捲繞條材以形成骨架之前之金屬條材的加工硬化步驟。根據此專利，可使用於加工硬化後具有高於500MPa之屈服強度及至少15%之斷裂伸長率的所有金屬來製造金屬骨架。然而，此美國專利6,282,933亦說明已知用於製造金屬骨架之雙相及超雙相材料無需加工硬化，因其未經加工硬化即滿足上述需求。根據此美國專利6,282,933之加工硬化係針對例如301、301LN、304L及316L之沃斯田鐵系不銹鋼進行，以使得能夠使用此等材料來製造金屬骨架。
EP專利申請案436032係關於一種用於彈簧之具有肥粒鐵/麻田散鐵雙相微結構，包含0.01-0.15重量%碳、10-20重量%鉻及含量0.1-4.0重量%之元素鎳、錳及銅中至少一者之高強度不銹鋼條材的製造方法。關於肥粒鐵/麻田散鐵雙相微結構，使冷軋條材連續通過連續熱處理爐，於其中將條材加熱至肥粒鐵及沃斯田鐵之兩相的溫度範圍，其後使經加熱條材快速冷卻以提供基本上由肥粒鐵及麻田散鐵所組成之雙相結構之條材，此外，視情況使雙相條材在不超過10%之輥軋程度下回火輥軋，再一步驟為連續老化不超過10分鐘，其中使雙相條材連續 通過連續熱處理爐。由於此EP 436032之目的係製造彈簧材料，因此彈力值可藉由老化前的回火輥軋而改良。
GB專利申請案2481175係關於一種使用包含21-25重量%鉻、1.5-7重量%鎳及0.1-0.3重量%氮之沃斯田鐵肥粒鐵系不銹鋼之線材製造可撓性管狀管材之方法。在該方法中，於在1000-1300℃之溫度範圍內退火及冷卻後，使線材經由將橫截面減縮至少35%進行加工硬化，以致經加工硬化之線材具有大於1300MPa之抗拉強度。此外，在加工硬化步驟之後將經加工硬化之線材直接捲起，以保留其機械性質。
本專利申請案之目的係要消除先前技藝的一些缺失及藉由以使得可將於高強度值下之保留可成形性利用於肥粒鐵沃斯田鐵系雙相不銹鋼中之方式變形來達成一種製造具有所達成TRIP(相變誘導塑性)效應之高強度肥粒鐵沃斯田鐵系雙相不銹鋼的改良方法。本發明之基本特徵羅列於隨附之申請專利範圍中。
在根據本發明之方法中，首先使具有所達成TRIP(相變誘導塑性)效應之肥粒鐵沃斯田鐵系雙相不銹鋼在950-1150℃之溫度範圍內熱處理。冷卻後，為在保留可成形性下具有至少1000MPa之高抗拉強度值，使肥粒鐵沃斯田鐵系雙相不銹鋼以至少10%、較佳至少20%之減縮程度變形，具有至少15%之伸長率(A50)。藉由至少40%之減縮程度，肥粒鐵沃斯田鐵系雙相不銹鋼達成至少1300MPa之抗拉強度值且具有至少4.5%之伸長率(A50)。於變形後，有利地使肥粒鐵沃斯田鐵系不 銹鋼在100-450℃之溫度範圍內、較佳在175-250℃之溫度範圍內加熱1秒-20分鐘、較佳5-15分鐘之期間，以進一步改良強度，同時仍維持至少15%之伸長率(A50)。除了已熟知的高腐蝕性質外，具有所達成TRIP效應之變形雙相不銹鋼具有經改良的強度對延展性比、疲勞強度及抗蝕性。
在一較佳具體例(A)中，根據本發明之具有TRIP效應的雙相不銹鋼以重量%計包含少於0.05%碳(C)、0.2-0.7%矽(Si)、2-5%錳(Mn)、19-20.5%鉻(Cr)、0.8-1.5%鎳(Ni)、少於0.6%鉬(Mo)、少於1%銅(Cu)、0.16-0.26%氮(N)，C+N之總和係0.2-0.29%，少於0.010重量%、較佳少於0.005重量%S，少於0.040重量%P，以致(S+P)之總和係少於0.04重量%，且總氧(O)低於100ppm，視情況包含一或多種附加元素；0-0.5%鎢(W)、0-0.2%鈮(Nb)、0-0.1%鈦(Ti)、0-0.2%釩(V)、0-0.5%鈷(Co)、0-50ppm硼(B)、及0-0.04%鋁(Al)，其餘係鐵(Fe)及存於不銹鋼中之無可避免的雜質。此雙相不銹鋼係獲知自WO專利申請案2012/143610。
具體例(A)之雙相不銹鋼於在1000-1100℃之溫度範圍內的熱處理後具有450-550MPa之屈服強度Rp0.2、500-600MPa之屈服強度Rp1.0及750-850MPa之抗拉強度Rm。
在另一較佳具體例(B)中，根據本發明之具有TRIP效應的雙相不銹鋼以重量%計包含少於0.04%碳(C)、少於0.7%矽(Si)、少於2.5重量%錳(Mn)、18.5-22.5%鉻(Cr)、0.8-4.5%鎳(Ni)、0.6-1.4%鉬(Mo)、少於1%銅(Cu)、0.10-0.24%氮(N)，視情況之一或多種附加元素：少於0.04% 鋁(Al)、較佳少於0.03%鋁(Al)、少於0.003%硼(B)、少於0.003%鈣(Ca)、少於0.1%鈰(Ce)、至多1%鈷(Co)、至多0.5%鎢(W)、至多0.1%鈮(Nb)、至多0.1%鈦(Ti)、至多0.2%釩(V)，其餘係鐵(Fe)及存於不銹鋼中之無可避免的雜質。此雙相不銹鋼係獲知自WO專利申請案2013/034804。
具體例(B)之雙相不銹鋼於在950-1150℃之溫度範圍內的熱處理後具有500-550MPa之屈服強度Rp0.2、550-600MPa之屈服強度Rp1.0及750-800MPa之抗拉強度Rm。
根據本發明之肥粒鐵沃斯田鐵系雙相不銹鋼的變形可藉由冷成形(諸如回火輥軋、拉伸矯直(tension levelling)、平軋(roller levelling)、拉製(drawing)或任何其他可用於使由肥粒鐵沃斯田鐵系雙相不銹鋼製成之物體的一或多個尺寸期望地減縮的方法)進行。
本發明參照以下圖式作更詳細說明，其中圖1繪示鋼材的抗拉強度(Rm)相對鋼材的伸長率(A50)，圖2繪示鋼材的抗拉強度(Rm)及伸長率(A50)相對鋼材藉由回火輥軋的冷軋減縮率，圖3繪示鋼材的抗蝕性，及圖4繪示在不同溫度下之10分鐘熱處理對屈服強度(Rp0.2)及伸長率(A50)的影響。
使根據本發明之具體例(A)及(B)之雙相不銹鋼在於950-1150℃之溫度範圍內的熱處理、溶液退火後根據本發明以至少10%、較佳至少20%之減縮程度回火輥軋。測定兩種雙相不銹鋼(A)及(B)的屈服強度Rp0.2及抗拉強度Rm值並將結果示於表1。關於參考合金，表1亦包含肥粒鐵沃斯田鐵系雙相不銹鋼LDX 2101、2205及2507以及標準沃斯田鐵系不銹鋼1.4307(304L)及1.4404(316L)的各別值。
將表1中關於本發明之肥粒鐵沃斯田鐵系雙相不銹鋼A及B及作為參考材料之標準肥粒鐵沃斯田鐵系雙相鋼(LDX 2101及2507)以及標準沃斯田鐵系不銹鋼(304L)的抗拉強度Rm相對保留延展性(伸長率A50)之結果繪示於圖1中。
圖1中之虛線顯示標準雙相不銹鋼及沃斯田鐵系不銹鋼等級兩者的趨勢，而實線係關於合金A及B。
圖1中之結果顯示對於給定的抗拉強度Rm，合金A及B之保留延展性實質上較標準雙相不銹鋼及標準沃斯田鐵系不銹鋼等級304L更大。或者，對於給定的伸長率A50，合金A及B具有較標準雙相不銹鋼及沃斯田鐵系不銹鋼等級304L之抗拉強度Rm大多至150MPa的抗拉強度Rm。
圖2清楚顯示當比較合金A及B與標準雙相不銹鋼及沃斯田鐵系不銹鋼等級304L時之保留延展性(伸長率A50)相對於冷軋減縮率的差異。例如，對於標準雙相不銹鋼之20%冷軋減縮率，僅保留5%之伸長率A50，然而合金A及B則在相似的抗拉強度Rm下仍保留15-20%之伸長率A50。再者，合金A及B需要較標準沃斯田鐵系不銹鋼304L小的冷軋減縮程度來達成相同的目標抗拉強度Rm。因此，合金A及B中的保留延展性(伸長率A50)較在相同抗拉強度Rm下的標準沃斯田鐵系不銹鋼304L大。
圖2中之結果亦顯示例如為達到1100-1200MPa之抗拉強度Rm，標準雙相不銹鋼及合金A及B需要20%之回火輥軋減縮程度，而沃斯田鐵系不銹鋼304L則需要50%之回火輥軋減縮程度來達到1100-1200MPa之相同的抗拉強度Rm。同時，合金A及B相較於標準雙相不銹鋼(A50約5%)及標準沃斯田鐵等級304L(A50 7-8%)具有較大的保留延展性(A50 15-20%)。
對於其中使用雙相不銹鋼的許多應用，疲勞強度係重要的。表2顯示鋼材在回火輥軋之前(Rd50%(0%))及之後(Rd50%(TR%))的疲勞極限Rd50%以及Rd50%(TR%)/Rd50%(0%)之比，即經回火輥軋及未經回火輥軋材料之間之疲勞極限的比。疲勞極限Rd50%係描述於應力最大值及R=0.1下測定之於2百萬個循環後之50%的失效機率，其中R係在疲勞循環中之最大與最小應力之間的比。
表2顯示疲勞極限本身及Rd50%(TR%)/Rd50%(0%)之比值，該比值對於經回火輥軋的合金A及B係大於1.2。因此，根據本發明之回火輥軋亦使合金A及B的疲勞極限提高超過20%。
表3顯示一系列不銹鋼等級的抗蝕性結果，其中利用標準化測試組態GOST 23.208-79測試平均體積磨損率。
表3及圖3中之平均體積磨損率的結果顯示當與沃斯田鐵系不銹鋼等級316L及304L以及雙相不銹鋼2507、2205及LDX 2101之參考合金相比時，合金A及B之高抗蝕性。根據本發明之回火輥軋進一步改良抗蝕性，如針對合金A(TR)(於根據本發明之回火輥軋後的合金A)所顯示。於回火輥軋後的平均體積磨損率係低於6.0立方毫米/公斤。
表4顯示熱處理對屈服強度(Rp0.2)及伸長率(A50)的有利效應。熱處理係於冷變形後進行。
於表4中測試之材料係來自表1之具有10%輥軋減縮率且具有10分鐘之熱處理期間的合金B。原始材料係相當於表4中的室溫(25℃)樣本。表4及圖4中之結果顯示加熱10分鐘導致強度增加。特定而言，屈服強度(Rp0.2)經改良達到在250℃溫度下最大增加大約10%。伸長率(A50)相當穩定，直至在250℃溫度下之20%。高於此250℃溫度時，伸長率減小但仍維持高於15%。因此，經顯示在175℃至420℃溫度範圍內之短暫熱處理可改良屈服強度(Rp0.2)且同時維持良好的延展性。
根據本發明回火輥軋之雙相不銹鋼可在需要較佳一般抗腐蝕性、存在侵蝕及疲勞問題的應用中以及在經回火輥軋之標準沃斯田鐵系不銹鋼1.4307(304L)及1.4404(316L)無法達到期望強度/延展性比的應用中用來替代此等沃斯田鐵系不銹鋼。可能的應用可例如為機械組件、建築元件、輸送帶、電子組件、能量吸收組件、設備框罩及外殼、可撓性管線(骨架及鎧裝電線)、家具、輕型汽車及卡車組件、安全中底、火車結構組件、工具零件及磨損零件。

Claims (13)

  1. 一種藉由變形製造具有TRIP(相變誘導塑性)效應之高強度肥粒鐵沃斯田鐵系雙相不銹鋼的方法，其特徵在於：在950-1150℃溫度範圍內的熱處理後，為在保留可成形性下具有至少1000MPa之高抗拉強度值，使肥粒鐵沃斯田鐵系雙相不銹鋼以至少10%之減縮程度變形，且當不銹鋼的厚度不多於1.65mm時，在20%之減縮程度下，伸長率(A50)係至少15%。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，在40%之所述減縮程度下，達成至少1300MPa之抗拉強度值。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，在40%之所述減縮程度下，所述伸長率(A50)係至少4.5%。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，在變形之前(Rd50%(0%))及之後(Rd50%(TR%))之疲勞極限的比Rd50%(TR%)/Rd50%(0%)係大於1.2。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，在變形後之抗蝕性的平均體積磨損率係低於6.0立方毫米/公斤。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，於變形後，在100℃-450℃溫度範圍內進行熱處理，以在至少15%之保留所述伸長率(A50)下進一步提高強度。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中，該熱處理係進行1秒-20分鐘之期間。
  8. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，該肥粒鐵沃斯田鐵系雙相不銹鋼之變形係經由回火輥軋進行。
  9. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，該肥粒鐵沃斯田鐵系雙相不銹鋼之變形係經由拉伸矯直(tension levelling)進行。
  10. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，該肥粒鐵沃斯田鐵系雙相不銹鋼之變形係經由平軋(roller levelling)進行。
  11. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，該肥粒鐵沃斯田鐵系雙相不銹鋼之變形係經由拉製(drawing)進行。
  12. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，該肥粒鐵沃斯田鐵系雙相不銹鋼以重量%計包含少於0.05%碳(C)、0.2-0.7%矽(Si)、2-5%錳(Mn)、19-20.5%鉻(Cr)、0.8-1.5%鎳(Ni)、少於0.6%鉬(Mo)、少於1%銅(Cu)、0.16-0.26%氮(N)，C+N之總和係0.2-0.29%，少於0.010重量% S，少於0.040重量% P，以致(S+P)之總和係少於0.04重量%，且總氧(O)低於100ppm，視情況包含一或多種附加元素；0-0.5%鎢(W)、0-0.2%鈮(Nb)、0-0.1%鈦(Ti)、0-0.2%釩(V)、0-0.5%鈷(Co)、0-50ppm硼(B)、及0-0.04%鋁(Al)，其餘係鐵(Fe)及存於不銹鋼中之無可避免的雜質。
  13. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，該肥粒鐵沃斯田鐵系雙相不銹鋼以重量%計包含少於0.05%碳(C)、0.2-0.7%矽(Si)、2-5%錳(Mn)、19-20.5%鉻(Cr)、0.8-1.5%鎳(Ni)、少於0.6%鉬(Mo)、少於1%銅(Cu)、0.16-0.26%氮(N)，視情況包含一或多種附加元素；0-0.5%鎢(W)、0-0.2%鈮(Nb)、0-0.1%鈦(Ti)、0-0.2%釩(V)、0-0.5%鈷(Co)、0-50ppm硼(B)、及0-0.04%鋁(Al)，其餘係鐵(Fe)及存於不銹鋼中之無可避免的雜質。
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