优良深冲性铁素体系不锈钢板的开发

LIU1018

优良深冲性铁素体系不锈钢板的开发

    铁素体系不锈钢，作为美观的耐蚀性材料和高温特性优良的耐热材料，已被广泛用于建材、厨房、汽车等领域，且因不含稀有元素镍而难以产生SCC（应力腐蚀裂纹）的长处也令人瞩目，故使用范围正不断扩展。然而，较之奥氏体系不锈钢，原有的铁素体系不锈钢延性低、成形自由度小，故从加工的角度而论，使用范围受到了限制。
    为了改善与铁素体系不锈钢同为体心立方结构的普通钢IF钢的加工性，利用织构控制来提高铁素体系不锈钢的深冲性（即高r值化）的方法是有效的。具体针对普通钢的措施如下：1）钢质的高纯净化，主要是降低固溶碳含量；2）热轧退火组织的细化；3）发展热轧退火板的{111}再结晶织构；4）控制晶粒直径以抑制冷轧退火板表面粗糙；5）用冷轧压缩率的最佳化，控制{111}再结晶织构，至能开发平均r值大于2.6的超高r值冷轧钢板。这些事实表明，铁素体系不锈钢除应高纯净化之外，还可利用控制{111}再结晶织构制造条件的最佳化来改善r值。然而，因铁素体系不锈钢含有百分之十几的铬，其织构控制技术尚不明确，故需充分研究。
    本文以高r值化为目的，将在高加工性普通钢上已知的高r值化支配因子和铁素体系不锈钢对比进行了研究，以查明铁素体系不锈钢进一步高r值化的方针。结果是利用成分和制造条件的最佳化，成功开发了r值大于2.2的超深冲铁素体系不锈钢。新开发的深冲性优良的铁素体系不锈钢制造技术、可用于具有耐蚀性和深冲性要求的领域，如原来采用SUS304和施加了防蚀（涂镀层）的高强度普通钢各种用途中。本文还介绍了使用开发技术的超高r值铁素体系不锈钢的各种力学特性。
    1   利用织构控制的高r值化技术
    为了开发高加工性铁素体系不锈钢，对从钢水精炼到连铸、热轧、冷轧工艺进行了彻底的再结晶织构控制研究。现将各工序的控制要点及其原因归纳如下。
    1.1   钢质的高纯净化
    主要是尽量降低钢中的固溶C量，因其阻碍了{111}织构的形成。为此，采用SS-VAD（强搅拌真空脱碳法）降C，且加入适量Ti生成TiC以降低固溶C。因不锈钢中含有百分之十几的Cr，即使施加真空精炼并加入适量的Ti、Nb，也会给降低固溶C造成阻碍而不利于{111}织构的形成。这样一来，在板坯加热、热轧、退火工序等过程中对析出物的控制就变得重要了。为此，通过研究查明了上述各工序中析出物行为与再结晶行为的关系，从而有效降低了钢中的固溶C。
    1.2   热轧（最终冷轧前）退火钢板组织的细化
    最终冷轧退火板的{111}再结晶织构与热轧退火板的结晶晶粒直径密切相关。即热轧板的晶粒直径越小，冷轧板的{111}再结晶织构就越发达。在热轧过程中除提高压缩率之外，因施加低温轧制，可以比一般热轧板有更多应变。结果是容易产生再结晶，使热轧板可低温退火，从而抑制C化物（TiC）的再固溶而降低了钢中固溶C。另外，因施加了较多应变而获得了细微的热轧板组织，从而促进了热轧板中{111}再结晶织构的发展。
    1.3   冷轧压缩率的合理化
    由于提高冷轧压缩率，不均匀变形领域（含晶界附近、晶内变形带）增加了，主要是因位错密度的增大导致积蓄能量的增大，增多了再结晶核生成点。因此，进行了冷轧压缩率和压下分配的合理化。结果查明，加Ti的铁素体系不锈钢的最佳化冷轧压缩率为85％左右可获得高r值。
    1.4   冷轧板退火时的晶粒长大
    根据｛111｝晶粒于再结晶初期生成的事实，查明到再结晶终了时，｛111｝晶粒比其它结晶方位的晶粒要大，且在其后的生长过程中因尺寸效应优先地蚕食了其它晶粒而长大，其结果是随着晶粒的生长而使r值变高了。冷轧退火板的晶粒直径越大，虽然对｛111｝晶粒的发展越有利，但因晶粒直径若大于50μm，钢板表面就会起皱而变粗糙，故以50μm为上限对冷轧退火板的晶粒直径进行了控制。由于铁素体单相钢没有Ac3（α—γ）相变，因此将不大于50um的晶粒直径（即不起皱）作为上限，扩宽了最终冷轧板退火的控制范围，可以最大限度地获得冷轧退火板织构控制的效果。
    2    实验方法
    表1为供试材的化学成分：钢A和B为加Ti的高纯净度铁素体系不锈钢、钢C为加Ti的高加工性普通（IF）钢。这些钢都通过精炼尽可能降低钢中C、N，同时加Ti固定钢中的固溶C、N而生成（C，N）化物，都是提高加工性的成分。对含这些成分的板坯进行了加热、热轧、热轧板的板坯进行了加热、热轧、热轧板退火、冷轧，为了再结晶的冷轧板退火。
   
       表1             试验材化学组成              %
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    钢     C      Cr    Mo     N      Ti       Fe
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    A   0.004   18.0   1.2   0.007   0.22   剩余部分
    B   0.005   11.0    -    0.007   0.20   剩余部分
    C   0.002     -     -    0.003   0.07   剩余部分
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    考虑了｛111｝再结晶织构控制的各种制造条件的合理化，制作了平均r值1.8～2.7，板厚0.8mm的冷轧退火钢板，并评价了钢板特性。
    根据JIS Z 2241的规定，拉伸试验是从轧制方向（r0）、与轧制垂直的方面（r90）、与轧制成45度角的方向（r45）取JIS 13号B试样，测定了屈服应力（YS）、拉伸强度（TS）、延伸率（EI）、r值（15％）、n值（5％～15％）。
    再结晶织构测定用试样，以湿式600号磨削掉1/2厚度后，再经化学磨削除去表面残余应力后供试验：用X线衍射，以5度间隔测定极像图，从测定的3个极像图｛110｝、｛200｝、｛211｝求出了三元结晶方位分布函数。
    利用极限深冲比（简称LDR）评价了冷轧板的深冲成形性。采用光学显微镜进行了组织观察，具体观察了在热轧和冷轧各工序中钢板的断面组织，按JIS G 0552的规定求出了钢板的晶粒度。为了对施加应变后的内部组织进行TEM（透射电镜）观察，将从冷轧板轧制长度方向采取的JIS 5号试样在常温下沿轧向进行拉伸10％的变形，再根据利用了铬酸醋酸电解液双喷(twin-jet)法，从加工后的试样制作薄膜试样，从电子束（Beam）//<111>α方向对位错形态进行了TEM观察。，
    3    实验结果
    采用上节的实验方法分别求出了以下关系，查明了以下事实：
    1) 从平均r值为1.8～2.7的冷轧退火板，测定了平均r值和｛111｝积聚量的关系，查明二者之间虽呈现正相关关系，但含Cr的铁素体系不锈钢A和B的｛111｝积聚量，尽管比钢C的低，但前二者的r值却更高。这表明r值的高低不能仅用｛111｝积聚量来解释。
    2) 通过X线衍射测定极像图并对钢的织构进行了比较。结果表明，较之钢C，钢A尽管缺少｛111｝及其附近织构的发展，但其r值更高。
    从上述实验结果可知，较之普通钢，含Cr的铁素体钢尽管｛111｝再结晶织构及其附近的织构欠发达，但所到达的r值却显示了高水平。
    4     考察
    4.1    Cr对｛111｝再结晶织构的影响
    根据铁素体系不锈钢和普通钢的对比研究得知，r值与｛111｝再结晶织构的关系受到Cr的影响，Cr有促使高r值化的作用。
    因置换型Cr原子能限制体心立方（BCC即body centred cubic）金属滑移系的一部分，故Cr的添加有利于钢的高r值化。
    在此具有BCC结构的铁素体系不锈钢上，基本上变成了由与Fe原子半径相同的Cr原子以10％～30％的比例置换了Fe原子的状态。由于向Fe基体中加Cr促使了双晶的形成，从而降低了铁素体系不锈钢的堆垛层错能（简称SFE），加Cr扩张了位错的宽度，使交叉滑移变得困难了，从而抑制了｛112｝<111>滑移系。
    关于滑移系规则对BCC金属r值的影响，尚待今后进行充分的研究。
    4.2    铁素体系不锈钢的高r值化方针
    热轧钢板在低温再结晶，在能抑制热轧板中碳化物再固溶的同时，若其组织能细化，冷轧板的｛111｝再结晶就会发展，力学特性就能改善。在此研讨了利用再结晶细化组织的方法。再结晶后的组织细化和其后晶粒生长的抑制都是重要的措施。刚再结晶完的晶粒直径由再结晶核的生成速度I和生长速度G决定。
    另外，在铁素体单相钢的场合，因再结晶前后的组成和结构没有变化，故生长速度G可表示为晶界界面迁移率M和再结晶驱动力Gv之积：
    G＝M?Gv                （1）
    为了获得细小晶粒组织，增大I或降低G是可行的。为此，可以具体采用以下方法。
    1）增大结晶核生成部位密度（即增大I），是不均匀变形区域（含晶界附近、晶内变形带、较大的第二相附近）的增加，联系到制造工艺就是利用大应变控制热轧（即低温且高压缩比）来增多结晶核心。
    2）增大驱动力ΔG v（即增大I），是积蓄能的增大（主要是位错密度的增大），联系到制造工艺就是利用冷轧压缩率的合理化来增大积蓄能（即驱动力）。
    3）减少界面迁移率M（即降低G），联系到制造工艺就是利用在热轧板或热轧退火板中析出的各种析出物的阻塞效果，将之很好组合起来，以抑制晶粒长大，高效地细化热轧退火板的晶粒组织。
    正如从溶度积所明确的那样，C、N的减少降低了析出物形成温度，减小了析出物尺寸；并且，因热轧温度的不同而降低了碳化物的稳定性，使热轧后的析出物以较粗大尺寸存在，故有必要在退火初期防止部分固溶。因此，为了使铁素体系不锈钢实现高加工性化，必须从钢液凝固开始直到后续的热轧、冷轧（及热处理）始终对析出物进行严格的控制。
    5    开发钢的基础特性
    从冷轧钢板的强度（TS）和平均r值的关系可知，将高加工性普通钢（TS 270MPa）的r值提高到2.6的钢板实用化了，但普通钢的r值随高强度化而下降，如普通钢的强度若升高到460MPa，则其r值就降到了2.0左右。另一方面，用本开发技术生产的SUS436L（18Cr-1.5Mo-Ti）钢却实现了2.2～2.6的高r值化。若进行相同TS下的比较，则铁素体系不锈钢所达到的r值已明显超过了普通钢。
    上述结果表明Cr能同时提高钢板的强度和r值。用极限深冲比（LDR）评价的r值深冲性的影响是：大幅提高了r值的460MPa级铁素体系不锈钢比440MPa级高强度碳钢和SUS304能进行更深的深冲，即具有更优良的深冲性。
    表2为开发钢与原来钢力学特性代表值的比较，前者不仅r值更高，且延性也有所改善。
   
               表2               开发钢与传统钢特性的比较
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             0.2%屈服强度MPa   拉伸强度MPa   延伸率   维氏硬度   平均r值   n值
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    开发钢        311             460         34.2       153       2.6    0.23
    传统钢        328             485         33.0       160       1.5    0.23
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    注：板厚0.8mm。
   
    6?结语
    为了开发深冲性优良的铁素体系不锈钢，进行了关于再结晶｛111｝织构控制的研究，还查明了使用开发技术生产钢的特性，现结论如下：
    １）铁素体系不锈钢和普通碳钢都随｛111｝聚集量的增加而呈现高r值。但较之Ti系IF普通钢，尽管铁素体系不锈钢的｛111｝及其附近的再结晶织构并不发达，却仍呈现出高r值。这是由于有体心立方的铁素体系不锈钢含有较多的置换型Cr原子，能限制滑移系，从而获得高r值。
    ２）为了改善容易变为铁素体单相钢的铁素体系不锈钢的材质，充分把握其再结晶行为和析出物，及其析出行为（含形态、密度、分布），以查明这些因素对钢板特性的影响。因此，从钢液凝固开始，始终控制析出物形态十分重要。
    ３）除调整钢的成分外，从钢液精炼、连铸、热轧、冷轧，都进行了一贯的织构控制技术开发，从而成功开发出显著提高r值达2.2～2.8的高深冲性铁素体系不锈钢新产品。
    ４）开发钢成本低，设计自由度和使用范围广，具有很好的市场前景。

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RH精炼炉使用转炉蒸汽的实现过程