节镍型奥氏体不锈钢CIMCN4的开发与生产

徐书峰， 苏 莹， 刘治宏

（山西太钢不锈钢股份有限公司冷轧厂， 山西 太原 030002）

近年来，集装箱行业竞争日趋激烈，各生产企业为降低成本，纷纷开发相应的产品。CIMCN4就是是新开发的一种低镍含氮并适当添加Cu等元素的奥氏体不锈钢。与SUS304相比，其Ni元素含量适当降低，同时适量添加Mn、N等奥氏体相形成元素，保证CIMCN4产品和SUS304具有相似的奥氏体组织；其较高的Cr含量和极低的杂质元素可以在特定使用环境下，保证该钢种具有与SUS304相近的耐腐蚀性能；Cu元素的加入还改善了该钢种的冷加工性能，进一步拓宽了该钢种的应用领域。目前CIMCN4产品着重应于集装箱内板领域，是一种经济、综合性能好、易加工的不锈钢材料。下面探讨CIMCN4产品设计及热处理酸选工艺总结[1-3]。

1 CIMCN4产品的设计思路

CIMCN4要求满足集装箱内侧板使用环境下的各项性能要求，即具有优异的低温强度和塑韧性，较好的冷加工性能，在耐蚀的基础上要求高质量的表面。因此，综合考虑上述各种要求，采用低镍Fe-Cr-Ni-Mn-N奥氏体化学成分体系能很好的满足要求。

在设计材料之初，为保证经济型，选用低镍的基础上添加适量奥氏体形成元素Mn、N，以及保持适量的Cr元素以保证较高的耐腐蚀性能，其他的合金化元素C、Cu、Si等均对材料的铬当量和镍当量有不同程度的贡献，众所周知，铬当量和镍当量对于材料的高温组织具有非常重要的影响，如果二者控制不合适就会导致材料高温状态下存在一定量的高温δ铁素体组织，该组织对材料的高温热塑性有不同程度的影响，进而导致热轧卷板热加工过程的难易程度。因此，为了顺利实现热轧卷板的热连轧生产，尽量避免高温δ铁素体组织对热塑性的不利作用，应合理设计材料的铬当量和镍当量的最佳控制点。同时要考虑到冷卷的后续加工避免出现马氏体转变问题，需要保证材料在室温情况下具备较高的高奥氏体组织稳定性，即材料的Md30（材料冷变形量为30%时，形变诱导产生50%马氏体的最高温度）低于轧制温度，同时考虑到低温-40℃温度以上的力学性能的稳定性，还需考虑该材料的Ms转变温度。综上，铬当量、镍当量、Md30和Ms采用以下经验公式：经过理论设计的，Md30温度为-25℃至52℃，Ms温度为-135℃至-257℃；根据设计目标成分计算得出的Md30温度为24℃，Ms温度为-187℃。CIMCN4奥氏体不锈钢的内控Creq在16～19范围，内控Nieq在11.5～16范围是比较合理的区间，其具体化学成分控制见表1，室温下机械性能见下页表2。

表1 化学成分分析对比 %

从表1可看出，新开发的CIMCN4与304相比镍含量降低了4.5%～6.0%，提高了Mn的含量，加入了少量的Cu元素。

表2 室温下机械性能

从表2中对比性能可以得出：氮的增加使退火后的抗拉强度大于304，铜的添加使冷加工性能和304 相似[4-6]。

2 热处理工艺设计

经过冷轧的钢卷，需要经过一系列工艺步骤得到2B表面。退火的目的是消除组织缺陷，改善组织，细化晶粒，同时可降低材料硬度，优化屈服与抗拉等力学性能，改善加工性能[4-8]。

针对新材料的成分设计采用Thermol-Calc热力学计算软件计算得到CIMCN4材料的热力学平衡相图（见图 1）。

从图1可知，该材料在950～1 350℃温度范围为单一奥氏体组织，平衡态相图也与普通奥氏体不锈钢相似，鉴于普通奥氏体不锈钢的生产经验，通过合适的工艺控制可以实现室温条件下的单一奥氏体组织。

图1 CIMCN4不锈钢热力学平衡相图

2.1 退火温度的选择及工艺设定

为了获得性能优异且满足使用要求的CIMCN4冷轧产品，计划将CIMCN4热板平均晶粒度控制在7±0.5级，冷板平均晶粒度控制在8±0.5级。针对上述要求，本项目采用实验室研究和生产实际相结合的方式来确定CIMCN4不锈钢的热线和冷线退火工艺参数。首先，实验室针对CIMCN4不锈钢热轧黑卷和冷轧硬态板上切取试料，在实验室开展不同退火温度和保温时间的正交热处理试验，试验后测试力学性能并分析组织析出相、均匀性以及晶粒度等情况，根据热处理试验测试结果，结合实际生产工艺装备最终确定出CIMCN4不锈钢的热线和冷线退火关键工艺参数：

1）热线退火。板温控制目标：（1 080±20）℃，退火时间：（40±5）s/mm。

2）冷线退火。板温控制目标：（1 060±20）℃，退火时间：（40±5）s/mm。

图2和图3为热线和冷线退火卷板的显微组织和力学性能测试结果，可以看出，CIMCN4热板和冷板的晶粒度均达到控制目标要求，并且组织均匀，其力学性能也完全达到设计目标要求，实现了CIMCN4不锈钢板材的组织、性能稳定的批量生产。

图2 CIMCN4板材金相组织照片

统计100卷CIMCN4性能，屈服强度范围在300～360 MPa，极差为 60 MPa；抗拉强度范围在 655～721 MPa，极差为 66 MPa，伸长率范围 46%～60%，极差为14%。如图3-1所示，从强度变化来看，总体数据趋于稳定。

图3 100卷CIMCN4产品的强度和伸长率

3 酸洗工艺设计

3.1 热线酸洗工艺研究

热线酸洗工艺采用常用的混酸HNO3+HF酸洗，为确定具体的浓度设定，设计了HNO3和HF浓度配比正交试验实验结果如图4所示，氢氟酸质量浓度相较硝酸质量浓度对CIMCN4热板的表面影响更显著，随HF浓度升高，热板酸洗效率明显提升。

图4 CIMCN4腐蚀速率与HNO3和HF质量浓度的关系

结合热线参数设计了相关酸洗参数，结合实验室基础研究结果以及模拟现场参数快速酸洗结果，如图4所示，从试验结果可以看出影响酸洗效果的两大因素HF质量浓度和过线速率需要合理匹配才能在酸洗过程中获得好的酸洗表面质量。经过多次热线酸洗关键工艺参数的优化，热板表面的酸洗不净以及色差问题得到了大幅改善，如图5，且连续酸洗多卷后表面质量仍然很稳定。

图5 HF质量浓度12 g/L酸洗效果和HF质量浓度16 g/L酸洗效果

3.2 冷线酸洗工艺研究

CIMCN4奥氏体不锈钢冷板选用的酸洗液组合方式为“硫酸钠电解+混酸（HNO3+HF）酸洗”。CIMCN4在冷线连续酸洗过程中，发现随着酸洗过程推进，不锈钢表面会出现一定程度的色差。CIMCN4属于高锰含铜不锈钢，氮含量约0.10%，其成分配比决定了在电解过程中电极反应尤其是阴极反应与其他不锈钢存在一定的差异。Cu元素在不同电流密度下的析氢过电位与不锈钢中其他元素有明显区别，电解电流控制在高位时析氢反应剧烈，钢带表面产生的气泡多，会降低电解酸洗效率。

根据实验室试验结果，转化为冷线酸洗工艺进行实际生产发现，电解电流对冷板表面影响较大，电解电流在4 000～3 500 A·dm-3范围内，冷板表面酸洗质量较好，色泽均一，且无欠酸和过酸现象。另外，跟踪不同批次CIMCN4冷板的酸洗表面质量发现，CIMCN4不锈钢在电解过程中易造成电解液pH值偏低，腐蚀电极板，因此，在生产过程中要求控制电解液pH值在合理范围。

图6为CIMCN4冷卷酸洗照片，从酸洗效果来看，CIMCN4冷卷酸洗后表面色泽均匀，无过酸现象。

图6 CIMCN4冷板酸洗后表面效果

3.3 控制要点

1）CIMCN4耐蚀性比普通304差，酸洗后的残留酸液会腐蚀钢板表面影响质量，生产过程中要注意钢板表面的清洁清洗，保证清洗水质良好。

2）为保证CIMCN4退火的均匀一致性，过冷线时应提前做好清理酸槽、辊道的准备工作，更换新的酸液。

4 结语

以集装箱装备制造业的特殊需求为导向，开发经济型奥氏体不锈钢材料，以节约成本、提升行业竞争力为导向，依靠自主创新，围绕材料的合金成分体系设计以及冷板专有酸洗配方和工艺等方面开展研究工作，突破生产技术瓶颈，最终形成了一整套经济型CIMCN4奥氏体不锈钢冷轧卷板产品关键制备工艺技术，制造出的CIMCN4奥氏体不锈钢冷轧产品具有优异的力学性能和良好的冷加工性能，以及与SUS304奥氏体不锈钢相当的耐腐蚀性能，可满足集装箱材料的各项使用要求。目前，该CIMCN4奥氏体不锈钢冷轧产品已在集装箱制造领域得到了批量应用。