铁素体不锈钢产品技术.doc

宝钢铁素体不锈钢产品的开发 摘 要：简述了不锈钢的产线，针对不同用途铁素体不锈钢系列的开发是建立在Thermo-Calc模拟的基础之上的，因而该软件已成为研发工作的手段之一。根据铁素体不锈钢产品在实际应用过程中的技术要求，该软件可以进行合金体系的设计、析出相的分析以及加工过程工艺参数的优化。所开发的铁素体不锈钢产品系列在强度、延伸率、成形性、焊接性以及耐蚀性等方面具有优良的性能。宝钢已经形成了一个较齐全的铁素体不锈钢产品系列，该产品系列可以对公司的盈利以及产品的多样化起到一定的作用。 关键词：铁素体 不锈钢 合金设计一、前言 在2004年投产的不锈钢分公司热轧产线和1996年投产的宁波宝新公司冷轧产线整合之后，越来越多的不锈钢带钢被开发出来，并且成为宝钢的战略性产品。由于不锈钢是高技术含量和高附加值的产品，宝钢非常关注这个产品系列。对于该系列的产品，宝钢的目标首先就是获得高水平的产品质量；同时，宝钢还着眼于产品生产过程的成本因素；另外，新开发的产品还必须满足用户对于产品性能和表面质量方面的高要求。 随着2005年不锈钢研究所，特别是2008年不锈钢技术中心的成立，宝钢不锈钢产品的研究和开发工作进展迅速。在这个过程中，产品开发和基础研究并驾齐驱。产品开发重点关注于铁素体不锈钢、双相不锈钢以及氮合金化奥氏体不锈钢；基础研究着眼于产品性能、化学成分和过程处理参数等之间的关系。 产品开发工作中所面临的最大挑战之一就是如何平衡产品的性能和成本。毫无疑问，像镍、铬等原材料价格的不断波动是一项主要制约产品成本的因素，因此，产品开发工作应该着眼于少镍甚至无镍不锈钢产品，如铁素体不锈钢、双相不锈钢以及氮合金化奥氏体不锈钢。 对于铁素体不锈钢来说，目前研发过程中主要关注于提高产品的冷成形性和韧脆转变行为。通过微合金化，铁素体不锈钢的性能能够显著地提高。一方面，采用Ti或(和)Nb可以提高凝固组织中等轴细晶组织的比例，有利于钢种冷成形性的提高；另外，如果铁素体不锈钢具有高的韧脆转变温度(DBTT)，它在低温下作为结构材料的使用就会受到局限。 对于含氮不锈钢，在钢的液态和成品组织中控制氮的含量对于控制成品的机械性能和耐蚀性能是最重要的。另外，通过氮含量来替代钢中的镍含量对于用户来说在成本上更能接受。 此文重点关注宝钢过去几年铁素体带钢的开发。 二、产品开发过程中Thermo-Calc软件的应用世界上众多企业已经成功将Thermo-Calc软件应用于不锈钢产品的合金设计和过程优化，非常典型的事例就是Sandvik钢铁公司对于双相不锈钢进行的合金设计。 该软件几年前被引进到宝钢，成为研发工作的手段之一，下文将给出一些应用实例。 1、铁素体不锈钢高温相组织的预测 对于不同的合金成分体系和温度区间，铁素体不锈钢可能会存在铁素体和奥氏体的混合组织。例如，11Cr的SUS410S和 17Cr的SUS430的相图如图一(a)和图一(b)所示。从图中可以看出，计算结果和实际组织有比较好的对应，图二为高温下的实际组织。 图一 采用Thermo-Calc软件模拟的铁素体不锈钢的相组织 （a）SUS410S（1200） （b）SUS430（1150） 图二 SUS410S和SUS430高温下的实际组织 对于SUS410S，随着温度的升高存在着不同的相组织：810871时为铁素体和奥氏体混合组织，8711086时为奥氏体单相组织，10861311时又为混合组织，而1311以上又成为单相组织；对于SUS430来说则完全不同：8391270时为铁素体和奥氏体混合组织，而l270以上为铁素体单相组织。上述结果为不锈钢产品的合金设计以及热加工参数的优化提供了很好的帮助。 2、凝固过程中碳氮化物析出相的预测 为了得到更好的成形性、耐蚀性和焊接性等，铁素体不锈钢经常采用Nb或Ti元素的单稳定或者Nb和Ti的双稳定来进行合金化，在产品生产的各过程中会经常发生碳氮化物的析出，这种析出行为会影响Nb、Ti以及C、N在铁素体不锈钢中的状态。 Thermo-Calc软件可以用来预测不同温度区间析出相的种类。给出两个例子来说明，图三给出了有同样Nb加Ti含量，但碳加氮含量不同的两种钢的碳氮化物的析出情况。可以看出，凝固后，高的碳加氮含量会产生更多的氮化物：c+N=0.009时，析出相摩尔分数为0.034；而当c+N=0.022时，析出分数为0.055。 图三 不同C、N含量钢的碳氮化物析出情况 有趣的是，根据Thermo-Calc软件的模拟(c+N)较低时，没有Nb的碳氮化物析出。由图四结果可见，c+N=0.022的钢中有TiN、(Ti，Nb)N、NbC的析出相，而c+N=0.009%的钢中仅有TiN的析出相。需要提到的是，钢中TiN是在1490时液态中析出的，而奥氏体组织中NbC是在1160时形成。液态中形成的析出相有利于连铸坯中等轴晶组织的产生，而等轴晶对于成形性的提高十分重要。 （a）c+N=0.009% （b）c+N=0.022%图四 凝固组织中铁素体不锈钢的析出相 三、铁素体不锈钢的开发 铁素体不锈钢是在Thermo-Calc软件模拟以及试验研究的基础上开发和生产的，种类例如汽车排气系统用钢、电梯面板用钢、水处理系统用钢、家电用钢和结构用钢。 1、汽车排气系统用铁素体不锈钢(409M，436和439M) 汽车排气系统用铁素体不锈钢的技术需求包括成形性、焊接性和高温抗氧化性。采用Nb元素合金化的钢种有409M、439M、436、429、441等。宝钢所生产的这些钢的机械性能和其他厂家(例如NSSC、JFE、POSCO等)的产品进行了对比，如表1所示。图五给出了不同厂家产品耐冷凝液腐蚀性的对比，冷凝液的化学成分如表2所示。可以看出，宝钢产汽车排气系统用钢在机械性能、成形性和耐蚀性方面和进口产品类似。 图五 排气系统用铁素体不锈钢的冷凝液腐蚀失重率 表1 409M、439M和436钢的机械性能 表2 冷凝液的化学成分 10-4% 2、电梯表面用铁素体不锈钢(439)电梯面板用铁素体不锈钢采用Ti合金化，目的是得到优良的耐蚀性、焊接性和成形性。439钢的机械性能如表3所示，而图六给出了微观组织对比。表3 439钢的机械性能 （a）B439 （b）P439 （c）N439 图六 电梯面板用铁素体不锈钢的微观组织对比 3、水处理系统用铁素体不锈钢（444)水处理系统用铁素体不锈钢444是一种添加Mo，并采用Ti或(和)Nb合金化的钢种。444具有优良的耐应力腐蚀性、耐点蚀性，可以在水处理系统的氯化物环境下使用。444的机械性能如表4所示，点蚀率如图七所示。非常明显，宝钢的产品在机械性能、耐点蚀性能方面和T444相似，但耐点蚀性差于进口的J444。另外，444焊缝的耐蚀性要略差于母材。图七 444钢母材和焊缝的点蚀率对比表4 444钢的机械性能 4 、家电用铁素体不锈钢(B430L和B430LNT) 对于家电用钢来说，深冲性十分重要。传统的作法是将430使用在家电用钢中，由于其高的含C、N量，深冲性很差。为了得到更好的深冲性，必须降低C、N含量以及添加Ti或Nb等稳定化元素，从而生产出高成形性的铁素体不锈钢430L和430LNT。表5给出了它们的机械性能和成形性参数。非常明显，成分调整后的钢种430L和430LNT成形性更好。 表5 430L和430LNT钢机械性能和成形性 临界腐蚀试验结果表明，B430L和B430LNT的点蚀电位和430相比大幅度提高，如图八所示。另外，从试验结果可以看出，B430LNT的耐点蚀性比进口的产品更好。 图八 家电用铁素体不锈钢的点蚀电位对比 B430124T的焊接试验是由客户进行的，和JFE的产品在同样的焊接条件下进行，焊接热影响区组织(HAZ)如图九所示，可以看出，B430LNT和进口产品相比粗晶区更窄，晶粒更细，好的组织归功于Nb和Ti元素。 （a）B430LNT （b）JFE430LX 图九 B430LNT和JFFA30LX的HAZ区域组织 5、建筑结构用铁素体不锈钢(B443NT和B445R) 建筑结构用铁素体不锈钢B443NT具有和304奥氏体不锈钢相同的耐蚀性，而B445R的耐蚀性更是和316L相当。它们的成分特点如下：铬含量均超过了20，低的碳和氮含量，采用Nb和Ti稳定化元素。表6给出了B443NT和B445R的机械性能，图十和十一分别给出了B443NT和B445R的点蚀电位值和点蚀率，从图中可见，宝钢生产的B443NT几乎和304的耐点蚀性相当，而B445R的耐点蚀率甚至比316L还要好。 图十 B443NT和B445R的点蚀电位 图十一 B443NT和B445R的点蚀率 表6 B443NT和B445R钢的机械性能 四、结论 在宝钢的不锈钢产品开发和过程优化中，Thermo-Calc软件模拟被广泛地应用。着眼于确的组织体系、机械性能和腐蚀性能的产品合金设计工作建立在此模拟的基础之上。针对铁素体不锈