CN103966527A - 一种城轨车辆面板用奥氏体不锈钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种城轨车辆面板用奥氏体不锈钢及其制造方法，其化学成分重量百分比为：C＜0.03％，Si0.75～1.0％，Mn6.5～8.0％，Cr16.0～17.5％，Ni3.0～4.5％，N0.15～0.25％，Cu0.5～1.0％，Ce0.02～0.05％，P≤0.040％，S≤0.03％，余Fe和不可避免的杂质；其采用如下步骤：经冶炼，连铸、精炼、喂稀土混合块、软搅拌，连铸得连铸坯，加热连铸坯；热轧，冷却、卷取、空冷、固溶处理、抛丸、酸洗、冷轧、退火酸洗后获得成品奥氏体不锈钢。本发明可避免板坯边部温度过高导致边部晶界的氧化，在加热过程中表面形成一层致密的粘附性强的铬氧化膜，保护连铸坯表面质量，为城轨车辆面板用不锈钢材料的表面质量控制提供保障。

Description

一种城轨车辆面板用奥氏体不锈钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及奥氏体不锈钢及其制造方法，具体地，涉及城轨车辆面板用奥氏体不锈钢及其制造方法，适用于制造城轨车辆或者火车客车面板。

背景技术

随着国内城市轨道交通的快速发展，已建或者在建城市轨道交通的城市已达40余座。不锈钢城轨车辆因具有寿命周期长、成本低、防火美观等优点受到越来越多的青睐。

目前国内外用于制造不锈钢城轨车的材料多为00Cr17Ni7型亚稳定奥氏体不锈钢，该种型号不锈钢的日本标准为SUS301L，欧洲标准为EN1.4318，化学成分如表1所示。

表1.三种奥氏体不锈钢成分对照(单位：wt％)

该00Cr17Ni7型亚稳定奥氏体不锈钢经过调质轧制可获得不同的强度等级以满足车体不同部位对强度的要求。其中城轨车辆面板部位所需的屈服强度为345MPa～485MPa、抗拉强度为690MPa～865MPa。

由于用作面板，对所述00Cr17Ni7型亚稳定奥氏体不锈钢表面质量要求特别高。该不锈钢钢种在实际生产过程中，存在两个难点：

①由于化学成份的波动导致调质轧制后的性能波动，即最终产品性能的不稳定；

②与碳钢相比，不锈钢具有较强的抗氧化性，加热及整个热轧过程中缺陷部位容易向深处发展，特别是板坯边部温度过高容易晶界氧化，造成产品表面质量的降级。

此外，现有制造方法中，冷轧退火酸洗后还需进行调质轧制加工处理，由此会导致成品板材的性能波动。

现有轨道车辆用不锈钢的相关专利如下：

中国专利公开号CN101311291A公开了一种高强度奥氏体不锈钢及其制造方法，镍含量为5.5％～7.5％，比表1标准中的镍含量稍低，冶炼时需要控制表示多元素综合作用的Md₃₀值。

Md₃₀值表示真应变量30％的冷变形后生成50％形变马氏体的温度。其计算式如下：

Md₃₀＝413－9.5(Ni％)－13.7(Cr％)－8.1(Mn％)－9.2(Si％)－18.5(M％)－462(C％+N％)

上式中Md₃₀值的温度单位是℃，等式右边括弧内是各元素含量的重量百分数。

中国专利公开号CN101984123A公开了高速列车用车厢板的制备方法，通过对冷轧后的00Cr17Ni7奥氏体不锈钢进行不同温度的退火处理得到不同强度等级的高速列车用车厢板。其中贵重金属Ni含量高达7.01％，生产成本高。

中国专利公开号CN201010133806.X公开了高强度客车用301L不锈钢及其制造方法，通过控制Creq和Nieq的范围分别为17.5～17.9％和10.5～12.35％，解决了高强度客车用301L钢在轧制中出现的边裂缺陷问题，保证了冷轧带钢的性能。但其中贵重金属Ni含量高达6.9～7.4％，导致生产成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种城轨车辆面板用奥氏体不锈钢及其制造方法，该奥氏体不锈钢优化了化学成分，保证连铸坯表面质量，避免连铸坯边部质量的晶界氧化，为城轨车辆面板用不锈钢材料的表面质量控制提供保障，节约工序成本，避免了成品性能波动。

为达到上述目的，本发明主要采用如下技术方案：

本发明通过降低奥氏体不锈钢中贵重金属Ni的使用量，提高锰氮奥氏体不锈钢的高温热塑性，在保证原有奥氏体不锈钢性能的同时，利用氮合金化稳定奥氏体组织来提高所述奥氏体不锈钢性能，使固溶处理、冷轧退火酸洗后的奥氏体不锈钢的性能即能满足面板用材对性能的要求，从而省去现有技术中冷轧退火酸洗后的调质轧制工艺，避免调质轧制工序导致成品性能波动；

另外，避免加热和热轧过程中缺陷部位的氧化向深度方向发展，特别是避免板坯边部温度过高导致边部晶界的氧化，使材料在加热过程中表面迅速形成一层致密的粘附性强的均匀氧化膜，作为热轧过程中基体和轧辊的保护膜，同时可以作为热轧过程中的润滑剂。

具体的，本发明的一种城轨车辆面板用奥氏体不锈钢，其化学成分重量百分比含量为：C：大于0且小于0.03％，Si：0.75～1.0％，Mn：6.5～8.0％，Cr：16.0～17.5％，Ni：3.0～4.5％，N：0.15～0.25％，Cu：0.5～1.0％，Ce：0.02～0.05％，P：≤0.040％，S：≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。

在本发明城轨车辆面板用奥氏体不锈钢的成分设计中：

C是一种间隙元素，通过固溶强化可显著提高钢的强度，形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体区。敏化处理条件下C与钢中的铬结合形成高铬的Cr₂₃C₆型碳化物，使不锈钢的耐蚀性特别是耐晶间腐蚀性能下降。因此，C应控制在0.03％以下。

Si是一种脱氧元素，可显著提高钢在固溶态的晶间腐蚀敏感性。同时利用硅较快的扩散和氧化能力，氧化气氛下迅速扩散到表面和稀土元素Ce共同作用提高铬氧化膜的粘附性，使铬氧化膜作为保护层和润滑剂。因此，Si含量限定为0.75～1.0％。

Mn是强烈稳定奥氏体的元素，可以提高不锈钢的强度并改善不锈钢的热塑性。为了弥补Ni含量降低导致奥氏体稳定性降低的缺陷，适当增加Mn含量，Mn含量限定为6.5～8.0％。

N是强奥氏体形成元素，可以提高奥氏体不锈钢的强度和耐蚀性，但过量的N含量会降低钢的热、冷加工性及冷成形性。合适的氮含量为0.15～0.25％。

化学成分决定了室温下组织的稳定性，稳定性不同的组织经相同的冷变形工艺后的加工硬化程度不同，组织越稳定，加工硬化能力弱，相应的强度低；组织越不稳定，加工硬化能力强；由于化学成分的波动导致组织不稳定，进而导致调质轧制后的性能波动，加工硬化能力强度高即最终产品性能的不稳定，N、Mn元素的控制保证了固溶态的组织和性能。

Cr是奥氏体不锈钢中强烈形成并稳定铁素体的元素，其存在可缩小奥氏体区。Cr可与O形成致密的铬氧化膜，即Cr₂O₃膜，即使破坏后在空气中可自然形成，所述铬氧化膜可作为热轧过程中基体和轧辊的保护膜，同时可以作为热轧过程中的润滑剂。但Cr会提高不锈钢中耐氧化性介质和耐酸性氯化物介质的性能，但过量的Cr会造成不锈钢的脆性。因此，Cr含量限定为16.0～17.5％。

Ni是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素。随着Ni含量的增加，不锈钢的强度降低而塑性提高，有利于冷加工成形性能。但因Ni价格过高，其含量对奥氏体不锈钢制造成本影响较大，因此，Ni含量限定为3.0～4.5％。

Cu含量小于1％时对奥氏体组织没有明显的影响。在本发明中主要用来改善不锈钢的冷成形性，在冷轧过程中不致产生边部开裂等影响使用的质量缺陷。

稀土元素Ce可以提高奥氏体不锈钢的抗氧化性。本发明中主要用来改善钢的高温热塑性，因为降低了Ni含量，使得不锈钢中Mn和N含量相应较高，导致钢的热塑性较差，为保证不锈钢性能，需要添加一定的稀土元素Ce来改善热加工过程中的热塑性；另外，稀土元素Ce和Si元素共同作用，即利用Ce促进Si氧化物的生长速率，促使Si在界面的富集，提高铬氧化膜的粘附性，使铬氧化膜作为加热过程的保护层和热轧过程的润滑剂。Ce含量不能超过0.08％，超过0.08％后Ce易在晶界聚集。故将稀土元素Ce含量限定为0.02～0.05％。

P和S均为不可避免的杂质元素，但对奥氏体不锈钢性能有不利的影响，其含量应分别小于0.04％和0.03％。

其中，Ni元素含量根据计算公式Nieq＝％Ni+30*(％C+％N)+0.5％Mn，保证Nieq在7～10％之间，低于现有技术中10.5～12.35％。

本发明城轨车辆面板用奥氏体不锈钢制造方法，包括如下步骤：

1)冶炼，连铸

按下述化学成分钢水经电炉和AOD炉冶炼，钢水化学成分重量百分比含量为：C：大于0且小于0.03％，Si：0.75～1.0％，Mn：6.5～8.0％，Cr：16.0～17.5％，Ni：3.0～4.5％，N：0.15～0.25％，Cu：0.5～1.0％，Ce：0.02～0.05％，P：≤0.040％，S：≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质；将钢水送至精炼炉，喂混合稀土块，软搅拌，连铸得连铸坯，加热连铸坯；

2)热轧，冷却、卷取、空冷

热轧总压下率80～85％，卷取温度小于700℃；

3)固溶处理、抛丸酸洗

固溶处理温度1070～1110℃，抛丸力度800-1500kg/min，酸洗温度45～55℃；

4)冷轧、退火酸洗

冷轧压下量50％～75％，冷轧后的退火温度1070～1110℃，酸洗温度45～55℃，获得成品奥氏体不锈钢。

另，所述混合稀土块中Ce的含量为50％，混合稀土块喂入量为钢水重量的0.08％～0.10％。

又，精炼过程中，钢水中的氧含量小于30ppm。

再，通过向精炼炉底部吹氩气进行软搅拌，软搅拌时间10～15min。

且，连铸过程中，连铸拉速0.7～1.2m/min。

又，所述加热连铸坯方法为将连铸坯送往步进梁式加热炉内进行加热，控制加热炉内的空燃比，加热炉内残氧量小于3％，炉温≤1290℃，连铸坯在炉时间1～1.5min/mm。

再，步骤2)中，热轧加热温度1200～1260℃，粗轧出口温度1040～1100℃，精轧出口温度960～1000℃。

本发明的有益效果在于：

1、本发明降低了贵重金属镍的含量，通过提高锰、氮含量以及新增稀土元素Ce，且使稀土元素Ce合金化，在保证原有奥氏体不锈钢性能的同时，稀土元素Ce的加入提高了高锰氮奥氏体不锈钢的高温热塑性，改善因锰、氮含量过高导致的不锈钢热塑性差的缺陷，为热加工创造了条件，同时节约制造成本。

2、N、Mn元素的控制保证了固溶态的组织和性能。

3、稀土元素Ce和Si元素共同作用提高了铬氧化膜的粘附性，从而使本发明奥氏体不锈钢的粘附性好，热轧过程中全程不除鳞，铬氧化膜作为加热过程的保护层和热轧过程的润滑剂，保护了连铸坯表面质量，特别是避免了连铸坯边部质量的晶界氧化，为城轨车辆面板用不锈钢材料的表面质量控制提供了保障。

4、以往的材料退火后的性能满足不了车辆面板用钢对性能的要求，需要调质冷轧进一步提高屈服强度达到Rp0.2大于345MPa的要求。而本发明固溶处理、冷轧退火酸洗后的奥氏体不锈钢的性能即能满足Rp0.2大于345MPa的要求，满足城轨车辆面板用材对性能的要求，从而省去现有技术中冷轧退火酸洗后的调质轧制工艺，在冷轧退火酸洗后，直接获得所述奥氏体不锈钢成品，节约了工序成本，避免调质轧制工序导致成品性能波动。

5、由于连铸过程中常规的喂丝机(如喂钙丝)，由于钙丝和Ce丝的直径不同，导致无法通过喂丝机向钢水中喂稀土元素Ce，如需喂Ce丝，则需要额外增添专用喂Ce丝的设备，因此，冶炼工艺中通过加入稀土块避免了稀土喂丝机等额外设备的投入。

6、通过控制连铸过程中对板坯的拉速，保证连铸板坯的表面质量。

7、加大抛丸力度和预酸洗段酸洗温度，获得表面质量良好的白皮卷。

附图说明

图1为本发明实施例2和实施例5与对比例1钢种热塑性对比示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

将经电炉和AOD炉冶炼的钢水120吨倒入烘烤好的钢包内，吊至精炼工位喂混合稀土块，钢水中的氧含量为28ppm，加入混合稀土块96kg，喂块后底吹氩软搅拌10分钟，钢包温度达1525℃，吊往连铸平台。连铸坯规格为1250*200mm，最后10分钟拉速降至0.7m/min。连铸坯的化学成分如表2所示。将连铸坯送往步进梁式加热炉内加热，控制炉内的残氧量为2％，炉温按1280℃进行控制，在炉时间为220分钟。经7道次粗轧，中间坯厚度为35mm，经7道次精轧，带钢厚度为3.0mm，整个轧制过程中全程不除鳞，轧后冷却、卷取温度为680℃，带钢卷取后空冷。经固溶处理、抛丸、酸洗，冷轧至1.5mm后退火酸洗，平整后即得所述城轨车辆面板用奥氏体不锈钢2B板。

实施例2

将经电炉和AOD炉冶炼的钢水130吨倒入烘烤好的钢包内，吊至精炼工位喂混合稀土块，钢水中的氧含量为27ppm，加入混合稀土块104kg，喂块后底吹氩软搅拌12分钟，钢包温度达1525℃，吊往连铸平台。连铸坯的化学成分如表2所示。连铸坯规格为1250*200mm，最后10分钟拉速降至0.7m/min。将连铸坯送往步进梁式加热炉内加热，控制炉内的残氧量为3％，炉温按1280℃进行控制，在炉时间为220分钟。经7道次粗轧，中间坯厚度为35mm，经7道次精轧，带钢厚度为3.5mm，整个轧制过程中全程不除鳞，轧后冷却、卷取温度为680℃，带钢卷取后空冷。经固溶处理、抛丸酸洗，冷轧至1.5mm后退火酸洗，平整后即得所述城轨车辆面板用奥氏体不锈钢2B板。

实施例3

将经电炉和AOD炉冶炼的钢水120吨倒入烘烤好的钢包内，吊至精炼工位喂混合稀土块，钢水中的氧含量为28ppm，加入混合稀土块120kg，喂块后底吹氩软搅拌15分钟，钢包温度达1525℃，吊往连铸平台。连铸坯规格为1250*200mm，最后10分钟拉速降至0.7m/min。连铸坯的化学成分如表2所示。将连铸坯送往步进梁式加热炉内加热，控制炉内的残氧量为2％，炉温按1280℃进行控制，在炉时间为220分钟。经7道次粗轧，中间坯厚度为35mm，经7道次精轧，带钢厚度为3.5mm，整个轧制过程中全程不除鳞，轧后冷却、卷取温度为680℃，带钢卷取后空冷。经固溶处理、抛丸、酸洗，冷轧至1.5mm后退火酸洗，平整后即得所述城轨车辆面板用奥氏体不锈钢2B板。

实施例4

将经电炉和AOD炉冶炼的钢水130吨倒入烘烤好的钢包内，吊至精炼工位喂混合稀土块，钢水中的氧含量为30ppm，加入混合稀土块130kg，喂块后底吹氩软搅拌15分钟，钢包温度达1525℃，吊往连铸平台。连铸坯规格为1250*200mm，最后10分钟拉速降至0.7m/min。连铸坯的化学成分如表2所示。将连铸坯送往步进梁式加热炉内加热，控制炉内的残氧量为3％，炉温按1280℃进行控制，在炉时间为220分钟。经7道次粗轧，中间坯厚度为35mm，经7道次精轧，带钢厚度为3.5mm，整个轧制过程中全程不除鳞，轧后冷却、卷取温度为680℃，带钢卷取后空冷。经固溶处理、抛丸、酸洗，冷轧至1.5mm后退火酸洗，平整后即得所述城轨车辆面板用奥氏体不锈钢2B板。

实施例5

将经电炉和AOD炉冶炼的钢水120吨倒入烘烤好的钢包内，吊至精炼工位喂混合稀土块，钢水中的氧含量为28ppm，加入混合稀土块98kg，喂块后底吹氩软搅拌11分钟，钢包温度达1525℃，吊往连铸平台。连铸坯规格为1250*200mm，最后10分钟拉速降至0.7m/min。连铸坯的化学成分如表2所示。将连铸坯送往步进梁式加热炉内加热，控制炉内的残氧量为1％，炉温按1280℃进行控制，在炉时间为220分钟。经7道次粗轧，中间坯厚度为35mm，经7道次精轧，带钢厚度为3.0mm，整个轧制过程中全程不除鳞，轧后冷却、卷取温度为680℃，带钢卷取后空冷。经固溶处理、抛丸、酸洗，冷轧至1.5mm后退火酸洗，平整后即得所述城轨车辆面板用奥氏体不锈钢2B板。

表2.本发明实施例及对比例钢种化学成分对照(单位wt％)

表2中，对比例1钢种化学成分虽与本发明近似，但其主要应用领域为家庭厨房用具，其性能强度无法满足城轨车辆面板要求。

表3.本发明实施例奥氏体不锈钢力学性能

由表3可知，本发明在冷轧退火酸洗后，省略调质冷轧工序，获得的奥氏体不锈钢的屈服强度为370～393MPa，符合城轨车辆面板部位所要求的345～485MPa屈服强度范围；获得的奥氏体不锈钢的抗拉强度为730～765MPa，符合城轨车辆面板部位所要求的690～865MPa抗拉强度范围，在保证钢种符合使用要求的前提下，节省工序，有效降低生产成本。

本发明实施例2和5中奥氏体不锈钢热塑性与对比例钢种热塑性比较如图1所示。由图1可知，对比例钢种在加热过程中边部温度过高晶界氧化产品出现的质量缺陷，本发明因为铬氧化膜的保护作用，晶界不易被氧化，没有出现表面质量缺陷。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (8)

1.一种城轨车辆面板用奥氏体不锈钢，其化学成分重量百分比为：C＜0.03％，Si：0.75～1.0％，Mn：6.5～8.0％，Cr：16.0～17.5％，Ni：3.0～4.5％，N：0.15～0.25％，Cu：0.5～1.0％，Ce：0.02～0.05％，P：≤0.040％，S：≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.一种城轨车辆面板用奥氏体不锈钢制造方法，包括如下步骤：

1)冶炼，连铸

按下述化学成分经电炉冶炼，其化学成分重量百分比为：C＜0.03％，Si：0.75～1.0％，Mn：6.5～8.0％，Cr：16.0～17.5％，Ni：3.0～4.5％，N：0.15～0.25％，Cu：0.5～1.0％，Ce：0.02～0.05％，P：≤0.040％，S：≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质；将钢水送至AOD炉精炼，喂混合稀土块，软搅拌，连铸得连铸坯，加热连铸坯；

2)热轧，冷却、卷取、空冷

热轧总压下率80～85％，卷取温度小于700℃；

3)固溶处理、抛丸、酸洗

固溶处理温度1070～1110℃，酸洗温度45～55℃；

4)冷轧、退火酸洗

冷轧压下量50％～75％，冷轧后的退火温度1070～1110℃，酸洗温度45～55℃，获得成品奥氏体不锈钢。

3.根据权利要求2所述的城轨车辆面板用奥氏体不锈钢制造方法，其特征在于，所述混合稀土块中Ce的含量为50％，混合稀土块喂入量为钢水重量的0.08％～0.10％。

4.根据权利要求2所述的城轨车辆面板用奥氏体不锈钢制造方法，其特征在于，精炼过程中，钢水中的氧含量小于30ppm。

5.根据权利要求2所述的城轨车辆面板用奥氏体不锈钢制造方法，其特征在于，通过向精炼炉底部吹氩气进行软搅拌，软搅拌时间10～15min。

6.根据权利要求2所述的城轨车辆面板用奥氏体不锈钢制造方法，其特征在于，连铸过程中，连铸拉速0.7～1.2m/min。

7.根据权利要求2所述的城轨车辆面板用奥氏体不锈钢制造方法，其特征在于，所述连铸坯加热采用将连铸坯送往步进梁式加热炉内进行加热，控制加热炉内的空燃比，加热炉内残氧量小于3％，炉温≤1290℃，连铸坯在炉时间1～1.5min/mm。

8.根据权利要求2所述的城轨车辆面板用奥氏体不锈钢制造方法，其特征在于，步骤2)中，热轧加热温度1200～1260℃，粗轧出口温度1040～1100℃，精轧出口温度960～1000℃。