專利名稱：用于制造和利用具有高成形性的鐵素體-奧氏體不銹鋼的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造和利用精益鐵素體-奧氏體不銹鋼的方法，所述不銹鋼主要以具有高強度、優(yōu)異成形性和良好耐腐蝕性的卷材形式制造。通過奧氏體相的受控馬氏體轉(zhuǎn)變，其導(dǎo)致所謂的相變誘發(fā)塑性(TRIP)，來獲得所述成形性。
背景技術(shù)：
已經(jīng)提出了多種精益鐵素體-奧氏體合金或雙相合金(duplexalloy)以應(yīng)對高成本的原材料例如鎳和鑰，且主要目的是實現(xiàn)足夠的強度和腐蝕性能。當(dāng)參照下述公開內(nèi)容時，如果不另外提及則元素含量為重量％。美國專利US 3，736，131描述了具有4-11%的Mn、19-24%的Cr、至多3. 0%的Ni和 0. 12-0. 26%的N的奧氏體-鐵素體不銹鋼，所述不銹鋼含有10%至50%的奧氏體并且為穩(wěn)定的且表現(xiàn)出高韌性。通過避免奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體而獲得所述高韌性。美國專利US4, 828，630公開了具有17-21. 5%的Cr、1%至小于4%的Ni,4-8%的Mn、和0. 05-0. 15%的N的雙相不銹鋼，所述不銹鋼是熱穩(wěn)定的，從而對于抵抗馬氏體轉(zhuǎn)變。鐵素體含量必須保持為低于60%以獲得良好的延展性。瑞典專利SE 517449 描述了具有 20-23% 的 Cr、3_8% 的 Mn、I. 1-1. 7% 的 Ni 和
0.15-0. 30%的N的精益雙相合金，所述合金具有高強度、良好的延展性和高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。國際專利申請W02006/071027 描述了一種具有 19. 5-22. 5% 的 Cr、0. 5-2. 5% 的 Mo、
1.0-3. 0%的Ni、I. 5-4. 5%的Mn和0. 15-0. 25%的N的低鎳雙相鋼，所述鋼具有與相似鋼相比而言改善的熱延展性。歐洲專利EP1352982公開了通過引入一定量鐵素體相來避免奧氏體Cr-Mn鋼中的延遲開裂的方式。近年來，精益雙相鋼已經(jīng)得到很大程度的使用，并且根據(jù)美國專利US4，848，630、瑞典專利SE517，449、歐洲專利申請EP1867748和美國專利US6，623，569的鋼已經(jīng)在大量應(yīng)用中得到商業(yè)使用。根據(jù)SE 517,449的Outokumpu LDX21 01 雙相鋼已經(jīng)廣泛地用在儲罐、運輸車輛等中。這些精益雙相鋼具有與其它雙相鋼相同的問題有限的成形性，這使它們比奧氏體不銹鋼較不適合用于高度成形的零件中。雙相鋼因此具有在諸如板式換熱器之類的部件中的受限應(yīng)用。但是，精益雙相鋼具有改善延展性的獨特潛力，因為可使亞穩(wěn)定的奧氏體相在合金含量中足夠低從而通過下述機制提供增加的塑性。存在利用雙相鋼中的亞穩(wěn)定奧氏體相以實現(xiàn)改善的強度和延展性的一些參考文獻。美國專利US6, 096, 441涉及基本上含有18-22%的Cr、2_4%的Mn、小于1%的Ni和0. 1-0. 3%的N的具有高拉伸伸長率的奧氏體-鐵素體鋼。與馬氏體形成方面的穩(wěn)定性相關(guān)的參數(shù)應(yīng)當(dāng)落在一定范圍內(nèi)，從而導(dǎo)致改善的拉伸伸長率。美國專利申請US2007/0163679描述了很寬范圍的奧氏體-鐵素體合金，主要通過控制奧氏體相中的C+N的含量而具有高的成形性。
相變誘發(fā)塑性(TRIP)是亞穩(wěn)奧氏體鋼的已知效應(yīng)。例如，拉伸測試樣品中的局部縮頸受軟奧氏體向硬馬氏體的應(yīng)變誘發(fā)相變阻礙，從而將變形傳遞到樣品的另一位置并導(dǎo)致更高的均勻變形。如果恰當(dāng)設(shè)計奧氏體相，TRIP也能夠用于鐵素體-奧氏體(雙相)鋼。為了特定TRIP效應(yīng)而設(shè)計奧氏體相的典型方法是使用基于其化學(xué)組成為奧氏體穩(wěn)定性所建立的或調(diào)節(jié)的經(jīng)驗表達關(guān)系(expression),其中之一為Md3tl-溫度。Md3tl-溫度定義為當(dāng)
O.3真應(yīng)變產(chǎn)生50%的奧氏體至馬氏體轉(zhuǎn)變時的溫度。但是，該經(jīng)驗表達關(guān)系是以奧氏體鋼所建立，并且將它們應(yīng)用到雙相不銹鋼上存在風(fēng)險。由于奧氏體相的組成依賴于鋼化學(xué)成分以及熱歷史，因此設(shè)計雙相鋼的奧氏體穩(wěn)定性是較為復(fù)雜的。另外，相的形態(tài)和尺寸影響轉(zhuǎn)變行為。美國專利US6，096，441已經(jīng)使用了用于總體組成(bulkcomposition)的表達關(guān)系且要求保護特定范圍(40-115),需要該特定范圍以獲得期望的效果。但是，該信息僅僅對于在該特定研究中的鋼使用的熱歷史有效，因為奧氏體組成將隨退火溫度而改變。在美國專利申請US2007/0163679中，測量奧氏體的組成，并且將奧氏體相的一般Md公式規(guī)定為-30至90的范圍以獲得顯示出期望性能 的鋼。用于奧氏體穩(wěn)定性的經(jīng)驗公式是基于對標準奧氏體鋼的研究并且對于雙相鋼中的奧氏體相可能具有受限的適用性，這是因為穩(wěn)定性的條件不但受組成限制而且還受殘余應(yīng)力和相或晶粒參數(shù)限制。如在美國專利申請US2007/0163679中所公開的，更直接的方式是通過在冷加工后測量奧氏體相的組成且隨后計算馬氏體形成的量來評價馬氏體的穩(wěn)定性。然而，這是非常繁瑣且昂貴的過程，并且需要高等級的冶金實驗室。另一種方式是使用熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫來預(yù)測平衡相的均衡以及各個相的組成。但是，此類數(shù)據(jù)庫不能描述大多數(shù)實際情形中的熱機械處理之后盛行的非平衡條件。對于具有部分亞穩(wěn)的奧氏體相的不同雙相組成的大量工作表明，退火溫度和冷卻速率對奧氏體含量和組成具有很大影響，從而使得基于經(jīng)驗表達關(guān)系預(yù)測馬氏體形成是困難的。為了能夠充分控制雙相鋼中的馬氏體形成，奧氏體組成以及顯微組織參數(shù)的知識看起來是必要但是并不足夠。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明的適當(dāng)方式是測量不同鋼的Md30溫度并且使用該信息來為高延展性雙相鋼設(shè)計最佳的組成和制造步驟。從測量Md30溫度所獲得的另外信息是不同鋼的溫度依賴性。由于成形工藝發(fā)生在不同的溫度下，因此重要的是獲知這種依賴性且將它用于對成形行為進行建模。本發(fā)明的主要目的是提供在精益(lean)雙相不銹鋼中的應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變的受控制造方法，以獲得優(yōu)異的成形性(formability)和良好的耐腐蝕性。利用主要包括下述成分(重量％)的合金能夠?qū)崿F(xiàn)期望的效果小于0. 05%的C、0. 2-0. 7%的Si、2-5%的Mn、19-20. 5% 的 Cr、0. 8-1. 35% 的 Ni、小于 0. 6% 的 Mo、小于 1% 的 Cu、0. 16-0. 22% 的 N、余量的Fe和在不銹鋼中出現(xiàn)的不可避免的雜質(zhì)。任選地，所述合金還可含有一種或多種有意添加的元素0-0. 5% 的鎢(W)、0-0. 2% 的鈮(Nb)、0-0. 1% 的鈦(Ti)、0_0. 2% 的釩(V)、0_0. 5% 的鈷(Co)，0-50ppm的硼(B)和0-0. 04%的鋁(Al)。所述鋼可含有作為雜質(zhì)的不可避免的痕量元素，例如0-50ppm的氧(0)、0-50ppm的硫(S)和0-0. 04%的磷(P)。根據(jù)本發(fā)明的雙相鋼應(yīng)當(dāng)在熱處理條件下含有45%至75%的奧氏體，剩余相為鐵素體并且沒有熱馬氏體?？墒褂貌煌臒崽幚矸椒ㄟM行熱處理，例如固溶退火、高頻感應(yīng)退火或局部退火，溫度范圍從900°C至1200°C、有利地從1000°C至1150°C。為了獲得期望的延展性改善，實測Md3tl溫度應(yīng)當(dāng)介于0°C與+50°C之間。將使用描述鋼組成與熱機械處理之間的相關(guān)性的經(jīng)驗公式來設(shè)計所述鋼的最佳成形性。所附權(quán)利要求書中列出了本發(fā)明的基本特征。本發(fā)明的重要特征是雙相顯微組織中的奧氏體相的行為。對不同合金的工作表明，僅在窄的組成范圍內(nèi)獲得期望的性質(zhì)。但是，本發(fā)明的主要思想是公開用于獲得特定雙相合金的最佳延展性的過程，其中所提出的鋼代表了具有這種效果的實例。盡管如此，合金化元素之間的平衡是非常重要的，因為所有元素影響奧氏體的含量、增加奧氏體穩(wěn)定性以及影響強度和耐腐蝕性。另外，顯微組織的尺寸和形態(tài)將影響材料的相穩(wěn)定性以及強度，并且必須受到限制以實現(xiàn)受控過程。由于未能預(yù)測亞穩(wěn)鐵素體-奧氏體鋼的成形性行為，因此提出了新的概念或模型。該模型基于所測量的冶金學(xué)和力學(xué)值連同經(jīng)驗描述以便為具有定制性能的產(chǎn)品選擇合適的熱機械處理。下面描述不同元素在顯微組織中作用，元素含量以重量％描述碳(C)分隔奧氏體相并且對奧氏體穩(wěn)定性具有強烈影響?？商砑幼疃?.05%的碳， 但是較高的水平對耐腐蝕性具有不利影響。優(yōu)選地，碳含量應(yīng)當(dāng)為0. 01-0. 04%。氮(N)為雙相合金中的重要的奧氏體穩(wěn)定劑，并且與碳類似，其增加抵抗馬氏體的穩(wěn)定性。氮還增加強度、應(yīng)變硬化和耐腐蝕性。所公布的關(guān)于Md3tl的一般經(jīng)驗表達關(guān)系表明，氮和碳對奧氏體穩(wěn)定性具有同樣強烈的影響，但是本工作表明了氮在雙相合金中的較弱影響。由于氮能夠以比碳更大的程度添加到不銹鋼中而不會有害影響耐腐蝕性，因此從0. 16%至0. 24%的含量在實際合金中是有效的。為了最佳的性能分布，0. 18-0. 22%是優(yōu)選的。硅(Si)通常被添加到不銹鋼中用以在熔煉車間中進行脫氧的目的，并且不應(yīng)低于0. 2%。硅穩(wěn)定雙相鋼中的鐵素體相，但是對于抵抗馬氏體形成的奧氏體穩(wěn)定性其具有比當(dāng)前表達關(guān)系中所示更強的穩(wěn)定化作用。由于該原因，硅最多為0.7%，優(yōu)選0.6%，最優(yōu)選
0. 4%。錳(Mn)是用于穩(wěn)定奧氏體相并且增加氮在鋼中的溶解度的重要添加劑。由此，錳可部分地替代昂貴的鎳并且使鋼達到適當(dāng)?shù)南嗥胶狻＿^高的水平將降低耐腐蝕性。與公布文獻中所示相比，錳對抵抗變形馬氏體的奧氏體穩(wěn)定性具有更強的作用，并且必須仔細處理錳含量。錳的范圍應(yīng)當(dāng)從2.0%至5.0%。鉻(Cr)是使鋼耐受腐蝕的主要添加劑。作為鐵素體穩(wěn)定劑，鉻也是用以在奧氏體與鐵素體之間產(chǎn)生適當(dāng)相平衡的主要添加劑。為了引起這些功能，鉻水平應(yīng)當(dāng)為至少19%，并且為了將鐵素體相限制到對于實際目的而言適合的水平，最大含量應(yīng)當(dāng)為20. 5%。鎳(Ni )是用于穩(wěn)定奧氏體相以及實現(xiàn)良好延展性的基本合金化元素，并且必須向鋼中添加至少0. 8%。對抵抗馬氏體形成的奧氏體穩(wěn)定性具有大的影響，鎳必須存在于窄的范圍內(nèi)。由于鎳的高成本和價格波動，因此在實際的鋼中鎳最多為I. 35%，并且優(yōu)選I. 25%。理想地，鎳的組成應(yīng)當(dāng)為I. 0-1. 25%。銅(Cu)在大多數(shù)不銹鋼中通常作為0. 1-0. 5%的殘余物存在，這是因為原材料在很大程度上是含有該元素的不銹鋼廢料的形式。銅是奧氏體相的弱穩(wěn)定劑，但是對抵抗馬氏體形成具有強烈影響，并且在評價實際合金的成形性時必須加以考慮。可進行至多1.0%的有意添加。鑰(Mo)是可添加用以增加耐腐蝕性的鐵素體穩(wěn)定劑。鑰增加對馬氏體形成的抵抗性，并且與其它添加劑一起，鑰不能被添加到高于O. 6%。


參照附圖更詳細地描述本發(fā)明，其中圖I為顯示使用Satmagan設(shè)備的Md3tl溫度測量結(jié)果的坐標圖；圖2示出了 Md3tl溫度和馬氏體含量對在1050°C退火的本發(fā)明鋼的應(yīng)變硬化和均勻伸長率的影響；圖3a示出了實測Md3tl溫度對伸長率的影響； 圖3b示出了計算Md3tl溫度對伸長率的影響；圖4示出了奧氏體含量對伸長率的影響；圖5示出了本發(fā)明的合金A在1050°C下退火時使用電子背散射衍射(EBSD)評價的顯微組織；圖6示出了本發(fā)明的合金B(yǎng)在1050°C下退火時的顯微組織；以及圖7為工具箱模型的示意圖解。
具體實施例方式對一些精益雙相合金進行馬氏體形成的詳細研究。特別關(guān)注于馬氏體形成和溫度對力學(xué)性能的影響?，F(xiàn)有技術(shù)專利中缺少對設(shè)計具有最佳性能的鋼種關(guān)鍵的這種知識。對根據(jù)表I的一些選定合金進行了測試。表I.所測試合金的化學(xué)組成
含金C!i H!C Si % Μη! Cr !C Hi ! Ζα% Μο!
AO 039 O 219 O 30 4 98 19 81 I 09 O 44 O 00
BO 040 O 218 O 30 3 06 20 35 I 25 O 50 O 49
CO 046 O 194 O 30 2 08 20 26 I 02 O 39 O 38
DO 063 O 230 O 31 4 80 20 10 O 70 O 50 O 01
LDX 2101 O 025 O 226 O 70 5 23 21 35 I 52 O 31 O 30合金Α、Β和C為本發(fā)明的實施例。合金D為根據(jù)美國專利申請US2007/0163679，而LDX 2101為SE 517449的商業(yè)制造實例，即一種具有奧氏體相的精益雙相鋼，其對變形馬氏體形成具有良好穩(wěn)定性。在真空感應(yīng)爐中將這些鋼以60公斤的規(guī)模制造成小的坯塊，將該坯塊熱軋和冷軋而減至I. 5mm的厚度。合金2101以100噸的規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)，以卷材(coil)形式熱軋和冷軋。在從1000°C至1150°C的不同溫度下進行利用固溶退火的熱處理，隨后進行快速的空氣冷卻或水淬。使用具有能量色散和波長色散譜分析的掃描電子顯微鏡(SEM)測量奧氏體相的化學(xué)組成，并且含量在表2中列出。以光學(xué)顯微鏡利用圖像分析在蝕刻樣品上測量奧氏體相的比例(％Y )。表2.在不同處理之后的合金的奧氏體相的組成
權(quán)利要求
1.用于制造具有良好成形性和高伸長率的鐵素體-奧氏體不銹鋼的方法，其特征在于，對所述不銹鋼進行熱處理，使得所述不銹鋼的顯微組織在所述熱處理條件下包含45-75%的奧氏體，剩余的顯微組織為鐵素體，并且將所述不銹鋼的實測Md3tl溫度調(diào)節(jié)在0°C與50°C之間以便利用相變誘發(fā)塑性(TRIP)改善所述不銹鋼的成形性。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，通過使所述不銹鋼應(yīng)變且通過測量轉(zhuǎn)變的馬氏體的分數(shù)來測量所述不銹鋼的Md30溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，以固溶退火進行所述熱處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，以高頻感應(yīng)退火進行所述熱處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，以局部退火進行所述熱處理。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在900-1200°C、優(yōu)選地在1000-1150°C的溫度范圍內(nèi)執(zhí)行所述退火。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，將所述實測Md30溫度調(diào)節(jié)在10°C與45°C之間、優(yōu)選在20-35°C之間。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述不銹鋼以重量％計含有小于O. 05% 的 C、0. 2-0. 7% 的 Si.2-5% 的 Mn、19-20. 5% 的 Cr,O. 8-1. 35% 的 Ni、小于 O. 6% 的 Mo、小于1%的Cu、0. 16-0. 24%的N、余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述不銹鋼任選地含有一種或多種添加元素0-0. 5% 的 W、0-0. 2% 的 Nb,0-0. 1% 的 Ti,0-0. 2% 的 V,0-0. 5% 的 Co、0_50ppm 的 B、和0-0. 04% 的 Al。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述不銹鋼含有作為雜質(zhì)的不可避免的痕量元素0-50ppm的0、0-50ppm的S和0-0. 04%的P。
11.根據(jù)權(quán)利要求8-10中任一項所述的方法，其特征在于，所述不銹鋼以重量％計含有0.01-0. 04% 的 Co
12.根據(jù)權(quán)利要求8-10中任一項所述的方法，其特征在于，所述不銹鋼以重量％計含有1.0-1. 35% 的 Ni。
13.根據(jù)權(quán)利要求8-10中任一項所述的方法，其特征在于，所述不銹鋼以重量％計含有O. 18-0. 22% 的 No
14.在應(yīng)用方案中利用具有良好成形性和高伸長率的鐵素體-奧氏體不銹鋼的方法，其特征在于，基于實測Md3tl溫度和奧氏體分數(shù)對所述鐵素體-奧氏體不銹鋼進行熱處理以便為期望的應(yīng)用方案調(diào)節(jié)相變誘發(fā)塑性(TRIP)效應(yīng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，以固溶退火進行所述熱處理。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，以高頻感應(yīng)退火進行所述熱處理。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，以局部退火進行所述熱處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于制造具有良好成形性和高伸長率的鐵素體-奧氏體不銹鋼的方法。對所述不銹鋼進行熱處理，使得所述不銹鋼的顯微組織在所述熱處理條件下含有45-75%的奧氏體，剩余的顯微組織為鐵素體，并且將所述不銹鋼的實測Md30溫度調(diào)節(jié)在0℃與50℃之間以便利用相變誘發(fā)塑性(TRIP)改善所述不銹鋼的成形性。
文檔編號C22C38/00GK102869804SQ201180021380
公開日2013年1月9日 申請日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月29日
發(fā)明者J·奧利弗, J·Y·約森, J·塔羅奈恩 申請人:奧托庫姆普聯(lián)合股份公司