具有优异的冲击韧性的基于铁素体的不锈钢及其生产方法及步骤

　　

　　本公开涉及具有优异的冲击韧性的铁素体不锈钢及其制造方法，更特别地，涉及厚度为6mm或更大的包含ti并具有优异的冲击特性的铁素体不锈钢热轧退火钢板及其制造方法。

　　背景技术：

　　与奥氏体不锈钢相比，铁素体不锈钢具有差的可加工性、冲击韧性和高温强度，但由于其不包含大量的ni，因此其便宜并且具有低的热膨胀。近年来，优选将其用于汽车排气系统部件材料。特别地，由于微裂纹和废气泄漏问题，用于排气系统的法兰最近已转变为具有改善的耐腐蚀性和耐久性的铁素体不锈钢厚板。

　　sts409l材料是通过在11％cr下用ti稳定c和n来防止焊缝敏化的钢种，具有优异的可加工性并且主要在低于700℃的温度下使用。sts409l材料是最广泛使用的钢种，因为其甚至对汽车排气系统中产生的冷凝物组分都具有一定的耐腐蚀性。

　　然而，由于铁素体不锈钢的厚度比奥氏体不锈钢的厚度厚，因此可加工性和冲击韧性差。因此，铁素体不锈钢在热轧之后在冷轧至目标厚度期间具有脆性裂纹或裂纹扩展，从而导致板的断裂。当使用具有6.0mm或更大的厚度的sts409l厚板加工产品(例如法兰)时，存在冲击特性差(例如由冲击产生的裂纹)的缺点。由于这种低冲击特性，具有6.0mm或更大的厚度的sts409l钢是非常难以制造和加工的钢。

　　此外，在热轧期间，由于轧制压下不足而难以获得细晶粒，并且由于形成粗晶粒和不均匀的晶粒而进一步增加了脆性，并且冲击特性劣化。

　　技术实现要素：

　　技术问题

　　本公开的实施方案解决了上述问题，并因此通过控制具有6.0mm或更大的厚度的铁素体不锈钢热轧厚板的退火温度来确保回复组织(recoverystructure)而不是完全再结晶的组织，从而提供了具有改善的冲击韧性的铁素体不锈钢及其制造方法。

　　技术方案

　　根据本公开的一个方面，以全部组成的重量百分比(％)计，具有优异的冲击韧性的铁素体不锈钢包含：c：大于0％且为0.01％或更小，si：0.8％或更小，mn：0.5％或更小，cr：10％至14％，ti：0.01％至0.45％，n：大于0％且为0.015％或更小，剩余部分为铁(fe)和其他不可避免的杂质，以及显微组织的晶粒之间的平均取向差(misorientation)为0.6°至1.1°。

　　不锈钢的厚度可以为6.0mm至25.0mm。

　　铁素体不锈钢还可以包含ni：0.3％或更小，cu：0.5％或更小，al：0.1％或更小。

　　不锈钢可以满足下式(1)

　　(1)ti/(c+n)≥3

　　ti、c、n意指各元素的含量(重量％)。

　　不锈钢可以具有305mpa或更大的屈服强度、420mpa或更大的拉伸强度、35％至40％的延伸率并满足下式(2)。

　　(2)20℃夏氏冲击能×40℃夏氏冲击能≥750j/cm2

　　根据本公开的另一个方面，一种具有优异的冲击韧性的铁素体不锈钢的制造方法，所述制造方法包括：将板坯加热至1220℃或更低，以全部组成的重量百分比(％)计，所述板坯包含c：大于0％且为0.01％或更小，si：0.8％或更小，mn：0.5％或更小，cr：10％至14％，ti：0.01％至0.45％，n：大于0％且为0.015％或更小，剩余部分为铁(fe)和其他不可避免的杂质；对经加热的板坯进行粗轧；对经粗轧的棒材进行精轧；以及对经热轧的钢板进行退火，粗轧的后端的总压下率为54％或更大，以及经热轧的钢板的厚度为6.0mm至25.0mm。

　　板坯还可以包含ni：0.3％或更小，cu：0.5％或更小，al：0.1％或更小并满足下式(1)

　　(1)ti/(c+n)≥3

　　ti、c、n意指各元素的含量(重量％)。

　　经粗轧的棒材的温度可以为1020℃至970℃。

　　精轧结束温度可以为960℃或更低。

　　热轧退火可以在850℃至980℃下进行，以及经热轧退火的钢板的显微组织的晶粒之间的平均取向差可以为0.6°至1.1°。

　　有益效果

　　根据本公开的一个实施方案，通过将具有6.0mm或更大的厚度的铁素体不锈钢热轧厚板的显微组织控制为回复组织(recoverytissue)，可以表现出高的夏氏冲击能的值。

　　此外，可以提供具有优异的冲击韧性以及305mpa或更大的屈服强度和440mpa或更大的拉伸强度的铁素体不锈钢。

　　附图说明

　　图1是示出根据本公开的实施方案的退火温度的经热轧退火的钢板的显微组织的照片。

　　图2至图5是示出根据核平均取向差(kernelaveragemisorientation)方法分析的根据本公开的实施方案的退火温度的经热轧退火的钢板的晶粒之间的平均取向差的图。

　　图6是示出根据本公开的实施方案的退火温度的各温度的夏氏冲击能的值的图。

　　具体实施方式

　　以全部组成的重量百分比(％)计，根据本公开的一个实施方案的具有优异的冲击韧性的铁素体不锈钢包含：c：大于0％且为0.01％或更小，si：0.8％或更小，mn：0.5％或更小，cr：10％至14％，ti：0.01％至0.45％，n：大于0％且为0.015％或更小，剩余部分为铁(fe)和其他不可避免的杂质，以及显微组织的晶粒之间的平均取向差为0.6°至1.1°。在下文中，将参照附图详细地描述本公开的实施方案。

　　发明实施方式

　　在下文中，将参照附图详细地描述本公开的实施方案。提供以下实施方案以向本领域普通技术人员传达本公开的技术构思。然而，本公开不限于这些实施方案，并且可以以另外的形式来实施。在附图中，可能未示出与描述无关的部分以阐明本公开，并且另外，为了易于理解，或多或少地夸大地示出了部件的尺寸。

　　此外，除非特别相反地对其进行描述，否则当一个部分“包括”或“包含”一个要素时，该部分还可以包括其他要素，不排除其他要素。

　　除非在上下文中具有明显不同的含义，否则以单数使用的表述包括复数表述。

　　已经研究了各种方法来改善铁素体不锈钢热轧厚板的韧性。首先，存在抑制拉弗斯相(lavesphase)的方法，其通过降低热轧卷取温度或通过进行诸如水冷的快速冷却处理来使材料的脆性劣化。然而，该方法难以应用于实际生产，或者由于在卷取时的低温而在板的表面上引起不良的卷取例如划痕，或者具有由于快速冷却速率而使板的变形变得不均匀以及产生部分裂纹的问题。因此，该方法在实际生产应用中具有困难。此外，与具有6.0mm或更小的厚度的钢板相比，当对具有6.0mm或更大的厚度的铁素体不锈钢进行热轧时，由于轧制压下不足而难以获得细晶粒尺寸，并且还引起由于形成粗晶粒和不均匀的晶粒而使脆性增加的问题。

　　本公开通过控制具有6.0mm或更大的厚度的热轧厚板的热轧和热轧退火过程来确保回复步骤中的显微组织而不是完全再结晶的显微组织，通过在特定温度下退火在回复的晶界中使无序排列的位错重新排列，并且通过重新排列的位错来抑制冲击扩展从而改善含ti的铁素体不锈钢热轧厚板的冲击韧性。

　　在本说明书中，“铁素体不锈钢”意指具有6.0mm或更大的厚度的经热轧退火的钢板。

　　根据本公开的一个实施方案的具有优异的冲击韧性的铁素体不锈钢包含，以全部组成的重量百分比(％)计：c：大于0％且为0.01％或更小，si：0.8％或更小，mn：0.5％或更小，cr：10％至14％，ti：0.01％至0.45％，n：大于0％且为0.015％或更小，剩余部分为铁(fe)和其他不可避免的杂质，所述铁素体不锈钢具有0.6°至1.1°的显微组织的晶粒之间的平均取向差并具有6.0mm至25.0mm的厚度。

　　在本公开中，待改善冲击韧性的目标钢种是包含10重量％至14重量％的cr和0.01重量％至0.45重量％的ti的铁素体不锈钢厚板，例如sts409l钢种。

　　在下文中，将描述本公开的实施方案中的合金组分元素含量的数值限度的原因。在下文中，除非另有说明，否则单位为重量％。

　　c和n的含量大于0％且小于0.01％。

　　在c和n以间隙物形式作为ti(c,n)碳氮化物形成元素存在的情况下，当c和n含量高时不形成ti(c,n)碳氮化物，并且以高浓度存在的c和n使材料的延伸率和低温冲击特性劣化。当材料在焊接之后在600℃或更低温度下长时间使用时，由于产生cr23c6碳化物而发生晶间腐蚀，因此优选将c和n的含量分别控制为0.01％或更小。

　　si的含量为0.8％或更小。

　　si是作为脱氧元素而添加的元素，并且当作为铁素体相形成元素其含量增加时，铁素体相稳定性增加。如果si的含量大于0.8％，则炼钢si夹杂物增加并且出现表面缺陷。为此原因，优选将si含量控制为0.8％或更小。

　　mn的含量为0.5％或更小。

　　当mn含量增加时，耐点蚀性由于如mns的析出物的形成而降低。因此，优选将mn含量控制为0.5％或更小。

　　cr的含量为10％至14％。

　　cr是用于确保不锈钢的耐腐蚀性的必需元素。当cr的含量低时，在冷凝水的气氛中耐腐蚀性降低，当含量高时，强度增加并且延伸率和冲击特性降低。在本公开中，由于待改善冲击韧性的目标钢种是包含10％至14％cr的铁素体不锈钢厚板，因此将cr的含量限制于10％至14％。

　　ti的含量为0.01％至0.45％。

　　ti是固定c和n以防止晶间腐蚀的有效元素。然而，当ti的含量降低时，由于在焊接区域处发生的晶间腐蚀，耐腐蚀性降低，因此优选将ti控制为至少0.01％或更大。然而，当ti含量太高时，炼钢夹杂物增加，可能由于炼钢夹杂物增加而出现大量表面缺陷(例如痂)，在连铸过程中发生水口堵塞现象。为此原因，将ti含量控制为0.45％或更小，更优选0.35％或更小。

　　此外，根据本公开的一个实施方案，可以满足下式(1)。

　　(1)ti/(c+n)≥3

　　在添加有ti的铁素体不锈钢中，随着c+n的含量增加，基底材料中使用的c和n的含量增加，这进一步引起材料的脆性。因此，将ti/(c+n)的比率控制为至少3或更高。

　　此外，根据本公开的一个实施方案的具有优异的冲击韧性的铁素体不锈钢还可以包含ni：0.3％或更小，cu：0.5％或更小，al：0.1％或更小。

　　ni的含量为0.3％或更小。

　　ni是用于抑制点蚀发展的有效元素，并且当添加0.01％或更大的少量时，在改善热轧钢板的韧性方面也是有效的。然而，大量添加可能由于固溶强化而引起材料硬化和韧性劣化，并且存在合金成本增加的问题。因此，优选将其限制于0.3％或更小。

　　cu的含量为0.5％或更小。

　　当添加一定量时，cu用于改善耐腐蚀性，但由于过量添加产生cu析出物并使韧性降低，因此优选将其限制于0.5％或更小。

　　al的含量为0.1％或更小。

　　al可用作脱氧元素并且其效果可以在0.005％或更大下表现出来。然而，过量添加引起室温下的韧性和延性降低，因此将上限设定为0.1％并且al不需要包含在内。

　　在本公开中，待改善冲击韧性的铁素体不锈钢的厚度为6.0mm至25.0mm。

　　如上所述，在热轧退火厚板中，存在由于轧制压下不足而引起的脆性问题，并且用于解决该问题的根据本公开的铁素体不锈钢的厚度为6.0mm或更大。然而，考虑到粗轧之后经粗轧的棒材的厚度，上限可以为25.0mm。优选地，其可以为12.0mm或更小以适合于制造用途。

　　根据本公开的一个实施方案的具有优异的冲击韧性的铁素体不锈钢的显微组织可以为晶粒之间的平均取向差为0.6°至1.1°的回复组织。

　　本公开的发明人发现，与未退火或完全再结晶的组织相比，一些再结晶的回复组织表现出优异的冲击特性。回复组织可能难以与未退火和完全再结晶的组织区分开，但可以通过晶界组织中的晶界之间晶粒之间的取向差来区分。通常，已知因为随着变形的量增加，晶体取向的畸变增加，因此变形试样的晶粒之间的平均取向差增加。

　　未退火组织的晶粒之间的平均取向差为1.2°或更大，完全再结晶的组织的晶粒之间的平均取向差为0.5°或更小。即，晶粒之间的平均取向差从未退火组织到完全再结晶的组织逐渐减小，这意味着再结晶通过在晶界能减小的方向上排列来进行。

　　未退火组织由于残留在内部的应力而具有高强度和低延伸率，并且冲击特性差；完全再结晶的组织由于应力去除而具有低强度并且由于位错消散而无法抑制冲击扩展。根据本公开的铁素体不锈钢可以通过将经过稍后将描述的低温热轧过程产生的位错迁移(relocate)到回复的晶界来抑制冲击扩展，而改善冲击韧性。

　　因此，本公开的具有优异的冲击韧性的铁素体不锈钢可以满足下式(2)。

　　(2)20℃夏氏冲击能×40℃夏氏冲击能≥750j/cm2

　　例如，根据本公开的铁素体不锈钢的20℃夏氏冲击能可以表现为15j/cm2或更大，40℃夏氏冲击能可以表现为50j/cm2或更大。

　　接下来，将描述根据本公开的一个实施方案的具有优异的冲击韧性的铁素体不锈钢的制造方法。

　　根据本公开的一个实施方案的具有优异的冲击韧性的铁素体不锈钢的制造方法包括：将板坯加热至1220℃或更低，以全部组成的重量百分比(％)计，所述板坯包含：c：大于0％且为0.01％或更小，si：0.8％或更小，mn：0.5％或更小，cr：10％至14％，ti：0.01％至0.45％，n：大于0％且为0.015％或更小，剩余部分为铁(fe)和其他不可避免的杂质；对经加热的板坯进行粗轧；对经粗轧的棒材进行精轧；以及对经热轧的钢板进行退火，粗轧的后端的总压下率为54％或更大，经热轧的钢板的厚度为6.0mm至25.0mm。

　　合金元素含量和经热轧的钢板的厚度的数值限度的原因如上所述。

　　在热轧之前在将包含上述组成的合金元素的板坯加热至1220℃或更低之后，可以对经加热的板坯进行粗轧。此时，可以将粗轧的后端的总压下率控制为54％或更大。

　　通常，当热轧钢板的厚度厚时，压下率降低，使得由于施加至材料的应力低，因此位错的量减少。因此，随着热轧钢板的厚度变厚，使热轧之前的加热炉温度尽可能低，并且在热轧时，粗轧的载荷分布向后端移动以在具有比前端低的温度的后端进行强压下(strongreduction)。

　　板坯加热温度优选为1220℃或更低以通过低温热轧产生位错，当板坯温度太低时，不可能进行粗轧，因此加热温度的下限可以为1150℃或更高。

　　由于粗轧通常由3至4个轧机组成，因此本公开中的粗轧后端可以意指最后一个轧机和倒数第二个轧机。即使在由五个或更多个轧机组成的粗轧步骤中，其也可以意指最后一个轧机和倒数第二个轧机。例如，两个后端轧机的压下率可以分别为27％或更大。通过强压下使得粗轧的后端的总压下率为54％或更大，可以顺利地产生热轧钢板的位错。

　　通过粗轧过程制造的经粗轧的棒材可以被精轧至6.0mm至25.0mm的厚度然后进行热退火。

　　在粗轧之后，在精轧之前的粗轧棒材的温度可以为1020℃至970℃，精轧的结束温度可以为960℃或更低。更优选地，精轧结束温度可以为920℃或更低。可以通过将加热至1220℃或更低的板坯控制在上述温度范围内来进行低温热轧过程，从而产生大量的位错。

　　随后，可以在850℃至980℃下对热轧钢板进行退火。当退火温度低于850℃时，用于位错迁移退火时间需要长的时间，从而降低生产率，当其超过980℃时，可能在位错迁移之外进行再结晶。

　　通过退火热处理对热轧期间产生的位错进行迁移，规则地重新排列的位错可以抑制由冲击引起的裂纹扩展。然而，当再加热温度和精轧温度太低而在上述热轧温度范围表之外时，在热轧期间，材料与轧辊之间的摩擦压力高，使得材料的表面可能被轧辊撕裂或刮擦。因此，为了形成回复组织，根据粗轧的后端的载荷分布和低温热轧过程的温度范围来制造热轧钢板，并且应进行850℃至980℃的范围内的热轧退火热处理。

　　经受低温热轧过程和热轧退火热处理的铁素体不锈钢热轧退火钢板可以具有其中显微组织的晶粒之间的平均取向差为0.6°至1.1°的回复组织。

　　在下文中，将详细地描述本公开的优选实施方案。

　　实施例

　　将表1所示的组成的板坯加热至1200℃，然后通过将粗轧的后部的总压下率设定为55％来热轧至10.0mm的厚度，使得精轧结束温度为940℃。此时，将精轧之前的粗轧棒材的质流温度设定为约1000℃。

　　分别在10.0mm厚的热轧钢板上进行未退火(a)、930℃热轧退火(b：b-1、b-2)和1020℃热轧退火(c)以制备11cr-0.2ti铁素体不锈钢板。以b-1和b-2两种类型生产作为本公开的实施例范围的经930℃热轧退火的钢板以确定再现性。

　　[表1]

　　1.显微组织

　　图1是示出根据本公开的实施方案的退火温度的经热轧退火的钢板的显微组织的照片。

　　图1示出了分别通过未退火(a)、930℃下的热轧退火(b：b-1、b-2)和1020℃下的热轧退火(c)制备的经热轧退火的钢板的显微组织。a为未退火的热轧黑卷(blackcoil)，其代表在典型热轧之后的组织。c通过在1020℃下热退火而大部分再结晶。然而，由于热轧压下率低，因此观察到一些未再结晶的带状组织。如b-1和b-2所示，在930℃(其是本公开的热轧退火温度范围)下退火的显微组织是未再结晶的回复步骤的组织，并且观察到一些细晶粒。

　　随后，根据核平均取向差方法计算根据退火温度的各显微组织的晶粒之间的平均取向差，并示于下表2中。核平均取向差方法是能够通过电子背散射衍射(ebsd)根据材料的平均变形量来分析晶粒之间的平均取向差的技术。

　　[表2]

　　图2至图5是示出根据核平均取向差方法分析的根据本公开的实施方案的退火温度的经热轧退火的钢板的晶粒之间的平均取向差的图。

　　如图2至图5和表2所示，表示未退火的热轧黑卷的比较例1(a)的晶粒之间的平均取向差最高，为1.44°，完全再结晶的比较例2(c)的晶粒之间的平均取向差为约0.4°，显示最小的取向差。此外，对应于本公开实施例的b-1和b-2回复组织的平均取向差为约0.87°，表示在未退火的热轧黑卷a与完全再结晶的c之间的中等水平的平均取向差。

　　2.冲击韧性评估

　　根据astme23标准，使未退火材料(a)、930℃热轧退火材料(b：b-1、b-2)和1020℃热轧退火材料(c)在各温度下经受夏氏冲击试验，结果示于下表3中。

　　[表3]

　　可以看出当与比较例1(a)和比较例2(c)比较时，本公开实施例b-1和b-2显示较高的夏氏冲击能的值。特别地，确定发明例(b-1、b-2)的夏氏冲击能的值从室温20℃至40℃显著更高。

　　图6是示出根据本公开的实施方案的退火温度的各温度的夏氏冲击能的值的图。

　　参照图6和表3，与比较例1(a)和比较例2(c)相比，可以看出发明例(b-1、b-2)的夏氏冲击能的值通过即使在低温下也显示出高的值而向左偏移。即，与10.0mm的相同厚度的再结晶的显微组织相比，在回复阶段的显微组织中显示出改善的冲击韧性。确定由于在热轧期间产生的位错的重新排列而规则地重新排列的位错抑制了由冲击引起的裂纹扩展。

　　3.拉伸试验评估

　　通过拉伸试验来评估上述未退火材料(a)、930℃热轧退火材料(b：b-1、b-2)和1020℃热轧退火材料(c)，试验结果示于下表4中。

　　[表4]

　　参照表4，与比较例1(a)相比，本公开实施例(b-1、b-2)的屈服强度和拉伸强度表明由于应力松弛引起的较低的屈服强度和拉伸强度值，并且延伸率显示出约3％至4％的改善值。另一方面，比较例2(c)由于应力消除和在热轧期间产生的位错消失而显示出较低的屈服强度和拉伸强度值，并且延伸率也显示出41％的高值。

　　虽然已参照示例性实施方案具体描述了本公开，但本领域技术人员应理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以做出形式和细节上的各种改变。

　　工业适用性

　　根据本公开的铁素体不锈钢具有厚度为6.0mm或更大的热轧厚板的改善的韧性和脆性，并且可以防止冬季开裂。

　　技术特征：

　　1.一种具有优异的冲击韧性的铁素体不锈钢，以全部组成的重量百分比(％)计，所述铁素体不锈钢包含：c：大于0％且为0.01％或更小，si：0.8％或更小，mn：0.5％或更小，cr：10％至14％，ti：0.01％至0.45％，n：大于0％且为0.015％或更小，剩余部分为铁(fe)和其他不可避免的杂质，以及其中显微组织的晶粒之间的平均取向差为0.6°至1.1°。

　　2.根据权利要求1所述的铁素体不锈钢，其中所述不锈钢的厚度为6.0mm至25.0mm。

　　3.根据权利要求1所述的铁素体不锈钢，还包含0.3％或更小的ni，0.5％或更小的cu，0.1％或更小的al。

　　4.根据权利要求1所述的铁素体不锈钢，其中所述不锈钢满足下式(1)：

　　(1)ti/(c+n)≥3

　　ti、c、n意指各元素以重量％计的含量。

　　5.根据权利要求1所述的铁素体不锈钢，其中所述不锈钢具有305mpa或更大的屈服强度、420mpa或更大的拉伸强度、35％至40％的延伸率并满足下式(2)

　　(2)20℃夏氏冲击能×40℃夏氏冲击能≥750j/cm2。

　　6.一种具有优异的冲击韧性的铁素体不锈钢的制造方法，所述制造方法包括：

　　将板坯加热至1220℃或更低，以全部组成的重量百分比(％)计，所述板坯包含：c：大于0％且为0.01％或更小，si：0.8％或更小，mn：0.5％或更小，cr：10％至14％，ti：0.01％至0.45％，n：大于0％且为0.015％或更小，剩余部分为铁(fe)和其他不可避免的杂质；

　　对经加热的板坯进行粗轧；

　　对粗轧的棒材进行精轧；以及

　　对经热轧的钢板进行退火，

　　其中所述粗轧的后端的总压下率为54％或更大，以及所述经热轧的钢板的厚度为6.0mm至25.0mm。

　　7.根据权利要求6所述的制造方法，其中所述板坯还包含0.3％或更小的ni，0.5％或更小的cu，0.1％或更小的al并满足下式(1)

　　(1)ti/(c+n)≥3

　　ti、c、n意指各元素以重量％计的含量。

　　8.根据权利要求6所述的制造方法，其中所述粗轧的棒材的温度为1020℃至970℃。

　　9.根据权利要求6所述的制造方法，其中所述精轧结束温度为960℃或更低。

　　10.根据权利要求6所述的制造方法，其中热轧退火在850℃至980℃下进行，以及

　　经热轧退火的钢板的显微组织的晶粒之间的平均取向差为0.6°至1.1°。

　　技术总结

　　公开了具有优异的冲击特性和至少6mm的厚度的经热轧退火的基于铁素体的不锈钢板及其生产方法。按重量％计，根据本发明的一个实施方案的具有优异的冲击韧性的基于铁素体的不锈钢包含：大于0％且至多0.01％的C、至多0.8％的Si、至多0.5％的Mn、10％至14％的Cr、0.01％至0.45％的Ti、大于0％且至多0.015％的N，剩余部分包含铁(Fe)和不可避免的杂质，显微组织中的晶粒之间的平均取向差为0.6°至1.1°。

　　技术研发人员：孔正贤

　　受保护的技术使用者：株式会社POSCO

　　技术研发日：2018.09.12

　　技术公布日：2020.07.31