一种高表面质量的303易切削不锈钢盘条及其制造方法与流程

1.本发明属于不锈钢生产技术领域，具体涉及一种高表面质量的303易切削不锈钢盘条及其制造方法。


背景技术：

2.近年来，随着汽车、精密仪器、自动车床行业快速发展，易切削不锈钢使用量逐年增加。303是在s30400奥氏体不锈钢化学成分的基础上，通过添加易切削元素硫而开发的一种易切削不锈钢。目前，国内厂家生产的303不锈钢盘条制造流程普遍为：电弧炉－aod炉－lf炉－连铸－热轧－离线固溶，经此制造流程的303不锈钢盘条表面容易存在翘皮与“花斑”现象。
3.不锈钢盘条的离线固溶一般需要将盘条从室温加热至1050℃左右保温一段时间，使有害第二相充分溶于基体中，再快速冷却以获得要求的组织和性能。此工序耗时较长、热损耗较大。
4.303不锈钢盘条因s元素含量高易偏析，盘条表面容易形成翘皮缺陷，经客户拉拔、研磨加工后翘皮脱落，表面易形成凹坑缺陷，影响成品质量。303铸坯在凝固时，由于s元素在奥氏体中的固溶度低于铁素体，凝固过程中铁素体转变为奥氏体时，s元素析出累积到晶界，发生s元素晶界偏析。当铸坯温度低于1004℃时发生包共晶反应，fe-fes共晶体分布于晶界处，在加热温度大于熔点的热加工过程中，fe-fes共晶体熔化，钢在轧制受压时造成晶界破裂，发生热脆现象，形成翘皮缺陷。
5.303不锈钢盘条经离线固溶工序后表面容易出现混晶缺陷，盘条粗晶位置较细晶位置材质软，导致后续加工表面粗晶位置处容易出现凹坑缺陷，影响成品质量。303混晶产生于离线固溶工序，通过对存在混晶缺陷的303盘条进行分析和实验室固溶模拟，结果如下：
6.(1)通过对离线固溶303“花斑”盘条进行金相分析发现：细晶(如图1所示)和粗晶(如图2所示)相比，粗晶位置硫化物尺寸更大、形态更圆、数量更少。
7.(2)通过303盘条在马弗炉的固溶模拟实验表明，离线固溶“花斑”的形成与固溶时长、固溶温度有直接关系。在固溶时间都为90min，固溶温度900-1060℃时，温度达到1000℃以后，组织开始出现“花斑”参见(图3～5)。且1000℃后，硫化物开始出现聚合长大(参见图6～8)。即说明硫化物的聚合长大是“花斑”的诱因。当温度为1000℃，发现固溶时长在20min以内，303无“花斑”。超过20min以后，组织开始出现异常长大(图9～11)。以上现象说明了固溶温度和时间直接影响303“花斑”。现有离线固溶炉可以控制固溶温度，但在炉时间一般为90～150min，难以实现短时固溶，无法克服“花斑”现象。
8.以上说明，303“花斑”产生的原因在于：303离线固溶时，经90～150min时间保温，硫化物发生聚合长大。不同位置硫化物数量、尺寸、形态差异使得硫化物对组织“钉扎”作用差异，导致不同位置组织生长情况不同，从而产生“花斑”。
9.中国专利cn114453413a公开了一种“含硫易切削不锈钢盘条的轧制方法”，该专利
中303cu不锈钢的化学成分质量百分比为：c≤0.05％、mn≤3.00％、si≤1.00％、p≤0.006％、s：0.24～0.30％、cr：17.00～19.00％、ni：8.00～10.00％、cu：1.80～3.50％、mo≤0.60％、n≤0.040％，余量为fe和不可避免的杂质；其加热炉均热段温度区间为1270-1290℃。盘条在吐丝后加盖保温罩，保温罩出口增加水爆装置，减少了离线固溶工艺环节，避免了离线固溶带来的“混晶”问题；该专利得到的晶粒度级别为9.5～10级。
10.中国专利cn101435057a公开了一种“新型低成本易切削不锈钢303b及其制造工艺”，通过提高mn元素含量至9～11％、降低ni元素含量至3～4％，稳定了奥氏体组织，降低了成本。
11.中国专利cn102319736a公开了一种“含锡易切削钢的轧制方法”，通过控制斯太尔摩冷却线降低冷却速率，有效消除了轧件内部残余应力，提高冷拔成材率。
12.中国专利cn1669685a公开了一种“含锡易切削钢的轧制方法”，采用了控制加热炉加热温度、加热速率和终轧温度的工艺，有效避免了含锡易切削钢在轧制过程中易产生的热脆现象。
13.中国专利cn105234170a公开了“一种大规格易切削钢轧制方法”，通过控制加热炉加热温度、开轧温度和冷却速率，改善大规格盘条耳形、结疤、氧化皮厚缺陷。
14.中国专利cn113787094a公开了一种“高碳易切削钢盘条的轧制方法”，通过设定较高的加热炉温度，减少铸坯因碳偏析造成的局部网状碳化物现象。
15.以上这些涉及易切削钢和控轧控冷技术的专利，主要针对的是易切削不锈钢、碳钢的成分设计、组织、残余应力、热脆性和表面缺陷的影响，并没有涉及高表面质量的303易切削不锈钢控轧控冷技术的制造方法。


技术实现要素：

16.本发明的目的在于提供一种一种高表面质量的303易切削不锈钢盘条及其制造方法，该易切削不锈钢盘条无“花斑”缺陷、表面质量好、生产成本较低且性能良好，该不锈钢盘条的抗拉强度≤590mpa，断后延伸率≥40％，断面收缩率≥50％。
17.为达到上述目的，本发明的技术方案是：
18.一种高表面质量的303易切削不锈钢盘条，其成分质量百分比为：c：0.015％～0.150％、mn：1.00～3.00％、si：0.20％～1.00％、p≤0.045％、s：0.15～0.35％、cr：17.00～19.00％、ni：8.00～10.00％、cu：1.50～3.50％，余量包含fe和其它不可避免的杂质；且同时满足：
19.mn/s＞8.2；
20.铸坯高温铁素体质量比δ-f＝3.0～7.0％；
21.δ-f＝((cr+mo+1.5*si+18)/(ni+30*c+30*n+0.5*mn+36)+0.262)*161-161；
22.碳化物析出温度t
m23c6
≤950℃；
23.t
m23c6
＝594+3950*c+20*si+1.4*mn+8*cr-1.4*ni-300*n+16.7*cu。
24.进一步，所述余量为fe和其它不可避免的杂质。
25.优选的，c≤0.08wt％。
26.本发明所述的易切削不锈钢盘条的显微组织为奥氏体+高温铁素体+硫化物。
27.本发明所述的易切削不锈钢盘条的抗拉强度≤590mpa，断后延伸率≥40％，断面
收缩率≥50％。
28.在本发明所述高表面质量的303易切削不锈钢盘条成分设计中：
29.mn：mn元素是奥氏体形成元素，一定范围内的mn含量能改善钢的热塑性；过高的mn含量会降低材料的成型性能，从而影响热轧表面质量；过低的mn含量会使得303中的s元素偏析；mn含量增加，mn/s数值增大，s元素偏析降低。因此本发明中将mn含量控制在1.00～3.00％。
30.s：s在303中主要是提高钢的切削性能，s与锰形成硫化锰夹杂物，在切削时促进断屑，起到润滑作用，降低刀具磨损。但s过高会导致硫化锰夹杂处应力集中的缺口效应，增加轧制的难度，且耐腐蚀性能降低。因此本发明中将s含量控制在0.15～0.35％。
31.mn/s值：由于mn与s的亲和力大于fe与s，提高mn/s可以减少溶入奥氏体中的s元素，也可以减少从晶界析出的s元素含量，即有效减少s元素的偏析。对303铸坯的偏析度分析说明：当mn/s＜8.2时，303铸坯中s元素偏析加剧(参见图12)，易形成fe-fes共晶体分布于晶界处，在加热温度大于熔点的热加工过程中，fe-fes共晶体熔化，钢在轧制受压时造成晶界破裂，发生热脆现象，形成翘皮缺陷。因此控制mn/s＞8.2。
32.δ-f值：303中铸坯的高温铁素体含量能够减小s元素的偏析，但高温铁素体含量越高，303的塑性越差。经生产线制造303分析说明：当δ-f值＜3.0％时，s元素的偏析较严重(参见图13)，易形成fe-fes共晶体分布于晶界处，，在轧制时发生热脆现象，形成翘皮缺陷；当δ-f值＞7.0％时，虽然钢中的s元素偏析减弱，但钢中富余的高温铁素体恶化了303的塑性，使得轧制易开裂。因此控制δ-f值3.0～7.0％。
33.t
m23c6
值：不锈钢中碳化物的析出，降低了钢中cr的含量，导致不锈钢耐腐蚀性能下降。碳化物析出温度以thermol-calc热力学软件计算结果(参见图14)为指导，通过计算不同成分的303的碳化物析出温度并结合实验室固溶模拟，得到碳化物析出温度公式。因生产线斯太尔摩风冷线上加热装置条件所限，盘条出加热装置水冷机组前最低温度为950℃，故要求t
m23c6
≤950℃。
34.本发明所述的高表面质量的303易切削不锈钢盘条的制造方法，其包含以下步骤：
35.1)冶炼、铸造
36.按上述所述成分冶炼、铸造成铸坯；
37.2)加热
38.控制加热温度为1250～1300℃，加热时间3.0～5.0h；
39.3)轧制
40.控制粗轧开轧温度1100～1250℃，精轧入口温度1000～1150℃，控制精轧总变形率≤60％；
41.4)冷却
42.控制吐丝机吐丝温度为1000～1100℃，斯太尔摩辊道速度8～25m/min，盘条在斯太尔摩辊道控制冷却速率≤60℃/min，盘条进水冷机组的温度为950～1020℃，出水冷机组温度≤200℃。
43.优选的，步骤1)中，铸坯加热温度1260～1290℃。
44.优选的，步骤2)中，加热炉出料口至粗轧机组和粗轧到一中轧机组中间辊道盖保温罩，保证粗轧开轧温度1100～1250℃及精轧机入口温度1000～1150℃；精轧机组后水箱
开2组，控制水箱阀门开口度80～100％，，控制吐丝机吐丝温度为1000～1100℃。精轧机入口温度和精轧总变形率需满足晶粒度级别关系式：d≤9.0，d＝24.23-0.00366*t
精轧-19.955*ε
精轧
，其中，t
精轧
为精轧机入口温度，ε
精轧
为精轧机组总变形率。
45.优选的，步骤3)中，斯太尔摩线保温罩全部关闭，加热装置开启，控制盘条冷却速率30～50℃/min；斯太尔摩线辊道运行速度8～16m/min；盘条出保温罩后，管控盘条进水冷机组前温度≥950℃。
46.在本发明所述高表面质量的303易切削不锈钢盘条的制造方法中：
47.控制加热炉加热温度1250～1300℃，保证硫化物充分球化、分布均匀，获得良好的高温塑性，为精轧机提供合适的入口温度。
48.控制粗轧开轧温度1100～1250℃，控制精轧入口温度1000～1150℃，控制精轧机总变形率≤60％，以获得较为粗大的奥氏体组织。
49.控制吐丝机吐丝温度为1000～1100℃，斯太尔摩辊道速度8～25m/min，控制冷却速率≤60℃/min，吐丝机出口至水瀑机组前加盖保温罩，盘条出保温罩进水冷机组的温度为950～1020℃，盘条出水冷机组温度≤200℃。以实现短时在线固溶，避免了晶粒的异常长大，保证了盘条的性能。
50.步骤1)中，铸坯加热温度1260～1290℃，研究加热温度对铸坯硫化物形态的影响(图15～图18)，可见随着温度升高，铸坯硫化物逐渐长大，球化也更好。
51.步骤2)中，加热炉出料口至粗轧机组和粗轧到一中轧机组中间辊道盖保温罩，减少轧件热量损失，保证粗轧开轧温度1100～1250℃及精轧机入口温度1000～1150℃。
52.步骤2)中，精轧机组后水箱开2组，控制水箱阀门开口度80～100％，降低轧件因轧速快导致的快速升温，控制吐丝机吐丝温度为1000～1100℃。
53.步骤2)中，精轧机入口温度和精轧机总变形率需满足晶粒度级别关系式：d＝24.23-0.00366*t
精轧-19.955*ε
精轧
≤9.0。
54.晶粒度级别公式以轧线不同精轧入口温度、不同精轧机总变形量轧后实际取样分析晶粒度为依据，通过拟合得到晶粒度级别公式。
55.步骤3)中，斯太尔摩线辊道运行速度8～16m/min，使得盘条在加热装置及保温罩内缓冷，延长再结晶时间以降低抗拉强度、提升延伸率。
56.步骤3)中，盘条出加热装置及保温罩后，管控盘条水冷机组前温度≥950℃，避免碳化物析出，提高耐蚀性。
57.与现有技术相比，本发明的优点在于：
58.1、现有“gb/t 4356不锈钢盘条”标准中，y12cr18ni9cu不锈钢的化学成分质量百分比为：c≤0.150％、mn≤3.00％、si≤1.00％、p≤0.200％、s＞0.150％、cr：17.00～19.00％、ni：8.00～10.00％、cu：1.50～3.50％，余量为fe和不可避免的杂质。中国专利cn114453413a“含硫易切削不锈钢盘条的轧制方法”中，303cu不锈钢的化学成分质量百分比为：c≤0.05％、mn≤3.00％、si≤1.00％、p≤0.006％、s：0.24～0.30％、cr：17.00～19.00％、ni：8.00～10.00％、cu：1.80～3.50％、mo≤0.60％、n≤0.040％，余量为fe和不可避免的杂质。现有“303cu易切削不锈钢盘条生产实践”文献中，提及mn/s控制在8.0左右。
59.本发明成分符合“gb/t 4356不锈钢盘条”中y12cr18ni9cu钢的范围，通过约束成分mn/s＞8.2，δ-f：3.0～7.0％，减少s元素偏析造成的热轧表观翘皮缺陷，得到的盘条表面
质量良好。
60.2、现有“303cu易切削不锈钢盘条生产实践”文献中，加热温度区间为1200～1350℃；现有“不锈钢线材303cu和302hq的生产实践”文献中，303cu加热温度区间为1180～1300℃；中国专利cn114453413a“含硫易切削不锈钢盘条的轧制方法”中，均热段温度区间为1270-1290℃。
61.本发明通过控制加热温度1260～1290℃，优化加热炉温度选择范围，加热炉执行目标更明确，保证硫化物的球化也避免了加热温度过高带来的热能损耗。
62.3、现有中国专利cn114453413a“含硫易切削不锈钢盘条的轧制方法”中，晶粒度级别为9.5～10级；目前经离线固溶固溶工艺的303cu盘条晶粒度级别达到7.0-8.0级，局部晶粒度达1.0级。
63.本发明通过控制精轧入口温度1000～1150℃和精轧总变形率≤60％，获得晶粒度级别≤9.0级的盘条，盘条与离线固溶的盘条机械性能相当。
64.4、现有中国专利cn114453413a“含硫易切削不锈钢盘条的轧制方法”中，盘条在吐丝后加盖保温罩，保温罩出口增加水爆装置。
65.本发明在斯太尔摩辊道上安装加热装置、保温罩与水冷机组，通过约束成分和控制冷却工艺中盘条水冷机组前温度＞t
m23c6
，避免碳化物析出，本发明得到的盘条与离线固溶的盘条耐腐蚀性相当。
66.5、现有“303cu易切削不锈钢盘条生产实践”文献中，303cu不锈钢盘条需经离线固溶工序后出现“混晶”；现有中国专利cn114453413a“含硫易切削不锈钢盘条的轧制方法”中，303cu省去了离线固溶工序，生产的303cu盘条无“混晶”，此发明的力学性能与离线固溶的性能相当。
67.本发明省去了离线固溶工序，通过控轧控冷技术生产的303盘条，避免了硫化锰聚集长大，盘条无“花斑”缺陷，本发明得到的盘条表观质量良好；同时降低了固溶损耗，提高了生产效率，节省了成本。
68.本发明的有益效果在于：
69.(1)本发明通过约束合金成分关系：mn/s＞8.2；δ-f(％)：3.0～7.0，减少s元素偏析造成的翘皮缺陷，提高盘条表面质量。
70.(2)本发明通过控轧控冷技术，省去了盘条离线固溶工序，避免组织因离线固溶造成的“花斑”缺陷，提高了盘条表面质量，降低了固溶损耗，提高了生产效率，节省了成本。
71.(3)本发明通过碳化物析出温度t
m23c6
≤950℃，约束合金成分关系和热轧工序中盘条水冷机组前温度，确保碳化物析出温度低于盘条水冷机组前温度，避免碳化物析出。
72.(4)本发明通过控制精轧机入口温度和精轧机总变形率，使得盘条成品晶粒度级别满足d≤9.0，确保机械性能与经离线固溶生产的盘条相当。
附图说明
73.图1为固溶态303不锈钢盘条细晶位置硫化锰形态；
74.图2为固溶态303不锈钢盘条粗晶位置硫化锰形态；
75.图3为303不锈钢盘条马弗炉模拟950℃固溶1.5h的组织；
76.图4为303不锈钢盘条不锈钢盘条马弗炉模拟1000℃固溶1.5h的组织；
77.图5为303不锈钢盘条马弗炉模拟1040℃固溶1.5h的组织；
78.图6为303不锈钢盘条马弗炉模拟950℃固溶1.5h的硫化物形态；
79.图7为303不锈钢盘条马弗炉模拟1000℃固溶1.5h的硫化物形态；
80.图8为303不锈钢盘条马弗炉模拟1040℃固溶1.5h的硫化物形态；
81.图9为303不锈钢盘条马弗炉模拟1000℃固溶10min的组织；
82.图10为303不锈钢盘条马弗炉模拟1000℃固溶20min的组织；
83.图11为303不锈钢盘条马弗炉模拟1000℃固溶30min的组织；
84.图12为303不锈钢盘条的mn/s对s元素偏析度的影响；
85.图13为303不锈钢盘条的δ-f对s元素偏析度的影响；
86.图14为303不锈钢盘条易切削不锈钢计算相图；
87.图15为本发明303不锈钢盘条实施例2方坯1200℃保温0.5小时后的夹杂物形貌；
88.图16为本发明303不锈钢盘条实施例2方坯1230℃保温0.5小时后的夹杂物形貌；
89.图17为本发明303不锈钢盘条实施例2方坯1260℃保温0.5小时后的夹杂物形貌；
90.图18为本发明303不锈钢盘条实施例2方坯1290℃保温0.5小时后的夹杂物形貌；
91.图19为本发明303不锈钢盘条实施例3碳化物析出情况；
92.图20为303不锈钢盘条对比例3碳化物析出情况；
93.图21为本发明303不锈钢盘条实施例4显微组织；
94.图22为303不锈钢盘条对比例4显微组织；
95.图23为本发明303不锈钢盘条实施例4宏观无缺陷表面图片；
96.图24为303不锈钢盘条对比例4宏观表面亮带图片；
97.图25为303不锈钢盘条对比例6宏观表面翘皮图片。
具体实施方式
98.下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
99.本发明实施例和对比例的成分指标见表1，余量包含fe和其他不可避免的杂质；本发明实施例制造工艺见表2；实施例及对比例的机械性能、耐腐蚀性能、晶粒度级别指标见表3。
100.材料的力学性能测试根据gb/t 228.1《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行。
101.材料的点腐蚀速率测试按照gb/t 17897-2016《不锈钢三氯化铁点腐蚀试验方法》，试验溶液为6％的fecl3+0.16％hcl溶液，试验温度为35
±
1℃。
102.材料的组织晶粒度检测按照gb/t 6394-2017《金属平均晶粒度测定法》进行。
103.实施例1和对比例1相比，实施例1精轧机入口温度1124℃，对比例1精轧机入口温度980℃，实施例1晶粒度级别为8.5，对比例1晶粒度级别为9.5。对比例1精轧温度低，故晶粒度级别＞9.0级。
104.实施例2和对比例2相比，实施例2精轧机总变形率58.9％，对比例2精轧机总变形率53.8％，实施例2晶粒度级别为8.5，对比例2晶粒度级别为9.5。对比例2精轧机总变形率低，故晶粒度级别＞9.0级。
105.实施例3和对比例3相比，实施例3水冷机组前温度998℃高于碳化物析出温度865
℃，对比例3水冷机组前温度902℃低于碳化物析出温度930℃，对比例3存在明显的碳化物析出，实施例3无碳化物析出如图19所示，对比例3有较多白色点状碳化物析出图20所示。实施例3的点腐蚀速率是32.3g/(m2*h)，对比例3是43.5g/(m2*h)，耐蚀性更差。碳化物的存在降低了耐腐蚀性能。
106.实施例4-9与对比例4-6相比，实施例4-9省去离线固溶工序，对比例4-6经离线固溶工序。实施例4-9盘条表观无“花斑”、无碳化物析出、晶粒度级别都是9.0级，对比例4-6无碳化物析出，但表观存在翘皮和“花斑”缺陷。实施例4显微组织均匀如图21所示，对比例4显微组织存在“花斑”现象如图22所示，实施例4盘条表观无“花斑”缺陷如图23所示，对比例4盘条表观存在明显的“花斑”现象如图24所示。实施例4-9与对比例4-6机械性能、耐腐蚀性能相近，如表3所示。
107.实施例4-6和对比例3、4相比，实施例4-6满足mn/s＞8.2，对比例3、4的mn/s＜8.2，mn/s比的差别使得实施例4-6的翘皮不良率分别为3.4％、3.5％和2.5％，对比例3、4的翘皮不良率为18.7％和19.1％。
108.实施例7-9和对比例5、6相比，实施例5、6满足δ-f值：3.0～7.0％，对比例5、6的δ-f值＜3.0，δ-f值使得实施例7-9的翘皮不良率为4.0％、3.0％和3.2％，对比例5、6的翘皮不良率为14.3％和16.5％，对比例6的表观翘皮如图25所示。
109.综上所述，本发明通过控轧控冷技术，有效避开碳化物析出温度，确保晶粒度级别≤9.0级，减少了翘皮不良率，消除了离线固溶过程产生的表面“花斑”问题，获得了高表面质量的303盘条；而且，本发明省去了离线固溶工艺，且盘条性能与经离线固溶工序的相当。
110.以上内容为本发明的实施例及相关分析说明，而非限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所做的等同交换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围。
111.112.113.