CN1098372C - 奥氏体不锈钢，特别是用于制造钢丝的奥氏体不锈钢 - Google Patents

Abstract

可用于拉拔至直径＜0.3mm的钢丝及生产承受疲劳的部件的领域中的，用于生产钢丝的奥氏体不锈钢，其特征为该钢成份如下(%重量)：5×10^-3%≤C≤200×10^-3%、5×10^-3%≤N≤400×10%、0.2%≤Mn≤10%、12%≤Cr≤23%、0.1%≤Ni≤17%、0.1%≤Si≤2%；控制其中的残余元素以获得玻璃混合物态的，重量百分比如下的氧化物夹杂物：40%≤SiO₂≤60%、5%≤MnO≤50%、1%≤CaO≤30%、0%≤MgO≤4%、5%≤Al₂O₃≤25%、0%≤Cr₂O₃≤4%、0%≤TiO₂≤4%。

Description

奥氏体不锈钢，特别是用于制造钢丝的奥氏体不锈钢

本发明涉及奥氏体不锈钢，尤其是适于制造钢丝的奥氏体不锈钢，其夹杂物清洁度适用于直径拔至0.3mm以下的拔丝领域及生产承受疲劳的部件的领域。

含Cr至少10.5％的铁合金被称为不锈钢。其它的元素构成该钢成份的一部分，从而改变其组织和性能。

奥氏体不锈钢有限定的成分。在通过急冷型热处理而发生的转变之后，形成奥氏体组织。

从冶金学的立场来看，某些构成该钢成份的一部分的合金元素促使铁素体相出现，该相是具有体心立方型的金相组织的。这些元素被称为α铁促成元素。其中有Cr、Mo和Si。

其它的，被称为γ铁促成元素的元素促使奥氏体相出现，该相为面心立方型的金相组织。这些元素中有C、N、Mn、Cu和Ni。

比如在拔丝领域中已知的是：为得到直径小于0.3mm的，被称为细丝的钢丝，则该不锈钢所含的夹杂物的尺寸必须不会引起钢丝在拉制时断裂。

在以经济上适于大量生产的常规方法生产奥氏体不锈钢时，象生产其它所有的钢一样，硫化物或氧化物型夹杂的存在是常规的，而且是无可补救的。这是因为液态的不锈钢，由于生产工艺的关系，含有小于1000ppm的溶解态的氧和硫。当该钢于液态或固态冷却时，氧和硫元素的溶解度下降，并达到了氧化物或硫化物的生成能。因此出现夹杂物，该夹杂物一方面是由含氧原子和易与氧反应的合金元素，如Ca、Mg、Al、Si、Mn和Cr的氧化物类的化合物构成，另一方面由含硫原子和易于S反应的合金元素，如Mn、Cr、Ca和Mg的硫化物类的化合物构成。还会出现氧硫化物型的混合化合物的夹杂物。

可用强有力的还原剂，如Mg、Al、Ca、Ti或这些元素中几种的组合减少不锈钢中的含氧量，但这些还原剂都导致形成富含MgO、Al₂O₃、CaO或TiO₂的夹杂物，这些夹杂物均具结晶的难熔物的形态，它们是坚硬的，而且在轧制不锈钢的条件下不变形。这些夹杂物的存在引起一些问题，比如引起拔丝时的断裂及在用此不锈钢生产的产品中引起疲劳断裂。

法国专利申请FR9504782公开了为生产钢丝对奥氏体不锈钢的处理，该钢是可用于拔丝领域和承受疲劳的产品的生产领域的。

一般发现，取决于不同的成份，所述的不锈钢在拔丝时的断裂次数方面和疲劳行为方面的表现不很可靠。换言之，属现有技术的该专利申请中所述的钢的成份不能完全令人满意，尤其是因为夹杂物范围被限得过宽。

已发现在夹杂物范围内有一个由保证最优的和可靠的性能，尤其是拔丝和疲劳方面的性能的特定残余元素含量所限定的更小的区域。

本发明的目的在于生产一种奥氏体不锈钢，它具有选定的夹杂物清洁度，该钢尤其可用于直径拔至0.3mm以下的拔丝领域及承受疲劳的部件的生产领域。

本发明的主题是具有以下成份(％重量)的奥氏体不锈钢：

-5×10^-3％≤C≤200×10^-3％

-5×10^-3％≤N≤400×10^-3％

-0.2％≤Mn≤10％

-12％≤Cr≤23％

-0.1％≤Ni≤17％

-0.1％≤Si≤2％，其中残余元素的控制要使得：

-0％≤S≤100×10^-4％

-40×10^-4％≤全氧≤120×10^-4％

-0％＜Al≤5×10^-4％

-0％≤Mg≤0.5×10^-4％

-0％＜Ca≤5×10^-4％

-0％≤Ti≤4×10^-4％-制造中生成的固有杂质，而且其中的玻璃混合物态的氧化物夹杂具有如下的重量百分比：

-40％≤SiO₂≤60％

-5％≤MnO≤50％

-1％≤CaO≤30％

-0％≤MgO≤4％

-5％≤Al₂O₃≤25％

-0％≤Cr₂O₃≤4％

-0％≤TiO₂≤4％构成该夹发物的氧化物要满足以下关系：

％Cr₂O₃+％TiO₂+％MgO＜10％。

本发明的其它特征是：

该钢的成份含小于50×10^-4％的S；

该钢的成份还含小于3％的Mo；

该钢的成份还含小于4％的Cu。

下面结合附图，以非限制性实施例给出的陈述将使本发明被清楚地理解。

图1和2分别展示了厚的，难变形的夹杂物图象和符合本发明的钢中所含的夹杂物的图象。

符合本发明的钢的成份中含(％重量)：5×10^-3％-200×10^-3％C、5×10^-3％-400×10^-3％N、0.2％-10％Mn、12％-23％Cr，0.1％-17％Ni，0.1％-2％Si以及被特别地控制得使其组成如下的残余元素(％重量)：大于0％-100×10^-4％S、40×10^{- 4}％-120×10^-4％总氧、大于0％-5×10^-4％Al、0％-0.5×10^-4％Mg，大于0％-5×10^－4％Ca及0％-4×10^-4％Ti，

-制造时产生的固有的夹杂，以及其中玻璃混合物态的氧化物杂质具有以下的重量百分比：

-40％≤SiO₂≤60％

-5％≤MnO≤50％

-1％≤CaO≤30％

-0％≤MgO≤4％

-5％≤Al₂O₃≤25％

-0％≤Cr₂O₃≤4％

-0％≤TiO₂≤4％构成该夹发物的氧化物满足以下关系：

％Cr₂O₃+％TiO₂+％MgO＜10％。

C、N、Cr、Ni、Mn、和Si是常规的用于获得奥氏体不锈钢的元素。

为生产成份被很明确地限定的可变形的硫化物，按比例地选定Mn、Cr和S含量。

按本发明，符合一定比例的元素Si和Mn的成份范围保证了富含SiO₂的，并含并非可忽略量的MnO的硅酸盐型的夹杂物的存在。

为改善腐蚀性能，可往该奥氏体不锈钢的成份中加量不大于3％的Mo。

还可往本发明的不锈钢的成份中添加Cu，因为Cu改善冷变形性能，而且因此使奥氏体稳定。但，为避免热转变时由于Cu明显降低该钢轧制前可被重加热的温度上限而产生的困难，所以将Cu含量限于4％。

符合本发明的全氧(O_t)，Al及Ca的范围可得到硅酸锰型的夹杂物，其中含有不为零的Al₂O₃和CaO组份。该钢成份中所含的Al和Ca在合乎要求的夹杂物中，保证了存有＞1％的CaO和＞5％的Al₂O₃。

按本发明全氧含量(O_t)为40ppm-120ppm。

全氧含量(O_t)＜40ppm，O将元素Mg、Ca和Al固定，而形不成富SiO₂和MnO的夹杂物。该成份中全氧含量＞120ppm，则产生含＞4％Cr₂O₃的氧化物，它促使结晶，而这正是希望避免的。

Ca含量＜5×10^-4％，从而使所期望的夹杂物所含的CaO不大于30％。

为防止所需的夹杂物含＞25％的Al₂O₃，(它促进不希望的结晶)，则Al含量＜5×10^-4％。

在用常规的，而且经济的工艺生产出含氧化物和硫化物型的夹杂物的钢之后，为去除这些夹杂物，用缓慢的，经济上不合算的重熔工艺，如真空重熔(真空Ar重熔)或电渣重熔工艺精炼此钢是可以想见的。

这些重熔工艺通过使夹杂物在液池中的沉淀，只能部分地去除已存在的夹杂物，而不能改变其特性和成份。

本发明涉及奥氏体不锈钢，它含的夹杂物成份是有经有意选择而获得的，该成份与钢的总成份以这样的方式相关：夹杂物的物理性能有利于它在钢的热转变过程中的变形。

按本发明，该奥氏体不锈钢含有限定了成份的夹杂物，其软化点接近于此钢的轧制温度，这些夹杂物抑制了这样晶粒的出现：在轧制温度下，它们比钢硬，尤其是抑制了以下限定的化合物出现：磷石英，方石英或石英型的SiO₂；3CaO·SiO₂；CaO；MgO；Cr₂O₃；钙长石、莫来石、钙黄长石、刚玉或Al₂O₃·MgO或Al₂O₃·Cr₂O₃·MnO·MgO型的尖晶石；CaO·Al₂O₃；CaO·6Al₂O₃；CaO·2Al₂O₃；TiO₂。

按本发明，该钢主要含这样的氧化物夹杂；其成份使这些夹杂物在形成此钢的全部顺序作业期间都形成玻璃态或非晶态的混合物。所选定的夹杂物的粘度足以完全抑制结晶的氧化物颗粒在本发明的所形成的夹杂物中生长，因为，在氧化物夹杂物中仅有小范围的扩散而且迁移运动也是极受限制的。这些在该钢的热处理温度范围内保持玻璃态的夹杂物的硬度和弹性模量总低于相应成分的结晶化合物。因此，这些夹杂物，比如在拔丝作业期间仍可变形、压缩和拉长，而且靠近该夹杂物处的任何应力集中将大为减少，因此明显地减少了，比如，出现疲劳裂纹或在拔丝时出现断裂的风险。

按本发明，该奥氏体不锈钢含限定成份的氧化物夹杂物，该成份使得夹杂物的粘度在该钢的热轧的温度范围内不致于过高。因此，在温度一般为800-1350℃的热轧状态下，该夹杂物的屈服应力明显地比该钢的屈服应力低。因此，该氧化物夹杂在热轧时与钢同时变形，从而轧后这些夹杂物完全被拉长，因而具有很小的厚度，如其厚度小于5或10μm，因此，就可在，比如，拔丝作业中避免任何断裂问题。

按本发明，用电炉钢厂生产不锈钢时所用的高生产率常规生产工艺，如电弧炉，AOD或VOD转炉、钢包冶金及连铸时产生上述的夹杂物。

采用上述的常规熔炼和铸造工艺，夹杂物在铸态产物中的尺寸分布与其成分相对无关。因此，在热轧之前，该钢含尺寸和分布相同的夹杂物。

下面的，具有所述有益性能的氧化物夹杂物，按本发明，由SiO₂、MnO、CaO、Al₂O₃、MgO、Cr₂O₃、TiO₂及任选的痕量的FeO，以符合以下重量百分比的玻璃态混合物构成：

-40％≤SiO₂≤60％

-5％≤MnO≤50％

-1％≤CaO≤30％

-0％≤MgO≤4％

-5％≤Al₂O₃≤25％

-0％≤Cr₂O₃≤4％

-0％≤TiO₂≤4％

若SiO₂含量的小于40％，则该氧化物夹杂物的粘度过低，因而氧化物晶粒的生长机理不受抑制。若SiO₂含量＞60％，则形成非常硬的，不希望的鳞石英、方石英或石英态的SiO₂颗粒。

含量为5％-50％的MnO使该氧化物混合物，尤其是含SiO₂、CaO、Al₂O₃的混合物的软化点大为下降，因而有利于形成在轧制符合本发明的钢的条件下保持玻璃态的夹杂物。

当CaO含量＞30％时，形成CaO·SiO₂或(Ca，Mn)O·SiO₂的晶体。

MgO含量＞4％，则形成MgO；2MgO·SiO₂；MgO·SiO₂或Al₂O₃·MgO的结晶；它们都是极硬的相。

若Al₂O₃含量＜5％，则形成硅灰石晶体，而当Al₂O₃含量＞25％时，则形成莫来石，钙长石，刚玉，尖晶石晶体，尤其是出现Al₂O₃·MgO，或Al₂O₃-Cr₂O₃·MgO·MnO型的尖晶石，或还出现CaO·6 Al₂O₃或CaO·2 Al₂O₃或CaO·Al₂O₃型的铝酸盐或钙黄长石的晶体。

对于大于4％的Cr₂O₃，还出现Cr₂O₃或Al₂O₃·Cr₂O₃·MgO·MnO，CaO·Cr₂O₃，MgO·Cr₂O₃晶体。

根据本发明的一种方式，为在轧制品中获得厚度不大于5μm的硫化物夹杂物，S含量必须小于或等于50×10^-4％。这是因为硫化锰和硫化铬型的夹杂物在本发明的条件下可完全变形。

从使用性能的现点来看，在拔细丝和受疲劳的情况下通常认为不希望有氧化物和硫化物型夹杂，在弯曲和/或扭曲的情况下则尤为如此。通常通过检验在直径为5-10mm的热轧棒料上沿轧制方向截取的抛光截面来描绘氧化物和硫化物夹杂物的浓度的特征。取决于最终用途，按各种标准进行的这种特征化的结果为称为夹杂物清洁度。

对于在轧成的钢丝的抛光截面中看到的夹杂物，测量其长度和厚度，然后确定由该长度与厚度比形成的形状因数。在轧制作业中非常易变形的夹杂物，其形状因数一般非常高，如可能高达100和更高，因而该夹杂物的厚度极小。另一方面，不变形的或仅承受很小变形的夹杂物的特征在于形状因数很小，如其量级为1，因此，该夹杂物的厚度保持很高，而且保持与铸态产物中的原夹杂物相同的尺寸量级。因此，在该陈述的其余部份中，将轧制钢丝中所见到的厚度用作判断该轧制钢丝使用性能的简单而有效特征。

图1和2分别展示了在沿直径为5.5mm的轧制钢丝的加工方向截取的抛光截面中的非常厚和难变形夹杂物的例子和本发明钢中所含的细而很易变形的夹杂物的例子。

图1展示了存在于直径5.5mm轧制钢丝中的非常厚而且难变形的夹杂物的例子。

图2展示了存在于直径5.5mm的轧制钢丝中的非常易变形的夹杂物的例子。

后一种夹杂物对于生产直径＜0.3mm的钢丝或承受疲劳的部件，如弹簧或轮胎增强物的拉细丝的作业是无害的。

已证明所有的成份都不以可靠的方式满足钢丝生产及承受疲劳的部件的这些可接受的特征。夹杂物的质量判断标准根据选择成分时所依据的，在该钢被生产出来之后的残余元素和夹杂物成份确定。

Ti、Mg和S以残留量存在，而且不可含在该钢的成份中，因此含在夹杂物的成份中。

表1和2展示了一些钢，用以说明该钢的成份和氧化物夹杂的成份对钢丝的拉拔性能及对疲劳性能的影响。下面的基本成份，也被称为加工成分，被选定如下：

％C     0.072

％N     0.052

％Si0.771

％Mn0.736

％Cr18.522

％Ni8.773

％Mo0.210

％Cu0.310

表1钢             1      2      2      3      4      5       6O_tppm       17     39     39     53     87     123     71Al ppm       11      5      5      8      7       5      7Ca ppm        4      7      7      6      8       1      2Mg ppm        2      1      1      1      2       0.8    0.4Ti ppm        4      8      8      7     45       2     38S ppm        71     47     47     61     27      41     53夹杂物的特性％SiO₂      25.6    25.2            29.1   18.6     47.4    9％CaO        40.0    41.1            23.1   8.7      1.2     2.9％MnO        0.7             2.5     7.4    8.8      32.3    6.7％Al₂O₃    21.1    28.1    71      27     8.1      7.2     8.8％MgO        12.0    2.6     26.5    4.5    2.6      1.1     0.8％Cr₂O₃    0.1                     1.6    6        8.7     7.5％TiO₂      0.5     3               7.1    44.9     2.1     56.3表2钢        7     8     9     10    11    12Ot ppm    71    95    53    113   43   68Al ppm    4     5     3     5     3    3Ca ppm    3     5     3     5     3    2Mg ppm    0.3   0.4   0.3   0.5   0.2  0.2Ti ppm    2     1     2     3     1    2S ppm     13    33    24    38    21   45夹杂物的特性％SiO₂      41.2    47.5    41      48.9    40.94     2.4％CaO        14.1    10.1    25.6    7.5     29.2      10.4％MnO        18.3    24.7    10.2    28.1    7.8       15.6％Al₂O₃    17.9    11.6    16.5    8       17.7      23.2％MgO        1.7     1.0     3.1     0.6     2.5       1.6％Cr₂O₃    4       3.8     2       3.6     1.4       3.3％TiO₂      2.9     1.3     1.6     3.4     0.5       3.5

表1展示了钢的成份，它们在钢丝可拉拔性和疲劳行为方面属普通质量。表2展示了符合本发明的钢的成份，它所具有的夹杂物清洁度可使质量在所讨论的两个领域中均显著提高。

Claims (4)

1、用于生产钢丝的奥氏体不锈钢，它可用于拔至直径小于0.3mm的拔丝领域及生产承受疲劳的部件的领域，该钢的特征在于以下的成份(％重量)：

-5×10^-3％≤C≤200×10^-3％

-5×10^-3％≤N≤400×10^-3％

-0.2％≤Mn≤10％

-12％≤Cr≤23％

-0.1％≤Ni≤17％

-0.1％≤Si≤2％，其中的残余元素被作如下控制：

-0％≤S≤100×10^-4％

-40×10^-4％≤全氧≤120×10^-4％

-0％＜Al≤5×10^-4％

-0％≤Mg≤0.5×10^-4％

-0％＜Ca≤5×10^-4％

-0％≤Ti≤4×10^-4％

-制造时产生的固有杂质，

-余量为Fe，

而且其中的呈玻璃态混合物的氧化物夹杂物具有以下的重量百分比：

-40％≤SiO₂≤60％

-5％≤MnO≤50％

-1％≤CaO≤30％

-0％≤MgO≤4％

-5％≤Al₂O₃≤25％

-0％≤Cr₂O₃≤4％

-0％≤TiO₂≤4％，构成该夹杂物的氧化物间满足以下关系：％Cr₂O₃+％TiO₂+％MgO＜10％。

2、权利要求1的钢，其特征在于，其成份包含小于50×10^-4％的S。

3、权利要求1的钢，其特征为，其成份还含小于3％的Mo。

4、权利要求1的钢，其特征为，其成份还含小于4％的Cu。

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