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，集裝箱行業(yè)競爭日趨激烈，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，該組織對材料的高溫?zé)崴苄杂胁煌潭鹊挠绊?，進(jìn)而導(dǎo)致熱軋卷板熱加工過程的難易程度。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)械性能見下頁表2。

表1 化學(xué)成分分析對比 %

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)過冷軋的鋼卷，需要經(jīng)過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，冷板平均晶粒度控制在8±0.5級。針對上述要求，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，伸長率范圍 46%～60%，極差為14%。如圖3-1所示，從強(qiáng)度變化來看，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)量濃度和過線速率需要合理匹配才能在酸洗過程中獲得好的酸洗表面質(zhì)量。經(jīng)過多次熱線酸洗關(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)酸洗過程中，發(fā)現(xiàn)隨著酸洗過程推進(jìn)，不銹鋼表面會出現(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，且無欠酸和過酸現(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不銹鋼在電解過程中易造成電解液pH值偏低，腐蝕電極板，因此，在生產(chǎn)過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，從酸洗效果來看，CIMCN4冷卷酸洗后表面色澤均勻，無過酸現(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腐蝕鋼板表面影響質(zhì)量，生產(chǎn)過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

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)競爭力為導(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。