CN110114491B - 低温韧性和屈服强度优异的高锰钢及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强度高韧性钢材的制造方法，所述高强度高韧性钢材主要在极低温下使用，并且用于LNG燃料车辆、LNG运输船的各种部位，本发明提供一种低温韧性和屈服强度优异的高锰钢及其制造方法，以重量％计，所述高锰钢包含：C：0.3～0.6％、Mn：20～25％、Mo：0.01～0.3％、Al：3％以下(包括0％)、Cu：0.1～3％、P：0.06％以下(包括0％)及S：0.005％以下(包括0％)，包含选自Cr：8％以下(包括0％)及Ni：0.1～3％中的一种以上，包含其它不可避免的杂质及余量的Fe，所述Mo及P满足以下关系式(1)，[关系式1]1.5≤2*(Mo/93)/(P/31)≤9，微细组织由具有50μm以下的晶粒尺寸的奥氏体组成。

Description

低温韧性和屈服强度优异的高锰钢及制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于LNG燃料车辆、LNG运输船的各种部位的高强度高韧性钢材及其制造方法，更详细地，涉及一种低温韧性和屈服强度优异的高锰钢及其制造方法。
背景技术
由于石油等传统能源的枯竭，对LNG等能源的关注正在增加。随着以-100℃以下的极低温液体状态运输的天然气等燃料的需求增加，对它们的储存及运输设备的制造及材料的需求正在增加。
在这种极低温下，一般碳钢的材料的韧性急剧降低，因此受到小的外部冲击也会使材料断裂。为了克服这些问题，使用在低温下也具有优异的冲击韧性的材料，代表性的有铝合金、奥氏体系不锈钢、35％因瓦钢、9％Ni钢等。
但是，这些材料中的大部分的镍的添加量多，存在价格高的问题，因此有必要开发制造成本低且低温韧性优异的钢材。
现有的碳钢产品的使用温度变低时，存在屈服强度急剧增加的同时韧性大幅降低的缺点，因此使用方面存在限制。另外，韧性优异的代表性的材料不锈钢具有低的屈服强度，因此不适合用作结构部件。
另外，低温韧性高的材料的制造方法是在低温下使材料具有稳定的奥氏体组织。铁素体组织在低温下显示出延展性-脆性转变现象，在低温的脆性区间韧性急剧减少。但是，奥氏体组织在极低温下也没有延展性-脆性转变现象，并且具有高的低温韧性，这是因为与铁素体不同，奥氏体组织在低温下屈服强度低而容易塑性变形，从而能够吸收外部变形引起的冲击。
在低温下提升奥氏体稳定度的代表性的元素为镍，但存在价格昂贵的缺点。
(现有技术文献)
(专利文献1)日本公开专利公报昭60-077962号
发明内容
要解决的技术问题
本发明的优选的一个方面的目的在于提供一种低温韧性和屈服强度优异的高锰钢。
本发明的优选的另一个方面的目的在于提供一种低温韧性和屈服强度优异的高锰钢的制造方法。
技术方案
根据本发明的优选的一个方面，提供一种低温韧性和屈服强度优异的高锰钢，以重量％计，所述高锰钢包含：C：0.3～0.6％、Mn：20～25％、Mo：0.01～0.3％、Al：3％以下(包括0％)、Cu：0.1～3％、P：0.06％以下(包括0％)及S：0.005％以下(包括0％)，包含选自Cr：8％以下(包括0％)及Ni：0.1～3％中的一种以上，包含其它不可避免的杂质及余量的Fe，所述Mo及P满足以下关系式(1)，微细组织由具有50μm以下的晶粒尺寸的奥氏体组成。
[关系式1]
1.5≤2*(Mo/93)/(P/31)≤9
根据本发明的优选的另一个方面，提供一种低温韧性和屈服强度优异的高锰钢的制造方法，所述制造方法包括：板坯再加热步骤，在1000～1250℃的温度下，将钢坯进行再加热，以重量％计，所述钢坯包含：C：0.3～0.6％、Mn：20～25％、Mo：0.01～0.3％、Al：3％以下(包括0％)、Cu：0.1～3％、P：0.06％以下(包括0％)及S：0.005％以下(包括0％)，包含选自Cr：8％以下(包括0％)及Ni：0.1～3％中的一种以上，包含其它不可避免的杂质及余量的Fe，所述Mo及P满足以下关系式(1)，[关系式1]1.5≤2*(Mo/93)/(P/31)≤9；热轧步骤，对加热的板坯进行第一次热轧，在980～1050℃下完成第一次热轧后，在未再结晶区以3％以下的轧制率进行第二次热轧，在800～960℃下完成第二次热轧，以获得热轧钢板；冷却步骤，将所述热轧钢板进行水冷至350～600℃的冷却终止温度；以及收卷步骤，将冷却的所述热轧钢板进行收卷。
有益效果
根据本发明，可以提供一种高锰钢，在-196℃下通过夏比冲击试验测量的所述高锰钢的冲击韧性值为100J以上，常温屈服强度为380MPa以上。
最佳实施方式
以下，对本发明进行详细的说明。
本发明是基于对低温韧性和屈服强度优异的高锰钢进行研究及实验获得的结果完成的，主要概念如下。
1)在钢的组成中，尤其控制锰和碳的量。
由此，可以确保均匀且稳定度高的奥氏体相。
2)在钢的组成中，尤其适量添加已知为钢碳氮化物形成元素的Cr(选择性地添加)和固溶强化元素Cu及Al等。
由此，可以提升屈服强度。
3)在制造条件中，尤其适当控制热轧条件。
由此，可以提升强度及冲击韧性。
以下，对本发明的优选的一个方面的极低温用奥氏体系高锰钢进行说明。
本发明的优选的一个方面的低温韧性和屈服强度优异的高锰钢中，以重量％计，包含：C：0.3～0.6％、Mn：20～25％、Mo：0.01～0.3％、Al：3％以下(包括0％)、Cu：0.1～3％、P：0.06％以下(包括0％)及S：0.005％以下(包括0％)，包含选自Cr：8％以下(包括0％)及Ni：0.1～3％中的一种以上，包含其它不可避免的杂质及余量的Fe，所述Mo及P满足以下关系式(1)，微细组织由具有50μm以下的晶粒尺寸的奥氏体组成。
[关系式1]
1.5≤2*(Mo/93)/(P/31)≤9
首先，对钢的成分及成分范围进行说明。
碳(C)：0.3～0.6重量％(以下，称为“％”)
C是在钢中使奥氏体稳定化并固溶于钢中而确保强度所必要的元素。但是，C的含量小于0.3％时，奥氏体稳定度不足而形成铁素体或马氏体，因此低温韧性降低。另外，C的含量超过0.6％时，形成碳化物而产生表面缺陷，韧性降低，因此C的含量优选控制在0.3～0.6％。
更优选的C的含量为0.35～0.55％，进一步优选的C的含量为0.4～0.5％。
锰(Mn)：20～25％
Mn是起到使奥氏体组织稳定化的作用的重要元素，需要防止形成铁素体且提升奥氏体的稳定度以确保低温韧性，因此本发明中最少添加20％以上的Mn。添加小于20％的Mn时，形成α'-马氏体相，因此低温韧性降低。另外，Mn的含量超过25％时，制造成本大幅增加，在工艺的热轧步骤中加热时发生严重的内部氧化，因此发生表面质量变差的问题。因此，Mn的含量优选控制在20～25％。
更优选的Mn的含量为21～24％，进一步优选的Mn的含量为22～24％。
钼(Mo)：0.01～0.3％
Mo由于形成Fe-Mo-P化合物所带来的防止P晶界偏析的效果，具有提升冲击韧性的效果，为此，需要添加0.01％以上的Mo。但是，Mo是高价的元素，并且为了防止由于形成Mo碳氮化物所引起的强度的增加导致冲击能量减少，优选控制在0.3％以下。
铝(Al)：3％以下(包括0％)
Al具有如下效果：通过增加堆垛层错能而在低温下使位错顺利移动，从而可以实现塑性变形。另外，Al的含量超过3％时，制造成本大幅增加，在工艺的连铸步骤中产生裂纹，因此发生表面质量变差的问题。因此，将Al的含量优选控制在3％以下(包括0％)。更优选的Al的含量为0～2％，进一步优选的Al的含量为0.5～1.5％。
铜(Cu)：0.1～3％
Cu是在钢内固溶于钢中而提升强度所必要的元素。
Cu的含量小于0.1％时，难以获得添加效果，Cu的含量超过3％时，板坯容易产生裂纹。因此，Cu的含量优选控制在0.1～3％。
更优选的Cu的含量为0.5～2.5％，进一步优选的Cu的含量为0.5～2％。
磷(P)：0.06％以下(包括0％)
P是制造钢时不可避免地含有的元素，添加磷时，偏析在钢板的中心部，并且成为裂纹起点或扩展途径。理论上，将磷的含量控制在0％是有利的，但是在制造工艺中必然作为杂质被添加。因此，重要的是控制磷含量的上限，本发明中所述磷含量的上限优选控制在0.06％。
硫(S)：0.005％以下(包括0％)
S是存在于钢中的杂质元素，与Mn等结合形成非金属夹杂物，由此大幅损伤钢的韧性，因此优选尽可能地减少S，S含量的上限优选控制在0.005％。
钢的成分中Mo和P满足以下关系式(1)。
[关系式1]
1.5≤2*(Mo/93)/(P/31)≤9
所述关系式(1)用于防止P的晶界偏析。关系式(1)的值小于1.5时，由于形成Fe-Mo-P化合物，防止P晶界偏析的效果不充分，关系式(1)的值超过9时，由于形成Mo碳氮化物所引起的强度的增加，冲击能量减少。
选自Cr：8％以下(包括0％)及Ni：0.1～3％中的一种以上
所述成分之外，可以进一步添加选自Cr：8％以下(包括0％)及Ni：0.1～3％中的一种以上。
铬(Cr)：8％以下(包括0％)
Cr的添加量为适当范围时，使奥氏体稳定化而提升低温下的冲击韧性，并且固溶于奥氏体内而提升钢材的强度。另外，Cr也是提升钢材的耐蚀性的元素。但是，Cr是碳化物元素，尤其是在奥氏体晶界形成碳化物而减少低温冲击的元素。因此，优选地，本发明中添加的Cr的含量需要在注意与C和其它一同添加的元素之间的关系的情况下进行决定，但是Cr的含量超过8％时，难以有效地抑制奥氏体晶界上的碳化物的生成，因此存在低温下的冲击韧性减少的问题。因此，Cr的含量优选控制在0～8％。更优选的Cr的含量为0～6％，进一步优选的Cr的含量为0～5％。
镍(Ni)：0.1～3％
Ni是在钢内使奥氏体稳定化所必要的元素。Ni的含量小于0.1％时，难以获得添加效果，Ni的含量超过3％时，存在制造成本增加的问题。
因此，Ni的含量优选控制在0.1～3％。
更优选的Ni的含量为0.5～2.5％，进一步优选的Ni的含量为0.5～2％。
本发明的优选的一个方面的高锰钢具有由具有50μm以下的晶粒尺寸的奥氏体组成的微细组织。
所述晶粒尺寸超过50μm时，存在屈服强度及冲击能量减少的问题。
优选地，本发明的优选的一个方面的高锰钢在-196℃下通过夏比冲击试验测量的冲击韧性值可以为100J以上，常温屈服强度可以为380MPa以上。
以下，对本发明的优选的另一个方面的低温韧性和屈服强度优异的高锰钢的制造方法进行说明。
本发明的优选的另一个方面的低温韧性和屈服强度优异的高锰钢的制造方法包括：板坯再加热步骤，在1000～1250℃的温度下，将钢坯进行再加热，以重量％计，所述钢坯包含：C：0.3～0.6％、Mn：20～25％、Mo：0.01～0.3％、Al：3％以下(包括0％)、Cu：0.1～3％、P：0.06％以下(包括0％)及S：0.005％以下(包括0％)，包含选自Cr：8％以下(包括0％)及Ni：0.1～3％中的一种以上，包含其它不可避免的杂质及余量的Fe，所述Mo及P满足以下关系式(1)，[关系式1]1.5≤2*(Mo/93)/(P/31)≤9；热轧步骤，对加热的板坯进行第一次热轧，在980～1050℃下完成第一次热轧后，在未再结晶区以3％以下的轧制率进行第二次热轧，在800～960℃下完成第二次热轧，以获得热轧钢板；冷却步骤，将所述热轧钢板进行水冷至350～600℃的冷却终止温度；以及收卷步骤，将冷却的所述热轧钢板进行收卷。
板坯再加热步骤
在热轧之前，在1000～1250℃的温度下，将板坯进行再加热。
板坯再加热温度在本发明中是重要的。板坯的再加热工艺是用于在板坯制造步骤中生成的铸造组织及偏析、二次相的固溶及均质化的工艺，板坯再加热温度小于1000℃时，均质化不足或者加热炉温度过低，因此存在热轧时变形阻力变大的问题，板坯再加热温度超过1250℃时，表面质量变差。因此，所述板坯的再加热温度优选控制在1000～1250℃。
热轧步骤
对再加热的所述板坯进行第一次热轧，在980～1050℃下完成第一次热轧，然后在未再结晶区以3％以下的轧制率进行第二次热轧，在800～960℃下完成第二次热轧，以获得热轧钢板。
重要的是在980～1050℃下完成加热的所述板坯的第一次轧制，第二次轧制时在未再结晶区以3％以下进行轧制后在800～960℃下完成。
这是因为轧制结束温度过高时，最终的组织粗大，不能获得期望的强度及冲击韧性，轧制结束温度过低时，精轧机发生设备负荷问题。另外，在未再结晶区的压下量过大时，冲击韧性减少，因此优选控制在3％以下。
冷却步骤及收卷步骤
热轧结束后进行水冷，在350～600℃下进行收卷。冷却终止温度高于600℃时，表面质量降低，形成粗大的碳化物，因此韧性降低。另外，冷却终止温度低于350℃时，收卷时需要大量的冷却水，收卷时的荷重大幅增加。
优选地，根据本发明的优选的另一个方面的高锰钢的制造方法制造的高锰钢在-196℃下通过夏比冲击试验测量的冲击韧性值可以为100J以上，常温屈服强度可以为380MPa以上。
具体实施方式
以下，通过实施例对本发明进行更具体的说明。但是，下述实施例仅是用于详细说明本发明的例示，并不限定本发明的权利范围。
(实施例)
通过连铸法，将具有如下表1的化学成分的发明钢制成板坯，然后按照表2进行热轧，制造钢材。
确认如上所述制造的钢材的晶粒尺寸、常温屈服强度及冲击能量值，将其结果示于下表2中。
[表1]
Figure GDA0002104737890000081
[表2]
Figure GDA0002104737890000082
Figure GDA0002104737890000091
如上述表2所示，对于利用满足本发明的成分范围的发明钢并根据本发明的制造方法制造的发明材料，可以知道在轧制后能够制造高强度高韧性钢材。
本发明中的上述实施方式是一个例示，本发明并不限定于此。具有与本发明的权利要求书中记载的技术思想实质上相同的特征并且实现相同的作用效果的实施方式均包括在本发明的技术范围中。

Claims (5)

1.一种低温韧性和屈服强度优异的高锰钢，以重量％计，所述高锰钢由C：0.3～0.6％，Mn：20～25％，Mo：0.01～0.3％，Al：3％以下且包括0％，Cu：0.1～3％，P：0.06％以下且包括0％，S：0.005％以下且包括0％，选自Cr：8％以下且包括0％及Ni：0.1～3％中的一种以上，其它不可避免的杂质，以及余量的Fe组成，
所述Mo及P满足以下关系式1，
[关系式1]
1.5≤2*(Mo/93)/(P/31)≤9
微细组织由具有50μm以下的晶粒尺寸的奥氏体组成，
在-196℃下通过夏比冲击试验测量的所述高锰钢的冲击韧性值为100J以上。
2.根据权利要求1所述的低温韧性和屈服强度优异的高锰钢，其中，所述高锰钢的常温屈服强度为380MPa以上。
3.一种低温韧性和屈服强度优异的高锰钢的制造方法，包括：
板坯再加热步骤，在1000～1250℃的温度下，将钢坯进行再加热，以重量％计，所述钢坯由C：0.3～0.6％，Mn：20～25％，Mo：0.01～0.3％，Al：3％以下且包括0％，Cu：0.1～3％，P：0.06％以下且包括0％，S：0.005％以下且包括0％，选自Cr：8％以下且包括0％及Ni：0.1～3％中的一种以上，其它不可避免的杂质，以及余量的Fe组成，所述Mo及P满足以下关系式1，
[关系式1]
1.5≤2*(Mo/93)/(P/31)≤9；
热轧步骤，对加热的板坯进行第一次热轧，在980～1050℃下完成第一次热轧后，在未再结晶区以3％以下的轧制率进行第二次热轧，在800～960℃下完成第二次热轧，以获得热轧钢板；
冷却步骤，将所述热轧钢板进行水冷至350～600℃的冷却终止温度；以及
收卷步骤，将冷却的所述热轧钢板进行收卷。
4.根据权利要求3所述的低温韧性和屈服强度优异的高锰钢的制造方法，其特征在于，所述高锰钢的微细组织由具有50μm以下的晶粒尺寸的奥氏体组成。
5.根据权利要求4所述的低温韧性和屈服强度优异的高锰钢的制造方法，其特征在于，所述高锰钢的常温屈服强度为380MPa以上。
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