CN106222554A - 一种经济型超低温用钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种经济型超低温用钢，其质量百分比化学成分为：C：0.3‑0.6%，Mn：20‑28%，Si：0.1‑0.5%，Cr：2.5‑5.5%，Cu：0.3‑0.8%，N：0.01‑0.10%，Al：0.01‑0.05%，P≤0.03%，S≤0.01%，余量为Fe和不可避免的杂质元素。本发明的经济型超低温用钢通过加热、轧制及冷却工艺获得奥氏体型组织，使用温度可以达到‑196℃。本发明的经济型超低温用钢与9Ni钢相比显著提高了塑性，与奥氏体不锈钢相比显著提高了强度，并且大大降低了合金成本。

Description

一种经济型超低温用钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种超低温用钢，尤其是涉及一种经济型超低温用钢及其制备方法。
背景技术
超低温用钢是指能够在-196℃以下的低温下使用并具有足够缺口韧性的钢，目前广泛应用的钢种主要为9Ni钢和奥氏体不锈钢。9Ni钢通过高含量的Ni大幅度降低韧-脆转变温度，通过热处理获得回火马氏体+回转奥氏体的复相组织，回火马氏体基体提供了较高的强度，而回转奥氏体作为形变载荷的吸收体，可阻碍形变裂纹的萌生与扩展，从而提高低温韧性。304L和316L等奥氏体不锈钢含有大量的Cr、Ni和Mn，以稳定的奥氏体相为基体组织，无韧-脆转变现象，低温韧性优良；但这两种超低温用钢都需要添加大量昂贵的Ni元素，因而成本较高。如专利CN104152797A公开了一种低温塑性高锰钢板及其加工方法，Mn含量较高，需要增加固溶处理及回火等工序，且使用条件未达到-196℃超低温环境。此外，9Ni钢虽然具有较高强度但塑性不高，而奥氏体不锈钢虽然塑性很高但强度很低，这就限制了两种超低温用钢的应用范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，如何在降低超低温用钢的成本，使其在-196℃下具有优良韧性，且综合力学性能优于9Ni钢和奥氏体不锈钢；为了解决以上技术问题，本发明提出一种经济型超低温用钢及其制备方法，具体技术方案是：
一种经济型超低温用钢，其质量百分比化学成分为：C：0.3-0.6%，Mn：20-28%，Si：0.1-0.5%，Cr：2.5-5.5%，Cu：0.3-0.8%，N：0.01-0.10%，Al：0.01-0.05%，P≤0.03%，S≤0.01%，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
上述的经济型超低温用钢的制备方法，包括以下步骤：
㈠加热：将具有与所述超低温用钢相同化学成分的板坯加热至1080-1220℃，并保温90-180min；高温下奥氏体中的合金元素通过扩散方式均匀化；
㈡轧制：对加热后的板坯进行轧制，道次变形量≥12%，总变形量≥85%，终轧温度970-1030℃；轧制时通过再结晶细化获得尺寸均匀的等轴奥氏体晶粒；
㈢冷却：对轧制后的钢板进行在线加速冷却，冷却速率5-30℃/s，终冷温度为室温至400℃，终冷温度高于室温时加速冷却结束之后空冷至室温；加速冷却抑制高温下的晶粒长大，同时避免形成损害低温韧性的析出相。
本发明中化学成分含量的限定理由如下：
C能够提高奥氏体相的稳定性，抑制ε-马氏体的形成，提高低温韧性，但过高的C含量使层错能显著增大并阻碍孪晶的形成，损害塑性；本发明将C含量控制在0.3-0.6%。
Mn能够产生固溶强化，还能够稳定奥氏体相，为了得到足够稳定的奥氏体相，抑制ε-马氏体的形成，需要添加大量的Mn，其添加量相对于低合金钢而言属于“高锰”范围，但Mn含量过高则容易产生沿晶脆断，降低低温韧性；本发明将Mn含量控制在20-28%。
Si能够产生固溶强化，但Si在晶界偏聚会弱化晶界并提高沿晶脆性，此外Si还会降低塑性；本发明将Si含量控制在0.1-0.5%。
Cr能够产生固溶强化，还能强化奥氏体晶界，但Cr含量过高则会降低成形性；本发明将Cr含量控制在2.5-5.5%。
Cu能够稳定奥氏体相，还能够产生固溶强化，但Cu含量过高会引起热脆性，不利于热轧；本发明将Cu含量控制在0.3-0.8%。
N能够产生固溶强化，在晶界偏聚会显著强化晶界并抑制低温沿晶脆性，但N含量过高则容易形成大量氮化物从而损害塑性以及焊接性；本发明将N含量控制在0.01-0.10%。
Al在炼钢过程中为脱氧元素，还具有强化奥氏体晶界的作用，但过量添加容易形成大尺寸的Al3O2、AlN以及其它析出相，损害低温韧性；本发明将Al含量控制在0.01-0.05%。
S会形成MnS，S和P在晶界偏聚还会弱化晶界从而增大低温沿晶脆性，需要控制在最低限度。
本发明制备方法中工艺条件限定理由如下：
⑴坯料加热时奥氏体组织中的合金元素通过扩散方式均匀化；加热温度过高或保温时间过长将导致高温奥氏体晶粒过于粗大，而加热温度过低或保温时间过短不利于合金元素的均匀化，因此本发明将加热温度控制在1080-1220℃，保温时间控制在90-180min；⑵加热后坯料进行轧制，通过再结晶细化获得尺寸均匀的等轴奥氏体晶粒，这就要求在奥氏体完全再结晶区进行轧制，因此本发明将轧制变形温度控制在970℃以上，并要求12%以上的道次变形量和85%以上的总变形量以保证足够的晶粒细化效果；⑶轧制后在线加速冷却至400℃以下，能够抑制高温下晶粒长大，同时也能够避免形成损害低温韧性的析出相。
本发明合金成分设计下的奥氏体具有足够高的热稳定性，在冷却过程中不发生相变，室温下保留了高温轧制得到的奥氏体晶粒。在形变过程中，奥氏体不发生马氏体相变，而是产生形变孪晶，使孪生与滑移交替进行，获得高加工硬化能力，同时孪晶界还能够阻碍裂纹扩展，提高均匀延伸率；这种稳定的高锰奥氏体相在-196℃下仍然能够得以保留，通过适量添加N、Al、Cr等强化晶界的合金元素并减少S、P及其它弱化晶界的有害元素，抑制了低温沿晶脆性，使材料具备优良低温韧性。此外，高的Mn含量提高了N在钢中的固溶度，配合C、Mn、Si、Cr、Cu等元素的固溶强化效应，使高锰奥氏体组织具有高于镍铬奥氏体组织的强度。
本发明进一步限定的技术方案是：
前述的经济型超低温用钢，超低温用钢在常温下具有奥氏体组织。
前述的经济型超低温用钢，超低温用钢制成的板材的厚度为12-50mm，规定非比例延伸强度Rp0.2≥400MPa，抗拉强度Rm≥800MPa，延伸率A≥50%，-196℃冲击试验冲击吸收能量KV2≥80J。
本发明的有益效果是：
本发明通过在钢中添加含量较高的锰，并适当添加其它能够稳定奥氏体相的合金元素，获得了在-196℃下仍然具有足够稳定性的单一奥氏体组织，并通过恰当的合金设计，实现了足够的固溶强化、孪晶诱导塑性以及抑制低温沿晶脆性，使高锰奥氏体组织获得极佳的强塑韧配合。本发明提出的超低温用钢与9Ni钢相比显著提高了塑性，与奥氏体不锈钢相比显著提高了强度，并且与添加了大量Ni元素的9Ni钢和奥氏体不锈钢相比显著降低了合金成本，因此应用范围更广、经济效益更高。
附图说明
图1为实施例1中经济型超低温用钢金相组织的光学显微图。
图2为实施例2中经济型超低温用钢金相组织的光学显微图。
图3为实施例3中经济型超低温用钢金相组织的光学显微图。
具体实施方式
实施例1
本实施例是一种厚度为25mm的经济型超低温用钢板材，化学成分及其质量分数分别为0.45%C、24%Mn、0.3%Si、2.5%Cr、0.5%Cu、0.04%N、0.01%Al，0.019% P，0.002% S，以及余量Fe和杂质元素，常温下为奥氏体组织，Rp0.2=435MPa，Rm=800MPa，A=57%，-196℃夏比冲击试验KV2=126J。
上述经济型超低温用钢的制备按照以下步骤进行：
将260mm厚的坯料放入加热炉中加热至1080℃并保温180min，坯料的化学成分及其质量分数分别为0.45%C、24%Mn、0.3%Si、2.5%Cr、0.5%Cu、0.04%N、0.01%Al，0.019% P，0.002%S，以及余量Fe和杂质元素；
对加热后的板坯进行轧制，轧机压下规程为220mm -208mm -166mm -133mm -106mm -80mm -60mm -45mm -34mm -25mm终轧温度995℃；
对轧制后的钢板进行在线加速冷却，冷却速率15℃/s，终冷温度400℃，之后空冷至室温。
图1为实施例1经济型超低温用钢金相组织的光学显微图，组织类型为奥氏体。
实施例2
本实施例为一种厚度为50mm的经济型超低温用钢板材，化学成分及其质量分数分别为0.4%C、28%Mn、0.1%Si、4%Cr、0.3%Cu、0.01%N、0.025%Al，0.014% P，0.01% S，以及余量Fe和杂质元素，常温下为奥氏体组织，Rp0.2=455MPa，Rm=880MPa，A=50%，-196℃夏比冲击试验KV2=80J。
上述经济型超低温用钢的制备按照以下步骤进行：
将340mm厚的坯料放入加热炉中加热至1150℃并保温120min，坯料的化学成分及其质量分数分别为0.4%C、28%Mn、0.1%Si、4%Cr、0.3%Cu、0.01%N、0.025%Al，0.014% P，0.01% S，以及余量Fe和杂质元素；
对加热后的板坯进行轧制，轧机压下规程为340mm -290mm -256mm- 204mm -164mm -131mm -105mm -84mm -67mm -50mm终轧温度970℃；
对轧制后的钢板进行在线加速冷却，冷却速率5℃/s，终冷温度280℃，之后空冷至室温。
图2为实施例2经济型超低温用钢金相组织的光学显微图，组织类型为奥氏体。
实施例3
本实施例为一种厚度为12mm的经济型超低温用钢板材，化学成分及其质量分数分别为0.3%C、20%Mn、0.5%Si、5.5%Cr、0.8%Cu、0.10%N、0.05%Al，0.03%P，0.004%S，以及余量Fe和杂质元素，常温下为奥氏体组织，Rp0.2=400MPa，Rm=840MPa，A=66%，-196℃夏比冲击试验KV2=151J。
上述经济型超低温用钢的制备按照以下步骤进行：
将150mm厚的坯料放入加热炉中加热至1220℃并保温90min，坯料的化学成分及其质量分数分别为0.3%C、20%Mn、0.5%Si、5.5%Cr、0.8%Cu、0.10%N、0.05%Al，0.03%P，0.004%S，以及余量Fe和杂质元素；
对加热后的板坯进行轧制，轧机压下规程为150mm -128mm -108mm -87mm -69mm -55mm -39mm -27mm -18mm -12mm，终轧温度1030℃；
对轧制后的钢板进行在线加速冷却，冷却速率30℃/s，冷却至室温。
图3为实施例3经济型超低温用钢金相组织的光学显微图，组织类型为奥氏体。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种经济型超低温用钢，其特征在于：其质量百分比化学成分为：C：0.3-0.6%，Mn：20-28%，Si：0.1-0.5%，Cr：2.5-5.5%，Cu：0.3-0.8%，N：0.01-0.10%，Al：0.01-0.05%，P≤0.03%，S≤0.01%，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
2.如权利要求1所述的经济型超低温用钢，其特征在于：所述超低温用钢在常温下具有奥氏体组织。
3.如权利要求1或2所述的经济型超低温用钢，其特征在于：所述超低温用钢制成的板材的厚度为12-50mm，规定非比例延伸强度Rp0.2≥400MPa，抗拉强度Rm≥800MPa，延伸率A≥50%，-196℃冲击试验冲击吸收能量KV2≥80J。
4.如权利要求1所述的经济型超低温用钢，其特征在于：其厚度为25mm，其质量百分比化学成分为：0.45%C、24%Mn、0.3%Si、2.5%Cr、0.5%Cu、0.04%N、0.01%Al，0.019% P，0.002%S，以及余量Fe和不可避免的杂质元素；常温下为奥氏体组织，Rp0.2=435MPa，Rm=800MPa，A=57%，-196℃夏比冲击试验KV2=126J。
5.如权利要求1所述的经济型超低温用钢，其特征在于：其厚度为50mm，其质量百分比化学成分为：0.4%C、28%Mn、0.1%Si、4%Cr、0.3%Cu、0.01%N、0.025%Al，0.014% P，0.01% S，以及余量Fe和不可避免的杂质元素；常温下为奥氏体组织，Rp0.2=455MPa，Rm =880MPa，A=50%，-196℃夏比冲击试验KV2=80J。
6.如权利要求1所述的经济型超低温用钢，其特征在于：其厚度为12mm，其质量百分比化学成分为：0.3%C、20%Mn、0.5%Si、5.5%Cr、0.8%Cu、0.10%N、0.05%Al，0.03%P，0.004%S，以及余量Fe和不可避免的杂质元素，常温下为奥氏体组织，Rp0.2=400MPa，Rm =840MPa，A=66%，-196℃夏比冲击试验KV2=151J。
7.如权利要求1所述的经济型超低温用钢的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
㈠加热：将具有与所述超低温用钢相同化学成分的板坯加热至1080-1220℃，并保温90-180min；高温下奥氏体中的合金元素通过扩散方式均匀化；
㈡轧制：对加热后的板坯进行轧制，道次变形量≥12%，总变形量≥85%，终轧温度970-1030℃；轧制时通过再结晶细化获得尺寸均匀的等轴奥氏体晶粒；
㈢冷却：对轧制后的钢板进行在线加速冷却，冷却速率5-30℃/s，终冷温度为室温至400℃，终冷温度高于室温时加速冷却结束之后空冷至室温；加速冷却抑制高温下的晶粒长大，同时避免形成损害低温韧性的析出相。
8.如权利要求4所述的经济型超低温用钢的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
㈠将260mm厚的坯料放入加热炉中加热至1080℃并保温180min，坯料的化学成分及其质量分数分别为0.45%C、24%Mn、0.3%Si、2.5%Cr、0.5%Cu、0.04%N、0.01%Al，0.019% P，0.002% S，以及余量Fe和杂质元素；
㈡对加热后的板坯进行轧制，轧机压下规程为220mm -208mm -166mm -133mm -106mm-80mm -60mm -45mm -34mm -25mm终轧温度995℃；
㈢对轧制后的钢板进行在线加速冷却，冷却速率15℃/s，终冷温度400℃，之后空冷至室温。
9.如权利要求4所述的经济型超低温用钢的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
㈠将340mm厚的坯料放入加热炉中加热至1150℃并保温120min，坯料的化学成分及其质量分数分别为0.4%C、28%Mn、0.1%Si、4%Cr、0.3%Cu、0.01%N、0.025%Al，0.014% P，0.01%S，以及余量Fe和杂质元素；
㈡对加热后的板坯进行轧制，轧机压下规程为340mm -290mm -256mm- 204mm -164mm-131mm -105mm -84mm -67mm -50mm终轧温度970℃；
㈢对轧制后的钢板进行在线加速冷却，冷却速率5℃/s，终冷温度280℃，之后空冷至室温。
10.如权利要求4所述的经济型超低温用钢的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
㈠将150mm厚的坯料放入加热炉中加热至1220℃并保温90min，坯料的化学成分及其质量分数分别为0.3%C、20%Mn、0.5%Si、5.5%Cr、0.8%Cu、0.10%N、0.05%Al，0.03%P，0.004%S，以及余量Fe和杂质元素；
㈡对加热后的板坯进行轧制，轧机压下规程为150mm -128mm -108mm -87mm -69mm -55mm -39mm -27mm -18mm -12mm，终轧温度1030℃；
㈢对轧制后的钢板进行在线加速冷却，冷却速率30℃/s，冷却至室温。
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