節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼CIMCN4的開發(fā)與生產(chǎn)

徐書峰， 蘇 瑩， 劉治宏

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司冷軋廠， 山西 太原 030002）

近年來(lái)，集裝箱行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，各生產(chǎn)企業(yè)為降低成本，紛紛開發(fā)相應(yīng)的產(chǎn)品。CIMCN4就是是新開發(fā)的一種低鎳含氮并適當(dāng)添加Cu等元素的奧氏體不銹鋼。與SUS304相比，其Ni元素含量適當(dāng)降低，同時(shí)適量添加Mn、N等奧氏體相形成元素，保證CIMCN4產(chǎn)品和SUS304具有相似的奧氏體組織；其較高的Cr含量和極低的雜質(zhì)元素可以在特定使用環(huán)境下，保證該鋼種具有與SUS304相近的耐腐蝕性能；Cu元素的加入還改善了該鋼種的冷加工性能，進(jìn)一步拓寬了該鋼種的應(yīng)用領(lǐng)域。目前CIMCN4產(chǎn)品著重應(yīng)于集裝箱內(nèi)板領(lǐng)域，是一種經(jīng)濟(jì)、綜合性能好、易加工的不銹鋼材料。下面探討CIMCN4產(chǎn)品設(shè)計(jì)及熱處理酸選工藝總結(jié)[1-3]。

1 CIMCN4產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路

CIMCN4要求滿足集裝箱內(nèi)側(cè)板使用環(huán)境下的各項(xiàng)性能要求，即具有優(yōu)異的低溫強(qiáng)度和塑韌性，較好的冷加工性能，在耐蝕的基礎(chǔ)上要求高質(zhì)量的表面。因此，綜合考慮上述各種要求，采用低鎳Fe-Cr-Ni-Mn-N奧氏體化學(xué)成分體系能很好的滿足要求。

在設(shè)計(jì)材料之初，為保證經(jīng)濟(jì)型，選用低鎳的基礎(chǔ)上添加適量奧氏體形成元素Mn、N，以及保持適量的Cr元素以保證較高的耐腐蝕性能，其他的合金化元素C、Cu、Si等均對(duì)材料的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量有不同程度的貢獻(xiàn)，眾所周知，鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量對(duì)于材料的高溫組織具有非常重要的影響，如果二者控制不合適就會(huì)導(dǎo)致材料高溫狀態(tài)下存在一定量的高溫δ鐵素體組織，該組織對(duì)材料的高溫?zé)崴苄杂胁煌潭鹊挠绊懀M(jìn)而導(dǎo)致熱軋卷板熱加工過(guò)程的難易程度。因此，為了順利實(shí)現(xiàn)熱軋卷板的熱連軋生產(chǎn)，盡量避免高溫δ鐵素體組織對(duì)熱塑性的不利作用，應(yīng)合理設(shè)計(jì)材料的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量的最佳控制點(diǎn)。同時(shí)要考慮到冷卷的后續(xù)加工避免出現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變問(wèn)題，需要保證材料在室溫情況下具備較高的高奧氏體組織穩(wěn)定性，即材料的Md30（材料冷變形量為30%時(shí)，形變誘導(dǎo)產(chǎn)生50%馬氏體的最高溫度）低于軋制溫度，同時(shí)考慮到低溫-40℃溫度以上的力學(xué)性能的穩(wěn)定性，還需考慮該材料的Ms轉(zhuǎn)變溫度。綜上，鉻當(dāng)量、鎳當(dāng)量、Md30和Ms采用以下經(jīng)驗(yàn)公式：經(jīng)過(guò)理論設(shè)計(jì)的，Md30溫度為-25℃至52℃，Ms溫度為-135℃至-257℃；根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)成分計(jì)算得出的Md30溫度為24℃，Ms溫度為-187℃。CIMCN4奧氏體不銹鋼的內(nèi)控Creq在16～19范圍，內(nèi)控Nieq在11.5～16范圍是比較合理的區(qū)間，其具體化學(xué)成分控制見表1，室溫下機(jī)械性能見下頁(yè)表2。

表1 化學(xué)成分分析對(duì)比 %

從表1可看出，新開發(fā)的CIMCN4與304相比鎳含量降低了4.5%～6.0%，提高了Mn的含量，加入了少量的Cu元素。

表2 室溫下機(jī)械性能

從表2中對(duì)比性能可以得出：氮的增加使退火后的抗拉強(qiáng)度大于304，銅的添加使冷加工性能和304 相似[4-6]。

2 熱處理工藝設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)冷軋的鋼卷，需要經(jīng)過(guò)一系列工藝步驟得到2B表面。退火的目的是消除組織缺陷，改善組織，細(xì)化晶粒，同時(shí)可降低材料硬度，優(yōu)化屈服與抗拉等力學(xué)性能，改善加工性能[4-8]。

針對(duì)新材料的成分設(shè)計(jì)采用Thermol-Calc熱力學(xué)計(jì)算軟件計(jì)算得到CIMCN4材料的熱力學(xué)平衡相圖（見圖 1）。

從圖1可知，該材料在950～1 350℃溫度范圍為單一奧氏體組織，平衡態(tài)相圖也與普通奧氏體不銹鋼相似，鑒于普通奧氏體不銹鋼的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)合適的工藝控制可以實(shí)現(xiàn)室溫條件下的單一奧氏體組織。

圖1 CIMCN4不銹鋼熱力學(xué)平衡相圖

2.1 退火溫度的選擇及工藝設(shè)定

為了獲得性能優(yōu)異且滿足使用要求的CIMCN4冷軋產(chǎn)品，計(jì)劃將CIMCN4熱板平均晶粒度控制在7±0.5級(jí)，冷板平均晶粒度控制在8±0.5級(jí)。針對(duì)上述要求，本項(xiàng)目采用實(shí)驗(yàn)室研究和生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合的方式來(lái)確定CIMCN4不銹鋼的熱線和冷線退火工藝參數(shù)。首先，實(shí)驗(yàn)室針對(duì)CIMCN4不銹鋼熱軋黑卷和冷軋硬態(tài)板上切取試料，在實(shí)驗(yàn)室開展不同退火溫度和保溫時(shí)間的正交熱處理試驗(yàn)，試驗(yàn)后測(cè)試力學(xué)性能并分析組織析出相、均勻性以及晶粒度等情況，根據(jù)熱處理試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝裝備最終確定出CIMCN4不銹鋼的熱線和冷線退火關(guān)鍵工藝參數(shù)：

1）熱線退火。板溫控制目標(biāo)：（1 080±20）℃，退火時(shí)間：（40±5）s/mm。

2）冷線退火。板溫控制目標(biāo)：（1 060±20）℃，退火時(shí)間：（40±5）s/mm。

圖2和圖3為熱線和冷線退火卷板的顯微組織和力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，可以看出，CIMCN4熱板和冷板的晶粒度均達(dá)到控制目標(biāo)要求，并且組織均勻，其力學(xué)性能也完全達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)了CIMCN4不銹鋼板材的組織、性能穩(wěn)定的批量生產(chǎn)。

圖2 CIMCN4板材金相組織照片

統(tǒng)計(jì)100卷CIMCN4性能，屈服強(qiáng)度范圍在300～360 MPa，極差為 60 MPa；抗拉強(qiáng)度范圍在 655～721 MPa，極差為 66 MPa，伸長(zhǎng)率范圍 46%～60%，極差為14%。如圖3-1所示，從強(qiáng)度變化來(lái)看，總體數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。

圖3 100卷CIMCN4產(chǎn)品的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率

3 酸洗工藝設(shè)計(jì)

3.1 熱線酸洗工藝研究

熱線酸洗工藝采用常用的混酸HNO3+HF酸洗，為確定具體的濃度設(shè)定，設(shè)計(jì)了HNO3和HF濃度配比正交試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，氫氟酸質(zhì)量濃度相較硝酸質(zhì)量濃度對(duì)CIMCN4熱板的表面影響更顯著，隨HF濃度升高，熱板酸洗效率明顯提升。

圖4 CIMCN4腐蝕速率與HNO3和HF質(zhì)量濃度的關(guān)系

結(jié)合熱線參數(shù)設(shè)計(jì)了相關(guān)酸洗參數(shù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究結(jié)果以及模擬現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)快速酸洗結(jié)果，如圖4所示，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出影響酸洗效果的兩大因素HF質(zhì)量濃度和過(guò)線速率需要合理匹配才能在酸洗過(guò)程中獲得好的酸洗表面質(zhì)量。經(jīng)過(guò)多次熱線酸洗關(guān)鍵工藝參數(shù)的優(yōu)化，熱板表面的酸洗不凈以及色差問(wèn)題得到了大幅改善，如圖5，且連續(xù)酸洗多卷后表面質(zhì)量仍然很穩(wěn)定。

圖5 HF質(zhì)量濃度12 g/L酸洗效果和HF質(zhì)量濃度16 g/L酸洗效果

3.2 冷線酸洗工藝研究

CIMCN4奧氏體不銹鋼冷板選用的酸洗液組合方式為“硫酸鈉電解+混酸（HNO3+HF）酸洗”。CIMCN4在冷線連續(xù)酸洗過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)隨著酸洗過(guò)程推進(jìn)，不銹鋼表面會(huì)出現(xiàn)一定程度的色差。CIMCN4屬于高錳含銅不銹鋼，氮含量約0.10%，其成分配比決定了在電解過(guò)程中電極反應(yīng)尤其是陰極反應(yīng)與其他不銹鋼存在一定的差異。Cu元素在不同電流密度下的析氫過(guò)電位與不銹鋼中其他元素有明顯區(qū)別，電解電流控制在高位時(shí)析氫反應(yīng)劇烈，鋼帶表面產(chǎn)生的氣泡多，會(huì)降低電解酸洗效率。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果，轉(zhuǎn)化為冷線酸洗工藝進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，電解電流對(duì)冷板表面影響較大，電解電流在4 000～3 500 A·dm-3范圍內(nèi)，冷板表面酸洗質(zhì)量較好，色澤均一，且無(wú)欠酸和過(guò)酸現(xiàn)象。另外，跟蹤不同批次CIMCN4冷板的酸洗表面質(zhì)量發(fā)現(xiàn)，CIMCN4不銹鋼在電解過(guò)程中易造成電解液pH值偏低，腐蝕電極板，因此，在生產(chǎn)過(guò)程中要求控制電解液pH值在合理范圍。

圖6為CIMCN4冷卷酸洗照片，從酸洗效果來(lái)看，CIMCN4冷卷酸洗后表面色澤均勻，無(wú)過(guò)酸現(xiàn)象。

圖6 CIMCN4冷板酸洗后表面效果

3.3 控制要點(diǎn)

1）CIMCN4耐蝕性比普通304差，酸洗后的殘留酸液會(huì)腐蝕鋼板表面影響質(zhì)量，生產(chǎn)過(guò)程中要注意鋼板表面的清潔清洗，保證清洗水質(zhì)良好。

2）為保證CIMCN4退火的均勻一致性，過(guò)冷線時(shí)應(yīng)提前做好清理酸槽、輥道的準(zhǔn)備工作，更換新的酸液。

4 結(jié)語(yǔ)

以集裝箱裝備制造業(yè)的特殊需求為導(dǎo)向，開發(fā)經(jīng)濟(jì)型奧氏體不銹鋼材料，以節(jié)約成本、提升行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力為導(dǎo)向，依靠自主創(chuàng)新，圍繞材料的合金成分體系設(shè)計(jì)以及冷板專有酸洗配方和工藝等方面開展研究工作，突破生產(chǎn)技術(shù)瓶頸，最終形成了一整套經(jīng)濟(jì)型CIMCN4奧氏體不銹鋼冷軋卷板產(chǎn)品關(guān)鍵制備工藝技術(shù)，制造出的CIMCN4奧氏體不銹鋼冷軋產(chǎn)品具有優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的冷加工性能，以及與SUS304奧氏體不銹鋼相當(dāng)?shù)哪透g性能，可滿足集裝箱材料的各項(xiàng)使用要求。目前，該CIMCN4奧氏體不銹鋼冷軋產(chǎn)品已在集裝箱制造領(lǐng)域得到了批量應(yīng)用。