宝钢家电用超纯铁素体不锈钢B430LNT的研发及应用.doc

(完整版)宝钢家电用超纯铁素体不锈钢B430LNT的研发及应用家电用含铌430不锈钢的研发及应用张鑫 张伟 宝钢集团中央研究院不锈钢技术中心 上海 200431中信微合金化技术中心 北京 100004摘要:本文介绍了宝钢家电用含铌430铁素体不锈钢B430LNT的开发背景，性能参数和应用情况。与常规的SUS430铁素体不锈钢相比，B430LNT将碳，氮，硫等杂质元素含量降到了非常低的水平,并且添加合金元素铌和钛。由于Nb具有较强的固定碳氮，细化铁素体晶粒尺寸等作用，这使得B430LNT在退火状态下具有非常均匀，细小的铁素体组织,碳氮化物在晶界析出极少.其耐腐蚀性能，成形性能，焊接性能，抗起皱性能均优于SUS430。与日本JFE公司的同类产品JFE430XT相比，也具有明显的优势。目前B430LNT在洗衣机内筒，电冰箱面板，微波炉，洗碗机内胆等家用电器零部件上得到了广泛的应用。关键词：含铌铁素体不锈钢,家电用不锈钢，焊接，成型前言：铁素体不锈钢是一种含铬量在1030，在使用状态下是铁素体组织的一类不锈钢。根据铬的含量,铁素体不锈钢可以分为低铬,中铬和高铬铁素体不锈钢,其中中铬铁素体不锈钢（以SUS430为代表钢种）由于其优良的综合性能和较高的性价比，在家电，装饰，制品等行业得到了非常广泛的使用。在微波炉内外壳、洗衣机内桶、电冰箱面板、电饭煲、电热水器内胆等种类繁多的家用电器里都可以看到中铬铁素体不锈钢SUS430的身影。尽管铁素体不锈钢已经得到了广泛的应用，但是与传统的奥氏体不锈钢SUS304相比,它仍然存在一些不足，其中最主要表现在三方面，第一,耐蚀性较差，易发生晶间腐蚀。第二，可焊性一般,焊接后焊缝的性能与母材产生一定差距。第三，成型性能不足，表现为变形后容易开裂。为了克服铁素体不锈钢的这些缺点,日本最先开发超纯铁素体不锈钢,通过大幅降低铁素体不锈钢中杂质元素含量，并添加Nb，Ti等稳定化合金元素，使得铁素体不锈钢的耐蚀性，焊接性和成形性都得到了大幅的提高。宝钢研究院不锈钢技术中心从2007年开始开发家电用含铌铁素体不锈钢B430LNT，通过成分优化和技术创新,使其各方面性能达到国际领先水平。打破国外钢企在该领域的垄断地位，为中国家电企业在不锈钢产品使用的换代升级奠定了基础。一、合金设计特点宝钢超纯铁素体不锈钢B430LNT在降低碳氮含量的基础上，添加了稳定化元素Nb和Ti，由于Nb和Ti能够优先和碳氮结合，形成Nb（C,N），TiN，TiC等第二相析出物，从而避免了C，N在高温下从晶内游离到晶界,并和晶界的Cr结合，造成晶界贫Cr，引发晶间腐蚀.由于铌钛和碳氮有一定固容积的限制，因此为了最大限度的稳定钢中的碳氮等间隙原子,铌钛的含量和碳氮含量就必须服从特定的关系。经过这样的设计即能保证碳氮等间隙原子最大限度的被固定,又避免了Nb，Ti含量过高对不锈钢生产和表面所带来的不利影响.由于C，N是较强的奥氏体形成元素，而Nb，Ti又是铁素体形成元素，因此降低碳氮和添加铌钛会使不锈钢在高温下平衡相图的奥氏体相区缩小，而铁素体相区扩大。从图一中Thermocalc相图可以看出,常规430从850开始出现奥氏体相区,在850-1250的温度区间内，随着温度的升高奥氏体比例先升高后下降，奥氏体最高比例可达到40%左右。而B430LNT从高温到低温都为单一的铁素体组织，这与碳氮和铌钛的含量变化有密切的关系。表一、SUS430与B430LNT的成分设计对比（wt%）牌号CSiMnPSCrNTiNbSUS4300.1200。751.000。0400。03016.018.0-B430LNT0.0200。601。000。0400。01516。018.00.0200.300。30 SUS430 B430LNT图一、SUS430和B430LNT高温下的平衡相图二用户使用状态组织性能特点图二显示的是SUS430和B430LNT在用户使用状态下的退火组织，从图中可以看出，SUS430的晶粒度比B430LNT要更为细小,这主要是因为SUS430在高温下有奥氏体组织，在冷却的过程中转化为铁素体和碳化物，这一相变过程细化了铁素体的晶粒，析出的碳化物也能阻碍晶粒的长大。而B430LNT由于高温下为单一铁素体，没有相变，也没有析出的碳化物钉扎晶界，阻碍晶粒长大,因此B430LNT的晶粒尺寸相对较大.另一方面，SUS430的晶粒尺寸大小不均，并且有一些混晶组织。这主要是因为在碳化物钉扎晶界的作用下，使得晶粒长大的各个方向不一致，导致的晶粒尺寸的不均匀。另外，高温下的奥氏体晶界在冷却时没有完全转化，也会造成大小不一的混晶.B430LNT由于没有相变，也没有碳化物析出,因此组织非常均匀，而均匀的组织对材料的塑形是非常有益的.表二是SUS430和B430LNT的力学性能对比，从表中可以看出SUS430的抗拉强度和硬度都高于B430LNT，这主要是因为SUS430的碳氮含量较高，而碳氮等间隙原子在铁素体体心立方的晶格点阵中溶解度较低，主要以析出强化的方式对基体产生强化。因此SUS430的抗拉强度较高.但是由于Nb具有较强固溶强化作用,而固溶强化主要对基体的屈服强度产生强化,因此B430LNT的屈服强度要高于SUS430。从表中可以看出B430LNT的延伸率要明显优于SUS430，这主要是因为Nb的细化晶粒和固定碳氮作用使得B430LNT具有均匀的晶粒组织和极少的析出物，而延伸率的增加对提高材料的成型性能具有重要的意义. 图二、SUS430和B430LNT退火状态下金相组织表二、SUS430和B430LNT力学性能对比表牌号屈服强度/Mpa抗拉强度/Mpa延伸率/硬度/HVB430LNT32045037145SUS43028048029150三、 耐腐蚀性能对比表三是SUS430和B430LNT耐腐蚀性能对比表，将两种材料切成片状，表面经800号砂纸打磨，边缘部位使用胶带粘贴,以避免边部应力残留造成的耐蚀性下降。将两种材料同时放入5%NaCl气氛的盐雾箱中，经过800小时的盐雾腐蚀后，可以看到SUS430材料的表面已经出现了大量的锈点，而B430LNT材料表面没有任何锈点。由此可以看出B430LNT的耐腐蚀性能明显优于SUS430。这主要是因为B430LNT的内部组织为单一的铁素体晶粒，由于Nb，Ti较强的固定碳氮作用,使得大部分的碳氮没有形成碳氮化铬。而碳氮化铬的析出往往会导致析出相界面的耐蚀性下降，碳氮在晶界处与铬结合也会造成材料的晶间贫铬,因此SUS430材料耐性相对B430LNT较低。表三、SUS430和B430LNT耐腐蚀性能对比表编号SUS430B430LNT时间及溶液800小时，5%NaCl溶液腐蚀照片腐蚀情况局部锈蚀无锈蚀四、 焊接性能对比表四是SUS430，B430LNT，JFE430XT焊接性能对比表，从表中可以看出SUS430焊接后焊缝及影响区主要为马氏体组织，并且有大量的碳化物析出,碳化物在晶界析出，不但造成晶间腐蚀，降低焊缝的耐腐蚀性，而且会恶化材料的力学性能。而B430LNT的焊缝组织主要为凝固等轴晶组织,并且热影响区组织长大不明显，焊缝及热影响区没有碳氮化物析出，因此从表四可以看出B430LNT在焊缝腐蚀时间，焊缝杯突值,拉伸断裂位置等重要的焊接性能指标上均优于SUS430。与JFE430XT相比,同为超纯铁素体不锈钢，但是B430LNT含有一定量的铌，一方面铌固定碳氮，起到了防止碳氮与铬结合的作用。另一方面在焊接的过程中,Nb（C、N)的析出阻碍了热影响区晶粒尺寸的长大,因此B430LNT热影响的晶粒尺寸小于JFEX430XT，较小的晶粒对焊缝的成型性和力学性能都是有益的。因此我们看到B430LNT的焊缝耐腐蚀性和成型性同样优于JFE430XT。表四、SUS430，B430LNT,JFE430XT焊接性能对比编号焊接方式焊缝组织盐雾箱焊缝锈蚀时间（Hour）焊缝杯突值力学拉伸断裂位置SUS430激光焊502。3焊缝JFE430XT激光焊4007。1母材B430LNT激光焊5008。1母材五、 成型性能对比图三是SUS430和B430LNT成型性能指标对比图，其中杯突值（也称埃里克森值）衡量的是材料在遭遇胀型变形时，所能抵抗的数值。该数值越大，材料的胀型性能越好。极限延伸比衡量的是材料在遭遇深冲变形时，所能抵抗的数值，该数值越大，材料的深冲性能越好。从图三中可以看出，B430LNT的杯突值和极限延伸比均明显优于SUS430。这主要是因为B430LNT内部均匀的组织和极少的析出物所产生的有益效果。图三、SUS430和B430LNT成型性能指标对比六、 用户使用案例家用滚筒洗衣机端盖法兰部件目前全部采用不锈钢冲压成型制成,随着家用洗衣机逐步向大容量,高转速发展,法兰的成型工艺越来越复杂，变形量越来越大,对材料的成型性要求也越来越高.常规的430不锈钢在进行这种复杂成型工艺时往往会发生开裂，如图四（a)所示，B430LNT由于具有优良的深冲性能和胀型性能，能抵御复杂的变形条件，因此不会发生开裂，如图四(b）所示。目前B430LNT已经在国内外诸多著名家电企业的洗衣机法兰件上得到使用。 a b图四、SUS430和B430LNT冲压成洗衣机法兰件如图五所示，随着国内电冰箱从传统的双开门逐渐向三开门，对开门等高端产品转型，不锈钢冰箱面板也逐渐被广大消费者认可。不锈钢冰箱面板美观，大方，容易清洁，显著提高了产品的档次。目前国内多数厂家的不锈钢冰箱面板采用430不锈钢制成，在一般情况下，430不锈钢在大气环境中是不会发生腐蚀的.但是不锈钢冰箱面板往往会在不锈钢原始表面增加拉丝,蚀刻等工艺，这些工艺改变了不锈钢原有的耐蚀性，使其长时间处于大气环境中，尤其是南方潮湿环境中，表面会出现锈点，极大的影响美观性。B430LNT由于表面耐蚀性远远优于430，因此,不会产生这种问题，目前已经在几家著名品牌的冰箱面板中得到使用。图五、家用电冰箱不锈钢面板如图六所示，家用洗衣机滚筒材料一般都是使用不锈钢板材通过铆接工艺加工成筒状形状。但是随着洗衣机滚筒脱水时旋转速度越来越快，对材料的力学性能要求越来越高.铆接工艺由于铆接部位力学性能较差,往往在高速旋转时容易发生断裂.目前国内主流洗衣机厂家都在从铆接工艺向焊接工艺转化。常规430由于焊接后焊缝及热影响区有大量马氏体组织，容易锈蚀，力学性能也不达标。B430LNT具有优良的焊接性能,焊缝处成型性，力学性能，耐蚀性都满足用户要求。目前在已经国内外诸多著名家电企业的洗衣机筒身材料上得到应用。图六、家用洗衣机不锈钢滚筒七、结论：（1）宝钢B430LNT通过降低碳氮硫等杂质元素含量，并添加铌钛等稳定化元素，使得其退火后组织均匀细小，碳氮化物的析出大幅减少，其耐腐蚀性能,焊接性能和成型性能与常规SUS430相比都有明显提高。（2）由于Nb具有细化晶粒，强化基体，固定碳氮等作用，因此Nb，Ti双稳定的B430LNT与日本JFE公司单Ti稳定的同类产品JFE430XT相比，其强度，耐蚀性，焊接性也具有一定的优势。(3）由于Nb的析出物多为纳米尺寸，不会在轧制过程中对钢板表面产生任何不良影响，因此B430LNT的成品具有优异的表面质量，和SUS430，JFE430XT等产品相比，其成品表面光泽度更高,而粗糙度更低。（4）B430LNT目前已经通过国内外诸多著名家电企业的厂家质量认证，并在洗衣机内筒，洗碗机内板，电冰箱面板，微波炉内壳等家电部件上得到了成功的应用。