本发明涉及奥氏体不锈钢领域，具体涉及一种经济型轨道车辆用高强度奥氏体不锈钢及其制造方法。
背景技术：
：面对日益严峻的环保形势和日益严苛的资源节约要求，大力发展健全城市公共交通体系成为许多国家和地区应对节能降耗采取的措施之一。作为公共交通体系的载体，城市轨道车辆和公交车辆自身的轻量化和长寿化也成为必然的发展趋势。随着国家中长期铁路规划的出台，铁路货运对高速、重载、长寿的要求进一步增强，铁路货运车辆目前的主要用材为铁素体不锈钢，根据城市公共交通用车辆的结构特点、制造工艺及使用环境，车辆制造材料需要具备以下特点：1)满足车辆安全性的强度和刚度；2)耐蚀性好；3)加工性好，能够满足车辆制造过程中的弯曲、剪切、冲压和焊接等工序的要求；4)合理的价格，满足通用性高、易于购买和经济型的要求。高强度碳钢材料可以满足轨道车辆和公交车辆对强度的要求，但是碳钢的耐蚀性较差，使用时需要进行涂装处理。如果从全生命周期的成本及使用考虑，采用高强度的不锈钢材料，既可以免去涂装步骤，又能显著增强车辆的耐蚀性，从而大大提高车辆寿命。目前制造城市轨交车辆的不锈钢主要有欧标1.4003、日标SUS301L和日标SUS304，其中1.4003不锈钢的耐蚀性强于碳钢，使用状态下的屈服强度与高强度碳钢基本相同，仍不能满足车辆进一步轻量化的需求；SUS301L不锈钢的高强度主要通过冷加工硬化实现，应用部位有所限制，而且其铬、镍含量较高，导致成本较高；SUS304不锈钢的铬、镍含量较高，强度低于1.4003和SUS301L，也不是理想的轨道车辆轻量化材料。铁路货运车辆目前主要采用耐候钢和铁素体不锈钢制作，高强度等级的耐候钢在强度方面满足了车体轻量化的要求，但其耐蚀性并没有提高，每个厂修期平均减薄1.44mm，难以满足铁路货运车辆25年的设计使用寿命要求；铁素体不锈钢，特别是目前主要采用的T4003不锈钢，在经济性与耐蚀性方面均已满足铁路货运车辆的制造要求，但是其屈服强度一般在350～400MPa，对车辆制造过程中的焊接方式也有特殊的要求。目前，国内外一些高强度奥氏体不锈钢如：中国专利CN201110027216.3、CN201210223960.5、CN201410294143.8、CN200810035045.7、CN200710038386.5以及日本专利JP2000063998A公开了不锈钢的化学成分范围，根据其实施例可以知道，这些不锈钢在热轧退火状态时的室温屈服强度都小于400MPa，最终高强度的产品需要经过大变形量的冷轧才能得到，产品延伸率降低，生产加工工序长。其中CN201110027216.3中Cu含量较高，不利于不锈钢的回收；中国专利CN201410294143.8中添加了稀土元素Ce，中国专利CN200710038386.5中Cr含量较高，日本专利JP2000063998A中Ni、Mo含量较高，都提高了合金成本。中国专利CN200810035045.7、CN200710134321.0，日本专利JP2001131713A、JP200063998A、JP4450700B2、JP5618057B2，美国专利US7767037B2、US8900511B2、US6764555B2和欧洲专利EP0481377A2中，均含有较高的合金，如Cr、Ni、Mo等，导致不锈钢的成本上升。中国专利CN200710039748.2利用TRIP效应可以得到室温屈服强度400MPa以上的不锈钢，但是其成分中不含Ni元素，完全依靠Mn、N来调节组织，形变诱发马氏体倾向严重，损害了钢的延伸率，而且耐腐蚀性能也较弱，提高了生产及加工的难度。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种经济型轨道车辆用高强度奥氏体不锈钢及其制造方法，所述奥氏体不锈钢的室温屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥700MPa，延伸率≥35％；此不锈钢应用于轨道客车，可以在满足安全性要求的前提下降低制造成本，此不锈钢应用于铁路货车，可以在保证经济性与使用寿命的同时提高强度，提高车辆的轻量化水平。为达到上述目的，本发明的技术方案如下：现有高强度奥氏体不锈钢在热轧退火状态下的室温屈服强度一般在300MPa左右，其提高强度的方法是通过大变形量冷轧后形成大量硬而脆的形变马氏体，强度提高的同时却不可避免带来韧性与加工性的降低。为避免这一问题，本发明中通过适当提高钢中锰、氮元素的含量，降低钢中镍的含量，碳、锰、氮配合提高钢的强度；少量降低铬元素含量，同时加入钒、钛等元素，细化组织的同时保证钢的耐腐蚀性。一种经济型轨道车辆用高强度奥氏体不锈钢，其化学成分质量百分比为：：C0.03～0.12％，Si0.4～0.8％，Mn8.5～14.5％，Cr14.0～15.5％，Ni1.2～1.8％，N0.15～0.25％，V≤0.15％，Ti≤0.10％，0.05％≤V+Ti，Cu≤0.60％，P≤0.03％，S≤0.01％，余量为Fe和不可避免杂质。本发明钢的化学成分满足公式Creq＝14.8～16.2，Nieq＝5.9～8.2，Md30/50＝-70～12.5，5.7≤(％Ni)+30(％C)+0.33(％Cu)+x(％N-0.045)≤10.5。其中：Creq＝(％Cr)+1.5(％Mo)+1.5(％W)+0.48(％Si)+1.75(％Nb)+2.3(％V)+2.5(％Al)；Nieq＝(％Ni)+(％Co)+0.1(％Mn)-0.01(％Mn)2+18(％N)+30(％C)；Md30/50＝413-9.5(％Ni)-13.7(％Cr)-8.1(％Mn)-9.2(％Si)-462(％C+％N)；当(％N)＝0～0.20时，x＝30；当(％N)＝0.21～0.25时，x＝22。本发明奥氏体不锈钢中：C：碳是强烈形成、稳定、扩大奥氏体相区的元素，C对室温下的奥氏体组织和强度起到关键作用，特别是在本发明中，Ni含量相对较低，C在稳定奥氏体组织方面作用重大；但是C含量过高，会影响钢的塑性和耐腐蚀性能，因此，本发明中C含量控制在0.03～0.12％。Si：Si是铁素体形成元素，同时Si含量过高会降低铬镍奥氏体不锈钢的耐蚀性并提高钢在固溶态的晶间腐蚀敏感性，因此为保证钢在室温下为奥氏体组织及其耐腐蚀性能，需要控制钢中的Si含量；但是在奥氏体不锈钢冶炼过程中，Si作为脱氧剂使用，钢中又必须含有一定含量的Si，因此本发明中Si含量控制在0.4～0.8％。Mn：Mn是弱奥氏体形成元素，但在不锈钢中是强奥氏体稳定元素，并且Mn能够显著提高N在钢中的溶解度，本发明中N含量较高，Ni含量较低，因此需要一定量的Mn元素，通过Mn、N、C的复合作用代替部分Ni，稳定奥氏体组织；但是Mn对不锈钢的耐腐蚀性能有负面影响，Mn含量太高会降低钢的耐点蚀、耐缝隙腐蚀性能，因此本发明中Mn含量控制在8.5～14.5％。Cr：Cr是不锈钢中最重要的合金元素，是保证不锈钢耐蚀性的最基本元素，随着钢中Cr含量增加，不锈钢的晶间腐蚀敏感性降低，强度提高，但塑性和冷成型性能会降低，同时Cr是铁素体形成元素，含量过高对奥氏体组织稳定性无益，因此综合考虑，本发明中Cr含量控制在14.0～15.5％。Ni：Ni是重要的奥氏体形成和稳定元素，能促进不锈钢钝化膜的稳定性，降低韧脆转变温度，提高冷成型性和焊接性，同时Ni也是昂贵的元素，对奥氏体不锈钢的成本有重要影响，因此本发明中Ni含量控制在1.2～1.8％。N：N在不锈钢中非常强烈的形成、稳定和扩大奥氏体相区的元素，通过固溶强化作用，N可以显著提高奥氏体不锈钢的室温和高温强度，并且不显著降低钢的塑韧性，同时N能提高奥氏体不锈钢的耐酸腐蚀性和耐局部腐蚀性能；由于N在不锈钢中的溶解度有限，为避免凝固过程中产生皮下气孔，N必须与其他元素协调作用保证以固溶态存在，综合考虑本发明中的Mn、C等的含量，本发明中N含量控制在0.15～0.25％。V和Ti：在钢中与C、N的结合能力很强，能减少晶界碳化物析出，提升不锈钢的耐晶间腐蚀性能，V和Ti还能细化晶粒，提高不锈钢的强度，Ti还有利于提高焊接性能，同时Ti可与钢中的S结合形成TiC2S化合物以防止MnS所引起的点蚀；但是Ti含量过高会使钢的表面质量恶化，V和Ti对材料平衡相的控制也有一定影响，因此本发明中，V含量控制在0.15％以下，Ti含量控制在0.10％以下，两者单独或同时添加时保证0.05％≤V+Ti。Cu：Cu能提高不锈钢的不锈性和耐蚀性，特别是在硫酸等还原性介质中的作用更为明显，Cu能显著降低不锈钢的强度和冷加工硬化倾向；但是向以Mn、N代Ni的铬锰奥氏体不锈钢中加入Cu，其延迟断裂敏感性要远低于铬镍奥氏体不锈钢，并且随着钢中Cu含量的增加，不锈钢的热塑性降低，因此本发明中Cu含量控制在0.60％以下。P：P是钢中的杂质元素，对不锈钢的塑、韧性及耐蚀性都有不利影响，生产中要尽可能降低其含量，因此本发明中P含量控制在0.03％以下。S：S是钢中的杂质元素，对钢的高温塑、韧性及耐蚀性均有有害作用，生产中要尽可能降低其含量，因此本发明中S含量控制在0.01％以下。对于轨道车辆用不锈钢而言，合理的焊接组织能够保证合格的焊接性能，化学成分满足公式5.7≤(％Ni)+30(％C)+0.33(％Cu)+x(％N-0.045)≤10.5(当(％N)＝0～0.20时，x＝30；当(％N)＝0.21～0.25时，x＝22)能够保证本发明奥氏体不锈钢在焊接过程按照特定的凝固模式得到合理的组织，避免出现焊接热裂纹等缺陷，从而满足轨道车辆的焊接加工要求。本发明旨在提高奥氏体不锈钢强度的同时，降低合金成本，为了保证不锈钢的奥氏体组织稳定性和强度，所以在成分控制方面，C靠近下限含量时，N靠近上限含量，C靠近上限含量时，N靠近下限含量，同时依据上述成分，本发明奥氏体不锈钢在热轧退火平整之后的室温屈服强度≥400MPa。本发明的经济型轨道车辆用高强度奥氏体不锈钢的制造方法，包括：1)冶炼、铸造按上述所述成分冶炼、铸造成钢锭或板坯；2)热轧热轧加热温度1200～1280℃，加热时间由钢锭或板坯的厚度决定，为1～2min/mm，即保证加热均匀且不产生一些表面质量缺陷；热轧温度为980～1050℃；3)退火酸洗退火酸洗温度为1050～1120℃，退火时间由热轧带钢的厚度决定，为3～5min/mm；4)平整；平整压下量为2.5～8.0％。优选地，上述平整的压下量控制在2.5～5.0％。从Md30/50公式可以看出，本发明的不锈钢在产生真应变30％，出现50％马氏体的温度Md30/50为-70～12.5℃，即在较低的温度时，发生较大变形才会形成马氏体，而在室温条件下通过制造方法步骤4)所述范围压下量的平整，钢的组织中不会产生磁性的形变马氏体相，而位错密度会显著提高，从而提高钢带的强度，同时平整工序又起到调整板形的作用，最后经过脱脂清洗后得到成品的奥氏体不锈钢板带，其室温屈服强度≥400MPa。与现有轨道车辆用奥氏体不锈钢相比，本发明具有以下有益效果：以往的奥氏体不锈钢材料热轧退火后的性能无法满足轨道车辆用钢的要求，需要通过调质冷轧提高强度，本发明中通过Mn、N、C等元素的配合，并添加一定量的V、Ti发挥N的固溶强化作用和V、Ti的细晶强化作用，在热轧固溶处理后通过小变形量的平整，提高了奥氏体不锈钢在室温下的屈服强度，省去了冷轧工序，制造成本显著降低，本发明中奥氏体不锈钢成品的室温屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥700MPa，延伸率≥35％，满足轨道车辆用钢对性能的要求。Mn、N的控制，保证了钢在固溶状态的组织与性能，同时降低了贵金属元素Ni的含量，控制了较低的合金含量，保证了产品的经济性。冶炼过程中，Si含量控制在0.4～0.8％，可以保证较低的钢水总氧含量，同时Si提高了铬氧化膜的粘附性，有利于获得良好的表面质量。热轧及退火过程中的温度控制，保证了奥氏体组织的比例和稳定性。根据不同厚度规格的奥氏体不锈钢钢板及对成品力学性能的不同要求，在合理范围内适当调整平整过程中的压下量，改善板形的同时进一步提高强度，保证成品奥氏体不锈钢屈服强度与延伸率的良好配合。本发明奥氏体不锈钢的屈服强度、抗拉强度及延伸率均优于现有同等强度级别的轨道客车用冷轧不锈钢及铁路货车用铁素体不锈钢，使用本发明奥氏体不锈钢制作轨道车辆，能够减轻车体重量，提高车体强度，满足轻量化要求。附图说明图1是本发明实施例3所生产的奥氏体不锈钢的室温微观组织图。具体实施方式下面结合实施例对发明做进一步说明。本发明经济型轨道车辆用奥氏体不锈钢的实施例成分如表1所示，余量为铁和不可避免的杂质。成品性能如表2所示。本发明经济型轨道车辆用奥氏体不锈钢的制造方法包括以下步骤：1)冶炼、连铸按照所述化学成分经电炉、AOD、VOD三步法冶炼或电炉、AOD两步法冶炼，经连铸后得到铸坯；2)热轧热轧加热温度1200～1280℃，加热时间由钢锭或板坯厚度决定，按照1～2min/mm的原则确定；终轧温度980℃～1050℃；3)热轧退火酸洗退火温度1050～1120℃，退火保温时间根据板带厚度按照3～5min/mm的原则确定；4)平整平整压下量控制在2.5～8.0％。表1本发明实施例及其对比例化学成分(单位：wt％)CSiMnCrNiCuVTiN实施例10.0590.48611.8014.901.520.540.1050.0800.159实施例20.0350.42114.3315.461.450.480.133--0.237实施例30.0670.57412.5414.481.730.480.1200.0320.202实施例40.1100.6308.5514.871.390.370.0820.0610.162实施例50.0760.5229.1915.061.560.38--0.0610.171实施例60.0560.78510.7415.311.660.370.0520.0790.215对比例10.0100.71.117.16.80.3----0.15对比例20.0120.600.8012.50.80----0.200.013表2本发明实施例及其对比例工艺参数与力学性能备注：对比例1(AISI301-DLT)，对比例2(T4003)。从表2本发明实施例钢的力学性能及图1可以看出：本发明实施例钢的力学性能与AIS301L-DLT等级的轨道客车用不锈钢相当，可以满足客车车辆用钢的强度范围要求；本发明实施例钢的力学性能优于铁路货车用T4003不锈钢的力学性能，可以满足铁路货车用钢的强度要求。从实施例钢的力学性能与金相组织可以看出，本发明实施例钢在使用条件下的金相组织仍保持为奥氏体组织，通过对平整变形量的控制，可以保证本发明的不锈钢组织均匀，不会产生磁性的形变马氏体。从实施例的点蚀电位可以看出，实施例的点蚀电位明显高于T4003不锈钢，但弱于AIS301L-DLT，需要说明的是，实施例的点蚀电位所处范围，能够保证材料的耐腐蚀性能满足铁路货车服役条件的要求，同时能够适应同等强度级别轨道客车用不锈钢的使用环境。本发明通过科学的成分设计，相比于对比例轨道客车用不锈钢，原材料成本大大降低，并且节省了冷轧工艺，生产流程简化，过程容易控制，在同等强度下具有明显的成本优势；相比于对比例铁路货车用不锈钢，综合力学性能提升，在厚度低于现有钢种的情况下，依然具有同等甚至更优的力学性能，在车体轻量化应用方面具有更强的竞争力。综上所述，本发明制备的高强度低镍奥氏体不锈钢可用于轨道车辆的轻量化、经济型制造，市场前景广阔。当前第1页1 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