一种高硬度五金不锈钢制造工艺及产品
技术领域
本发明涉及不锈钢生产领域，尤其是一种高硬度五金不锈钢制造工艺及产品。
背景技术
我国用于装潢五金门窗、幕墙等产品的结构件（包括窗骨架、四连杆机构、拉杆、滑动锁等结构件，以及门用拉手、反锁、合页、挂钩、止挡、拉手等结构件）主要采用碳钢表面涂镀防腐材料，但表面依然容易生锈，使用寿命短，存在资源浪费，且制造过程及工艺导致环境污染。五金结构件对材料的硬度、强度、塑性均具有较高的性能要求，一般要求：硬度190～210 HV（90-95HRB），屈服强度 290～340Mpa，抗拉强度 680～730Mpa，延伸率≥45%；并且，材料的硬度、强度和塑形越高越好。
不锈钢材料作为碳钢的国家战略性材料资源替代产品，可实现节约社会材料资源，提高人民生活品质，和改善生产、生活环境。
现有的SUS304不锈钢作为不锈钢材料的主要代表产品，广泛用于建筑装潢行业。现有的SUS304不锈钢制造方法的工艺流程为：SUS304热轧黑皮卷→固溶退火处理→冷轧→冷轧退火→除磷钝化→表面光整处理，所述固溶退火处理时冷轧退火材温需要达到1080～1120℃才能实现充分固溶，同时，为了提高产品的机械强度，所述冷轧的压下率一般控制在70%以上，这就导致了冷轧过程中随形变会产生大量的马氏体相变，产品机械强度提升的同时，导致产品的塑性随之下降；同时，冷轧退火的材温的变化区间通常控制在1020~1080℃，才能实现充分退火无碳化物析出，并且，最终所制得的不锈钢产品所能达到的性能水平为：硬度 160～180 HV（84-87.2HRB），屈服强度 240～290Mpa，抗拉强度 600～680Mpa，延伸率40%左右。现有的SUS304不锈钢的硬度、强度和塑性均无法达到上述五金结构件对用材的性能要求，并且，固溶退火和冷轧退火的退火温度偏高，导致能耗成本偏高。因此，急需开发一种经济型的、且能够生产高硬度五金不锈钢的制造工艺。
申请公布号为CN 103215422 A的中国专利公开了一种利用热轧钢带塑性生产薄规格不锈钢冷轧板的方法，该方法的工艺流程为：黑皮卷直接轧制→固溶退火及酸洗→冷轧→冷轧板退火→精整、剪裁、包装。但该专利是出于减薄钢板才增加直接轧制步骤的，因此，其冷轧的压下率依然控制在70%以上，这就导致了冷轧过程中随形变会产生大量的马氏体相变，产品机械强度提升的同时，导致产品的塑性随之下降；因此，后续需要较高的冷轧退火材温变化区间和较长的冷轧退火时间才能充分消除形变马氏体，该专利的方法所制得的不锈钢产品的力学强度（屈服和抗拉）虽然能够达到五金结构件对用材力学强度的要求，但其硬度和延伸率（＜45%，均无法满足五金结构件的使用要求。并且，该专利的方法中固溶退火和冷轧退火的退火温度均偏高，能耗消耗大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高硬度五金不锈钢制造工艺，所制得的不锈钢产品不仅具有高硬度的优点，还同时具有高强度、高塑性的优点，专用于制作装潢五金（如门窗、幕墙等产品的结构件），且，制造成本更低，更经济。
一种高硬度五金不锈钢制造工艺，包括以下步骤：
（1）热轧黑皮卷直接轧制：采用冷轧机对SUS304热轧黑皮卷进行直接轧制，控制直接轧制的总压下率为30～40%，其中所述的SUS304热轧黑皮卷为SUS304不锈钢原材料经热轧后所得到的热轧黑皮卷；
（2）固溶退火处理：直接轧制后的钢材依次连续进行固溶退火处理，其中在所述固溶退火处理过程中材温的变化区间为1020～1050℃，固溶退火时间为56～65S；
（3）冷轧：采用冷轧机对步骤（2）得到的钢材进行冷连轧，控制冷连轧的总压下率为40～60%；
（4）冷轧退火：冷连轧后的钢材依次连续进行冷轧退火，其中在所述冷轧退火过程中材温的变化区间为940～990℃，冷轧退火时间为60～80 S，获得晶粒度≥9级的高硬度五金不锈钢。
本发明的一种高硬度五金不锈钢制造工艺通过对SUS304热轧黑皮卷依次连续进行直接轧制、固溶退火处理，并通过控制直接轧制的总压下率，不仅使得经过直接轧制后能够积累很高的再结晶和晶粒长大储能，一经固溶退火处理，晶粒就会发生较快明显地长大，并且，直接轧制的总压下率的控制也为后续在较低退火材温变化区间内（1020～1050℃）就能够实现充分固溶提供了可能，而较低的退火材温不仅能够节约能耗，同时，还为控制晶粒度创造了必要充分的条件，使得在经过上述步骤（1）和步骤（2）之后获得了原始的、晶粒度达到8.0～9.5级的稳定奥氏体；进一步的，本发明的一种高硬度五金不锈钢制造工艺还通过对该晶粒度达到8.0～9.5级的稳定奥氏体进行冷轧，并控制冷轧的总压下率在40～60%，减少冷轧过程中形变马氏体的产生，同时，冷轧退火步骤中退火材温在较低的温度变化区间内（940～990℃），在如此低的退火材温变化区间内就可实现马氏体重新转变为奥氏体达到充分奥氏体化，不仅进一步节约了能耗，并且，还利于对晶粒度进行控制；本发明的一种高硬度五金不锈钢制造工艺通过对直接轧制步骤的总压下率以及固溶退火处理步骤的退火材温变化区间的控制，加上，对冷轧的总压下率以及冷轧退火步骤的退火材温变化区间的控制，使得最终获得的产品的晶粒度≥9级，通过晶粒细化实现了不锈钢强度和塑性的同步提升，同时，获得了高硬度、高强度、高塑性的五金不锈钢。
优选的，所述步骤（1）中采用二机架S6连轧机进行直接轧制。
优选的，所述步骤（2）中固溶退火处理步骤中带钢的运行速度控制在TV值180～200mm·m/min，固溶退火处理时间为56～65S，保证实现充分固溶。所述固溶退火处理步骤中在固溶退火后进行控制冷却，冷却速率控制在：风冷30～40℃/S，雾冷＞40℃/S，水冷＞30℃/S，确保无碳化物析出。
优选的，所述步骤（2）中经固溶退火处理后的钢材进行除磷并钝化，所述的除磷并钝化包括依次进行的机械除磷、酸洗化学除磷并钝化，以提高钢材的表面质量。进一步的，所述机械除鳞是指采用破鳞拉矫和抛丸机方式进行除鳞，经济高效的去除带钢表面最高可达90%的氧化皮。所述酸洗化学除鳞并钝化是采用硫酸酸洗和混酸酸洗生产工艺，实现全部去除氧化皮和贫铬层，并在带钢表面生成一层约10μm钝化膜。
优选的，所述步骤（2）中固溶退火处理后得到的钢材为晶粒度在8.0～9.5级的、无碳化物析出的稳定奥氏体组织。在冷轧之前获得晶粒度8.0～9.5级的稳定奥氏体组织，为后续冷轧减少轧制变形量，即控制形变量及马氏体相变量，为冷轧后低温退火并达到充分奥氏体化创造必要条件，从而为获得高硬度、高强度和高塑性性能提供充分的保障条件。
优选的，所述步骤（3）的冷轧采用四机架S6型连轧机组进行，能够有效控制冷轧过程中产生形变孪晶，及加工硬化的程度，为后续退火消除加工硬化，减少残余应力，碳化物充公分固溶和防止敏化，获得所要求的产品性能创造条件。
优选的，所述冷轧退火步骤中带钢的运行速度控制在TV值75～100mm·m/min，冷轧退火时间为60～80S，进行充分奥氏体化以及控制晶粒长大。所述冷轧退火步骤中在冷轧退火后要进行冷却，冷却速率控制在：第一风冷＞40℃/S，第二风冷＞35℃/S，第三风冷3＞20℃/S，水冷＞30℃/S的生产工艺，为实现高硬度提供充分的工艺条件保障。
优选的，所述步骤（4）中经冷轧退火步骤后得到的钢材再进行除磷并钝化，所述除磷并钝化包括电化学除磷、混酸除磷并钝化；所述电化学除磷采用中性盐电解除鳞的生产工艺，所述混酸除磷并钝化采用混酸酸洗生产工艺。优选的，所述步骤（4）中经除磷并钝化后的钢材再进行表面光整处理，所述表面光整处理步骤采用2辊式表面光亮平整机进行，从而达到2B表面质量。
根据上述的高硬度五金不锈钢制造工艺制得的高硬度五金不锈钢的硬度：190～210 HV（即90～95HRB），屈服强度：290～340Mpa，抗拉强度：680～730Mpa，延伸率≥45%，晶粒度9.0～10.5级。
附图说明
图1为本发明的采用2机架S6连轧机对SUS304热轧黑皮卷进行直接轧制时轧制变形量与马氏体相变量的对应关系图；
图2为实施例1、3、4和6～8中任一实施例中步骤（2）所制得的晶粒度为8级的钢材的金相图；
图3为实施例1、2、4、6中任一实施例中步骤（4）所制得的晶粒度为9.5级的高硬度五金不锈钢成品的金相图。
具体实施方式
下面通过具体的高硬度五金不锈钢制造过程对本发明进行进一步说明。
一种高硬度五金不锈钢制造工艺，包括以下步骤：
（1）热轧黑皮卷直接轧制：
将SUS304热轧黑皮卷采用2机架S6连轧机进行直接轧制，重点控制轧制变形量（即直接轧制的总压下率）为30%～40%；该变形量实现了积累所需要的再结晶和晶粒长大储能，为后续在较低退火材温变化区间内（1020～1050℃）进行充分固溶处理和控制晶粒度创造了必要充分的条件，一经退火，晶粒就会发生较快明显地长大。SUS304热轧黑皮卷直接轧制的轧制变形量与马氏体相变量的对应关系的实验统计数据如图1所示；同时也能获得较好的2E表面质量。
（2）固溶退火处理、除鳞并钝化：
对步骤（1）中所得到的黑皮带钢进行固溶退火处理，在所述的固溶退火处理过程中，退火材温的变化区间控制在1020～1050℃；固溶退火处理过程中带钢运行速度控制在TV值180～200mm·m/min，以达到所需的在炉时间（即固溶退火时间为56～65S），保证实现充分固溶；退火后进行控制冷却，冷却速率控制在：风冷30～40℃/S，雾冷＞40℃/S，水冷＞30℃/S，确保无碳化物析出；
接着，依次采用3组弯曲辊组+2组矫直组的破鳞拉矫直机和抛丸机对冷却后的钢材进行二次除磷；
再依次采用混合酸洗以去除剩余氧化皮和带钢表面的贫铬层，并在带钢表面生成一层约10μm钝化膜；从而生产出晶粒度在8.0-9.5级的无碳化物析出的2E表面奥氏体产品，所述奥氏体产品的金相组织图如图2所述。
（3）冷轧：
采用四机架S6型连轧机组对步骤（2）所制得的2E表面奥氏体产品进行冷轧，冷轧压下率控制在40%～60%。
（4）冷轧退火、除磷并钝化：
冷轧退火采用消除加工硬化低温退火生产工艺方法，在所述的冷轧退火过程中，退火材温的变化区间控制在940-990℃，冷轧退火过程中带钢运行速度控制在TV值75～100mm·m/min，冷轧退火时间为60～80S，进行充分奥氏体化以及控制晶粒长大，退火冷却速率严格控制在：风冷1＞40℃/S，风冷2＞35℃/S，风冷3＞20℃/S，水冷＞30℃/S的生产工艺；
接着，采用中性盐电解除鳞（氧化皮）的生产工艺进行电化学除鳞；
再，采用采用2段式混酸酸洗进行除磷（氧化皮）和表面钝化的生产工艺进行除磷并钝化；
最后，采用2辊式表面光亮平整机进行表面光整处理，从而得到符合2B质量表面要求的高硬度五金不锈钢成品。
SUS304热轧黑皮卷直接轧制的总压下率、固溶退火的材温的变化区间与步骤（2）所制得钢材的晶粒度变化，和冷轧的总压下率、冷轧退火的材温的变化区间与步骤（4）所制得成品的晶粒度变化，以及所对应的高硬度五金不锈钢成品的性能数据实验结果见下表1和表2：
表1
表2
编号
硬度HV
碳化物析出
能耗
对比例1
—
—
高
对比例2
—
—
高
对比例3
—
—
高
对比例4
—
—
高
对比例5
—
—
高
对比例6
155
无
高
对比例7
172
无
高
对比例8
—
有
低
对比例9
—
无
高
对比例10
—
无
高
对比例11
170
无
高
对比例12
—
有
低
对比例13
185
无
高
实施例1
190
无
低
对比例14
192
有
低
对比例15
185
无
高
实施例2
190
无
低
对比例16
195
有
低
对比例17
186
无
高
实施例3
192
无
低
实施例4
196
无
低
对比例18
199
有
低
对比例19
172
无
高
实施例5
190
无
低
对比例20
195
有
低
对比例21
170
无
高
实施例6
190
无
低
实施例7
196
无
低
实施例8
202
无
低
对比例22
210
有
低
在表1和表2中，上述对比例1-5以及对比例9、10中固溶退火处理所需板材温变化区间偏高，能耗很高，无法满足经济化的需求；上述对比例8的固溶退火处理所需板材温变化区间过低，固溶不充分，因此，上述对比例1-5以及对比例8-10在经过固溶退火处理之后直接淘汰，不进行后续的冷轧。
同时，由表1和表2中的实施例1~8的实验数据可以看出：当直接轧制的总压下率控制在30~40%，同时固溶退火处理的材温的变化区间控制在1000～1050℃的较低温度区间时，经直接轧制、固溶退火处理能够得到稳定的奥氏体不锈钢，且晶粒度等级能够达到8.0~9.5级；同时，当冷轧的总压下率控制在50~60%，同时冷轧退火的材温的变化区间控制在940～990℃的较低温度区间时，经冷轧、冷轧退火之后就能够得到稳定的奥氏体不锈钢，且晶粒度等级能够达到9~10.5级，既节约能耗成本，同时还能够通过细化晶粒达到提高钢材综合性能的目的，最终所制得的成品的硬度190～210 HV（91～94.5HRB）；并且，最终制得的成品表面质量良好，符合2B表面质量要求；同时，制造工艺能耗低，更经济。
由表1和表2中的对比例6、7、11、13、15、17、19、21的实验数据可以看出：冷轧退火过程中材温的变化区间偏高，则能耗高。而表1和表2中的对比例11、12、14、16、18、20的冷轧退火不充分，所制得的产品中均出现了碳化物析出，即对比例11、12、14、16、18、20。
另外，由表1的采用2机架S6连轧机对SUS304热轧黑皮卷进行直接轧制时轧制变形量与马氏体相变量的对应关系图可以看出：当直接轧制的压下率大于40%时，马氏体相变量大幅升高，就需要更高的固溶退火处理所需板材温（1050℃以上）才能让马氏体重新转变为奥氏体达到充分奥氏体化，使得固溶退火的能耗很高，无法满足经济化的需求。同时，如果冷轧压下率大于60%，也会导致钢材晶粒进一步的拉长和马氏体相变量的进一步升高，不仅需要更高的冷轧退火（1020℃以上）来使钢材晶粒度变得均匀和让马氏体全部重新转变为奥氏体，使得能耗成本更高，并且，冷轧成本也更高。实际上，当钢材中的马氏体含量比例过高时，既便固溶退火处理所需板材温大于1050℃也无法实现全部的马氏体均能转变为奥氏体，而残留的马氏体会影响钢材的塑形（例如CN 103215422 A的专利），钢材的延伸率通小于45%。
本发明的实施例1~8所制得的五金不锈钢材料均满足以下表3中的性能要求：
表3
。
