節鎳型奧氏體不銹鋼CIMCN4的開發與生產

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，集裝箱行業競爭日趨激烈，各生產企業為降低成本，紛紛開發相應的產品。CIMCN4就是是新開發的一種低鎳含氮并適當添加Cu等元素的奧氏體不銹鋼。與SUS304相比，其Ni元素含量適當降低，同時適量添加Mn、N等奧氏體相形成元素，保證CIMCN4產品和SUS304具有相似的奧氏體組織；其較高的Cr含量和極低的雜質元素可以在特定使用環境下，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，進一步拓寬了該鋼種的應用領域。目前CIMCN4產品著重應于集裝箱內板領域，是一種經濟、綜合性能好、易加工的不銹鋼材料。下面探討CIMCN4產品設計及熱處理酸選工藝總結[1-3]。

1 CIMCN4產品的設計思路

CIMCN4要求滿足集裝箱內側板使用環境下的各項性能要求，即具有優異的低溫強度和塑韌性，較好的冷加工性能，在耐蝕的基礎上要求高質量的表面。因此，綜合考慮上述各種要求，采用低鎳Fe-Cr-Ni-Mn-N奧氏體化學成分體系能很好的滿足要求。

在設計材料之初，為保證經濟型，選用低鎳的基礎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等均對材料的鉻當量和鎳當量有不同程度的貢獻，眾所周知，鉻當量和鎳當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致材料高溫狀態下存在一定量的高溫δ鐵素體組織，該組織對材料的高溫熱塑性有不同程度的影響，進而導致熱軋卷板熱加工過程的難易程度。因此，為了順利實現熱軋卷板的熱連軋生產，盡量避免高溫δ鐵素體組織對熱塑性的不利作用，應合理設計材料的鉻當量和鎳當量的最佳控制點。同時要考慮到冷卷的后續加工避免出現馬氏體轉變問題，需要保證材料在室溫情況下具備較高的高奧氏體組織穩定性，即材料的Md30（材料冷變形量為30%時，形變誘導產生50%馬氏體的最高溫度）低于軋制溫度，同時考慮到低溫-40℃溫度以上的力學性能的穩定性，還需考慮該材料的Ms轉變溫度。綜上，鉻當量、鎳當量、Md30和Ms采用以下經驗公式：經過理論設計的，Md30溫度為-25℃至52℃，Ms溫度為-135℃至-257℃；根據設計目標成分計算得出的Md30溫度為24℃，Ms溫度為-187℃。CIMCN4奧氏體不銹鋼的內控Creq在16～19范圍，內控Nieq在11.5～16范圍是比較合理的區間，其具體化學成分控制見表1，室溫下機械性能見下頁表2。

表1 化學成分分析對比 %

從表1可看出，新開發的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 熱處理工藝設計

經過冷軋的鋼卷，需要經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，細化晶粒，同時可降低材料硬度，優化屈服與抗拉等力學性能，改善加工性能[4-8]。

針對新材料的成分設計采用Thermol-Calc熱力學計算軟件計算得到CIMCN4材料的熱力學平衡相圖（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經驗，通過合適的工藝控制可以實現室溫條件下的單一奧氏體組織。

圖1 CIMCN4不銹鋼熱力學平衡相圖

2.1 退火溫度的選擇及工藝設定

為了獲得性能優異且滿足使用要求的CIMCN4冷軋產品，計劃將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，本項目采用實驗室研究和生產實際相結合的方式來確定CIMCN4不銹鋼的熱線和冷線退火工藝參數。首先，實驗室針對CIMCN4不銹鋼熱軋黑卷和冷軋硬態板上切取試料，在實驗室開展不同退火溫度和保溫時間的正交熱處理試驗，試驗后測試力學性能并分析組織析出相、均勻性以及晶粒度等情況，根據熱處理試驗測試結果，結合實際生產工藝裝備最終確定出CIMCN4不銹鋼的熱線和冷線退火關鍵工藝參數：

1）熱線退火。板溫控制目標：（1 080±20）℃，退火時間：（40±5）s/mm。

2）冷線退火。板溫控制目標：（1 060±20）℃，退火時間：（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性能測試結果，可以看出，CIMCN4熱板和冷板的晶粒度均達到控制目標要求，并且組織均勻，其力學性能也完全達到設計目標要求，實現了CIMCN4不銹鋼板材的組織、性能穩定的批量生產。

圖2 CIMCN4板材金相組織照片

統計100卷CIMCN4性能，屈服強度范圍在300～360 MPa，極差為 60 MPa；抗拉強度范圍在 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，從強度變化來看，總體數據趨于穩定。

圖3 100卷CIMCN4產品的強度和伸長率

3 酸洗工藝設計

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定，設計了HNO3和HF濃度配比正交試驗實驗結果如圖4所示，氫氟酸質量濃度相較硝酸質量濃度對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質量濃度的關系

結合熱線參數設計了相關酸洗參數，結合實驗室基礎研究結果以及模擬現場參數快速酸洗結果，如圖4所示，從試驗結果可以看出影響酸洗效果的兩大因素HF質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量。經過多次熱線酸洗關鍵工藝參數的優化，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，且連續酸洗多卷后表面質量仍然很穩定。

圖5 HF質量濃度12 g/L酸洗效果和HF質量濃度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在冷線連續酸洗過程中，發現隨著酸洗過程推進，不銹鋼表面會出現一定程度的色差。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尤其是陰極反應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別，電解電流控制在高位時析氫反應劇烈，鋼帶表面產生的氣泡多，會降低電解酸洗效率。

根據實驗室試驗結果，轉化為冷線酸洗工藝進行實際生產發現，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，冷板表面酸洗質量較好，色澤均一，且無欠酸和過酸現象。另外，跟蹤不同批次CIMCN4冷板的酸洗表面質量發現，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，無過酸現象。

圖6 CIMCN4冷板酸洗后表面效果

3.3 控制要點

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量，生產過程中要注意鋼板表面的清潔清洗，保證清洗水質良好。

2）為保證CIMCN4退火的均勻一致性，過冷線時應提前做好清理酸槽、輥道的準備工作，更換新的酸液。

4 結語

以集裝箱裝備制造業的特殊需求為導向，開發經濟型奧氏體不銹鋼材料，以節約成本、提升行業競爭力為導向，依靠自主創新，圍繞材料的合金成分體系設計以及冷板專有酸洗配方和工藝等方面開展研究工作，突破生產技術瓶頸，最終形成了一整套經濟型CIMCN4奧氏體不銹鋼冷軋卷板產品關鍵制備工藝技術，制造出的CIMCN4奧氏體不銹鋼冷軋產品具有優異的力學性能和良好的冷加工性能，以及與SUS304奧氏體不銹鋼相當的耐腐蝕性能，可滿足集裝箱材料的各項使用要求。目前，該CIMCN4奧氏體不銹鋼冷軋產品已在集裝箱制造領域得到了批量應用。