CN112941409A - 低温钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温钢及其制造方法，该低温钢的成分以质量百分比计包括C：0.6～0.8％、Mn：18～20％、Ni：4～6％、Si：≤0.5％、P：≤0.02％、S：≤0.01％，余量的Fe和不可避免的杂质。其成分设计以C、Mn、Ni为主要合金元素，获得了在‑269℃仍具有优良冲击韧性的奥氏体组织低温钢。该钢与9％Ni钢和铬镍奥氏体不锈钢相比Ni含量更低，与9％Ni钢相比使用温度更低，且不需要进行调质或固溶处理等热处理，制造工艺更为简单。

Description

低温钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种钢及其制造方法，具体涉及一种-269℃冲击韧性优良的低温钢及其制造方法。

背景技术

液氢、液氦等相关低温领域需要使用具有优良低温性能的材料，最低服役温度低至-269℃。9％Ni钢和铬镍奥氏体不锈钢是常用的低温用钢，9％Ni钢的使用温度不低于-196℃，铬镍奥氏体不锈钢则可在更低温度下使用。然而，两者都添加了大量的Ni元素，铬镍奥氏体体不锈钢还添加了大量的Cr元素，此外生产过程还需要调质(9％Ni钢)或固溶(铬镍奥氏体不锈钢)等热处理，因此制造成本高、工艺复杂。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种低温钢，该钢较少添加或不添加Ni、Cr元素，且无需热处理，能够保证在-269℃仍具有优良冲击韧性。

本发明的另一目的是提供一种上述低温钢的制造方法。

技术方案：本发明所述的一种低温钢，成分以质量百分比计，包括C：0.6～0.8％、Mn：18～20％、Ni：4～6％、Si：≤0.5％、P：≤0.02％、S：≤0.01％，余量的Fe和不可避免的杂质。

该低温钢的成分设计机理如下：

首先，成分设计要从根本上将材料组织类型改变为奥氏体，并使得奥氏体具有足够高的稳定性从而在低温下不发生相变，进而在不增加Ni含量的情况下使材料在更低温度下具有优良冲击韧性。

具体而言，与Ni元素相比，Mn和C稳定奥氏体的效果更强，且能够明显提高材料强度。但是，每种元素都有其作用特点，应当复合添加多种元素并选取最佳配比。

因此，本发明通过添加0.6～0.8％的C、18～20％的Mn和4～6％的Ni，使得任何温度下的奥氏体的自由能始终低于马氏体，并将奥氏体在室温至-269℃温度范围内的层错能控制在5～40mJ·m^-2，主要以孪晶机制实现强化与韧化。奥氏体组织的FCC晶体结构具有很高的抵抗裂纹扩展的能力，能够在冲击形变过程中提高裂纹扩展功，从而提高冲击韧性。

除上述化学成分外，本发明对其它元素的添加和范围进行了限定。Si能够产生一定程度的固溶强化，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，Si的含量应控制在0.5％以下。此外，有害元素P和S会显著损害低温韧性，需要控制上限，P≤0.02％、S≤0.01％。

对应于上述低温钢，本发明提供的制造方法所采用的技术方案包括如下步骤：

(1)坯料选择：在目标成分的坯料中选择，坯料厚度150～320mm，且坯料与钢板的厚度比值不小于8；

(2)坯料加热：目标温度1130～1230℃；加热过程控制为：室温～700℃范围内的加热时间≥(0.6min/mm)×H，700℃至目标温度的加热时间≥(0.4min/mm)×H，目标温度下的均热时间≥(0.1min/mm)×H，其中H为坯料厚度；加热气氛的氧气体积分数≤3％；

(3)坯料轧制：开轧温度≤1100℃，终轧目标温度890～940℃；道次变形量≥10％；

(4)钢板冷却：轧制后钢板浇水加速冷却，开冷温度≥800℃，终冷温度≤300℃；水冷结束后空冷至室温。

该制造方法的机理如下：

坯料加热时得到一定晶粒尺寸的高温奥氏体组织，同时合金元素通过扩散方式均匀化。加热温度过高将导致过热甚至过烧，而加热温度过低不利于合金元素的均匀化，因此本发明将加热温度控制在1130-1230℃。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，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890℃以上，并且通过控制终轧温度在890～940℃以保证足够的晶粒细化效果。为了获得足够的高温再结晶晶粒细化效果，要求坯料与轧制钢板的厚度比不小于8。

除了获得细化奥氏体组织之外，还需要抑制晶界上的渗碳体析出才能够确保足够的晶界强度，以实现优良的低温韧性。本发明低温钢的渗碳体析出温度低于800℃，因此要求轧制后钢板的开冷温度≥800℃，冷却至300℃及以下。在300℃以下碳化物析出缓慢，可以进行空冷。钢板无需进行热处理。

有益效果：本发明以C、Mn、Ni为主要合金元素进行成分设计，获得了具有高稳定性和特定层错能的奥氏体组织、以及在-269℃仍具有优良冲击韧性的低温钢。该钢与9％Ni钢和铬镍奥氏体不锈钢相比Ni含量更低，与9％Ni钢相比使用温度更低，且不需要进行调质或固溶处理等热处理，制造工艺更为简单。

附图说明

图1是本发明实施例1中钢板的V型缺口夏比冲击试验冲击功随试验温度的变化曲线。

具体实施方式

实施例1：低温钢的化学成分及其质量分数分别为0.69％C、19％Mn、5.2％Ni、0.24％Si、0.011％P，0.003％S，以及余量Fe和杂质元素。钢板厚度20mm，如图1所示，冲击功随温度降低而近似呈线性规律降低，-269℃的V型缺口夏比冲击试验冲击功93J。

钢板轧制方法：使用与上述成分相同的坯料，厚度260mm。坯料加热温度1180℃；室温～700℃范围内的加热时间178min，700～1180℃的加热时间125min，均热时间31min，加热气氛的氧气体积分数1.8％。开轧温度1080℃，终轧温度917℃。轧制后钢板浇水加速冷却，开冷温度845℃，终冷温度170℃，水冷结束后空冷至室温。

实施例2：低温钢的化学成分及其质量分数分别为0.69％C、19％Mn、5.2％Ni、0.24％Si、0.011％P，0.003％S，以及余量Fe和杂质元素。钢板厚度5mm，-269℃的V型缺口夏比冲击试验冲击功59J。

钢板轧制方法：使用与上述成分相同的坯料，厚度150mm。坯料加热温度1230℃；室温～700℃范围内的加热时间90min，700～1230℃的加热时间65min，均热时间20min，加热气氛的氧气体积分数3％。开轧温度1100℃，终轧温度890℃。轧制后钢板浇水加速冷却，开冷温度811℃，终冷温度52℃，水冷结束后空冷至室温。

实施例3：低温钢的化学成分及其质量分数分别为0.69％C、19％Mn、5.2％Ni、0.24％Si、0.011％P，0.003％S，以及余量Fe和杂质元素。钢板厚度40mm，-269℃的V型缺口夏比冲击试验冲击功107J。

钢板轧制方法：使用与上述成分相同的坯料，厚度320mm。坯料加热目标温度1130℃；室温～700℃范围内的加热时间195min，700～1130℃的加热时间140min，均热时间39min，加热气氛的氧气体积分数1.1％。开轧温度1042℃，终轧温度940℃。轧制后钢板浇水加速冷却，开冷温度880℃，终冷温度287℃，水冷结束后空冷至室温。

实施例4：低温钢的化学成分及其质量分数分别为0.6％C、18％Mn、4％Ni、0.5％Si、0.008％P，0.006％S，以及余量Fe和杂质元素。钢板厚度20mm，-269℃的V型缺口夏比冲击试验冲击功91J。

钢板轧制方法：使用与上述成分相同的坯料，厚度260mm。坯料加热温度1200℃；室温～700℃范围内的加热时间183min，700～1180℃的加热时间104min，均热时间30min，加热气氛的氧气体积分数1.6％。开轧温度1100℃，终轧温度924℃。轧制后钢板浇水加速冷却，开冷温度856℃，终冷温度300℃，水冷结束后空冷至室温。

实施例5：低温钢的化学成分及其质量分数分别为0.8％C、20％Mn、6％Ni、0.12％Si、0.016％P，0.004％S，以及余量Fe和杂质元素。钢板厚度20mm，-269℃的V型缺口夏比冲击试验冲击功75J。

钢板轧制方法：使用与上述成分相同的坯料，厚度280mm。坯料加热温度1190℃；室温～700℃范围内的加热时间191min，700～1180℃的加热时间140min，均热时间28min，加热气氛的氧气体积分数1.6％。开轧温度1080℃，终轧温度900℃。轧制后钢板浇水加速冷却，开冷温度800℃，终冷温度192℃，水冷结束后空冷至室温。

Claims (6)

1.一种低温钢，其特征在于，成分以质量百分比计，包括C：0.6～0.8％、Mn：18～20％、Ni：4～6％、Si：≤0.5％、P：≤0.02％、S：≤0.01％，余量的Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的低温钢，其特征在于，组织为奥氏体。

3.根据权利要求1所述的低温钢，其特征在于，钢板的厚度为5～40mm。

4.根据权利要求1所述的低温钢，其特征在于，包括C：0.69～0.8％、Mn：19～20％、Ni：4～5.2％、Si：≤0.24％、P：≤0.02％、S：≤0.01％，余量的Fe和不可避免的杂质。

5.根据权利要求3所述的低温钢，其特征在于，钢板的-269℃的V型缺口夏比冲击试验冲击功59J以上。

6.一种根据权利要求1-5任一项所述的低温钢的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)坯料选择：在目标成分的坯料中选择，坯料厚度150～320mm，且坯料与钢板的厚度比值不小于8；

(2)坯料加热：目标温度1130～1230℃；加热过程控制为：室温～700℃范围内的加热时间≥(0.6min/mm)×H，700℃至目标温度的加热时间≥(0.4min/mm)×H，目标温度下的均热时间≥(0.1min/mm)×H，其中H为坯料厚度；加热气氛的氧气体积分数≤3％；

(3)坯料轧制：开轧温度≤1100℃，终轧目标温度890～940℃；道次变形量≥10％；

(4)钢板冷却：轧制后钢板浇水加速冷却，开冷温度≥800℃，终冷温度≤300℃；水冷结束后空冷至室温。

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