CN104120368A - 一种汽车车架用高强度奥氏体不锈钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种汽车车架用高强度奥氏体不锈钢及其制造方法，其化学成分重量百分比为：C：0.05～0.15％，Si：0.4～1％，Mn：7～10％，P≤0.03％，S≤0.01％，Cr：13～15％，Ni：1～2％，N：0.1～0.2％，Nb：0.05～0.2％，Ti≤0.1％，0.1％≤Nb+Ti≤0.25％，Ce：0.05～0.1％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明奥氏体不锈钢制造方法为了确保综合力学性能满足要求，对于不同厚度规格的高强度不锈钢，采用两套不同的生产工艺进行生产，所制得成品奥氏体不锈钢屈服强度可以达到600MPa以上，抗拉强度达到1000Mpa以上，延伸率达到28％以上，适合制造车架、防撞梁等高强度零部件以及其他新能源车结构件。

Description

一种汽车车架用高强度奥氏体不锈钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及不锈钢及其制造方法，特别涉及一种汽车车架用高强度奥氏体不锈钢及其制造方法，所获得奥氏体不锈钢强度高、焊接性能良好并具备较好的低温韧性，适合制造车架、防撞梁等高强度零部件以及其他新能源车结构件。

背景技术

随着国内外对绿色环保以及节约资源的要求日益严格，“全生命周期成本”的理念也逐步深入到汽车行业，汽车产品的轻量化和更长的使用寿命成为未来汽车用钢材料发展的必然趋势。

为了实现在不影响汽车安全性的情况下尽量减轻车身重量，采用薄规格，高强度的钢铁材料已经成为主流解决方案，普碳高强碳钢在汽车行业应用已经较为广泛，但是如果考虑到更长的车身使用寿命，就需要关注材料的耐腐蚀性能，尤其是在新能源客车上，采用不锈钢后可以省去普碳高强碳钢的涂装工艺，并且获得比碳钢涂装后的车架更长的使用寿命，因此，利用不锈钢来制作客车的车架是提升整车使用寿命和降低成本的最好选择。

目前所有客车车架用不锈钢的强度基本上还维持在与普碳高强碳钢相当的水平，因此利用高强度不锈钢来制作车架可以在提高耐腐蚀性能的同时，通过减少不锈钢钢材本身重量来降低整车重量，这对新能源客车的续航能力有很明显的提升效果。

目前在市场上用来制作客车车架的不锈钢钢种有欧标1.4003，304、AISI301，AISI201等，其中1.4003钢种的强度与普碳高强碳钢强度相当，仅提高了耐腐蚀性能，对整车的减重并无贡献，而其他三个钢种虽然通过一定的工艺手段可以得到较高的强度，但是合金成本非常高，无法满足经济型新能源客车的降本需求。

另外，目前国内外与高强度奥氏体不锈钢相关专利如表1所示：

表1.国内外与高强度奥氏体不锈钢相关专利(单位：wt％)

表1中，日本专利JP54,038,217、JP52,024,914、JP2001131713和中国专利CN201110027216.3公开了亚稳态奥氏体不锈钢的化学组成，这些化成组成中都含有Cu元素，Cu在不锈钢中有难以回收再利用的缺点。

中国专利CN200810035045.7、CN200710039748.2和CN200710038386.5所公开的亚稳态奥氏体不锈钢Cr含量均大于15％，导致合金成本较高。其中，专利CN200710039748.2不含Ni元素，完全依靠Mn和N元素调节组织，生产难度大，且从其实施例可以看出这种设计的不锈钢形变诱发马氏体相变倾向非常严重，加工硬化过程对延伸率的损失较大。

中国专利CN200810042817.X所公开的高强度不锈钢专利旨在提供一种高强度无磁不锈钢，为达到无磁的效果，其Mn含量，Cr含量和N含量均较高，尤其是N含量很高，导致生产难度较大，并且同时添加了Nb、Ti、V、Mo，除成本高外，其屈服强度为380Mpa以上，尚不能满足车架、车身用结构件的性能要求。

AISI201和AISI301是目前较常见的高强度不锈钢板材，但是其设计初衷并非应用与新能源客车车架，因此其合金成本相对较高，如AISI201的Cr含量为16％-18％，贵金属Ni含量3.5-5.5％，AISI301仅Ni含量就达到6％-8％，因此用其制作客车车架的材料成本是相当高的，其材料成本的增加使得更换不锈钢材料对全生命周期成本降低的效果并不明显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽车车架用高强度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，所述高强度奥氏体不锈钢屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥28％，可有效降低汽车整体重量，满足客车车架、防撞梁以及其他新能源车结构件的使用要求。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

常规的奥氏体不锈钢室温强度只有300Mpa左右，通过冷加工硬化的方法也可以获得较高的屈服强度，但是伴随的问题是奥氏体经过冷轧加工后会大量生成马氏体组织，马氏体本身是硬而脆的相，所以强度升高带来的负面效应就是延伸率低，韧性差，低温冲击也会受到影响。本发明中，通过合理的分配Cr、Mn、N元素的成分配比，确保N元素以固溶态存在，同时添加了一定量的Nb、Ti元素，可以细化晶粒产生晶界强化，从而强化基体组织的元素，使其在室温下的组织为奥氏体+少量马氏体组织，使材料的初始强度就比较高，在退火后形成的亚稳态奥氏体组织在调质轧制过程中，只需要较小的压下量即可获得600MPa以上的屈服强度，同时保证材料具备较高的延伸率和韧性，采用低Cr，高Mn、N的设计，使其最大限度的降低了贵金属Ni的使用，降低合金成本。

具体的，本发明的汽车车架用高强度奥氏体不锈钢，其化学成分重量百分比为：C：0.05～0.15％，Si：0.4～1％，Mn：7～10％，P≤0.03％，S≤0.01％，Cr：13～15％，Ni：1～2％，N：0.1～0.2％，Nb：0.05～0.2％，Ti≤0.1％，0.1％≤Nb+Ti≤0.25％，Ce：0.05～0.1％，其余为Fe和不可避免的杂质。

在本发明汽车车架用高强度奥氏体不锈钢的成分设计中：

C：C是强烈形成、稳定和扩大奥氏体区的元素，C对室温下形成奥氏体组织起到关键作用，但是C太高会降低不锈钢的塑性，而且对不锈钢的耐腐蚀性产生不利影响，所以C含量控制在0.05％-0.15％。

Si：Si在奥氏体不锈钢的冶炼过程中作为脱氧剂加入，因此，为了控制钢中的[O]含量，钢中必须有一定的还原Si含量。但是，在奥氏体不锈钢中Si又是铁素体形成元素，为了确保不锈钢在室温下为单向奥氏体组织，Si含量必须加以一定的限制，在本发明中控制在0.4％-1％之间。

Mn：Mn是比较弱的奥氏体形成元素，但是在不锈钢中是强烈的奥氏体稳定化元素，并且有利于提高N元素在钢种的溶解度。在奥氏体不锈钢中，Mn和C、N复合作用可以部分替代贵金属Ni，从而确保材料在室温组织为奥氏体。但是Mn是恶化耐腐蚀性能的元素，不能太高，因此其含量控制在7％-10％。

P：P在不锈钢中视作有害元素，尽量控制的低。

S：由于本发明中Mn含量较高，所以必须严格控制S含量，以免与Mn结合形成MnS，影响耐腐蚀性能。

Cr：Cr是不锈钢中最重要的合金元素，是不锈钢获得耐腐蚀性能的最基本的元素，但是Cr元素同时又是铁素体形成元素，所以综合考虑其组织和性能，本发明将Cr含量控制在13％-15％。

Ni：Ni是形成和稳定奥氏体的最关键的元素，同时还可以提高材料在还原性酸液中的耐腐蚀能力，但是Ni价格昂贵，对钢种成本影响极其明显，所以本发明将Ni含量控制在1％-2％。

N：N在不锈钢中可以显著的形成、稳定和扩大奥氏体区，N在不锈钢中除了可以替代贵金属Ni外，还可以在不明显降低材料的塑性和韧性的情况下明显提高材料的强度，还能提高不锈钢的耐腐蚀性能。但是因为不锈钢合金体系中N元素的溶解度有限，必须将N含量与其他元素协调控制以确保N以固溶态存在，并且与其他合金元素复合作用来保证材料在常温下为奥氏体。综合考虑材料性能和生产难度，本发明中N含量控制在0.1％-0.2％。

Nb和Ti：可减少晶界处碳化物析出，提升材料耐腐蚀性能，同时可以起到非常显著的细化晶粒作用，Ti的加入可以对材料的焊接性能起到有利作用，但是添加Ti含量较高时候会带来生产控制的难度，也会增加材料表面质量缺陷的风险，由于Nb和Ti对材料下的平衡相组成有一定的影响，这两个元素总量过高还会给热轧过程带来难以克服的生产难度，因此本发明中Nb含量控制在0.05％-0.15％，Ti含量控制在0.1％以下，两者同时添加时候需保证0.1％≤Nb+Ti≤0.25％。

Ce：适量的稀土可以有效的提高本钢种的综合力学性能，其细化晶粒作用可改善材料的塑性，更重要的是稀土元素Ce可净化晶界，去除夹杂物或夹杂物改性，从而提升材料的力学性能和耐腐蚀性能，但是Ce元素较高时，就会形成大量的稀土夹杂物，反而恶化材料的力学性能和耐腐蚀性能，本发明中需要将稀土元素控制在0.05-0.1％之间。

本发明一种汽车车架用高强度奥氏体不锈钢制造方法，工艺步骤设计方案如下：

本发明所述奥氏体不锈钢组织为亚稳态奥氏体不锈钢，在轧制过程中会产生形变诱导马氏体，从而起到强化作用，但是工艺设置不当会导致材料强度提高时延伸率损失严重，不能满足零件加工要求，尤其是生产薄规格高强度不锈钢时难度更大，为了确保综合力学性能满足要求，本发明对于不同厚度规格的高强度不锈钢，采用两套不同的生产工艺进行生产：

工艺路径1：冶炼、铸造-热轧-热轧退火酸洗-调质轧制-成品；

工艺路径2：冶炼、铸造-热轧-热轧退火酸洗-冷轧-冷轧退火酸洗-调质轧制-成品。

具体地，本发明的汽车车架用高强度奥氏体不锈钢制造方法，包括如下步骤：(工艺路径1)

1)冶炼、铸造

奥氏体不锈钢，其化学成分重量百分比为C：0.05～0.15％，Si：0.4～1％，Mn：7～10％，P≤0.03％，S≤0.01％，Cr：13～15％，Ni：1～2％，N：0.1～0.2％，Nb：0.05～0.2％，Ti≤0.1％，0.1％≤Nb+Ti≤0.25％，Ce：0.05～0.1％，其余为Fe和不可避免的杂质；按上述化学成分经电弧炉和AOD炉两步冶炼、浇铸后得铸坯；

2)热轧

热轧加热温度1150～1210℃；终轧温度990-1040℃；

3)热轧退火酸洗

退火温度1000～1100℃；

4)调质轧制

轧制压下量8％～20％，脱脂清洗后获得所述成品奥氏体不锈钢，所述奥氏体不锈钢钢板厚度≥1.5mm。

再，所述步骤4)中，所述轧制压下量优选9％～15％。

另，所述步骤3)中，采用连续退火机组进行退火，退火机组TV值150～200mm×m/min。

本发明的一种汽车车架用高强度奥氏体不锈钢制造方法，包括如下步骤：(工艺路径2)

1)冶炼、铸造

奥氏体不锈钢，其化学成分重量百分比为：C：0.05～0.15％，Si：0.4～1％，Mn：7～10％，P≤0.03％，S≤0.01％，Cr：13～15％，Ni：1～2％，N：0.1～0.2％，Nb：0.05～0.2％，Ti≤0.1％，0.1％≤Nb+Ti≤0.25％，Ce：0.05～0.1％，其余为Fe和不可避免的杂质；按上述化学成分经电弧炉和AOD炉两步冶炼、浇铸后得铸坯；

2)热轧

热轧加热温度1150～1210℃；终轧温度990～1040℃；

3)热轧退火酸洗

退火温度1000～1100℃；

4)冷轧

冷轧压下量50％～80％；

5)冷轧退火酸洗

退火温度900～1000℃；

6)调质轧制

轧制压下量5％～12％，脱脂清洗后获得所述成品奥氏体不锈钢，所述奥氏体不锈钢钢板厚度0.8～1.5mm。

另，步骤3)中，采用连续退火机组进行退火，退火机组TV值150～200mm×m/min。

另有，步骤6)中，所述轧制压下量优选6％～10％。

且，步骤5)中，采用连续退火机组进行退火，退火机组TV值50～80mm×m/min。

进一步，所述冶炼过程中，采用Si脱氧，控制Si的含量为0.4～1％。

另，所述冶炼过程中，还包括LF炉精炼工序，氩气软搅拌时间≥10min。

其中，在工艺路径1和2中：

热轧工艺中的热轧加热温度是按照本发明奥氏体不锈钢成分通过热力学计算其高温平衡态组织而得到的，加热温度过低，会导致轧制力大难以完成生产，加热温度过高则导致两相区轧制，易产生开裂，故将热轧加热温度控制在1150～1210℃。由于Nb和Ti元素的添加导致高温变形抗力较大，终轧温度也必须控制在合适的范围内，故而将终轧温度控制在990-1040℃。

热轧退火酸洗工艺中，鉴于该合金设计的特点，该退火工艺的制定需要考虑碳化物充分固溶，即要保证加热至碳化物固溶温度区间，也要保证钢板在该温度下的保温时间，生产中采用TV值进行控制，将退火机组TV值控制在150～200mm×m/min。

在工艺路径2中：

冷轧退火酸洗工艺中不需要考虑碳化物固溶的问题，退火温度不宜设置过高，否则板材强度降低过于明显，对后工序轧制压下量控制以及成品性能的稳定性控制带来一定难度，从而将退火温度控制在900～1000℃，将退火机组TV值控制在50～80mm×m/min。

本发明的有益效果在于：

1、通过合理的分配Cr、Mn、N元素的成分配比，确保N元素以固溶态存在，同时添加了一定量的Nb、Ti元素，使得钢种在常温下即具有较高的屈服强度，同时结合后续生产工艺中轧制压下量的限定，使得本发明奥氏体不锈钢在具备较高的延伸率和韧性的同时，获得不低于600MPa的屈服强度。

2、对于不同厚度规格的高强度奥氏体不锈钢，采用两套工艺路径，针对性强，确保所得成品奥氏体不锈钢满足高屈服强度、高抗拉强度以及高延伸率的要求。

3、冶炼过程中，通过确保钢水中Si含量大于0.4时，总[O]含量就可控制在55ppm以下，保证钢水纯净度。

4、热轧加热温度直接影响高温状态下板坯铁素体组织含量，进而影响热轧过程钢卷边部质量，必须将铁素体含量控制在较低水平，同时，热轧加热温度过低会使轧制压力过大，生产困难，而过高时会导致边裂。因此，本发明根优化设计热轧过程中的热轧加热温度，以确保钢在所制定的加热温度区间内不会产生大量的铁素体组织，进一步保证最终获得符合要求的成品奥氏体不锈钢。

5、通过对热轧退火酸洗阶段中，退火温度的优化设计，确保板坯中碳化物充分固溶，保证最终成品奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能和力学性能。

6、根据不同厚度规格的奥氏体不锈钢钢板，在调质轧制过程中，优化设计不同的轧制压下量，从而保证成品奥氏体不锈钢具备优良的屈服强度和延伸率。

7、本发明通过提供屈服强度、抗拉强度以及延伸率均优于现有钢种的成品奥氏体不锈钢，使得本发明能够实现以低于现有钢种厚度的成品钢制造客车车架、防撞梁以及其他新能源车结构件，从而有效降低整车重量，满足汽车轻量化的要求。

附图说明

图1为本发明奥氏体不锈钢随温度变化冲击功变化值，试样厚度为2mm。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明汽车车架用高强度奥氏体不锈钢的实施例成分参见表2，其余量为Fe和不可避免的杂质。制造工艺中关键工艺控制参数参见表3和表4。

同时，由图1可以看出，当调制轧制的压下量控制在20％以下时，随着试验温度的降低，其冲击功降低的趋势并不明显，当试验温度达到-40℃时，其冲击功只是略低于室温下的冲击值，这意味着用该材料制作客车车架或者汽车结构件即使在极端寒冷的使用环境下，材料依旧具备良好的低温韧性，不会发生脆性断裂。

由以上说明和实施例的实验结果可知，本发明通过科学的合金设计，与对比例相比，在大大降低了原材料成本的前提下，获得了优良的综合力学性能，其性能远远优于现有客车所用钢种，从而使得本发明所提供钢材即使在厚度低于现有钢种的情况下，依然能具有优于现有客车所用钢种的力学性能，从而能够满足客车车架、防撞梁以及其他新能源车结构件的使用要求。随着汽车轻量化的进一步推进，本发明将具备非常广阔的市场应用前景。

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 (9)

1.一种汽车车架用高强度奥氏体不锈钢，其化学成分重量百分比为：C：0.05～0.15％，Si：0.4～1％，Mn：7～10％，P≤0.03％，S≤0.01％，Cr：13～15％，Ni：1～2％，N：0.1～0.2％，Nb：0.05～0.2％，Ti≤0.1％，0.1％≤Nb+Ti≤0.25％，Ce：0.05～0.1％，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.一种汽车车架用高强度奥氏体不锈钢制造方法，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

奥氏体不锈钢，其化学成分重量百分比为：C：0.05～0.15％，Si：0.4～1％，Mn：7～10％，P≤0.03％，S≤0.01％，Cr：13～15％，Ni：1～2％，N：0.1～0.2％，Nb：0.05～0.2％，Ti≤0.1％，0.1％≤Nb+Ti≤0.25％，Ce：0.05～0.1％，其余为Fe和不可避免的杂质；按上述化学成分经电弧炉和AOD炉两步冶炼、浇铸后得铸坯；

2)热轧

热轧加热温度1150～1210℃；终轧温度990～1040℃；

3)热轧退火酸洗

退火温度1000～1100℃；

4)调质轧制

轧制压下量8％～20％，脱脂清洗后获得所述成品奥氏体不锈钢，所述奥氏体不锈钢钢板厚度≥1.5mm。

3.一种汽车车架用高强度奥氏体不锈钢制造方法，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

奥氏体不锈钢的化学成分重量百分比为：C：0.05～0.15％，Si：0.4～1％，Mn：7～10％，P≤0.03％，S≤0.01％，Cr：13～15％，Ni：1～2％，N：0.1～0.2％，Nb：0.05～0.2％，Ti≤0.1％，0.1％≤Nb+Ti≤0.25％，Ce：0.05～0.1％，其余为Fe和不可避免的杂质；按上述化学成分经电弧炉和AOD炉两步冶炼、浇铸后得铸坯；

2)热轧

热轧加热温度1150～1210℃；终轧温度990-1040℃；

3)热轧退火酸洗

退火温度1000～1100℃；

4)冷轧

冷轧压下量50％～80％；

5)冷轧退火酸洗

退火温度900～1000℃；

6)调质轧制

轧制压下量5％～12％，脱脂清洗后获得所述成品奥氏体不锈钢，所述奥氏体不锈钢钢板厚度0.8～1.5mm。

4.根据权利要求2或3所述的汽车车架用高强度奥氏体不锈钢制造方法，其特征在于，所述冶炼过程中，采用Si脱氧，控制Si的含量为0.4～1％。

5.根据权利要求2或3所述的汽车车架用高强度奥氏体不锈钢制造方法，其特征在于，所述冶炼过程中，还包括LF炉精炼工序，氩气软搅拌时间≥10min。

6.根据权利要求2所述的汽车车架用高强度奥氏体不锈钢制造方法，其特征在于，步骤4)中，所述轧制压下量为9～15％。

7.根据权利要求2或3所述的汽车车架用高强度奥氏体不锈钢制造方法，其特征在于，所述步骤3)中，采用连续退火机组进行退火，退火机组TV值150～200mm×m/min。

8.根据权利要求3所述的汽车车架用高强度奥氏体不锈钢制造方法，其特征在于，步骤6)中，所述轧制压下量为6～10％。

9.根据权利要求3所述的汽车车架用高强度奥氏体不锈钢制造方法，其特征在于，步骤5)中，采用连续退火机组进行退火，退火机组TV值50～80mm×m/min。