專利名稱：表面質(zhì)量極好的奧氏體不銹鋼帶的雙輥連鑄方法以及利用該方法所獲得的帶材的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬的連續(xù)鑄造，特別涉及利用所謂的“雙輥澆注”方法直接將液態(tài)金屬連續(xù)鑄造成厚度為幾毫米的奧氏體不銹鋼帶。
近年來，人們在發(fā)展直接將液態(tài)金屬鑄造成薄碳素鋼帶或不銹鋼帶的方法的方面已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展。目前廣泛使用的這種方法是在兩個內(nèi)部冷卻并且彼此相對的輥子之間對液體金屬進(jìn)行澆注，所述兩個輥子沿著相反的方向圍繞它們的軸轉(zhuǎn)動，它們表面之間的最小距離基本上等于鑄帶所需的厚度(例如為幾毫米)。容納鋼水的澆注空間是由鋼帶能夠在其上開始凝固的輥子側(cè)面以及由耐火材料制成的并且抵靠在輥子端部的側(cè)封閉板限定的。當(dāng)液態(tài)金屬接觸輥子外表面時開始凝固，并且液態(tài)金屬分別在兩個輥子外表面上形成凝固的“型殼”，并使所形成的型殼在“輥隙”中相互結(jié)合在一起，所謂的“輥隙”指的是輥子之間的距離最小的區(qū)域。
當(dāng)利用雙輥澆注制造薄不銹鋼帶時所遇到的一個主要問題是，很可能出現(xiàn)在鋼帶的上有所謂的微裂紋的表面缺陷。盡管這些裂紋很小，但是它們?nèi)匀蛔阋允顾纬傻睦涮幚懋a(chǎn)品不適于被使用。這些微裂紋是在鋼的凝固過程中形成的并且深度大約為40微米，所具有的裂縫大約為20微米。它們的出現(xiàn)取決于在當(dāng)型殼接觸輥子時而它們在整個接觸弧長上凝固的過程中金屬的收縮。這個凝固過程可被描述為兩個連續(xù)的步驟。第一個步驟是在液態(tài)金屬與輥子表面之間的初始接觸過程中，這時在輥子表面處形成固態(tài)金屬型殼。第二個步驟涉及型殼在輥隙中的生長，如上所述，在一個輥子上所形成的型殼能夠在輥隙中與在另一個輥子上所形成的型殼結(jié)合以構(gòu)成完全凝固的帶。鋼與輥子表面之間的接觸是由澆注輥的表面構(gòu)形以及包圍在澆注空間的惰性氣體的性質(zhì)和鋼的化學(xué)組成決定的。利用所有這些參數(shù)能夠在鋼和輥子之間建立熱交換并且能夠控制型殼凝固的條件。當(dāng)型殼凝固和冷卻時，它們經(jīng)受收縮。這些特別取決于從δ→γ相的轉(zhuǎn)變程度，在這個轉(zhuǎn)變過程中同時還存在金屬密度在微觀上的重大改變。這是由澆注金屬的組成決定的。這些收縮還將改變型殼的凝固和冷卻的條件。
Creq/Nieq比通常被用于表示奧氏體不銹鋼的凝固路徑。它是利用Hammar和Swensson關(guān)系借助于下列公式(其中的百分比是重量百分比)計算出來的Creq(％)＝Cr％+1.37Mo％+1.5Si％+2Nb％+3Ti％Nieq(％)＝Ni％+0.31Mn％+22C％+14.2N％+Cu％。
人們?yōu)榱双@得沒有不可接收的諸如微裂紋的表面缺陷的質(zhì)量可靠的鋼帶已經(jīng)嘗試對雙輥澆注方法進(jìn)行了各種改進(jìn)。
對于奧氏體不銹鋼帶，在專利文獻(xiàn)EP-A-0 409 645中已經(jīng)進(jìn)行了描述。其中將存在于輥子表面上的幾何形狀被限定的“凹坑”(基本上為圓形或橢圓形的受到蝕刻的凹坑)與一種惰性氣體結(jié)合使用，所述惰性氣體為包含30至90％的可溶于鋼中的氣體的氣體混合物，在輥子與鋼首次接觸時將這種惰性氣體施加到所述凹坑上。專利文獻(xiàn)EP-A-0 481 481中將一種化學(xué)組成與輥子上的一種凹坑的幾何形狀結(jié)合使用以促使鋼凝固成初生鐵素體δ→δ+γ，在所述化學(xué)組成中，δ-Fecal的指數(shù)在5％和9％之間，并且是由δ-Fecal＝3(Cr％+1.5Si％+Mo％)-2.8(Ni％+0.5Mn％+0.5Cu％)-84(C％+N％)-19.8限定的。所述凹坑通常是利用噴丸處理或激光加工形成的。在上述兩篇文獻(xiàn)中，都需要使這些凹坑相互分開。
專利文獻(xiàn)EP-A-0 679 114中使用了形成在輥子表面上的周向溝槽，所述溝槽使所述表面的表面粗糙度達(dá)到2.5至15微米。它結(jié)合使用了一種能夠使鋼凝固成初生奧氏體的化學(xué)組成，其特征在于，Creq/Nieq比小于1.60。但是，使鋼凝固成初生奧氏體增加了不銹鋼熱裂的敏感性并且增大了在鋼帶上形成縱向裂紋的可能性。
專利文獻(xiàn)EP-A-0 796 685中披露了對一種Creq/Nieq比大于1.55的鋼進(jìn)行澆注以使在高溫下的相變達(dá)到最小化并且利用表面具有直徑為100-1500微米且深度為20-150微米的凹坑的輥子以及利用一種可溶于鋼中的氣體或者一種主要由這樣一種可溶性氣體的氣體混合物在彎月面(在液態(tài)金屬的表面和輥子表面之間的交界面)周圍對該區(qū)域惰化來進(jìn)行澆注。該粗糙區(qū)域的峰處用作開始凝固的位置，該粗糙區(qū)域的谷地在凝固過程中構(gòu)成了金屬收縮的接合點，并且使應(yīng)力分布更加合理。但是，當(dāng)Creq/Nieq比大于1.70時，通常不能避免少量微裂紋的存在。
本發(fā)明的一個目的是，提供一種澆注薄奧氏體不銹鋼帶的方法，這種鋼帶的表面沒有微裂紋以及其它主要缺陷，并且在實施該方法時不需要對澆注條件提出特別的要求，而且能夠?qū)req/Nieq比的范圍寬于目前方法中所用的鋼帶進(jìn)行澆注。
為了達(dá)到這個目的，本發(fā)明提供一種直接利用在兩個冷卻的水平輥子之間的液態(tài)金屬連續(xù)鑄造厚度小于或等于10毫米的奧氏體不銹鋼帶的方法，其特征在于-用重量百分比表示的所述鋼的組成包括C％≤0.08；Si％≤1；P％≤0.04；Mn％≤2；Cr％在17和20之間；Ni％在8和10.5之間；S％在0.007和0.040之間；其余為鐵以及熔煉中所產(chǎn)生的雜質(zhì)；-Creq/Nieq比在1.55至1.90之間其中Creq(％)＝Cr％+1.37Mo％+1.5Si％+2Nb％+3Ti％以及Nieq(％)＝Ni％+0.31Mn％+22C％+14.2N％+Cu％-輥子表面具有截面形狀基本上為圓形或橢圓形的凹坑，所述凹坑的直徑在100-1500微米之間且深度為20-150微米之間；-包圍彎月面的惰性氣體是一種可溶于鋼中的氣體或包含這種氣體的混合物，或者由體積含量至少為50％的這樣一種氣體或氣體混合物組成。
本發(fā)明還提供一種可利用這種方法所生產(chǎn)的帶材。
應(yīng)該理解的是，本發(fā)明將關(guān)于澆注金屬的組成、輥子的表面光潔度和用于使彎月面惰化的氣體組成的條件結(jié)合在一起以獲得一種沒有微裂紋的帶材表面。所需組成的新穎之處主要在于，金屬必須包含含量大于最常遇到(但是，不高于可能危及產(chǎn)品耐腐蝕性能的數(shù)值)的含硫量的硫并且該含硫量必須與Creq/Nieq比的一個準(zhǔn)確范圍結(jié)合在一起。
通過下面結(jié)合附圖進(jìn)行描述的內(nèi)容中可以更完全地理解本發(fā)明-
圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)在輥子間澆注的奧氏體不銹鋼帶的截面，其中示出了需要防止的微裂紋的構(gòu)形；-圖2是表示金屬中的含硫量對鑄帶表面上的微裂紋的存在的影響的一個曲線圖。
液態(tài)金屬第一次與輥子接觸的條件是在帶材凝固過程中的一個很重要的因素并且會對帶材的表面質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。因此，確保鑄帶中沒有微裂紋，對它們進(jìn)行很好的控制是非常重要的。但是，輥子之間的液態(tài)金屬表面高度所出現(xiàn)的不可避免的波動會使這種控制復(fù)雜化，特別是由于在該區(qū)域進(jìn)行第一次接觸時而進(jìn)行的熱交換過程中它們是不規(guī)則性的源頭。由于在型殼凝固的后面階段中金屬在凝固過程中的收縮會導(dǎo)致其它這樣的不規(guī)則性，金屬收縮特別會導(dǎo)致奧氏體不銹鋼出現(xiàn)獨有的高溫相變。這些收縮可能會產(chǎn)生微裂紋。圖1示出了從一種薄奧氏體不銹鋼帶1的樣本上獲得的顯微照片，其中示出的是縱向截面。帶1的表面2上具有微裂紋3，這種類型的微裂紋特別是本發(fā)明想要防止出現(xiàn)的。在該樣本中所進(jìn)行的金相腐蝕露出了在微裂紋3周圍以及沿著其延伸部分的一個淺色區(qū)域；該區(qū)域?qū)?yīng)于富含某些金屬(諸如鎳和錳)的隔離區(qū)域。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在液態(tài)金屬中加入表面活性元素(諸如硫)能夠?qū)饘俚谝淮谓佑|澆注輥的條件造成很大的影響，所述表面活性元素會對液態(tài)金屬在輥子表面處的表面張力起作用。特別是，這種添加會通過提高與輥子表面之間的浸潤性而使液態(tài)金屬彎月面的形狀變得非常穩(wěn)定。這會在液態(tài)金屬與輥子之間的第一次接觸中能夠隨著時間的變化大大地提高它們之間的熱交換的均勻性和規(guī)則性。本發(fā)明人通過對由304號奧氏體不銹鋼制成的薄鑄帶在橫向上的金相截面上形成的柱狀殼厚度的規(guī)則性測試已證明了上述這些影響。鑄帶在其表面上展現(xiàn)微裂紋的高傾向性可以證明在這些厚度中的不規(guī)則性。相反，如果凝固殼的柱狀部分的厚度是規(guī)則的，這表示在澆注過程中彎月面的高度僅出現(xiàn)很小的變化，同時在帶材的表面上也沒有出現(xiàn)微裂紋。
圖2中的曲線表示了這些研究的結(jié)果，這些研究的對象是以50米/分的速度澆注的厚度為3毫米的帶材。澆注輥的表面被平均深度達(dá)到80微米且平均直徑達(dá)到1000微米的凹坑粗糙化。這些澆注鋼的組成在下面所述的范圍內(nèi)C0.02-0.06％；Mn1.3-1.6％；P0.019-0.024％；Si0.34-0.45％；Cr18.0-18.7％；Ni8.6-9.8％；Si0.0005-0.446％。這些鋼的Creq/Nieq比在從1.79至1.85的范圍內(nèi)變化。包含體積含量為60％的氮以及體積含量為40％的氬的惰性氣體包圍彎月面。X軸表示的是金屬中的含硫量，Y軸表示的是在澆注過程中彎月面高度的波動程度，這代表在帶材凝固結(jié)構(gòu)中所觀察到的柱狀區(qū)域的厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差?？梢钥闯?，在相同的澆注條件下，金屬的含硫量越高，盡管其它元素的含量基本類似，彎月面高度中的波動程度越小。當(dāng)含硫量在0.007％以上時，所述波動會大幅度地減小，即使在含量處于下限時，也能夠看出這種效果。還應(yīng)該理解的是，在帶材表面存在微裂紋與這些波動是有直接的聯(lián)系，對于0.007％的含硫量的下限也就是防止微裂紋產(chǎn)生所需的最低限度。
概括地說，本發(fā)明人已經(jīng)確定了一組需要符合的條件以便能夠在帶材表面不出現(xiàn)微裂紋的情況下將奧氏體不銹鋼的澆注成薄帶材，這些條件如前面所述。利用下面的方式證明它們的正確性。
當(dāng)含硫量低于0.007％時，彎月面的高度的波動會變得很大并且熱交換是不規(guī)則的，這將導(dǎo)致微裂紋的形成，特別是在Creq/Nieq比大于1.70的情況下。含硫量的上限被設(shè)定在0.04％，這是因為在該數(shù)值以上，含硫量對彎月面穩(wěn)定性的影響不再明顯地增大，并且另外會增大使由這種帶材制成的最終產(chǎn)品的抗點蝕性能下降的可能性。
磷含量必須被保持在小于0.04％的范圍內(nèi)以便當(dāng)Creq/Nieq比接近1.55，即當(dāng)凝固部分地表現(xiàn)為初生奧氏體，而不是主要為初生鐵素體時時避免出現(xiàn)帶材熱裂的危險性。
Creq/Nieq比必須至少為1.55，這是因為，當(dāng)Creq/Nieq比在該數(shù)值以下時，凝固部分地表現(xiàn)為初生奧氏體，從而增大了帶材的斷裂的敏感性并且促使縱向裂紋的出現(xiàn)，這也是必須被防止的。對于Creq/Nieq比對于1.90的情況下，由于鐵素體-奧氏體轉(zhuǎn)變而出現(xiàn)的收縮會變得過于劇烈，從而必然產(chǎn)生微裂紋。另外，帶材中的鐵素體含量會過于高，可能會在由鑄帶所生產(chǎn)的最終產(chǎn)品成型后斷裂。
對于鑄鋼的其它分析條件通常是相對于最常用的奧氏體不銹鋼，特別是304號或者類似類型的鋼材。當(dāng)然，除了上述的元素以外的元素也可以雜質(zhì)的形式或者作為少量的合金化元素存在于鋼中，但是應(yīng)該保證的是，它們不能對凝固條件以及鋼水在輥子表面處的表面張力產(chǎn)生很大的影響，這才能保證在所生產(chǎn)的帶材中沒有微裂紋。
如上所述，包圍彎月面的惰性氣體的性質(zhì)會對鋼與輥子表面接觸的條件產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響，特別是當(dāng)輥子的粗糙度為“負(fù)值”時惰性氣體在帶材表面上的移動，具有形成微裂紋的危險性。對于完全或基本上不能溶于鋼中的氣體來說，諸如氬或氦，幾乎沒有或沒有滲入到在輥子表面中的凹坑中的凝固鋼。因此，實際僅在粗糙度峰處出現(xiàn)排熱，這使在輥子表面上的排熱是不均勻的。這種不均勻性會導(dǎo)致微裂紋的形成。相反，對于一種包含能夠適量溶于鋼中的氣體的惰性氣體，諸如氮、氫、氨或二氧化碳，如果惰性氣體完全由這樣一種氣體或這樣的氣體的混合物構(gòu)成的，那么鋼會很好地滲入到輥子表面中的凹坑中并且在第一次接觸后會有效地排熱。此外，這也降低了在粗糙度峰處和凹坑處排熱的不均勻性。所有這些都具有限制形成微裂紋可能性的趨勢。在實際中，相對于金屬的組成和輥子的表面粗糙度考慮其它所需的澆注條件時，可溶于鋼中的氣體(或氣體混合物)在惰性氣體的含量的下限設(shè)定在50％。
如果輥子表面上具有直徑在100-1500微米之間且深度為20-150微米之間的凹坑，那么上述條件能夠?qū)е滤杞Y(jié)果。
為了對本發(fā)明進(jìn)行說明以及證明這種要求是合理的，下面將給出應(yīng)用實施例。
實施例1在雙輥間澆注厚度為3毫米的奧氏體不銹鋼帶。輥子的表面具有平均直徑為1000微米且平均深度為100微米的凹坑。包圍在彎月面的惰性氣體包含40％的氬和60％的氮。鋼的組成在下列范圍內(nèi)變化C0.02-0.06％；Mn1.3-1.6％；P0.019-0.024％；Si0.34-0.45％；Cr18.0-18.7％；Ni8.6-9.8％；Si0.0005-0.0446％。鑄鋼的Creq/Nieq比在1.79至1.85之間變化。對鑄帶上的微裂紋的表面密度進(jìn)行測量并且將測量的結(jié)果與在鑄鋼中的硫含量進(jìn)行比對。表1給出了這些試驗的結(jié)論。
表1鋼中的硫含量對微裂紋的表面密度的影響
在這些實施例中，當(dāng)鑄鋼的Creq/Nieq比在1.79至1.85之間變化(并因此僅在很窄的范圍內(nèi)改變時)時，可以明顯地看出，所觀察到的微裂紋的密度主要取決于鋼中的硫含量。對于硫含量大于0.007％的情況，沒有觀察到微裂紋，而當(dāng)硫含量低或很低時，微裂紋會大量的出現(xiàn)。圖2中所示的曲線中是根據(jù)這些結(jié)果繪制的。
實施例2在雙輥間澆注厚度為3.8毫米的奧氏體不銹鋼帶。每一種鋼的組成在表2中給出。輥子的表面粗糙度的特征在于，具有平均直徑在1000微米且平均深度為120微米的凹坑。
表2實施例2的鋼中的化學(xué)組成
在這些鋼被澆注時，在彎月面區(qū)域中存在的惰性氣體的組成是通過改變各自的氬和氮的比例來改變的，并且在使用各種組成的惰性氣體的情況下，對鑄帶上所觀察到的微裂紋的表面密度進(jìn)行測量。這些結(jié)果示出在表3中表3惰性氣體的組成相對于鑄鋼中的硫含量和Creq/Nieq比對在帶材上的微裂紋的表面密度的影響。
這些試驗顯示，對于鋼A，Creq/Nieq比是合適的，但硫含量低，無論惰性氣體的組成是多少，都會產(chǎn)生一定數(shù)量的微裂紋。鋼C的硫含量稍高一些，并且足以大大地提高帶材的表面質(zhì)量，因此當(dāng)惰性氣體的含氮量至少為80％時，可以觀察到?jīng)]有微裂紋。但是，這個結(jié)果并不是完全令人滿意的，這是因為需要使惰性氣體中的含氮量保持在高水平上會降低了操作者對澆注設(shè)備的工作進(jìn)行精細(xì)控制的可能性。這是由于惰性氣體的組成通常是應(yīng)該為了控制工作和金屬之間熱交換強(qiáng)度而需要改變的參數(shù)，例如為了改變能夠影響帶材形狀的輥子的凸度(見專利文獻(xiàn)EP-A-0 736 350)。因此，利用鋼C所獲得的結(jié)果可得出的結(jié)論是，0.005％的硫含量不在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
另一方面，利用保證惰性氣體的氮含量至少為50％的鋼B和鋼D澆注的帶材上沒有微裂紋。它們的硫含量分別為0.019和0.039％，它們的Creq/Nieq比分別為1.82和1.64。因此，這些實施例顯然落入在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。本發(fā)明最好用于Creq/Nieq比在1.70至1.90之間的情況下，這是由于在這個范圍內(nèi)所對應(yīng)的鋼中，所加入的貴重元素(諸如鎳)的量低于Creq/Nieq比較低的鋼，因此在制造上更加經(jīng)濟(jì)。
權(quán)利要求
1.一種直接利用在兩個冷卻的水平輥子之間的液態(tài)金屬連續(xù)鑄造厚度小于或等于10毫米的奧氏體不銹鋼帶的方法，其特征在于-用重量百分比表示的所述鋼的組成包括C％≤0.08；Si％≤1；P％≤0.04；Mn％≤2；Cr％在17和20之間；Ni％在8和10.5之間；S％在0.007和0.040之間；其余為鐵以及熔煉中所產(chǎn)生的雜質(zhì)；-Creq/Nieq比在1.55至1.90之間其中Creq(％)＝Cr％+1.37Mo％+1.5Si％+2Nb％+3Ti％以及Nieq(％)＝Ni％+0.31Mn％+22C％+14.2N％+Cu％-輥子表面具有截面形狀基本上為圓形或橢圓形的凹坑，所述凹坑的直徑在100-1500微米之間且深度為20-150微米之間；-包圍彎月面的惰性氣體是一種可溶于鋼中的氣體或這類氣體的混合物，或者由體積含量至少為50％的這樣一種氣體或氣體混合物組成。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，Creq/Nieq比在1.70至1.90之間。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述惰性氣體是由體積含量在50-100％之間的氮和體積含量在0-50％的氬組成。
4.奧氏體不銹鋼帶，其特征在于，它可以利用如權(quán)利要求1至3中任何一項所述的方法獲得的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種直接利用在兩個冷卻的水平輥子之間的液態(tài)金屬連續(xù)鑄造厚度小于或等于10毫米的奧氏體不銹鋼帶的方法,其特征在于:用重量百分比表示的所述鋼的組成包括:C%≤0.08;Si%≤1;P%≤0.04;Mn%≤2;Cr%在17和20之間;Ni%在8和10.5之間;S%在0.007和0.040之間;其余為鐵以及熔煉中所產(chǎn)生的雜質(zhì);Creq/Nieq比在1.55至1.90之間:其中Creq(%)=Cr%+1.37Mo%+1.5Si%+2Nb%+3Ti%;Nieq(%)=Ni%+0.31Mn%+22C%+14.2N%+Cu%;輥子表面具有截面形狀基本上為圓形或橢圓形的凹坑,所述凹坑的直徑在100－1500微米之間且深度為20－150微米之間;包圍彎月面的惰性氣體是一種可溶于鋼中的氣體或這類氣體的混合物,或者由體積含量至少為50%的這樣一種氣體或氣體混合物組成。
文檔編號B22D11/117GK1351528SQ0080776
公開日2002年5月29日 申請日期2000年4月12日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月22日
發(fā)明者C·瑪奇昂尼, F·瑪祖里爾, J－M·達(dá)瑪塞, F·德斯卡維斯 申請人:于西納公司