專利名稱：加工硬化的不銹鋼板的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是關于加工硬化的不銹鋼板，該鋼板具有通過加工硬化而強化的鐵素體組織以改善強度和彎曲性能。
背景技術：
對于家用電器或辦公室自動化裝置例如電視機和個人電腦特別是便攜式筆記本電腦來說，存在著要求減輕其內部構件重量的趨勢。這種重量減輕是通過減小各部件的厚度來實現的，盡管厚度減小了，但還要保證使用所必須的強度。對此，0.2％條件屈服強度至少500N/mm2或者維氏硬度至少HV200的鋼材已經被用于這一目的。
家用電器或辦公室自動化裝置中的框架或殼體一般是通過將切好的板材壓制或彎曲加工成所要求的外形輪廓而制成的，因此，用于這種用途的金屬材料除了機械性能外還應當具有良好的彎曲性能。
近年來，出于環(huán)境保護以及可回收利用方面的考慮，對于不需要鍍覆或涂裝的裸裝金屬材料供貨的需求十分迫切。具有良好耐腐蝕性的有代表性的裸裝金屬材料是馬氏體不銹鋼(例如SUS410或SUS420J2)、沉淀硬化不銹鋼(例如SUS631)或者加工硬化奧氏體不銹鋼(例如SUS304或SUS301)。
馬氏體不銹鋼或沉淀硬化不銹鋼，在加工成型為所要求的外形之后，還要通過熱處理例如淬火和回火或者時效來進行強化。但是，這種熱處理要由金屬加工廠來進行，因此，金屬加工廠必須承擔熱處理設備的費用。此外，經過熱處理的鋼板還需要進行酸洗或研磨以除去氧化皮，并且還要對經過熱處理的鋼板進行整形以消除由于熱處理而產生的變形。
另一方面，加工硬化奧氏體不銹鋼在板材狀態(tài)下就具有足夠的強度和良好的彎曲性能，因而金屬加工廠可以免去熱處理工序，但是由于添加了較高比率的Ni，這種不銹鋼價格十分昂貴。對于這個問題，目前已經提出了幾種技術方案，在不削弱加工硬化奧氏體不銹鋼的優(yōu)點的情況下降低Ni含量，以降低鋼的成本。例如，JP63-169330A中公開了一種鐵素體/馬氏體雙相不銹鋼，其強度和成形性能分別通過馬氏體相和鐵素體相得到改善。JP11-302791A中公開了一種不銹鋼，其彎曲性能通過控制在鐵素體/馬氏體雙相或馬氏體單相中分散存在的MnS夾雜物的尺寸和形狀而得到改善。JP2001-262282A中公開了一種不銹鋼，其鐵素體組織不需要進行熱處理而被加工硬化。
JP63-169330A中公開了一種鐵素體/馬氏體雙相不銹鋼，其強度可以通過增加馬氏體相的比率而得到提高，但其彎曲性能在馬氏體相比率在50質量％以上時顯著惡化。
JP11-302791A中公開了一種不銹鋼，主要用來作為建筑結構中具有較大彎曲半徑的矩形管。另一方面，家用電器的框架、殼體或箱體是通過以明顯小于矩形管的彎曲半徑將鋼板成形為所要求的外形來制造的。由于彎曲半徑很小，雙相或馬氏體單相不銹鋼板在加工成形為框架、殼體或箱體的形狀時常常會開裂，即使MnS的尺寸和形狀得到適當控制也是如此。
在JP11-302791A中沒有具體地公開如何控制MnS的尺寸和形狀。眾所周知，鋼板的彎曲性能由于存在沿著軋制方向伸長的細條狀MnS而被惡化。隨著冷軋壓下量的增大，MnS進一步伸長并最終變成細小的顆粒分散在鋼的基體中。結果，對于薄的鋼板來說，MnS由于細微地分散而變得無害，但是對于相對較厚的鋼板來說，不能期待MnS以細小顆粒的形式分散，因而MnS仍然是有害的。此外，為了確保適當的強度以適應各種不同的用途，需要進行各種合金化設計，這是因為不需要熱處理的雙相或馬氏體單相不銹鋼的強度主要由合金成分來確定。
與通過馬氏體相變的強化相比，將鐵素體組織加工硬化的冷軋方法更有利于改善彎曲性能。但是，JP2001-262282A是針對摩托車的圓盤閘的，該圓盤閘是由不銹鋼板制成，不需要進行彎曲加工。按照該專利建議的條件制成的鋼板，不適合用于框架、殼體和箱體的材料，因為這些鋼板在以較小的彎曲半徑進行彎曲加工時常常會開裂。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種強化的不銹鋼板，該鋼板可以被加工成形為所要求的外形而不會開裂，即使是在十分嚴酷的加工條件下也是如此。本發(fā)明的另一個目的是，通過脫硫和用Al進行脫氧的復合處理，使夾雜物變成細小的Al2O3或Al2O3·MgO顆粒，以及不需要熱處理而通過冷軋形成加工硬化的鐵素體組織，從而改善不銹鋼板的成形性能和強度。
本發(fā)明的加工硬化不銹鋼板的特征在于其化學成分和金相組織。
本發(fā)明的不銹鋼由以下成分組成0.15質量％或更低的C、1.0質量％或更低的Si、1.0質量％或更低的Mn、0.005質量％或更低的S、10-20質量％的Cr、0.5質量％或更低的Ni、0.001-0.05質量％的Al，余量基本上是Fe。該不銹鋼還可以進一步含有選自下組元素中的至少一種0.5-2.0質量％的Mo、0.5-3.0質量％的Cu和0.05-1.0質量％的Nb。
這種不銹鋼具有加工硬化的鐵素體組織，其中分散有Al2O3和/或Al2O3·MgO的細小顆粒，顆粒的尺寸為10μm或更小，鋼的潔凈度指數是0.06％或更低。其0.2％條件屈服強度最好是通過冷軋壓下量而控制在500-900N/mm2的范圍內。
具體實施例方式
MnS是一種對彎曲性能有害的夾雜物，它比較軟，在冷軋過程中沿著軋制方向伸長，因而形成細條狀分散于鋼的基體中。這樣的不銹鋼板被彎曲加工時，MnS由于應力集中而成為裂紋源。僅僅脫硫不足以使MnS變得無害，但為了抑制裂紋的產生必須控制MnS夾雜物的組成、尺寸和形狀。
MnS夾雜物的組成、大小和形狀隨著在煉鋼工序中添加到鋼水中的脫氧劑的種類而改變，例如，當添加Si作為脫氧劑時，除了形成MnS外還形成MnO·SiO2和/或MnO·SiO2·MnS。另一種脫氧劑Ti可抑制條形夾雜物的形成，但是作為脫氧產物形成了TiN以及TiO2。這些反應產物結合到一起成為粗大的簇狀物，使不銹鋼板上產生表面缺陷。Ti脫氧還伴隨發(fā)生中間罐水口堵塞，除非特別減少鋼水中的N含量。
本發(fā)明人研究并分析了抑制MnS、MnO·SiO2和MnO·SiO2·MnS等夾雜物的各種工藝條件，這些夾雜物使鋼板的彎曲性能惡化并使鋼板的外觀惡化。在研究過程中，本發(fā)明人意外地發(fā)現，通過用Al進行特定的脫氧，使夾雜物改變成Al2O3或Al2O3·MgO型夾雜物，可以改善鋼板的彎曲性能。事實上，通過脫硫和用Al進行脫氧的復合處理，形成具有以潔凈度指數為0.06％或更小在鋼的基體中分布有10μm大小的Al2O3或Al2O3·MgO夾雜物的組織的鋼板，該鋼板可以以良好的彎曲性能被加工成形為所要求的外形，這一點在下面的實施例中可以得到說明。
由于不銹鋼板通過冷加工形成了加工硬化的鐵素體相而得到強化，因此不需要任何特定的合金化設計就可以賦予不銹鋼板以適合于使用目的的0.2％條件屈服強度。有代表性的冷加工是冷軋，通過控制冷軋壓下量將屈服強度調整為500-900N/mm2(即維氏硬度200-300HV)范圍內的其一數值。順便說一下，通常退火狀態(tài)的鐵素體不銹鋼板具有大約250-300N/mm2(維氏硬度約130-150HV)的屈服強度，遠低于所要求的值。
本發(fā)明的鐵素體不銹鋼板具有下面所述的化學成分以及夾雜物的組成、大小和形狀受到控制的組織。
<合金化設計>
C0.15質量％或更低C是強化鋼的基體的合金元素，但過量的C促使碳化鉻沉淀析出，導致耐腐蝕性惡化。因此，C含量的上限被確定為0.15質量％，最好是0.08質量％。
Si1.0質量％或更低Si是強化鋼的基體的鐵素體成形元素。但高于1.0質量％的過量的Si反而促進對于彎曲性能有害的SiO2或MnO·SiO2夾雜物沉淀析出。
Mn1.0質量％或更低Mn是一種奧氏體成形元素，它以對彎曲性能有害的MnO·SiO2的形式分散于鋼的基體中。因此，Mn的上限被確定為1.0質量％，最好是0.5質量％。
S0.005質量％或更低S溶解在對彎曲性能有害的MnS和MnO·SiO2中，形成粗大的硫氧化物顆粒。為了抑制S的有害作用，將S的上限規(guī)定為0.005質量％，最好是0.003質量％。
Cr10-20質量％Cr是改善耐腐蝕性必不可少的元素，作為不銹鋼為了確保耐腐蝕性，Cr含量必須為10質量％或更高。但是，高于20質量％的過量的Cr會使不銹鋼的韌性惡化。Cr含量最好是控制在11-18質量％范圍內。
Ni0.5質量％或更低Ni是奧氏體成形元素。隨著Ni含量的增加，不銹鋼的Ac1溫度降低，并且在退火過程中的冷卻階段促進馬氏體相的形成。因此，Ni含量被控制到0.5質量％或更低，以抑制馬氏體相的形成。
Al0.001-0.05質量％Al是作為脫氧劑添加的。將Al含量控制到至少0.001質量％可以獲得足夠的脫氧效果。但是，過量的Al會引起Al2O3顆粒大量沉淀析出。這些Al2O3顆粒結合到一起形成簇狀物，在不銹鋼板上產生表面缺陷。為了將Al2O3顆粒的大小控制10μm或更小并具有0.06％或更低的潔凈度，將Al含量的上限規(guī)定為0.05質量％。Al含量最好是控制在0.003-0.03質量％。
Mo0.5-2.0質量％Cu0.5-3.0質量％Nb0.05-1.0質量％Mo、Cu和Nb中的每一種元素都是任選的元素，用于改善耐腐蝕性。這三種元素含量為Mo0.5質量％或更高、Cu0.5質量％或更高、或者Nb0.05質量％或更高時，可以觀察到對于耐腐蝕性的效果。但是，高于2.0質量％的過量Mo由于其固溶硬化效應而使不銹鋼的冷加工性能惡化，高于3.0質量％的過量Cu使不銹鋼的熱加工性能和生產率惡化，高于1.0質量％的過量Nb提高了鋼的成本而鋼的耐腐蝕性沒有任何改善。
<加工硬化的鐵素體組織>
通過脫硫和用Al脫氧，分散于鋼的基體中的夾雜物被改變成Al2O3或Al2O3·MgO，通過冷加工，這些改變后的夾雜物被分割成10μm大小或更小的細小顆粒，最好是5μm或更小的顆粒。夾雜物的改變和分割細化有效地避免了在夾雜物上形成的應力集中，而這些夾雜物通常起到裂紋源的作用。因此，不銹鋼板可以在彎曲部位以很小的半徑被加工成形為所要求的外形，大大減少了開裂的發(fā)生。
冷加工有助于強化不銹鋼板以及將夾雜物分割成細小的顆粒。即，在通常的退火狀態(tài)下具有約250-300N/mm2的屈服強度(維氏硬度大約130-150HV)的鐵素體不銹鋼板通過加工硬化而得到強化。此外，通過控制冷加工壓下量可以將屈服強度值任意調整為500-900N/mm2(維氏硬度200-300HV)范圍內的數值，從而不需要改變合金成分設計就可以提供具有適合于使用目的的強度的鋼材。在通過冷軋使不銹鋼板加工硬化的情況下，為了強化不銹鋼板而不會使彎曲性能惡化，在最終冷軋工序中的軋制壓下量被確定在15-50％(最好是20-35％)的范圍內。
由下面的實施例可以更清楚地理解本發(fā)明的其它特征。
實施例1使用Si對熔融的不銹鋼液進行脫氧并將其調整成表1所示的每一種化學成分。試樣S-1是一種不銹鋼板，該不銹鋼板在熱軋之后通過退火而再結晶形成單一的鐵素體組織，然后以25％的軋制壓下量冷軋至1.8mm厚，使鐵素體組織加工硬化。試樣S-2和S-3也是不銹鋼板，它們都以同樣的方式冷軋至1.8mm厚，在奧氏體/鐵素體雙相區(qū)中的較高溫度下保持一段較短的時間，然后空冷形成鐵素體/馬氏體雙相組織。試樣S-2中的馬氏體相的比例大于試樣S-3。
表1不銹鋼的化學成分(質量％)

從每一塊不銹鋼板上沿著兩個方向即縱向(下文中稱為“L方向”)和橫向(下文中稱為“T方向”)取樣，制成用于JIS 13B(JISZ 2201)中規(guī)定的拉伸試驗的試樣。用這些試樣進行拉伸試驗，測定屈服強度和延伸率。試驗結果示于表2中。由表2可以看出，試樣S-1的屈服強度與馬氏體相的比率為80體積％的試樣S-2的值大致上差不多，但其延伸率比試樣S-2要小。
表2金相組織和機械性能

Y.S.0.2％條件屈服強度 El.延伸率采用V型塊彎曲法(按JIS Z 2248規(guī)定通過90度的彎曲角度進行的V型塊彎曲試驗)評價每一不銹鋼板的彎曲性能。即，使用具有不同的頂部彎曲半徑R的沖頭，圍繞平行于軋制方向的軸以直角進行彎曲(下文中稱為“T方向彎曲”)并且還圍繞垂直于軋制方向的軸以直角進行彎曲(下文中稱為“L方向彎曲”)，對每一試樣進行彎曲試驗，使用試樣被彎曲而不發(fā)生開裂的最小半徑R表示彎曲性能。
由表3中的試驗結果可以看出，各試樣在T方向彎曲時裂紋發(fā)生的趨勢是不一樣的，盡管所有的試樣以0.1mm的最小半徑R進行L方向V形彎曲時都沒有開裂。對于試樣S-1來說，裂紋發(fā)生的最小半徑R是0.6mm，而試樣S-2裂紋發(fā)生的最小半徑R是1.5mm，盡管試樣S-1和S-2具有幾乎相同的屈服強度。這些試驗結果的比較表明，試樣S-1的彎曲性能優(yōu)于試樣S-2和S-3，盡管其延伸率小于S-2和S-3。簡而言之，與馬氏體組織相比，加工硬化的鐵素體組織有利于彎曲性能。
表3每一試樣的彎曲性能

○表示彎曲時沒有開裂，×表示彎曲時開裂按以下所述調查夾雜物對彎曲性能的影響將熔融的不銹鋼液調整為與試樣S-1相同的化學成分，用A1脫氧，然后按照與上面所述相同的制造條件將其處理成為試樣A-1。試樣A-1中，來源于脫氧劑的Al含量如表4中所示是0.006質量％。
經過EPMA分析，試樣A-1中的夾雜物被確定為Al2O3和Al2O3·MgO的混合物，明顯地不同于試樣S-1中的MnO·SiO2或MnO·SiO2·MnS。在下文中，將試樣S-1中的SiO2基夾雜物稱為“硅酸鹽型”，而將試樣A-1中的Al2O3基夾雜物稱為“氧化鋁型”。
表4脫氧劑對化學成分的影響

由試樣A-1和S-1中沿著L方向和T方向取樣，制成用于拉伸試驗的試樣JIS 13B，用這些試樣進行拉伸試驗，測定屈服強度和延伸率。根據試驗結果，如表5中所示，試樣A-1和S-1具有相同的機械性能。另一方面，如表6中所示，彎曲試驗的結果表明，試樣A-1的T方向彎曲性能明顯地優(yōu)于試樣S-1，盡管試樣A-1和S-1具有幾乎相同的屈服強度。
上述結果表明，通過脫硫和用Al進行脫氧的復合處理以控制夾雜物的形狀并通過冷加工形成加工硬化的鐵素體組織，不銹鋼板被賦予良好的彎曲性能，這與強化無關。
表5用Si或Al脫氧對機械性能的影響

表6用Si或Al脫氧對彎曲性能的影響

實施例2使用30kg的真空爐熔煉具有表7中所示化學成分的幾種不銹鋼，添加Al或Si脫氧劑進行脫氧。
表7不銹鋼的化學成分以及脫氧情況

帶下劃線的數字是在本發(fā)明規(guī)定的條件以外的數值。
將每一不銹鋼錠鍛造成厚55mm、寬100mm的鋼板。對鋼板進行磨削，直至其厚度減小到50mm。然后，將鋼板熱軋至5mm厚。有些經過熱軋的鋼板，由于熱軋而形成了馬氏體相，將這些鋼板在850℃退火7小時，然后酸洗。其它的沒有馬氏體相的熱軋鋼板在1040℃下連續(xù)退火，然后進行酸洗。
對于通過加工硬化而得到強化的鋼種，將鋼板冷軋至2.3-2.8mm的中間厚度，在850℃下連續(xù)退火，進行酸洗，然后再次冷軋至1.8mm的最終厚度。每一鋼板的總的軋制壓下量被控制在20-35％的范圍內。
對于通過馬氏體相變而得到強化的鋼種，將經過退火的鋼板冷軋至3.0mm的中間厚度，再次退火，進行酸洗，然后再次冷軋至1.8mm的最終厚度。經過冷軋的鋼板進行熱處理，即在1000℃下加熱1分鐘然后空冷，使其組織轉變成馬氏體單相組織或鐵素體/馬氏體雙相組織。
從按以上所述制成的每一不銹鋼板上取樣制成試樣，觀察其金相組織、夾雜物和表面缺陷。采用EPMA分析來鑒別夾雜物，潔凈度指數采用JIS G0555中規(guī)定的方法進行測定，在測定潔凈度時通過顯微鏡觀察到的最大的夾雜物的主軸被作為夾雜物的尺寸。其它的性能即屈服強度、延伸率和彎曲性能按照與實施例1相同的方法進行測定。
測定結果示于表8中。由表8可以看出，通過加工硬化的鐵素體組織而得到強化的試樣№1-8，該鐵素體組織中的夾雜物的形狀通過使用Al進行脫氧而得到控制，這些試樣盡管具有700N/mm2或更高的高屈服強度，其彎曲性能仍然非常好，因此可以以0.1mm或更小的最小半徑R進行彎曲加工而不會開裂。
另一方面試樣№9由于馬氏體相變而具有高的屈服強度，其彎曲性能極差，最小彎曲半徑R是2.5mm。試樣№10通過減小馬氏體組織的比例，以犧牲強度為代價來改善其彎曲性能，其最小彎曲半徑R是0.6mm。這些試驗結果的比較表明，馬氏體相變可以有效地強化鋼板，但對于改善彎曲性能沒有什么效果。
即使是在用Al脫氧的情況下，為了改善彎曲性能也應當適當地控制Al含量。即試樣№11具有較低的Al含量，由于遺留存在硅酸鹽型夾雜物其彎曲性能比較差。試樣№12使用0.09質量％的過量的Al進行過度脫氧，其彎曲性能良好但具有表面缺陷。
試樣№13-15由于使用Si進行脫氧，其中的夾雜物變成了硅酸鹽型，因此其彎曲性能比試樣№1-8低劣。
表8不銹鋼板的機械性能和彎曲性能

WF表示加工硬化的鐵素體組織，F+M表示鐵素體/馬氏體組織。
帶有下劃線的數字是在本發(fā)明規(guī)定的條件范圍之外的數值。
除了№9、10和13外的試樣，由于加工硬化的鐵素體組織而具有700N/mm2或更高的屈服強度，這些加工硬化的鐵素體組織是通過以20-30％的最終軋制壓下量進行冷軋而形成的。所有這些試樣的延性似乎都比較差，其延伸率只有4％甚至更低，但其彎曲性能非常好。良好的彎曲性能可能是源于局部延伸率而不是總體延伸率，因此加工硬化的鐵素體組織有效地改善了在其外側彎曲部位的局部延性。此外，在夾雜物與鋼的基體之間的邊界處的應力集中由于夾雜物的形狀被適當控制而得到減輕。因此，在將本發(fā)明的不銹鋼板加工成形為所要求的外形時，裂紋的產生受到抑制。
本發(fā)明的工業(yè)實用性如上面所述的本發(fā)明的鐵素體不銹鋼板，由于加工硬化的鐵素體組織以及利用Al脫氧使其形狀得到控制的夾雜物而得到強化，因而盡管具有700N/mm2或更高的高屈服強度，其彎曲性能仍然非常好。這種加工硬化的不銹鋼板不需要鍍覆金屬(鍍覆金屬不利于環(huán)境保護)就可以使用。由于這種不銹鋼板通過加工硬化而得到強化，因此在用戶那里不需要進行熱處理，可以加工成形為所要求的外形。此外，具有降低的Ni含量的不銹鋼可以用來作為家用電器或辦公自動化裝置等的框架和殼體的廉價材料。
權利要求
1.加工硬化的不銹鋼板，其特征在于，具有由下述成分組成的化學成分0.15質量％或更低的C、1.0質量％或更低的Si、1.0質量％或更低的Mn、0.005質量％或更低的S、10-20質量％的Cr、0.5質量％或更低的Ni、0.001-0.05質量％的Al，余量除了不可避免的雜質外是Fe；并且具有加工硬化的鐵素體組織，其中以潔凈度指數為0.06％或更低分散有尺寸為10μm或更小的Al2O3和/或Al2O3·MgO夾雜物。
2.權利要求1所述的加工硬化的不銹鋼板，其特征在于，所述化學成分還包含選自下組元素中的一種或多種0.5-2.0質量％的Mo、0.5-3.0質量％的Cu和0.05-1.0質量％的Nb。
3.權利要求1或2所述的加工硬化的不銹鋼板，其特征在于，該不銹鋼板具有500-900N/mm2范圍內的屈服強度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種加工硬化的不銹鋼板材，其化學成分(質量％)為C0.15％或更低、Si1.0％或更低、Mn1.0％或更低、S0.005％或更低、Cr10－20％、Ni0.5％或更低、Al0.001－0.05％，以及任選地選自Mo0.5－2.0％、Cu0.5－3.0％和Nb0.05－1.0％中的一種或多種元素，在鋼中以≤0.06％的潔凈度分散有顆粒直徑≤10μm的Al
文檔編號C22C38/48GK1823177SQ200480020308
公開日2006年8月23日 申請日期2004年8月3日 優(yōu)先權日2003年8月6日
發(fā)明者森川廣, 香月淳一, 藤井孝浩 申請人:日新制鋼株式會社