800～1600MPa級高強度奧氏體不銹鋼及制造方法和溫成型方法

　　【技術領域】

　　[0001] 本發明涉及奧氏體不銹鋼，具體涉及一種800~1600MPa級高強度奧氏體不銹鋼 及制造方法和溫成型方法。

　　【背景技術】

　　[0002] 在汽車產品的輕量化進程中，碳鋼高強鋼在汽車行業已經取得廣泛地應用，汽車 的全生命周期成本的理念也逐漸深入汽車行業，因此對汽車的使用壽命提出了嚴格要求， 其中對材料的高強度、耐蝕性要求是必不可少的，尤其在新能源汽車上，采用高強不銹鋼來 制作車架及零部件，可以在提高車身耐腐蝕性能的同時，減少不銹鋼鋼材本身重量來降低 整車重量，工藝中也省去了碳鋼高強鋼的電泳等涂裝工藝，起到了環保作用。因此，采用高 強不銹鋼來制作汽車車架和零部件是提升車身使用壽命和降低全生命周期成本的最佳選 擇。

　　[0003] 目前，市場上的高強不銹鋼有AISI304、AISI301、AISI201等經過冷加工手段獲得 的加工硬化型高強不銹鋼。現有高強不銹鋼制造均利用亞穩態奧氏體不銹鋼的形變誘導馬 氏體原理，通過冷變形來提高材料的強度。但是這些鋼種在采用冷加工方式強化后會產生 大量的形變馬氏體和殘余應力。同時在后續制作復雜零部件的冷變形過程中，亞穩態奧氏 體不銹鋼會進一步有形變誘導馬氏體和殘余應力的產生，以及塑形的降低，這一方面影響 了進一步成型的進行，特別是復雜零部件的成型；另一方面，大量的形變馬氏體導致的殘余 應力增加了材料延遲開裂的風險。

　　[0004] 采用形變誘導馬氏體鋼-高強奧氏體不銹鋼的難點在于如何克服以上兩個難點， 而關于形變誘導馬氏體不銹鋼型的高強不銹鋼在后續成型工藝中如何減少形變馬氏體含 量和降低殘余應力的產生方法，國內外沒有相關的報道。

　　【發明內容】

　　[0005] 本發明的目的在于提供一種800~1600MPa級高強度奧氏體不銹鋼及制造方法 和溫成型方法，該高強度奧氏體不銹鋼為一種亞穩態奧氏體不銹鋼，其微觀組織為奧氏體 +形變馬氏體的復相組織，其中馬氏體體積分數為〇. 75~30%，最終滿足抗拉強度達到 800~1600MPa，伸長率達到13~40%。通過溫成型工藝后，獲得復雜成型的產品，該產品 具有良好耐蝕性，高強度以及良好的抗延遲開裂能力，滿足汽車輕量化，高安全性能，耐蝕 性良好等要求，特別適用于汽車車架以及汽車零部件。

　　[0006] 為達到上述目的，本發明的技術方案如下：

　　[0007] 800~1600MPa級高強度奧氏體不銹鋼，其化學成分重量百分比為：C :0. 04~ 0· 14%，Si :0· 2 ~0· 6%，Mn :2 ~12%，Cr :12 ~18%，Ni :0· 5 ~6. 5%，P 彡 0· 03%， S彡0· 02%，N :0· 05~0· 25%，Cu :0~2%，還含有Mo, Nb，Ti中一種或者多種，其中， 0彡Nb+Ti彡2%，Mo彡2%，余量為Fe和不可避免雜質，且上述元素同時需滿足如下關系： 20. 5 彡 W(Ni)eq 彡 25. 5,其中，W(Ni)eq=W(Ni)+0. 65W(Cr)+0. 98W(Mo)+l. 05W(Mn)+0. 35 W (Si) +12. 6W (C) +0· 03 (T-300)，T 為（室溫 +273. 15)。

　　[0008] 進一步，所述高強度奧氏體不銹鋼的微觀組織為奧氏體+形變馬氏體的復相組 織，其中，馬氏體體積分數為〇. 75~30 %。

　　[0009] 所述高強度奧氏體不銹鋼的抗拉強度為800~1600MPa，伸長率為13~40%。

　　[0010] 本發明化學成分設計中：

　　[0011] C :C是強烈形成、穩定和擴大奧氏體區的元素，C對室溫下形成奧氏體組織起到重 要作用。但是C含量太高會降低不銹鋼的塑形，而且對不銹鋼的耐蝕性不利。因此，本發明 控制C含量為0. 04~0. 14%。

　　[0012] Si :Si在低鎳奧氏體不銹鋼的冶煉過程中作為脫氧劑加入，因此，為了控制鋼種 的總氧含量，鋼中必須具有一定的還原Si含量。但Si又是鐵素體形成元素，為了確保不 銹鋼在室溫下為單相奧氏體組織，Si的含量必須加以限制，本發明控制Si含量為0. 2~ 0· 6%〇

　　[0013] Mn :Mn是較弱的奧氏體形成元素，但在不銹鋼中是強烈的奧氏體組織穩定元素， 并能提高N在鋼中的溶解度。在節鎳型奧氏體不銹鋼中，Mn與鋼中C、N等元素復合作用， 部分取代Ni在奧氏體不銹鋼中的作用，但Mn對奧氏體不銹鋼的耐蝕性有著負面影響，因此 Mn含量不能太高，本發明控制Mn含量為2~12%。

　　[0014] Cr :Cr是不銹鋼中最重要的合金元素，是獲得不銹鋼耐蝕性的重要保證，Cr含量 不能太高，主要是因為Cr是鐵素體形成元素，本發明的Cr含量為12~18%。

　　[0015] Ni :Ni是形成和穩定奧氏體相最重要的元素，并且還可以增強不銹鋼抗還原酸的 能力，并提高不銹鋼的加工性能，提高沖擊韌性的作用。但是由于Ni為貴金屬，可以根據不 同汽車部件的要求不同，設計含量不同，本發明根據汽車部件的要求不同，控制Ni含量為 0· 5 ~6. 5%〇

　　[0016] N :N在不銹鋼中是非常強烈地形成、穩定和擴大奧氏體區的元素。N在不銹鋼中除 了可以替代貴金屬Ni外，還可以在不明顯降低材料塑形和韌性的前提下，明顯地提高材料 的強度、不銹性和耐蝕性，并且延緩不銹鋼中碳化物的析出。但是由于N在不銹鋼中的溶解 度有限，為了避免不銹鋼在凝固過程中出現氣泡，N含量必須與其它合金元素的含量匹配以 確保N固溶態存在，因此，本發明控制N含量為0. 05~0. 25%。

　　[0017] Cu :提高Cu含量，會導致不銹鋼的熱加工性能變差，但是Cu可以提高不銹鋼的冷 加工性能，在低于1點0~40°C的范圍內可以進行溫成型，形變馬氏體含量不明顯增加，因 此本發明控制Cu含量為0~2%。

　　[0018] Mo, Nb，Ti :這三者合金主要是為了提高材料的耐蝕性，因此根據部件對耐蝕性的 要求不同，添加其中的一種或者幾種。

　　[0019] Nieq :當鎳當量（Nieq) > 25. 5時，奧氏體組織處于穩定狀態，不銹鋼在控制乳制 過程中不會誘發馬氏體相變，不能得到高強不銹鋼。當鎳當量< 20. 5時，不銹鋼在控制乳 制時及其容易產生誘發馬氏體相變，塑形急劇降低，不利于控制乳制的進行。

　　[0020] 本發明所述的800~1600MPa級高強度奧氏體不銹鋼的制造方法，其包括如下步 驟：按上述化學成分冶煉、澆鑄；然后，熱乳、熱乳后退火+酸洗，或熱乳、熱乳后退火+酸 洗、冷乳、冷乳后退火+酸洗；再進行室溫乳制，控制乳制總壓下量為10~40%。

　　[0021] 當亞穩態奧氏體不銹鋼成分確定時，調整不同的室溫乳制壓下量，可以得到不同 強度級別的高強不銹鋼。在本發明在室溫下當總壓下量控制在10~40%范圍內，可以得到 抗拉強度為800~1600MPa，伸長率為13~40%的高強不銹鋼板材。

　　[0022] 本發明通過上述化學成分設計獲得一種亞穩態奧氏體不銹鋼，利用其在冷形變的 條件下可以獲得形變誘導馬氏體以提高材料強度的原理，獲得奧氏體+形變馬氏體的復相 組織，其中馬氏體體積分數為〇. 75~30 %，當馬氏體含量超過30 %，容易發生延遲開裂；馬 氏體體積分數小于0. 75 %時，抗拉強度達不到800Mpa。

　　[0023] 本發明所述800~1600MPa級高強度奧氏體不銹鋼的溫成型方法，其包括如下步 驟：將上述制備的高強奧氏體不銹鋼加熱到150~500°C，保溫0. 5~lOmin，然后在成型溫 度T : (Md-40) °C彡T彡500°C條件下進行輥成型、輥成型、彎管、沖壓等成型工藝，制造出抗 拉強度為800~1600MPa，伸長率13~40%的復雜成型的高強度不銹鋼產品。

　　[0024] 進一步，所述800~1600MPa級高強度奧氏體不銹鋼的Md3。多-30 °C且 120彡MdS 200°C，其中，M d3。為變形30 %，誘發50 %馬氏體轉變的溫度，M d3。=413-9. 5W (N i)-13.7W(Cr)-8. lW(Mn)-9.2W(Si)-18.5W(Mo)-462[W(C)+W(N))] } °C，MdS形變誘導馬氏 體轉變的溫度。

　　[0025] 所制造得到的復雜成型的高強度不銹鋼產品的抗拉強度為800~1600Mpa，伸長 率為13~40%。

　　[0026] 本發明通過調整上述800~1600MPa級高強度不銹鋼的化學成分，保證同時滿足 Md3。多-30°C且120彡MdS 200°C，在成型溫度（Md-40)°C彡T彡500°C之間采用輥成型、折 彎、沖壓等熱成型的方法，可以實現溫成型要求。Md要求控制在120~200°C之間，當M d=120°C，（Md-40)°C=80°C為溫成型的下限溫度，在80°C成型時，馬氏體含量不明顯增加，在 低于80°C成型時，馬氏體含量急劇增加，塑形急劇下降；Md=200°C時會使溫成型的上限溫 度超過500°C，這也是基于鋼在％> 200°C時的冷卻速度較快，不利于大生產的控制，在輥 成型等熱成型過程中，鋼的Md超過200°C，對潤滑油也會有特殊要求。當通過理論計算M d3。 不小于-30°C時，對于本發明實驗得到Md的實測范圍為120彡MdS 200°C。

　　[0027] 本發明提供的所述800~1600MPa級高強度奧氏體不銹鋼的溫成型方法中，要 防止形變馬氏體的逆轉變、碳化物的析出以及表面顏色的變化，材料表面加熱溫度控制在 150~500°C，加熱時間0. 5~IOmin ;成型過程中，當加熱溫度超過500°C，起到強化作用的 馬氏體會發生逆轉變，高強不銹鋼的強度降低，因此，控制加熱上限為500°C。

　　[0028] 本發明將1控制在120~200°C之間，在（Md_40) °C~500°C之間采用輥成型，沖 壓、彎管等成型方法，可以在保持高強不銹鋼原有強度和塑形以及不增加殘余應力的前提 下，進行較大的變形和制造出復雜形狀的產品，而制造的零部件和方管等產品具有抗延遲 開裂的能力。

　　[0029] 本發明利用形變誘導馬氏體相變的原理來滿足高強不銹鋼強度的需求，同時調整 合金組成，控制溫成型的溫度范圍，在保持高強不銹鋼原有強度和塑形以及不增加殘余應 力的前提下，進行較大的變形和制造出復雜形狀的產品。

　　另外，根據汽車部件對沖擊性和耐 蝕性的要求不同，適當調整Ni的含量和添加適當的Mo, Nb，Ti等合金。

　　[0030] 本發明的計算公式：

　　[0031] W (Ni) eq=W (Ni) +0. 65ff (Cr) +0. 98ff (Mo) +1. 05ff (Mn) +0. 35ff (Si) +12. 6ff (C) +0. 03 (T-300)；

　　[0032] Md30={ 413-9. 5ff(Ni)-13. 7ff(Cr)-8. Iff (Mn)-9. 2ff (Si)-18. 5ff (Mo)-462 [ff (C)+ff (N))] } °C，中，W(元素符號）表示對應元素的重量百分含量X100。

　　[0033] 本發明的有益效果：

　　[0034] 1)本發明合金成分要求為亞穩態不銹鋼，合金范圍較大，可以根據耐蝕性要求、室 溫的疲勞、沖擊等性能的要求，設計出不同合金成分的亞穩態不銹鋼；對于耐蝕性要求一般 的，可以設計出經濟型的不銹鋼，節省合金成本。

　　[0035] 2)通過冷加工控制和合金控制，控制板材強度，可以設計出不同的強度級別和厚 度的高強不銹鋼，設計出的產品種類可以滿足不同的需求。

　　[0036] 3)本發明鋼具有TRIP效應，具有良好的吸能作用，用在汽車等部件起到良好的安 全性能。

　　[0037] 4)本發明的溫成型方法適應于所有的亞穩態奧氏體不銹鋼得到的高強度不銹鋼， 溫成形的溫度工藝窗口較寬，容易在大生產中推廣應用；通過本發明的溫成型工藝可以保 持母材的原有強度，在進一步的成型過程中，形變馬氏體沒有顯著增加，大大減少延遲開裂 的風險，有利于加工成復雜的零部件。

　　【附圖說明】

　　[0038] 圖1為本發明實施例9鋼在不同變形溫度下的馬氏體含量變化示意圖。

　　[0039] 圖2為本發明實施例9鋼不同壓下量下的馬氏體含量變化示意圖。

　　[0040] 圖3為本發明實施例4鋼的顯微組織照片。

　　【具體實施方式】

　　[0041] 下面結合實施例和附圖對本發明做進一步說明。

　　[0042] 表1為本發明實施例鋼的成分，表2為本發明實施例鋼的性能，表3為本發明鋼的 熱成型工藝及性能。

　　[0043] 根據表1所設計的化學成分范圍，根據所需要的厚度經過下面兩條工藝路徑獲得 不同強度級別的高強不銹鋼。1)電爐+AOD冶煉-澆鑄-熱乳-熱乳退火酸洗-控制乳 制-(1. 8~5. Omm)成品；2)電爐+AOD冶煉-澆鑄-熱乳-熱乳退火酸洗-冷乳-冷乳退 火酸洗-控制乳制_(〇. 5~I. 8mm)成品。根據成分和控制乳制，可以獲得抗拉強度達到 800~1600Mpa，伸長率達到13~40%的高強度奧氏體不銹鋼。

　　[0044] 性能測試：將不同厚度的板材按照JIS標準，加工成JIS5試樣，并按照標準進行測 量，通過鐵素體儀測量相應高強不銹鋼的馬氏體含量，測量結果如表2所示。

　　[0045] 量：圖1為實施例9的成分在30~600°C時，在熱模擬機中進行帶溫變形實 驗，找出溫度對形變馬氏體轉變的影響和不同壓下量對馬氏體轉變的影響。如圖1所示，當 溫度小于150 °C時變形，馬氏體含量急劇增加，當溫度大于150 °C時變形，馬氏體含量無明 顯變化，因此得到鋼的1為150°C，當溫度在500~600°C變形時，馬氏體發生逆轉變為奧氏 體組織，但當500°C變形時，馬氏體發生急劇逆轉變為奧氏體組織，材料的強度下降，因此， 實施例9的帶溫成型的上限溫度控制在500°C。

　　[0046] 圖2為實施例9的成分在80°C和150°C時，在熱模擬機中進行帶溫變形實驗，此成 分的1為120°C。當150°C變形時，在壓下量為20~40%之間，馬氏體含量沒有明顯變化， 在80°C變形時，在壓下量為20~40%之間，馬氏體含量增加到1. 6%，1. 6%的馬氏體含量 對材料的塑形和延遲開裂（馬氏體含量大于30%容易出現延遲開裂）的影響不是很明顯， 因此，是可以采用80°C進行變形即溫成型的下限溫度控制在％-40°(：。

　　[0047] 溫成型：將800~1600MPa的高強不銹鋼加熱到150~500°C，保溫0. 5~lOmin， 加熱方式：中頻、高頻等感應加熱或加熱爐加熱；根據1點的測量，在不低于（Md-40) °C點進 行輥成型、管成型，彎管，沖壓等成型工藝，加工成方管，沖壓件等零部件，并對變形較大部 位的馬氏體含量和殘余應力進行測量，具體結果如表3所示。

　　[0048] 通過馬氏體含量和殘余應力的測量結果表明（由表3可知）：變形部位和母材的 馬氏體含量沒有明顯變化，殘余拉應力沒有明顯增加，而對比例3和4的冷變形或者冷變形 后退火工藝，會導致馬氏體含量和殘余應力有顯著增加。可見，通過本發明溫成型的方法， 可以得到超高強不銹鋼零部件，并且明顯降低變形較大處的殘余應力（拉應力），減少延遲 開裂的風險。

　　[0049] 由圖3可知，本發明制造得到的所述高強度不銹鋼的微觀組織為奧氏體+形變馬 氏體的復相組織，馬氏體體積分數為〇. 75~30%，其中，圖3所示實施例4中馬氏體體積分 數為6. 8%。

　　[0050]

　　【主權項】

　　1.800~1600MPa級高強度奧氏體不銹鋼，其化學成分重量百分比為：C:0.04~ 0? 14%，Si:0? 2 ~0? 6%，Mn:2 ~12%，Cr:12 ~18%，Ni:0? 5 ~6. 5%，P彡 0? 03%， S彡0? 02%，N:0? 05~0? 25%，Cu:0~2%，還含有Mo,Nb，Ti中一種或者多種，其中， 0彡Nb+Ti彡2%，Mo彡2%，余量為Fe和不可避免雜質，且上述元素同時需滿足如下關系： 20. 5 彡W(Ni)eq彡 25. 5,其中， W(Ni)eq=W(Ni) +0. 65ff(Cr) +0. 98ff(Mo) +1. 05ff(Mn) +0. 35ff(Si) +12. 6ff(C) +0. 03 (T-300)，T=室溫+273. 15。2. 根據權利要求1所述的800~1600MPa級高強度奧氏體不銹鋼，其特征在于，所述高 強度奧氏體不銹鋼的微觀組織為奧氏體+形變馬氏體的復相組織，其中，馬氏體體積分數 為 0? 75 ~30%。3. 根據權利要求1或2所述的800~1600MPa級高強度奧氏體不銹鋼，其特征在于，所 述高強度奧氏體不銹鋼的抗拉強度為800~1600MPa，伸長率為13~40%。 4. 800~1600Mpa級高強度奧氏體不銹鋼的制造方法，其包括如下步驟：按如下化學成 分冶煉、澆鑄；然后，熱乳、熱乳后退火+酸洗，或熱乳、熱乳后退火+酸洗、冷乳、冷乳后退火 +酸洗；再進行室溫乳制，室溫乳制總壓下量為10~40% ; 所述高強度奧氏體不銹鋼的化學成分重量百分比為：C:0. 04~0. 14%，Si:0. 2~ 0? 6%，Mn:2 ~12%，Cr:12 ~18%，Ni:0? 5 ~6. 5%，P彡 0? 03%，S彡 0? 02%，N:0? 05 ~ 0? 25%，Cu:0~2%，還含有Mo，Nb，Ti中一種或者多種，其中，0彡Nb+Ti彡2%，Mo彡2%， 余量為Fe和不可避免雜質，且上述元素同時需滿足如下關系： 20. 5 彡W(Ni)eq彡 25. 5,其中， W(Ni)eq=W(Ni) +0. 65ff(Cr) +0. 98ff(Mo) +1. 05ff(Mn) +0. 35ff(Si) +12. 6ff(C) +0. 03 (T-300)，T=室溫+273. 15。5. 根據權利要求4所述的800~1600MPa級高強度奧氏體不銹鋼的制造方法，其特征 在于，所述高強度奧氏體不銹鋼的微觀組織為奧氏體+形變馬氏體的復相組織，其中，馬氏 體體積分數為0. 75~30%。6. 根據權利要求4或5所述的800~1600MPa級高強度奧氏體不銹鋼的制造方法，其 特征在于，所述高強度奧氏體不銹鋼的抗拉強度為800~1600MPa，伸長率為13~40%。 7. 800~1600MPa級高強度奧氏體不銹鋼的溫成型方法，所述高強度奧氏體不銹鋼的 化學成分重量百分比為：C:0? 04~0? 14%，Si:0? 2~0? 6%，Mn:2~12%，Cr:12~18%， Ni:0? 5 ~6. 5%，P彡 0? 03%，S彡 0? 02%，N:0? 05 ~0? 25%，Cu:0 ~2%，還含有Mo，Nb， Ti中一種或者多種，其中，0彡Nb+Ti彡2%，Mo彡2%，余量為Fe和不可避免雜質，且上述 元素同時需滿足如下關系： 20. 5 彡W(Ni)eq彡 25. 5,其中， W(Ni)eq=W(Ni) +0. 65ff(Cr) +0. 98ff(Mo) +1. 05ff(Mn) +0. 35ff(Si) +12. 6ff(C) +0. 03 (T-300)，T=室溫+273. 15 ; 所述溫成型方法包括如下步驟：將所述高強奧氏體不銹鋼加熱到150~500°C，保溫 0. 5~10min，然后在成型溫度T: (Md-40) °C彡T彡500°C條件下進行成型，制造出抗拉強度 為800~1600MPa，伸長率13~40%的復雜成型的高強度奧氏體不銹鋼產品；其中，MdS 形變誘導馬氏體轉變的溫度。

　　【專利摘要】800～1600MPa級高強奧氏體不銹鋼及制造方法和溫成型方法，該鋼化學成分重量百分比為：C：0.04～0.14％，Si：0.2～0.6％，Mn：2～12％，Cr：12～18％，Ni：0.5～6.5％，P≤0.03％，S≤0.02％，N：0.05～0.25％，Cu：0～2％，還含有Mo，Nb，Ti中一種或者多種，余量為Fe和不可避免雜質，且需滿足：20.5≤W(Ni)eq≤25.5。通過控制軋制過程中壓下量為10～40％得到本發明的高強奧氏體不銹鋼，其抗拉強度為800～1600MPa，伸長率為13～40％。同時利用本發明的溫成型方法，可以得到超復雜成型的高強不銹鋼零部件，其具有良好耐蝕性、高強度以及良好的抗延遲開裂能力。

　　【IPC分類】C22C38/58

　　【公開號】CN105200340

　　【申請號】CN201510611732

　　【發明人】劉春粟, 畢洪運, 李鑫, 張志霞, 顧玉明, 王詠波

　　【申請人】寶鋼不銹鋼有限公司

　　【公開日】2015年12月30日

　　【申請日】2015年9月23日