对于
家用电器或办公室自动化装置例如电视机和个人电脑特 别是便携式
笔记本电脑来说,存在着要求减轻其内部构件重量的 趋势。这种重量减轻是通过减小各部件的厚度来实现的,尽管厚 度减小了,但还要保证使用所必须的强度。对此,0.2%条件屈服 强度至少500N/mm2或者维氏硬度至少HV200的钢材已经被用于 这一目的。
家用电器或办公室自动化装置中的
框架或壳体一般是通过将 切好的板材压制或弯曲加工成所要求的外形轮廓而制成的,因此, 用于这种用途的金属材料除了机械性能外还应当具有良好的弯曲 性能。
近年来,出于环境保护以及可
回收利用方面的考虑,对于不 需要
镀覆或
涂装的裸装金属材料供货的需求十分迫切。具有良好 耐
腐蚀性的有代表性的裸装金属材料是
马氏体
不锈钢(例如 SUS410或SUS420J2)、沉淀硬化不锈钢(例如SUS631)或者加工硬 化奥氏体不锈钢(例如SUS304或SUS301)。
马氏体不锈钢或沉淀硬化不锈钢,在加工成型为所要求的外 形之后,还要通
过热处理例如淬火和回火或者时效来进行强化。 但是,这种
热处理要由
金属加工厂来进行,因此,金属加工厂必 须承担热处理设备的
费用。此外,经过热处理的钢板还需要进行
酸洗或
研磨以除去
氧化皮,并且还要对经过热处理的钢板进行整 形以消除由于热处理而产生的
变形。
另一方面,加工硬化奥氏体不锈钢在板材状态下就具有足够 的强度和良好的弯曲性能,因而金属加工厂可以免去热处理工序, 但是由于添加了较高比率的Ni,这种不锈钢价格十分昂贵。对于 这个问题,目前已经提出了几种技术方案,在不削弱加工硬化奥 氏体不锈钢的优点的情况下降低Ni含量,以降低钢的成本。例如, JP63-169330A中公开了一种铁素体/马氏体
双相不锈钢,其强度 和成形性能分别通过马氏体相和铁素体相得到改善。 JP11-302791A中公开了一种不锈钢,其弯曲性能通过控制在铁素 体/马氏体双相或马氏体单相中分散存在的MnS夹杂物的尺寸和 形状而得到改善。JP2001-262282A中公开了一种不锈钢,其铁 素体组织不需要进行热处理而被加工硬化。
JP63-169330A中公开了一种铁素体/马氏体双相不锈钢,其 强度可以通过增加马氏体相的比率而得到提高,但其弯曲性能在 马氏体相比率在50
质量%以上时显著恶化。
JP11-302791A中公开了一种不锈钢,主要用来作为建筑结 构中具有较大弯曲半径的矩形管。另一方面,家用电器的框架、 壳体或
箱体是通过以明显小于矩形管的弯曲半径将钢板成形为所 要求的外形来制造的。由于弯曲半径很小,双相或马氏体单相不 锈钢板在加工成形为框架、壳体或箱体的形状时常常会开裂,即 使MnS的尺寸和形状得到适当控制也是如此。
在JP11-302791A中没有具体地公开如何控制MnS的尺寸和 形状。众所周知,钢板的弯曲性能由于存在沿着
轧制方向伸长的 细条状MnS而被恶化。随着
冷轧压下量的增大,MnS进一步伸长 并最终变成细小的颗粒分散在钢的基体中。结果,对于薄的钢板 来说,MnS由于细微地分散而变得无害,但是对于相对较厚的钢 板来说,不能期待MnS以细小颗粒的形式分散,因而MnS仍然是 有害的。此外,为了确保适当的强度以适应各种不同的用途,需 要进行各种
合金化设计,这是因为不需要热处理的双相或马氏体 单相不锈钢的强度主要由合金成分来确定。
与通过马氏体
相变的强化相比,将铁素体组织加工硬化的冷 轧方法更有利于改善弯曲性能。但是,JP2001-262282A是针对摩 托车的圆盘闸的,该圆盘闸是由不锈钢板制成,不需要进行弯曲 加工。按照该
专利建议的条件制成的钢板,不适合用于框架、壳 体和箱体的材料,因为这些钢板在以较小的弯曲半径进行弯曲加 工时常常会开裂。
MnS是一种对弯曲性能有害的夹杂物,它比较软,在冷轧过 程中沿着轧制方向伸长,因而形成细条状分散于钢的基体中。这 样的不锈钢板被弯曲加工时,MnS由于应
力集中而成为裂纹源。 仅仅脱硫不足以使MnS变得无害,但为了抑制裂纹的产生必须控 制MnS夹杂物的组成、尺寸和形状。
MnS夹杂物的组成、大小和形状随着在炼钢工序中添加到钢
水中的
脱氧剂的种类而改变,例如,当添加Si作为脱氧剂时,除 了形成MnS外还形成MnO·SiO2和/或MnO·SiO2·MnS。另一 种脱氧剂Ti可抑制条形夹杂物的形成,但是作为脱氧产物形成了 TiN以及TiO2。这些反应产物结合到一起成为粗大的簇状物,使 不锈钢板上产生表面
缺陷。Ti脱氧还伴随发生中间罐水口堵塞, 除非特别减少
钢水中的N含量。
本
发明人研究并分析了抑制MnS、MnO·SiO2和 MnO·SiO2·MnS等夹杂物的各种工艺条件,这些夹杂物使钢板的 弯曲性能恶化并使钢板的外观恶化。在研究过程中,本发明人意 外地发现,通过用Al进行特定的脱氧,使夹杂物改变成Al2O3或 Al2O3·MgO型夹杂物,可以改善钢板的弯曲性能。事实上,通过 脱硫和用Al进行脱氧的复合处理,形成具有以洁净度指数为0.06% 或更小在钢的基体中分布有10μm大小的Al2O3或Al2O3·MgO夹 杂物的组织的钢板,该钢板可以以良好的弯曲性能被加工成形为所 要求的外形,这一点在下面的
实施例中可以得到说明。
由于不锈钢板通过冷加工形成了加工硬化的铁素体相而得到 强化,因此不需要任何特定的合金化设计就可以赋予不锈钢板以 适合于使用目的的0.2%条件屈服强度。有代表性的冷加工是冷轧, 通过控制冷轧压下量将屈服强度调整为500-900N/mm2(即维氏硬 度200-300HV)范围内的其一数值。顺便说一下,通常
退火状态 的铁素体不锈钢板具有大约250-300N/mm2(维氏硬度约130- 150HV)的屈服强度,远低于所要求的值。
本发明的铁素体不锈钢板具有下面所述的化学成分以及夹杂 物的组成、大小和形状受到控制的组织。
<合金化设计>
C:0.15质量%或更低
C是强化钢的基体的
合金元素,但过量的C促使
碳化铬沉淀 析出,导致
耐腐蚀性恶化。因此,C含量的上限被确定为0.15质 量%,最好是0.08质量%。
Si:1.0质量%或更低
Si是强化钢的基体的铁素体成形元素。但高于1.0质量%的过 量的Si反而促进对于弯曲性能有害的SiO2或MnO·SiO2夹杂物 沉淀析出。
Mn:1.0质量%或更低
Mn是一种奥氏体成形元素,它以对弯曲性能有害的 MnO·SiO2的形式分散于钢的基体中。因此,Mn的上限被确定为 1.0质量%,最好是0.5质量%。
S:0.005质量%或更低
S溶解在对弯曲性能有害的MnS和MnO·SiO2中,形成粗大 的硫氧化物颗粒。为了抑制S的有害作用,将S的上限规定为0.005 质量%,最好是0.003质量%。
Cr:10-20质量%
Cr是改善耐腐蚀性必不可少的元素,作为不锈钢为了确保耐 腐蚀性,Cr含量必须为10质量%或更高。但是,高于20质量% 的过量的Cr会使不锈钢的韧性恶化。Cr含量最好是控制在11- 18质量%范围内。
Ni:0.5质量%或更低
Ni是奥氏体成形元素。随着Ni含量的增加,不锈钢的Ac1温 度降低,并且在退火过程中的冷却阶段促进马氏体相的形成。因此, Ni含量被控制到0.5质量%或更低,以抑制马氏体相的形成。
Al:0.001-0.05质量%
Al是作为脱氧剂添加的。将Al含量控制到至少0.001质量% 可以获得足够的脱氧效果。但是,过量的Al会引起Al2O3颗粒大 量沉淀析出。这些Al2O3颗粒结合到一起形成簇状物,在不锈钢板 上产生表面缺陷。为了将Al2O3颗粒的大小控制10μm或更小并 具有0.06%或更低的洁净度,将Al含量的上限规定为0.05质量%。 Al含量最好是控制在0.003-0.03质量%。
Mo:0.5-2.0质量%
Cu:0.5-3.0质量%
Nb:0.05-1.0质量%
Mo、Cu和Nb中的每一种元素都是任选的元素,用于改善耐 腐蚀性。这三种元素含量为Mo:0.5质量%或更高、Cu:0.5质量% 或更高、或者Nb:0.05质量%或更高时,可以观察到对于耐腐蚀 性的效果。但是,高于2.0质量%的过量Mo由于其固溶硬化效应 而使不锈钢的冷加工性能恶化,高于3.0质量%的过量Cu使不锈 钢的热加工性能和生产率恶化,高于1.0质量%的过量Nb提高了 钢的成本而钢的耐腐蚀性没有任何改善。
<加工硬化的铁素体组织>
通过脱硫和用Al脱氧,分散于钢的基体中的夹杂物被改变成 Al2O3或Al2O3·MgO,通过冷加工,这些改变后的夹杂物被分割 成10μm大小或更小的细小颗粒,最好是5μm或更小的颗粒。 夹杂物的改变和分割细化有效地避免了在夹杂物上形成的
应力集 中,而这些夹杂物通常起到裂纹源的作用。因此,不锈钢板可以 在弯曲部位以很小的半径被加工成形为所要求的外形,大大减少 了开裂的发生。
冷加工有助于强化不锈钢板以及将夹杂物分割成细小的颗 粒。即,在通常的退火状态下具有约250-300N/mm2的屈服强度 (维氏硬度大约130-150HV)的铁素体不锈钢板通过加工硬化而得 到强化。此外,通过控制冷加工压下量可以将屈服强度值任意调 整为500-900N/mm2(维氏硬度200-300HV)范围内的数值,从而 不需要改变合金成分设计就可以提供具有适合于使用目的的强度 的钢材。在通过冷轧使不锈钢板加工硬化的情况下,为了强化不 锈钢板而不会使弯曲性能恶化,在最终冷轧工序中的轧制压下量 被确定在15-50%(最好是20-35%)的范围内。
由下面的实施例可以更清楚地理解本发明的其它特征。
实施例1
使用Si对熔融的不锈钢液进行脱氧并将其调整成表1所示的 每一种化学成分。试样S-1是一种不锈钢板,该不锈钢板在
热轧 之后通过退火而再结晶形成单一的铁素体组织,然后以25%的轧 制压下量冷轧至1.8mm厚,使铁素体组织加工硬化。试样S-2 和S-3也是不锈钢板,它们都以同样的方式冷轧至1.8mm厚,在 奥氏体/铁素体双相区中的较高
温度下保持一段较短的时间,然后 空冷形成铁素体/马氏体双相组织。试样S-2中的马氏体相的比 例大于试样S-3。
表1:不锈钢的化学成分(质量%) C Si Mn S Cr Ni Al S-1 0.068 0.38 0.39 0.006 12.4 0.4 <0.003 S-2 0.023 0.47 0.85 0.004 11.9 0.09 <0.003 S-3 0.011 0.24 0.89 0.001 11.7 0.14 <0.003
从每一
块不锈钢板上沿着两个方向即纵向(下文中称为“L方 向”)和横向(下文中称为“T方向”)取样,制成用于JIS 13B(JIS Z 2201)中规定的拉伸试验的试样。用这些试样进行拉伸试验,测 定屈服强度和延伸率。试验结果示于表2中。由表2可以看出, 试样S-1的屈服强度与马氏体相的比率为80体积%的试样S-2 的值大致上差不多,但其延伸率比试样S-2要小。
表2:金相组织和机械性能 金相组织 试样的 取样方向 Y.S. (N/mm2) El. (%) S-1 加工硬化的铁素体 L 689 5 T 805 3 S-2 80%马氏体+20%铁素体 L 708 11 T 755 11 S-3 50%马氏体+50%铁素体 L 591 11 T 606 12
Y.S.:0.2%条件屈服强度 El.:延伸率
采用V型块弯曲法(按JIS Z 2248规定通过90度的弯曲
角度 进行的V型块弯曲试验)评价每一不锈钢板的弯曲性能。即,使用 具有不同的顶部弯曲半径R的冲头,围绕平行于轧制方向的轴以 直角进行弯曲(下文中称为“T方向弯曲”)并且还围绕垂直于轧制 方向的轴以直角进行弯曲(下文中称为“L方向弯曲”),对每一试 样进行弯曲试验,使用试样被弯曲而不发生开裂的最小半径R表 示弯曲性能。
由表3中的试验结果可以看出,各试样在T方向弯曲时裂纹 发生的趋势是不一样的,尽管所有的试样以0.1mm的最小半径R 进行L方向V形弯曲时都没有开裂。对于试样S-1来说,裂纹发 生的最小半径R是0.6mm,而试样S-2裂纹发生的最小半径R 是1.5mm,尽管试样S-1和S-2具有几乎相同的屈服强度。这 些试验结果的比较表明,试样S-1的弯曲性能优于试样S-2和 S-3,尽管其延伸率小于S-2和S-3。简而言之,与马氏体组 织相比,加工硬化的铁素体组织有利于弯曲性能。
表3:每一试样的弯曲性能 弯曲 方向 冲头顶部的弯曲半径R(mm) 最小半径R (mm) 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.5 3.0 S-1 L ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ <0.1 T × × × × ○ ○ ○ ○ 0.8 S-2 L ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ <0.1 T × × × × × × × ○ 3.0 S-3 L ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ <0.1 T × × × × ○ ○ ○ ○ 0.8
○表示弯曲时没有开裂,×表示弯曲时开裂
按以下所述调查夹杂物对弯曲性能的影响:
将熔融的不锈钢液调整为与试样S-1相同的化学成分,用 A1脱氧,然后按照与上面所述相同的制造条件将其处理成为试样 A-1。试样A-1中,来源于脱氧剂的Al含量如表4中所示是0.006 质量%。
经过EPMA分析,试样A-1中的夹杂物被确定为Al2O3和 Al2O3·MgO的混合物,明显地不同于试样S-1中的MnO·SiO2 或MnO·SiO2·MnS。在下文中,将试样S-1中的SiO2基夹杂物 称为“
硅酸盐型”,而将试样A-1中的Al2O3基夹杂物称为“氧 化
铝型”。
表4:脱氧剂对化学成分的影响 钢种 C Si Mn S Cr Ni Al S-1 0.068 0.38 0.39 0.006 12.4 0.40 <0.003 A-1 0.062 0.39 0.27 0.001 12.6 0.21 0.006
由试样A-1和S-1中沿着L方向和T方向取样,制成用于 拉伸试验的试样JIS 13B,用这些试样进行拉伸试验,测定屈服强度 和延伸率。根据试验结果,如表5中所示,试样A-1和S-1具 有相同的机械性能。另一方面,如表6中所示,弯曲试验的结果 表明,试样A-1的T方向弯曲性能明显地优于试样S-1,尽管 试样A-1和S-1具有几乎相同的屈服强度。
上述结果表明,通过脱硫和用Al进行脱氧的复合处理以控制 夹杂物的形状并通过冷加工形成加工硬化的铁素体组织,不锈钢 板被赋予良好的弯曲性能,这与强化无关。
表5:用Si或Al脱氧对机械性能的影响 脱氧剂 夹杂物的组成 金相 组织 试样的 取样方向 Y.S. (N/mm2) El. (%) S-1 Si MnO-SiO2+ MnO·SiO2·MnS 加工硬化的 铁素体 L 689 5 T 805 3 A-1 Al Al2O3+ Al2O3·MgO 加工硬化的 铁素体 L 691 5 T 808 3
表6:用Si或Al脱氧对弯曲性能的影响 弯曲 方向 V型块顶部的弯曲半径(mm) 最小半径R (mm) 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.5 3.0 S-1 L ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ <0.1 T × × × × ○ ○ ○ ○ 0.8 A-1 L ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ <0.1 T ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ <0.1
实施例2
使用30kg的
真空炉熔炼具有表7中所示化学成分的几种不锈 钢,添加Al或Si脱氧剂进行脱氧。
表7:不锈钢的化学成分以及脱氧情况 钢种 脱氧剂 合金元素(质量%) C Si Mn S Cr Ni Al 其它元素 A-2 Al 0.05 0.47 0.27 0.001 12.45 0.23 0.004 A-3 0.01 0.54 0.82 0.001 12.10 0.20 0.008 A-4 0.15 0.62 0.30 0.003 12.40 0.24 0.004 A-5 0.07 0.54 0.24 0.003 16.45 0.20 0.008 A-6 0.06 0.39 0.45 0.003 16.75 0.21 0.004 Mo:0.98 A-7 0.01 0.38 0.24 0.001 16.77 0.25 0.006 Cu:1.44 A-8 0.02 0.32 0.95 0.002 18.40 0.20 0.010 Nb:0.42 A-9 0.01 0.32 0.21 0.003 17.00 0.11 0.010 Cu:1.56 Nb:0.35 B-1 0.06 0.36 0.29 0.003 12.60 0.23 <0.001 B-2 0.02 0.48 0.78 0.002 16.55 0.10 0.090 S-4 Si 0.01 0.40 0.38 0.006 12.4 0.32 <0.001 S-5 0.02 0.47 0.85 0.002 11.9 0.09 <0.001 S-6 0.07 0.67 0.02 0.008 16.49 0.24 <0.001
带下划线的数字是在本发明规定的条件以外的数值。
将每一不锈钢锭
锻造成厚55mm、宽100mm的钢板。对钢板 进行磨削,直至其厚度减小到50mm。然后,将钢板热轧至5mm 厚。有些经过热轧的钢板,由于热轧而形成了马氏体相,将这些 钢板在850℃退火7小时,然后酸洗。其它的没有马氏体相的热轧 钢板在1040℃下连续退火,然后进行酸洗。
对于通过加工硬化而得到强化的钢种,将钢板冷轧至2.3- 2.8mm的中间厚度,在850℃下连续退火,进行酸洗,然后再次冷 轧至1.8mm的最终厚度。每一钢板的总的轧制压下量被控制在20 -35%的范围内。
对于通过马氏体相变而得到强化的钢种,将经过退火的钢板 冷轧至3.0mm的中间厚度,再次退火,进行酸洗,然后再次冷轧 至1.8mm的最终厚度。经过冷轧的钢板进行热处理,即在1000℃ 下加热1分钟然后空冷,使其组织转变成马氏体单相组织或铁素 体/马氏体双相组织。
从按以上所述制成的每一不锈钢板上取样制成试样,观察其 金相组织、夹杂物和表面缺陷。采用EPMA分析来
鉴别夹杂物, 洁净度指数采用JIS G0555中规定的方法进行测定,在测定洁净度 时通过
显微镜观察到的最大的夹杂物的
主轴被作为夹杂物的尺 寸。其它的性能即屈服强度、延伸率和弯曲性能按照与实施例1 相同的方法进行测定。
测定结果示于表8中。由表8可以看出,通过加工硬化的铁 素体组织而得到强化的试样№1-8,该铁素体组织中的夹杂物的 形状通过使用Al进行脱氧而得到控制,这些试样尽管具有 700N/mm2或更高的高屈服强度,其弯曲性能仍然非常好,因此可 以以0.1mm或更小的最小半径R进行弯曲加工而不会开裂。
另一方面试样№9由于马氏体相变而具有高的屈服强度,其弯 曲性能极差,最小弯曲半径R是2.5mm。试样№10通过减小马氏 体组织的比例,以牺牲强度为代价来改善其弯曲性能,其最小弯 曲半径R是0.6mm。这些试验结果的比较表明,马氏体相变可以 有效地强化钢板,但对于改善弯曲性能没有什么效果。
即使是在用Al脱氧的情况下,为了改善弯曲性能也应当适当 地控制Al含量。即试样№11具有较低的Al含量,由于遗留存在
硅酸盐型夹杂物其弯曲性能比较差。试样№12使用0.09质量%的 过量的Al进行过度脱氧,其弯曲性能良好但具有表面缺陷。
试样№13-15由于使用Si进行脱氧,其中的夹杂物变成了硅 酸盐型,因此其弯曲性能比试样№1-8低劣。
表8不锈钢板的机械性能和弯曲性能 区 分 № 钢种 脱 氧 剂 夹杂物 组织 Y.S. (N/mm2) El. (%) 最小弯曲 半径R(mm) 表面 缺陷 类型 尺寸 (μm) 洁净度 (%) 发 明 实 施 例 1 A-2 Al 氧化铝 3 0.019 WF 805 3 <0.1 无 2 A-3 氧化铝 2 0.023 WF 760 4 <0.1 无 3 A-4 氧化铝 4 0.023 WF 823 3 <0.1 无 4 A-5 氧化铝 3 0.022 WF 810 3 <0.1 无 5 A-6 氧化铝 5 0.020 WF 815 3 <0.1 无 6 A-7 氧化铝 3 0.018 WF 755 4 <0.1 无 7 A-8 氧化铝 2 0.020 WF 771 3 <0.1 无 8 A-9 氧化铝 3 0.022 WF 781 3 <0.1 无 比 较 例 9 A-2 Al 氧化铝 3 0.019 F+M 823 9 2.5 无 10 A-3 氧化铝 2 0.023 F+M 567 14 0.6 无 11 B-1 氧化铝 15 0.052 WF 811 3 0.6 无 + 硅酸盐 12 B-2 氧化铝 20 0.045 WF 768 4 <0.1 有 13 S-4 Si 硅酸盐 140 0.081 F+M 578 14 0.8 无 14 S-5 硅酸盐 20 0.038 WF 801 3 0.8 无 15 S-6 硅酸盐 210 0.097 WF 815 2 1.0 无
WF表示加工硬化的铁素体组织,F+M表示铁素体/马氏体组织。
带有下划线的数字是在本发明规定的条件范围之外的数值。
除了№9、10和13外的试样,由于加工硬化的铁素体组织而 具有700N/mm2或更高的屈服强度,这些加工硬化的铁素体组织是 通过以20-30%的最终轧制压下量进行冷轧而形成的。所有这些 试样的延性似乎都比较差,其延伸率只有4%甚至更低,但其弯曲 性能非常好。良好的弯曲性能可能是源于局部延伸率而不是总体 延伸率,因此加工硬化的铁素体组织有效地改善了在其外侧弯曲 部位的局部延性。此外,在夹杂物与钢的基体之间的边界处的应 力集中由于夹杂物的形状被适当控制而得到减轻。因此,在将本 发明的不锈钢板加工成形为所要求的外形时,裂纹的产生受到抑 制。
本发明的
工业实用性如上面所述的本发明的铁素体不锈钢板,由于加工硬化的铁 素体组织以及利用Al脱氧使其形状得到控制的夹杂物而得到强 化,因而尽管具有700N/mm2或更高的高屈服强度,其弯曲性能仍 然非常好。这种加工硬化的不锈钢板不需要镀覆金属(镀覆金属不 利于环境保护)就可以使用。由于这种不锈钢板通过加工硬化而得 到强化,因此在用户那里不需要进行热处理,可以加工成形为所 要求的外形。此外,具有降低的Ni含量的不锈钢可以用来作为家 用电器或办公自动化装置等的框架和壳体的廉价材料。