專利名稱：耐熱性和加工性優(yōu)良的鐵素體系不銹鋼板及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及特別適合用于需要高溫強度和抗氧化性的排氣系統(tǒng)部件等的耐熱性優(yōu)良的鐵素體系不銹鋼板。
背景技術：
汽車的排氣歧管、前管(front pipe)及中心管(center pipe)等排氣系統(tǒng)部件中流通從引擎排出的高溫的排氣，因此對于構成排氣系統(tǒng)部件的材料，要求具有抗氧化性、高溫強度、熱疲勞特性等多種特性。以往，在汽車排氣部件中，一般使用鑄鐵，但是從排氣限制的強化、引擎性能的提高、車身輕量化等觀點出發(fā)，開始使用不銹鋼制的排氣歧管。
排氣溫度根據(jù)車輛種類和引擎構造而不同，多為600 800°C左右，希望得到在這樣的溫度區(qū)域長時間使用的環(huán)境中具有較高的高溫強度和抗氧化性的材料。在不銹鋼中，奧氏體系不銹鋼的耐熱性和加工性優(yōu)良。但是，奧氏體系不銹鋼的熱膨脹系數(shù)大，因此應用于像排氣歧管那樣反復受到加熱、冷卻的部件時，容易發(fā)生熱疲勞破壞。另一方面，鐵素體系不銹鋼與奧氏體系不銹鋼相比熱膨脹系數(shù)小，因此熱疲勞特性和抗氧化皮剝離性優(yōu)良。此外，由于不含Ni，因此與奧氏體系不銹鋼相比材料成本較低，從而被廣泛地使用。鐵素體系不銹鋼與奧氏體系不銹鋼相比高溫強度低，因此開發(fā)了使高溫強度提高的技術。作為提高了高溫強度的鐵素體系不銹鋼，例如有SUS430J1 (Nb添加鋼)、Nb-Si添加鋼、SUS444 (Nb-Mo添加鋼)。這些鋼均為利用由Nb添加產(chǎn)生的固溶強化或析出強化而使聞溫強度提聞的鋼。Nb添加鋼存在產(chǎn)品板硬質(zhì)化、伸長率降低以及作為深拉深性的指標的r值低這樣的問題。產(chǎn)品板的硬質(zhì)化是由于固溶Nb或析出Nb的存在而在常溫下發(fā)生硬質(zhì)化的現(xiàn)象。由于再結(jié)晶織構的發(fā)達受到抑制，因此伸長率降低或者r值減小，排氣構件成型時的沖壓性、形狀自由度降低。此外，Nb的原料成本高，大量添加時，制造成本上升。如果能通過Nb以外的添加元素得到優(yōu)良的高溫強度，則能夠抑制Nb添加量，從而能夠以低成本提供加工性優(yōu)良的耐熱鐵素體系不銹鋼板。專利文獻f 6中公開了涉及添加Cu的技術。專利文獻I中，為了提高低溫韌性，進行了添加O. 5%以下的Cu的研究。專利文獻2中記載的技術是利用Cu的提高鋼的耐腐蝕性及耐候性的作用的技術。專利文獻3 6中公開了利用由Cu析出物產(chǎn)生的析出強化而使600°C或700 8000C的溫度區(qū)域的高溫強度提高的技術。
這些技術均需要添加Nb，因而存在成本和加工性方面的問題。此外，為了利用Cu析出物提高高溫強度而使Cu析出物長時間暴露在高溫下時，因析出物的凝聚、合并而快速地發(fā)生粗大化，因此析出強化能力顯著降低。其結(jié)果是，當用于像排氣歧管那樣受到伴隨著引擎的起動、停止的熱循環(huán)的部件中時，會因長時間的使用而導致高溫強度顯著降低，從而產(chǎn)生引起熱疲勞破壞的危險性。此外，在大量添加有Nb的成分體系中，在高溫加熱時Cu析出物在粗大的Laves相與母相的界面處析出，因此無法得到由Cu析出物產(chǎn)生的析出強化的效果。專利文獻6中公開了通過Nb-Cu-B復合添加而使微細的Cu析出的技術。但是，該方法也無法避免與Laves相的復合析出，而且需要添加微量的Mo，因而存在加工性和成本方面的問題。
現(xiàn)有技術文獻專利文獻專利文獻I :日本特開2006-37176號公報專利文獻2 日本專利第3446667號公報專利文獻3 :國際公開W02003/004714號公報專利文獻4 :日本專利第3468156號公報專利文獻5 :日本專利第3397167號公報專利文獻6 :日本特開2008-240143號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的問題從耐熱性的觀點出發(fā)，為了提高高溫強度，進行了使Cu微細地析出的研究，但其從加工性和成本的觀點考慮是不充分的。此外，長時間保持于高溫時析出物的粗大化所伴隨的強度大幅降低的問題未得到解決。期待解決了這些問題的低成本且強度穩(wěn)定性優(yōu)良的排氣構件用鐵素體系不銹鋼。本發(fā)明所要解決的問題在于提供即使在長時間的熱環(huán)境下高溫強度穩(wěn)定性也高、耐熱性和加工性優(yōu)良的鐵素體系不銹鋼。本發(fā)明所要解決的問題特別是在于廉價地提供要求高加工性和強度的適合在達到600 800°C的熱環(huán)境下使用的排氣構件的排氣構件用鐵素體系不銹鋼。用于解決問題的手段為了解決上述問題，本發(fā)明者們考慮Ti、Nb的影響，對Cu的析出行為和粗大化行為以及在60(T800°C左右時的高溫強度進行了詳細的研究。其結(jié)果是，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)CiuTi及Nb的量，能夠抑制高溫長時間的熱處理(時效處理)所伴隨的Cu析出物的粗大化，使由Cu析出物產(chǎn)生的析出強化在長時間的時效后也能夠有效地作用。具體而言，發(fā)現(xiàn)了 通過使Cu/(Ti+Nb)為5以上，即使在60(T80(TC下實施長時間的時效處理，也能夠達到現(xiàn)有的含有大量Nb的鋼以上的高溫強度。該發(fā)現(xiàn)對于排氣部件那樣反復經(jīng)受熱循環(huán)并長期使用的構件的耐久穩(wěn)定性是極為有效的。
如前所述，將Nb添加鋼或Nb-Ti復合添加鋼在60(T800°C的溫度區(qū)域長時間加熱時，會生成Fe與Nb或者Fe與Ti的金屬間化合物(分別為Fe2Nb、Fe2Ti)。上述化合物是被稱為Laves相的析出物，隨時間推移會快速粗大化，從而使固溶Nb和固溶Ti減少。在這種狀態(tài)下，無法得到由Laves相產(chǎn)生的析出強化或由固溶Nb和固溶Ti產(chǎn)生的固溶強化的效果，因此高溫強度降低。此外，由此使熱疲勞特性和蠕變特性劣化，構件損傷加速進展，從而導致破壞。添加Cu時，因Cu的微細析出而產(chǎn)生析出強化作用，但在同時添加大量Nb或Ti的情況下，會與Laves相復合析出，微細析出的效果減小。本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)了如下方法通過將Ti和Nb的添加量相對于Cu添加量控制得較低來抑制Laves相析出，或者利用Laves相的微細析出強化作用以及Nb或Ti的團簇使Cu微細析出。 這樣析出的Cu即使實施長時間的熱處理也能夠抑制粗大化，高溫強度穩(wěn)定性升聞。根據(jù)以上發(fā)現(xiàn)，在本發(fā)明中，能夠廉價地提供確保微細的Cu析出物的穩(wěn)定性且具有優(yōu)良的耐熱性能的排氣構件用鐵素體系不銹鋼板。本發(fā)明的要旨如下所述。(I) 一種耐熱性和加工性優(yōu)良的鐵素體系不銹鋼板，其特征在于，以質(zhì)量％計,含有C :低于 O. 010%、N :0.020% 以下、Si :超過 O. 1% 2. 0% 以下、Mn :2. 0% 以下、Cr :12· 0 25· 0%、Cu :超過 O. 9% 2. 0%、Ti 0. 05 O. 3%、Nb 0. ΟΟΓΟ. 1%、Al :1.0% 以下、及B 0. 0003 O. 0030% 以下，并且Cu、Ti和Nb的含量滿足Cu/(Ti+Nb) ^ 5，殘余部分包含F(xiàn)e及不可避免的雜質(zhì)。(2)如上述(I)的耐熱性和加工性優(yōu)良的鐵素體系不銹鋼板，其特征在于，以質(zhì)量％計，還含有Mo 0. 50% 以下、V 0. 50% 以下、及Sn :0· 50%以下中的一種以上。(3) —種耐熱性和加工性優(yōu)良的鐵素體系不銹鋼板的制造方法，其特征在于，將具有上述(I)或(2)的組成的板還進行熱軋，接著，在70(T850°C下實施I 100小時的熱處理，然后，實施冷軋和退火。發(fā)明的效果
根據(jù)本發(fā)明，即使不大量添加Nb，也能夠得到高溫強度和加工性優(yōu)良的鐵素體系不銹鋼板，特別是通過將其用于排氣歧管、前管及中心管等排氣系統(tǒng)部件中，能夠在環(huán)境對策和構件的低成本化等方面得到顯著效果。


圖I是表示Cu/(Ti+Nb)的值與在700°C下實施100小時的時效熱處理后的700°C的O. 2%屈服強度的關系的圖。圖2是表示本發(fā)明鋼與比較鋼在高溫拉伸試驗中的O. 2%屈服強度的圖。
具體實施例方式首先，對本發(fā)明的不銹鋼的成分組成進行說明。以下，“％”表示“質(zhì)量％”。 各成分組成中，沒有規(guī)定含量下限的成分表示含量在不可避免的雜質(zhì)水平以下。C使成型性和耐腐蝕性劣化，導致高溫強度降低，因此其含量越少越好。因而，將C的含量設定為低于O. 010%。C的含量過度降低時，精煉成本增加。將抗氧化性也考慮在內(nèi)時，C的含量優(yōu)選為O. 002^0. 009%。N與C同樣地使成型性和耐腐蝕性劣化，導致高溫強度降低，因此其含量越少越好。因而，將N的含量設定為O. 020%以下。N的含量過度降低時，精煉成本增力卩。將抗氧化性也考慮在內(nèi)時，N的含量優(yōu)選為O. 002、. 015%。Si是作為脫氧劑有用的元素，為了獲得作為脫氧劑的效果，需要添加超過O. 1%。此外，雖然Si會帶來抗氧化性和高溫強度的改善，但含量超過2. 0%時，加工性顯著劣化，而且會促進Laves相生成，因此將Si的含量設定為2. 0%以下。若考慮到制造性、高溫強度及抗氧化性，則Si的含量優(yōu)選為O. 2^1. 5%。Mn是作為脫氧劑而添加的元素，并且對于600 800°C左右的溫度區(qū)域中的高溫強度的提高有貢獻。此外，在長時間使用中在表層形成Mn系氧化物，對于氧化皮密合性的提高和異常氧化的抑制有貢獻。若Mn的含量超過2%，則常溫延展性降低，進而，由于形成MnS而使腐蝕性降低。若考慮到高溫延展性和氧化皮密合性，則Mn的含量優(yōu)選為O. Γ . 5%。Cr是為了獲得所需的抗氧化性和耐腐蝕性而必需的元素。Cr的含量低于12. 0%的情況下，無法得到該效果。若Cr的含量超過25. 0%，則會導致加工性的降低和韌性的劣化。因此，Cr的含量設定為12. (Γ25. 0%。若考慮到制造性和高溫延展性，則優(yōu)選為12. 5^20. 0%。Cu是對于600 800°C左右的溫度區(qū)域中的高溫強度的提高特別有效的元素。這主要是由于60(T80(TC左右的溫度區(qū)域中的由Cu析出物產(chǎn)生的析出強化而引起的效果。為了獲得該效果，需要使Cu的含量超過O. 90%。若Cu的含量超過2. 0%，則熱軋時會產(chǎn)生裂紋，此外，常溫延展性顯著降低。因此，Cu的含量設定為超過0.擴2.0%。若考慮到強度穩(wěn)定性、抗氧化性及焊接性，則優(yōu)選為I. (Tl. 5%。Ti是與C、N、S結(jié)合而使耐腐蝕性、耐晶界腐蝕性、常溫延展性及深拉深性提高的元素。此外，通過Ti團簇或微細的Ti (C，N)的析出所引起的與Cu析出物的相互作用，能夠有效地提高高溫強度。為了獲得這些效果，需要添加0.05%以上的Ti。若Ti的含量超過0.3%，則生成Fe2Ti,其成為Cu析出物的復合析出位點，使Cu粗大地析出。因此，Ti的含量設定為O. 05、. 3%。若考慮到抗氧化性和制造性，則優(yōu)選為O. 07、. 2%。Nb是使高溫強度提高的元素。但是，由于價格昂貴，因此其含量越少越好。添加O. 001%以上的Nb時，極微細地析出Fe2Nb,通過與Cu析出物的相互作用而有效地提高高溫強度。若Nb的添加量超過O. 1%，則粗大地生成Fe2Nb, Cu也隨之粗大地析出，因此提高高溫強度的效果差，時效劣化也變得顯著。因此，Nb的含量設定為O. 00Γ0. 1%。若考慮到制造性和加工性，則優(yōu)選為O. 00Γ0. 05%。Al作為脫氧元素起作用，還具有提高抗氧化性的效果。Al可以根據(jù)需要添加I. 0%以下，但可以不一定必須添加。此外，Al作為固溶強化元素對于提高600 700°C的強度是有用的，但添加量超過1.0%時，硬質(zhì)化而使均勻伸長率顯著降低，進而，韌性顯著降低。若考慮到表面瑕疵的發(fā)生和焊接性、制造性，則優(yōu)選為0. 0Γ0. 50%。B是使產(chǎn)品的沖壓加工時的二次加工性提高的元素。為了獲得該效果，B的含量需要設定為0. 0003%以上。超過0. 0030%而添加B時，會發(fā)生硬質(zhì)化、生成Cr與B的析出物 而導致的晶界腐蝕以及焊接裂紋。因此，B的含量設定為0. 0003、. 0030%。若考慮到制造性，則優(yōu)選為0. 0003 0. 0015%。本發(fā)明的鐵素體系不銹鋼板中，需要使Cu、Ti、Nb的含量滿足Cu/(Ti+Nb)彡5。圖I中示出Cu/(Ti+Nb)與在700°C下實施100小時的時效熱處理后的700°C的0. 2%屈服強度的關系。由圖I可知，Cu/(Ti+Nb)為5以上時，達到通用Nb添加鋼以上的高
溫強度。圖2中示出作為Cu添加鋼的鋼A (本發(fā)明鋼)(0. 006%C-0. 009%N_0. 86%Si_0. 28%Mn-13. 9%Cr-l. 21%Cu_0. 10%Ti_0. 001%Nb-0. 07%A1_0. 0005%B，Cu/(Ti+Nb) =10)以及作為通用 Nb 添加鋼的鋼 B (比較鋼)(0. 006%C-0. 009%N-0. 90%Si-0. 35%Mn_13. 8%Cr_0. 45%Nb)的高溫拉伸試驗結(jié)果。高溫拉伸試驗中，依據(jù)JISG0567在軋制方向上實施拉伸試驗，測定600、700、800和900°C下的0. 2%屈服強度。此外，將在各溫度下實施100小時的時效熱處理、然后在各溫度下實施拉伸試驗的結(jié)果也示于該圖中。圖2中的三角符號表不鋼A,圓形符號表不鋼B。此外，白色空心的符號表不未經(jīng)時效處理而實施拉伸試驗的結(jié)果，涂滿的符號表不在實施100小時的時效熱處理后實施拉伸試驗的結(jié)果。在未經(jīng)時效處理而實施拉伸試驗的結(jié)果中，與作為通用Nb添加鋼的鋼B相比，鋼A在600°C 低于700°C下的高溫屈服強度高，在800°C以上也顯示出同等以上的高溫屈服強度。對于時效熱處理后實施拉伸試驗的結(jié)果而言，鋼A也顯示出作為Nb添加鋼的鋼B以上的高溫屈服強度，可知其長時間強度穩(wěn)定性優(yōu)良。S卩，本發(fā)明的不銹鋼具有與通用Nb添加鋼同等以上的耐熱性，可知其耐熱性優(yōu)良。因此，本發(fā)明中的鋼成分的Cu/(Ti+Nb)設定為5以上。由圖I可知，Cu/(Ti+Nb)為15左右時，強度達到飽和。若將制造性和加工性也考慮在內(nèi)，則優(yōu)選將Cu/(Ti+Nb)的上限設定為15。
本發(fā)明的鐵素體系不銹鋼板中，可以根據(jù)使用環(huán)境進一步添加Mo、V和Sn中的一種以上。這些元素具有提高高溫強度和耐腐蝕性的作用，但價格昂貴，因此添加量設定為
O.5%以下。若考慮到制造性和焊接性，則優(yōu)選為O. 0Γ0. 3%。接著，對本發(fā)明的鐵素體系不銹鋼板的制造方法進行說明。本發(fā)明的鋼板的制造方法包括煉鋼、熱軋、酸洗、冷軋、退火、酸洗各工序。在煉鋼中，優(yōu)選將含有上述的必需成分和根據(jù)需要添加的選擇成分的鋼進行轉(zhuǎn)爐熔煉、接著進行二次精煉的方法。熔煉得到的鋼水通過公知的鑄造方法(連續(xù)鑄造)制成板坯。 板坯被加熱至規(guī)定的溫度，通過連續(xù)軋制而熱軋成規(guī)定的板厚。不銹鋼板的冷軋通常利用輥徑為60 IOOmm左右的森吉米爾式(Sendzimir)軋機進行可逆式軋制或者利用輥徑為400mm以上的串聯(lián)式軋機進行單方向軋制。在本發(fā)明中，可以采用任意一種軋制方法。為了提高作為加工性的指標的r值，優(yōu)選以輥徑為400mm以上的串聯(lián)式軋機實施冷軋。串聯(lián)式軋制與森吉米爾式軋制相比，生產(chǎn)率優(yōu)良。在本發(fā)明的不銹鋼板的制造方法中，從生產(chǎn)率的觀點出發(fā)，也可以省略鐵素體系不銹鋼板的制造中通常實施的熱軋板退火。但是，若在70(T850°C對熱軋鋼板實施f 100小時的熱處理后實施冷軋和退火，則加工性進一步提高。若將Cu添加鋼冷軋后進行再結(jié)晶退火，則Cu在退火過程中析出，再結(jié)晶延遲。結(jié)果，再結(jié)晶織構(板面與〈111〉方向垂直)的發(fā)達受到抑制，作為深拉深加工性的指標的r值無法提聞。另一方面，在冷軋前使Cu析出、然后在冷軋后進行再結(jié)晶退火的情況下，由于在退火過程之前Cu已經(jīng)析出，因此在退火過程中，不會因析出現(xiàn)象而引起再結(jié)晶的延遲。但是，Cu在微細析出的狀態(tài)下會產(chǎn)生阻止位錯和結(jié)晶晶界移動的作用，因此再結(jié)晶晶粒的生成變慢。在本發(fā)明中，對再結(jié)晶織構與Cu析出狀態(tài)的關系進行了詳細的研究，結(jié)果查明，如果冷軋前Cu的析出粒子的直徑為50nm以上，則能夠在不發(fā)生再結(jié)晶延遲的情況下提高r值。進而，作為用于獲得該狀態(tài)的熱處理方法，通過在70(T850°C下對熱軋鋼板實施Γ100小時的熱處理、然后實施冷軋和退火，能夠得到深拉深性也優(yōu)良的鋼板。關于其他工序的方法，沒有特別規(guī)定。對熱軋條件、熱軋板厚度、冷軋板退火溫度、氣氛等進行適當選擇即可。此外，也可以在冷軋、退火后進行平整軋制或張力平整。產(chǎn)品板厚度根據(jù)要求的部件厚度進行選擇即可。實施例將表I所示的成分組成的鋼熔煉而鑄造成板坯，將板坯熱軋而制成5mm厚的熱軋卷材。然后，將熱軋卷材進行酸洗，冷軋至厚度為2_，實施退火、酸洗而制成產(chǎn)品板。為了使晶體粒度號數(shù)為6 8左右，冷軋板的退火溫度設定為850 1000°C。
權利要求
1.一種耐熱性和加工性優(yōu)良的鐵素體系不銹鋼板，其特征在于， 以質(zhì)量％計，含有C :低于 O. 010%、N :0. 020% 以下、 Si:超過O. 1% 2. 0%以下、Mn :2. 0% 以下、 Cr 12. 0 25· 0%、Cu :超過 O. 9% 2. 0%、Ti :0. 05、. 3%、Nb 0. ΟΟΓΟ. 1%、 Al :1. 0%以下、及 B 0. 0003 O. 0030% 以下，并且 Cu、Ti和Nb的含量滿足Cu/(Ti+Nb) ^ 5，殘余部分包含F(xiàn)e及不可避免的雜質(zhì)。
2.如權利要求I所述的耐熱性和加工性優(yōu)良的鐵素體系不銹鋼板，其特征在于，以質(zhì)量％計,還含有Mo :0. 50% 以下、 V :0. 50%以下、及 Sn :0. 50%以下中的一種以上。
3.一種耐熱性和加工性優(yōu)良的鐵素體系不銹鋼板的制造方法，其特征在于，將具有權利要求I或2所述的組成的板坯進行熱軋， 接著，在70(T850°C下實施1 100小時的熱處理， 然后，實施冷軋和退火。
全文摘要
一種即使經(jīng)受長時間的熱歷史其強度劣化也小的低成本的排氣構件用鐵素體系不銹鋼板，其特征在于，以質(zhì)量%計，含有C低于0.010%、N0.020%以下、Si超過0.1%～2.0%以下、Mn2.0%以下、Cr12.0～25.0%、Cu超過0.9～2%、Ti0.05～0.3%、Nb0.001～0.1%、Al1.0%以下、B0.0003～0.003%以下，并且Cu/(Ti+Nb)為5以上，殘余部分包含F(xiàn)e及不可避的雜質(zhì)。
文檔編號C22C38/38GK102971441SQ20118000899
公開日2013年3月13日 申請日期2011年3月25日 優(yōu)先權日2010年3月26日
發(fā)明者濱田純一, 寺岡慎一, 井上宜治, 神野憲博 申請人:新日鐵住金不銹鋼株式會社