CN104870675B - 不锈钢板及不锈钢箔 - Google Patents
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Abstract
本发明提供在不损害高温下的耐氧化性及高温使用时的形状稳定性的情况下提高热轧钢板、冷轧钢板的韧性从而改善了制造性的Fe‑Cr‑Al系不锈钢板以及对该不锈钢板进行轧制而形成的不锈钢箔。在Fe‑Cr‑Al系不锈钢中,以特定的范围复合添加V和B。具体而言,使V的含量为0.010~0.050质量%,使B的含量为0.0001~0.0050质量%,且使V的含量与B的含量之比满足质量比(V/B)>10。
Description
技术领域
本发明涉及不锈钢板及对该不锈钢板进行轧制而形成的不锈钢箔。
背景技术
Fe-Cr-Al系不锈钢在高温下的耐氧化性优良,因此被加工成不锈钢箔,用于汽车、摩托车、水上摩托、汽艇、大型割草机、小型发电机等的废气净化装置用催化剂载体(金属蜂窝)。
该金属蜂窝例如具有将平坦的不锈钢箔(平箔)与加工成波状的不锈钢箔(波箔)交替层叠而形成的蜂窝结构,箔之间通过钎焊等固定。此外,在该不锈钢箔的表面上涂布有催化物质的材料被用于废气净化装置中。
对于金属蜂窝用的不锈钢箔而言,除了要求高温下的耐氧化性优良以外,还要求蜂窝成型时的钎焊性(brazability)优良、即使在高温下使用形状也不会发生变化(发生变形时,催化剂层剥离或者蜂窝的孔被压扁而使废气难以通过)等。
这些特性优良的Fe-Cr-Al系不锈钢除用于金属蜂窝以外,还以薄板的形状应用于火炉或加热炉的构件、加热器的发热体等广泛领域中。
另一方面,对于Fe-Cr-Al系不锈钢而言,箔制造的中间材料(热轧钢板、冷轧钢板等)的韧性与其他不锈钢相比较差。因此,Fe-Cr-Al系不锈钢在热轧钢板的退火、脱氧化皮中或者冷轧中经常发生板破裂,由此引起操作故障、成品率降低,因而是难以制造的钢。
作为改善Fe-Cr-Al系不锈钢的热轧钢板、冷轧钢板的韧性的方法,例如在专利文献1或专利文献2中公开了通过添加Ti、Nb而固定钢中的C、N等杂质元素从而提高韧性的技术。在专利文献3中公开了如下技术:在铁素体系不锈钢中添加Ti、Nb来固定钢中的C、N,进一步添加适当量的V和B,由此,改善热轧钢板的深拉深性、加工时的耐表面粗糙性(surfaceroughening resistance)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开昭64-56822号公报
专利文献2:日本特开平05-277380号公报
专利文献3:日本特开2000-144344号公报
发明内容
发明所要解决的问题
但是,在专利文献1记载的方法中存在如下问题:由于添加大量Ti,因而TiO2等Ti氧化物大量混入到氧化覆膜中,钎焊性显著降低,并且高温下的耐氧化性降低。
另外,在专利文献2中存在如下问题:添加过量Nb时,无耐氧化性的(Fe,Al)NbO4在氧化覆膜中生成,耐氧化性显著降低。另外,Ti、Nb的氧化物的热膨胀率大,因而,在高温使用时会使平箔、波箔变形,引起所负载的催化剂层的剥离。这样,对于添加大量Nb、Ti这样的稳定化元素的方法而言,虽然热轧钢板、冷轧钢板的韧性得到改善,但存在高温下的耐氧化特性、形状稳定性大幅降低这样的问题。在专利文献3记载的方法中,也是为了改善热轧钢板的深拉深性而添加了V及B,但没有进行Fe-Cr-Al系不锈钢的韧性改善的研究。
本发明的目的在于提供在不损害高温下的耐氧化性及高温使用时的形状稳定性的情况下提高热轧钢板、冷轧钢板的韧性从而改善了制造性的Fe-Cr-Al系不锈钢板以及对该不锈钢板进行轧制而形成的不锈钢箔。
用于解决问题的方法
本发明人为了实现上述目的而进行了深入研究,结果发现,通过在Fe-Cr-Al系不锈钢中以特定的范围复合添加V和B,可以在不降低高温下的耐氧化性及高温使用时的形状稳定性的情况下得到韧性优良的不锈钢板。
本发明是基于这样的见解而完成的,归纳如下。
(1)一种不锈钢板,其特征在于,以质量%计含有C:0.020%以下、Si:1.0%以下、Mn:1.0%以下、P:0.040%以下、S:0.004%以下、Cr:16.0~30.0%、Al:2.00~6.50%、N:0.020%以下、Ni:0.01~0.50%、Cu:0.005~0.10%、Ti:低于0.050%、Nb:低于0.050%、V:0.010~0.050%、B:0.0001~0.0050%,
还含有Zr:0.005~0.200%、Hf:0.005~0.200%、REM:0.01~0.20%中的至少一种,余量由Fe和不可避免的杂质构成,
且满足{V的含量(V%)}/{B的含量(B%)}>10。
(2)如(1)所述的不锈钢板,其特征在于,以质量%计,还含有Ca:0.0002~0.0100%、Mg:0.0002~0.0100%中的至少一种。
(3)如(1)~(2)中任一项所述的不锈钢板,其特征在于,以质量%计,还含有合计为0.5~6.0%的、Mo:0.5~6.0%、W:0.5~6.0%中的至少一种。
(4)一种不锈钢箔,其具有(1)~(3)中任一项所述的成分组成,板厚为200μm以下。
发明效果
根据本发明,可以得到韧性及高温下的耐氧化性、形状稳定性优良的不锈钢板。使用该不锈钢板制造的不锈钢箔的高温下的耐氧化性、形状稳定性也优良。本发明的不锈钢板及不锈钢箔不仅适合于汽车、摩托车、水上摩托、雪地摩托、船舶等的废气净化装置用催化剂载体,还适合于其他燃烧气体排气系统构件。
具体实施方式
以下,对本发明的实施方式进行说明。需要说明的是,本发明并不限于以下的实施方式。
首先,对构成本发明的不锈钢板、不锈钢箔的钢的成分组成进行详细说明。对于本发明的不锈钢板、不锈钢箔而言,不锈钢板的韧性优良,并且,即使在高温下使用不锈钢箔,不锈钢箔也显示出充分的耐氧化性而不易变形。不锈钢板、不锈钢箔的钢的成分组成的限定理由如下所述。
作为以下所示的成分元素的含量的单位的“%”分别是指“质量%”。
C:0.020%以下
C含量超过0.020%时,热轧钢板、冷轧钢板的韧性降低而难以制造不锈钢箔。因此,C含量设定为0.020%以下、优选设定为0.015%以下。进一步优选设定为0.010%以下。C量可以为0%,但极度地降低C量会使得精炼花费时间而难以制造,因此,优选设定为0.002%以上。
Si:1.0%以下
Si含量超过1.0%时,热轧钢板、冷轧钢板的韧性降低而难以制造不锈钢箔。因此,Si含量设定为1.0%以下、优选设定为0.5%以下。进一步优选设定为0.2%以下。但是,如果想要使Si含量低于0.01%,则难以进行精炼,因此,Si的含量优选为0.01%以上。
Mn:1.0%以下
Mn含量超过1.0%时,会失去钢的耐氧化性。因此,Mn含量设定为1.0%以下、优选设定为0.5%以下。进一步优选设定为0.15%以下。但是,如果想要使Mn含量低于0.01%,则难以进行精炼,因此,Mn含量优选为0.01%以上。
P:0.040%以下
P含量超过0.040%时,钢的韧性及延展性降低而难以制造不锈钢箔。因此,P含量设定为0.040%以下、优选设定为0.030%以下。更优选尽可能地降低P含量。
S:0.004%以下
S含量超过0.004%时,热加工性降低而难以制造热轧钢板。因此,S含量设定为0.004%以下、优选设定为0.003%以下。更优选设定为0.002%以下。
Cr:16.0~30.0%
Cr在确保高温下的耐氧化性方面是必要不可欠缺的元素。Cr含量低于16.0%时,不能确保充分的高温下的耐氧化性。另一方面,Cr含量超过30.0%时,不锈钢箔的制造中的中间材料的钢坯、热轧钢板的韧性降低,难以制造不锈钢箔。因此,Cr含量设定为16.0~30.0%、优选设定为17.0~26.0%、进一步优选设定为17.0~22.0%。
Al:2.00~6.50%
Al是在高温氧化时(作为箔制品等的使用时)生成以Al2O3作为主要成分的氧化覆膜而显著提高耐氧化性的元素。Al含量为2.00%以上时,可以得到该效果。另一方面,Al含量超过6.50%时,由于钢的韧性的降低而难以制造不锈钢箔。因此,Al含量设定为2.00~6.50%、优选设定为2.50~6.00%。
N:0.020%以下
N含量超过0.020%时,钢的韧性降低而难以制造不锈钢箔。因此,N含量设定为0.020%以下、优选设定为0.010%以下。N量可以为0%,但极度地降低N量会使得精炼花费时间而难以制造,因此,优选设定为0.002%以上。
Ni:0.05~0.50%
Ni具有提高催化剂载体成形时的钎焊性的效果。因此,Ni含量设定为0.05%以上。但是,Ni为奥氏体生成元素。其含量超过0.5%时,高温下的氧化进行,箔中的Al因氧化枯竭后会生成奥氏体相。该奥氏体相会增大箔的热膨胀系数,产生箔的缩颈、断裂等不良情况。因此,Ni含量设定为0.05~0.50%、优选设定为0.01~0.50%、更优选设定为0.10~0.20%。
Cu:0.005~0.10%
Cu具有在钢中析出而提高高温强度的效果。因此,Cu含量设定为0.005%以上。另一方面,添加量超过0.10%时,钢的韧性降低。因此,Cu含量设定为0.005~0.10%、优选设定为0.005~0.05%。
Ti:低于0.050%
Ti含量为0.050%以上时,Ti氧化物大量混入到Al2O3覆膜中,钎焊性显著降低,并且高温下的耐氧化性及形状稳定性也降低。因此,Ti含量设定为低于0.050%、优选设定为低于0.020%。更优选尽可能地降低Ti含量。
Nb:低于0.050%
Nb含量为0.050%以上时,会生成(Fe,Al)NbO4的无保护性的氧化覆膜,高温下的耐氧化性显著降低。另外,(Fe,Al)NbO4的热膨胀率大,因此会助长箔的变形,引起催化剂的剥离。因此,Nb含量设定为低于0.050%、优选设定为低于0.020%。更优选尽可能地降低Nb含量。
V:0.010~0.050%、B:0.0001~0.0050%、且{V的含量(V%)}/{B的含量(B%)}>10
V和B是在本发明中发挥重要作用的元素。本发明人发现,通过在Fe-Cr-Al系不锈钢中以适当的范围含有V和B,即使不含有使韧性增高的程度的Ti、Nb这样的降低耐氧化性的元素,也能够改善热轧钢板及冷轧钢板的韧性。为了得到这样的效果,必须满足V:0.010~0.050%、B:0.0001~0.0050%且V%/B%>10。对于可以得到这样的效果的理由,推测为以下(1)~(3)。
(1)V抑制退火时的晶粒生长而使再结晶晶粒微细化,从而提高热轧退火钢板、冷轧钢板的韧性。作为可以得到这样的效果的理由,认为是V碳氮化物的微细析出所带来的钉扎效应(pinning effect)或者固溶V所带来的防止再结晶晶粒的粗大化的效果。
(2)B通过富集于晶界而降低晶界能量,抑制成为使热轧钢板的韧性、冷轧退火钢板的韧性降低的一个原因的晶界Cr碳氮化物的析出。但认为,在晶界的富集过度进行时,反而会生成B析出物而使韧性降低。
(3)上述效果根据V含量与B含量的质量比(V%/B%)而发生变化的理由认为是由于,晶界面积因V含量而发生变化,由此,对富集于晶界的B量带来影响,因此,在V含量与B含量之间存在最佳比。
需要说明的是,V、B以氮化物的形式析出时,不会发挥充分的效果。在本发明的不锈钢板的情况下,认为是由于含有大量与N的亲和性(affinity)强的Al,因此,V、B不会以氮化物的形式析出,会发挥充分的韧性改善效果。
为了发挥以上的效果,需要含有分别为0.010%以上、0.0001%以上的V、B。但是,含有超过0.050%的V时,耐氧化性降低,含有超过0.005%的B时,韧性反而降低。因此设定为V:0.010~0.050%、B:0.0001~0.0050%。此外,在即使V及B在该范围内、但V%/B%(V的含量/B的含量)为10以下的情况下,晶粒的微细化不进行而使晶界面积减少,B在晶界的富集过度地进行而使韧性降低。因此设定为质量比(V%/%B)>10。需要说明的是,在板温低的环境中进行制造的情况下等,基于进一步提高热轧钢板及冷轧钢板的韧性的需要,优选设定为V%/B%>20。
另外,本发明的不锈钢板中,在上述成分的基础上,还含有Zr:0.005~0.200%、Hf:0.005~0.200%、REM:0.01~0.20%中的至少一种。
在不含有这些成分的Fe-Cr-Al系不锈钢上生成的Al2O3氧化覆膜与钢基的密合性差。因此,在使用时,每次从高温达到低温时Al2O3氧化覆膜都发生剥离,不能得到良好的耐氧化性。Zr、Hf或REM具有改善Al2O3氧化覆膜的密合性而防止其剥离从而提高耐氧化性的效果。适量的Zr、Hf及REM还具有降低Al2O3覆膜的生长速度的效果以及提高耐氧化性的效果。另外,Zr还具有固定不锈钢中的C、N而提高韧性的效果。
Zr:0.005~0.200%
Zr改善Al2O3氧化覆膜的密合性,并且降低其生长速度而提高耐氧化性。另外,Zr固定C、N而提高韧性。这些效果在Zr含量为0.005%以上时得到。但是,Zr含量超过0.20%时,Zr氧化物大量混入到Al2O3氧化覆膜中,氧化覆膜的生长速度增加,耐氧化性降低。另外,Zr与Fe等形成金属间化合物,使不锈钢的韧性降低。因此,Zr含量设定为0.005~0.200%、优选设定为0.020~0.100%。
Hf:0.005~0.200%
Hf改善Al2O3氧化覆膜对钢的密合性,并且降低其生长速度而提高耐氧化性。其效果在Hf含量为0.005%以上时得到。但是,Hf含量超过0.200%时,Hf氧化物大量混入到Al2O3氧化覆膜中,氧化覆膜的生长速度增加,耐氧化性降低。另外,Hf与Fe等形成金属间化合物,使韧性降低。因此,Hf含量设定为0.005~0.200%、优选设定为0.020~0.100%。
需要说明的是,在同时添加Zr和Hf的情况下,从确保韧性的观点出发,优选其合计添加量不超过0.20%。
REM(稀土元素,rare earth metals):0.01~0.20%
REM是指Sc、Y及镧系元素(La、Ce、Pr、Nd、Sm等原子序号为57~71的元素)。REM改善Al2O3氧化覆膜的密合性,对于在反复氧化的环境下提高Al2O3氧化覆膜的耐剥离性具有极其显著的效果。因此,在要求优良的耐氧化性的情况下,特别优选含有REM。为了得到这样的效果,需要使REM含量合计为0.01%以上。另一方面,REM的含量超过0.20%时,热加工性降低而难以制造热轧钢板。因此,REM的含量设定为0.01~0.20%、优选设定为0.03~0.10%。需要说明的是,添加REM时,为了削减成本,也可以使用未将它们进行分离纯化的金属(混合稀土金属(misch metal)等)。
本发明的不锈钢板中,除上述成分以外,优选还含有规定量的选自Ca及Mg中的至少一种。
Ca:0.0002~0.0100%、Mg:0.0002~0.0100%
适量的Ca或Mg通过提高Al2O3氧化覆膜对钢的密合性并降低生长速度而提高耐氧化性。在单独添加的情况下,该效果在Ca含量为0.0002%以上、Mg含量为0.0002%以上时得到。进一步优选Ca含量为0.0010%以上、Mg含量为0.0015%以上。但是,过量添加这些元素时,会引起韧性的降低、耐氧化性的降低,因此,在单独添加的情况下,Ca、Mg优选各自为0.0100%以下、进一步优选各自为0.0050%以下。
本发明中使用的钢中,除上述成分以外,优选还含有规定量的选自Mo和W中的至少一种。
Mo和W的合计含量为0.5%~6.0%
Mo和W使高温强度增大。因此,在将不锈钢板或不锈钢箔用作催化剂载体时,Mo和W延长催化剂载体的寿命。该效果在Mo和W的合计含量为0.5%以上时得到。另一方面,Mo和W的合计含量超过6.0%时,因加工性的降低而难以制造不锈钢箔。因此,Mo和W的合计含量为0.5~6.0%、优选为2.5~5.5%。
上述以外的余量为Fe及不可避免的杂质。作为不可避免的杂质,可以例示Co、Zn、Sn等,这些元素的含量优选各自为0.3%以下。
接着,对不锈钢板进行说明。不锈钢板是板状的具有上述成分组成的钢。其制造方法没有特别限定,例如可以列举如下方法:利用转炉、电炉将具有上述成分组成的钢熔炼,利用VOD、AOD等进行精炼后,通过开坯轧制、连铸制成钢坯,将其加热至1050~1250℃的温度,进行热轧。另外,本发明的不锈钢板可以是为了除去钢材表面的氧化皮、污染物等而实施了喷砂处理(sandblasting)、钢格喷丸处理(steel grid blasting)、碱性脱脂、酸洗处理等的上述热轧钢板。另外,本发明的不锈钢板也可以是对上述热轧钢板进行冷轧而得到的冷轧钢板。
接着,对不锈钢箔进行说明。本发明的不锈钢箔通过对本发明的不锈钢板进行轧制来制造。通常,对除去了表面的氧化皮、污染物等的热轧钢板进行冷轧,进而反复进行退火和冷轧,从而制造期望厚度的不锈钢箔。
不锈钢箔的厚度没有特别限定,但在将本发明的不锈钢箔应用于废气净化装置用催化剂载体的情况下,为了降低排气阻力,其厚度越薄越有利。但是,废气净化装置用催化剂载体在比其他用途更严苛的环境下使用,有时会引起不锈钢箔断裂或折断等问题。因此,不锈钢箔的厚度优选设定为20~200μm。另外,废气净化装置用催化剂载体有时要求具有优良的耐振动性、耐久性。这种情况下,优选使不锈钢箔的厚度为约100μm~约200μm。另外,废气净化装置用催化剂载体有时要求高单元密度、低背压。这种情况下,更优选使不锈钢箔的厚度为约20μm~约100μm。
实施例
以下,通过实施例对本发明具体地进行说明。需要说明的是,本发明并不限于以下的实施例。
将利用50kg小型真空熔炼炉熔炼后的表1所示化学组成的钢加热至1200℃后,在900~1200℃的温度范围内进行热轧,制成板厚为3mm的热轧钢板。Al含量超出本发明范围的表1中记载的钢No.20在热轧时发生破裂(clack),不能得到完好的热轧钢板,不能制造箔。因此,也未进行评价试验。接着,将除钢No.20以外的热轧钢板在大气中、900℃、1分钟的条件下进行退火,利用酸洗除去表面氧化皮后,冷轧至板厚为1.0mm,制成冷轧钢板。然后,反复进行多次利用多辊轧机(cluster mill)的冷轧和退火,得到宽度为100mm、箔厚为50μm的不锈钢箔。
对于如此得到的热轧钢板及不锈钢箔,分别评价热轧钢板的韧性、不锈钢箔的高温下的耐氧化性及形状稳定性。
(1)热轧钢板的韧性
热轧钢板的韧性通过夏比冲击试验来进行评价。试验片基于JIS标准(JIS Z 2202(1998))的V形缺口试验片来制作。仅使板厚(JIS标准中为宽度)保持原材料的状态而不进行加工,使其为3mm。以使试验片的长度方向与轧制方向平行的方式进行裁取,与轧制方向垂直地形成缺口。关于试验,基于JIS标准(JIS Z 2242(1998)),对各温度各3根进行试验,测定吸收能量及脆性断面率,求出转变曲线。延展性-脆性转变温度(DBTT(ductile-brittle transition temperature))设定为脆性断面率达到50%的温度。将DBTT低于120℃评价为“◎”(优良),将DBTT为120℃以上且150℃以下评价为“○”(良好),将DBTT超过150℃评价为“×”(不良)。夏比冲击试验(Charpy impact test)中求出的DBTT为150℃以下时,预先确认在常温下能够稳定地进行冷轧。在冬季的通板等板温容易降低的环境中,基于能够更稳定地进行通板的理由,优选DBTT低于120℃。
(2)不锈钢箔的高温下的耐氧化性
对箔厚为50μm的不锈钢箔在5.3×10-3Pa以下的真空中进行在1200℃保持30分钟的热处理(相当于扩散接合或钎焊接合时的热处理的处理)。从热处理后的不锈钢箔上裁取三片20mm宽度×30mm长度的试验片。通过在大气气氛中于1100℃保持400小时的热处理使这些试验片氧化,测定三片的平均氧化增量(加热前后质量变化除以初期的表面积而得到的量)。此时,各试样未发现氧化覆膜的剥离(spalling)。对于平均氧化增量的测定结果,将10g/m2以下设定为“◎”(优良),将超过10g/m2且为15g/m2以下设定为“○”(良好),将超过15g/m2设定为“×”(不良),如果为“◎”或“○”则满足本发明的目的。
(3)不锈钢箔的高温下的形状稳定性
对箔厚为50μm的不锈钢箔在5.3×10-3Pa以下的真空中进行在1200℃保持30分钟的热处理(相当于扩散接合或钎焊接合时的热处理的处理)。将从热处理后的箔上裁取的100mm宽度×50mm长度的箔沿长度方向卷成直径5mm的圆筒状,通过点焊将端部接合,制作三根这样的试样。通过在大气气氛中于1100℃保持400小时的热处理使这些试样氧化,测定三个的平均长度变化量(加热后的圆筒长度相对于加热前的圆筒长度的增量的比例)。对于平均长度变化量的测定结果,将3%以下设定为“◎”(优良),将超过3%且为5%以下设定为“○”(良好),将超过5%设定为“×”(不良),如果为“○”或“◎”则满足本发明的目的。
将结果示于表2中。例如,钢No.14的V/B在本发明范围外,因而热轧钢板的韧性差。V/B在本发明范围内且其他成分基本与钢No.14相同的钢No.1及钢No.5的热轧钢板的韧性优良。将钢No.1与钢No.5进行比较,V/B>20的钢No.5的热轧钢板的韧性更优良。可见,作为本发明的钢No.1~15的热轧钢板的韧性、箔的高温下的耐氧化性及形状稳定性优良。另一方面,作为比较例的钢No.14~20的热轧钢板的韧性、箔的高温下的耐氧化性及形状稳定性中的至少一个特性差。根据以上结果,通过本发明,能够得到韧性优良且Fe-Cr-Al系耐氧化性优良的不锈钢及不锈钢箔。
Claims (4)
1.一种不锈钢板,其特征在于,以质量%计,C:0.020%以下、Si:1.0%以下、Mn:1.0%以下、P:0.040%以下、S:0.004%以下、Cr:16.0~30.0%、Al:2.00~5.81%、N:0.020%以下、Ni:0.05~0.50%、Cu:0.005~0.10%、Ti:低于0.050%、Nb:低于0.050%、V:0.010~0.050%、B:0.0001~0.0050%,
还含有Zr:0.005~0.200%、Hf:0.005~0.200%、稀土元素:0.01~0.20%中的至少一种,余量由Fe和不可避免的杂质构成,
且满足{V的含量}/{B的含量}>10。
2.如权利要求1所述的不锈钢板,其特征在于,以质量%计,还含有Ca:0.0002~0.0100%、Mg:0.0002~0.0100%中的至少一种。
3.如权利要求1~2中任一项所述的不锈钢板,其特征在于,以质量%计,还含有Mo:0.5~6.0%。
4.一种不锈钢箔,其具有权利要求1~3中任一项所述的成分组成,板厚为200μm以下。
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