CN114302977B - 钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的钢具有以质量％计包含C：0.100～0.700％、Si：1.00％以下、Mn：20.0～40.0％、P：0.030％以下、S：0.0070％以下、Al：0.01～5.00％、Cr：0.5～7.0％、N：0.0050～0.0500％、O：0.0050％以下、Ti：0.005％以下和Nb：0.005％以下且剩余部分为Fe和不可避免的杂质的成分组成，具有以奥氏体为基相且平均粒径为80μm以上的微观组织，－269℃的夏比冲击试验的吸收能量为150J以上，－269℃的拉伸试验的总伸长率为30％以上。

Description

钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及适用于例如以储存液氢的储罐为代表的、液氦、液化气等极低温的环境中使用的结构用钢、特别是极低温下的韧性优异的钢及其制造方法。
背景技术
在液氢、液氦、液化气储存用结构物中使用热轧钢板时，由于使用环境为极低温，因此要求极低温下的韧性优异。例如，在液氦储存中使用热轧钢板的情况下，需要在氦的沸点即－269℃以下的温度下确保优异的韧性。如果钢材的极低温韧性差，则有可能无法维持作为极低温储存用结构物的安全性，因此对用于该用途的钢材的极低温韧性的提高的需求很强。
对于该需求，一直以来使用以在极低温下不显示脆性的奥氏体作为钢板的组织的奥氏体系不锈钢。然而，其合金成本和制造成本高，所以需要廉价且极低温韧性优异的钢材。
因此，作为代替以往的低温用钢的新的钢材，例如专利文献1提出了将大量添加了作为奥氏体稳定化元素的Ni的高Ni钢用作－253℃环境的结构用钢。
专利文献1提出了通过控制旧奥氏体的粒径和形态等来确保极低温韧性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018－104792号公报
发明内容
根据专利文献1所记载的技术，可以提供极低温韧性优异的高Ni钢，但是从确保极低温韧性的观点出发，这里所记载的高Ni钢必须含有12.5％以上的Ni，需要降低材料成本。而且，为了确保奥氏体相，需要进行经过再加热淬火、中间热处理、回火等多个工序的热处理，因此制造成本高也是问题。
因此，本发明的目的在于提供可以抑制材料、制造所需的成本的、极低温韧性和拉伸性能优异的钢。进而，本发明的目的在于提出用于制造这样的钢的有利方法。这里，上述“极低温韧性优异”是指－196℃乃至－269℃的夏比冲击试验的吸收能量为150J以上。另外，上述“拉伸性能优异”是指－269℃的拉伸试验的总伸长率为30％以上。
发明人等为了实现上述课题，以20.0％以上的Mn含量较多的钢为对象，对钢板的成分组成和决定组织的各种因素进行了深入研究，结果得到了以下a、b的见解。
a.作为上述奥氏体钢的脆性破坏的主要形态，可以举出以晶界为起点的晶界破坏。因此，为了提高上述钢的极低温韧性，使粒径粗大是有效的。
b.如果在适当的成分组成和适当的条件下进行热轧和热处理，则可以以最小限的热处理次数实现极低温韧性和拉伸性能的提高，可以抑制制造成本。
本发明是对以上见解进一步加以研究而完成的，其要旨如下。
1.一种钢，具有如下成分组成和微观组织：
所述成分组成是以质量％计包含
C：0.100％～0.700％、
Si：1.00％以下、
Mn：20.0％～40.0％、
P：0.030％以下、
S：0.0070％以下、
Al：0.01％～5.00％、
Cr：0.5％～7.0％、
N：0.0050％～0.0500％、
O：0.0050％以下、
Ti：0.005％以下和
Nb：0.005％以下，
剩余部分为Fe和不可避免的杂质，
所述微观组织以奥氏体为基相，
该微观组织的平均粒径为80μm以上，－269℃的夏比冲击试验的吸收能量为150J以上，－269℃的拉伸试验的总伸长率为30％以上。
2.根据上述1所述的钢，其中，上述成分组成以质量％计进一步含有选自
Cu：1.0％以下、
Ni：1.0％以下、
Mo：2.0％以下、
V：2.0％以下、
W：2.0％以下、
Ca：0.0005％～0.0050％、
Mg：0.0005％～0.0050％和
REM：0.0010％～0.0200％
中的1种以上。
3.一种钢的制造方法，将具有上述1或2所述的成分组成的钢坯材加热到1100℃～1300℃的温度区域，
进行热轧，
再次加热到1100℃～1300℃的温度区域，
实施加热温度(℃)与加热时间(h)的乘积成为100℃·h以上的热处理。
这里，上述各温度分别是钢坯材或钢板的表面温度。
根据本发明，可以提供极低温韧性和拉伸性能优异的钢。因此，本发明的钢对液氢、液氦、液化气储存用储罐等在极低温环境中使用的钢结构物的安全性、寿命的提高做出很大贡献，在工业上发挥显著的效果。另外，在本发明的制造方法中，由于不会引起生产率的降低和制造成本的增加，所以可以提供经济性优异的方法。
附图说明
图1是表示满足本发明的成分组成的钢的平均粒径(平均粒径)与－269℃的吸收能量的关系的坐标图。
具体实施方式
以下，对本发明的钢详细进行说明。
[成分组成]
首先，对本发明的钢的成分组成及其限定理由进行说明。应予说明，除非特别说明，否则成分组成中的“％”标记表示“质量％”。
C：0.100％～0.700％
C是廉价的奥氏体稳定化元素，是得到奥氏体的重要元素。为了得到其效果，C需要含有0.100％以上。另一方面，如果含有超过0.700％，则过度生成Cr碳化物，极低温韧性降低。因此，C量设为0.100％～0.700％。C量优选为0.200％以上，优选为0.600％以下，更优选设为0.200％～0.600％以下。
Si：1.00％以下
Si是作为脱氧剂起作用、炼钢上必需的元素，因此优选添加0.05％以上。另一方面，如果含有超过1.00％，则非热的应力(内部应力)过度上升，因此极低温韧性劣化。因此，Si设为1.00％以下。Si量优选设为0.80％以下。
Mn：20.0％～40.0％
Mn是相对廉价的奥氏体稳定化元素，在本发明中是确保低温韧性的重要元素。为了得到其效果，Mn需要含有20.0％以上。另一方面，在含有超过40.0％的情况下，极低温韧性劣化。因此，Mn量设为20.0％～40.0％。Mn量优选为23.0％以上，优选为38.0％以下，更优选设为23.0％～38.0％。Mn量进一步优选为36.0％以下。
P：0.030％以下
如果P含有超过0.030％，则过度偏析到晶界，因此极低温韧性降低。因此，优选以0.030％为上限，尽可能减少。因此，P设为0.030％以下。应予说明，过度减少P使精炼成本高涨，经济上不利，因此优选设为0.002％以上。P量更优选为0.005％以上，优选为0.028％以下，进一步优选设为0.005％～0.028％，更优选设为0.024％以下。
S：0.0070％以下
由于S使钢板的极低温韧性劣化，所示优选以0.0070％为上限，尽可能减少。因此，S设为0.0070％以下。应予说明，过度减少S使精炼成本高涨，经济上不利，因此优选设为0.0010％以上。S量优选设为0.0050％以下。
Al：0.01％～5.00％
Al作为脱氧剂起作用，在钢板的钢液脱氧工艺中最常用。为了得到这样的效果，Al需要含有0.01％以上。另一方面，如果含有超过5.00％，则夹杂物大量存在，使极低温韧性劣化，因此设为5.00％以下。因此，Al量设为0.01％～5.00％。Al量优选为0.02％以上，优选为4.00％以下，更优选设为0.02％～4.00％。
Cr：0.5％～7.0％
Cr提高晶界强度，因此是对提高极低温韧性有效的元素。为了得到这样的效果，Cr需要含有0.5％以上。另一方面，如果含有超过7.0％，则由于生成Cr碳化物而极低温韧性降低。因此，Cr量设为0.5％～7.0％。Cr量优选为1.0％以上，更优选为1.2％以上，优选为6.7％以下，更优选为6.5％以下，更优选设为1.0％～6.7％，进一步优选设为1.2％～6.5％。
N：0.0050％～0.0500％
N是奥氏体稳定化元素，是对提高极低温韧性有效的元素。为了得到这样的效果，N需要含有0.0050％以上。另一方面，如果含有超过0.0500％，则氮化物或碳氮化合物粗大化，韧性降低。因此，N量设为0.0050％～0.0500％。N量优选为0.0060％以上，优选为0.0400％以下，更优选设为0.0060％～0.0400％。
O：0.0050％以下
O通过形成氧化物而使极低温韧性劣化。因此，O设为0.0050％以下。O量优选为0.0045％以下。应予说明，过度减少O使精炼成本高涨，经济上不利，因此优选将O量设为0.0010％以上。
将Ti和Nb的含量分别抑制为0.005％以下
由于Ti和Nb在钢中形成高熔点的碳氮化合物，所以过度的含有降低极低温韧性。Ti和Nb是从原材料等不可避免地混入的成分，在大部分情况下以Ti：超过0.005％且0.010％以下和Nb：超过0.005％且0.010％以下的范围混入。因此，根据后述方法，需要有意限制Ti和Nb的混入量，将Ti和Nb的含量分别抑制为0.005％以下。通过将Ti和Nb的含量分别抑制为0.005％以下，可以消除上述碳氮化合物的不良影响，确保优异的极低温韧性。优选将Ti和Nb的含量分别设为0.003％以下。当然，Ti和Nb的含量可以分别为0％，但是从炼钢成本的观点出发，不优选过度的减少，所以优选分别设为0.001％以上。
在本发明中，为了进一步提高低温韧性，除上述必需元素之外，根据需要还可以含有下述元素。
选自Cu：1.0％以下、Ni：1.0％以下、Mo：2.0％以下、V：2.0％以下、W：2.0％以下、Ca：0.0005％～0.0050％、Mg：0.0005％～0.0050％、REM：0.0010％～0.0200％中的1种以上
Cu、Ni：分别为1.0％以下
Cu和Ni是提高低温韧性的元素。为了得到这样的效果，Cu和Ni优选分别以0.01％以上含有，更优选以0.03％以上含有。另一方面，如果分别含有超过1.0％，则在轧制时表面性状劣化，除此之外还对制造成本有压力。因此，在含有这些合金元素的情况下，其含量分别优选设为1.0％以下，更优选为0.7％以下，进一步优选为0.5％以下。
Mo、V、W：分别为2.0％以下
Mo、V和W有助于奥氏体的稳定化。为了得到这样的效果，Mo、V和W优选分别以0.001％以上含有，更优选以0.003％以上含有。另一方面，如果分别含有超过2.0％，则有时生成粗大的碳氮化合物，成为破坏的起点，除此之外还对制造成本带来压力。因此，在含有这些合金元素的情况下，其含量优选分别设为2.0％以下，更优选设为1.7％以下。Mo、V、W的量进一步优选分别设为0.003％～1.7％，更优选分别设为1.5％以下。
Ca：0.0005％～0.0050％、Mg：0.0005％～0.0050％、REM：0.0010％～0.0200％
Ca、Mg和REM是对夹杂物的形态控制有用的元素，可以根据需要而含有。夹杂物的形态控制是指将延伸的硫化物系夹杂物(主要是MnS)制成粒状的夹杂物。通过该夹杂物的形态控制，减少成为破坏的起点的MnS，由此提高韧性。为了得到这样的效果，优选Ca、Mg分别含有0.0005％以上，REM含有0.0010％以上。另一方面，如果任何一种元素多含有，则有时非金属夹杂物量增加，反而韧性降低。另外，有时经济上不利。
因此，在含有Ca和Mg的情况下，优选分别设为0.0005％～0.0050％，在含有REM的情况下，优选设为0.0010％～0.0200％。Ca量更优选为0.0010％以上，更优选为0.0040％以下，进一步优选设为0.0010％～0.0040％。Mg量更优选为0.0010％以上，更优选为0.0040％以下，进一步优选设为0.0010％～0.0040％。REM量更优选为0.0020％以上，更优选为0.0150％以下，进一步优选设为0.0020％～0.0150％。
应予说明，REM是指稀土金属，是镧系元素的15个元素加上Y和Sc而得的17个元素的通称，可以含有这些元素中的1种或2种以上。应予说明，REM的含量表示这些元素的合计含量。
除上述成分以外的剩余部分是具有铁和不可避免的杂质的成分组成。作为这里的不可避免的杂质，可以举出H、B等，如果合计为0.01％以下，则可以允许。
[组织]
以奥氏体为基相的微观组织
在钢材的晶体结构为体心立方结构(bcc)的情况下，该钢材有在极低温环境下引起脆性破坏的可能性，因此不适于在极低温环境下的使用。这里，假设在极低温环境下的使用时，钢材的基相优选为晶体结构为面心立方结构(fcc)的奥氏体组织。应予说明，“以奥氏体为基相”是指奥氏体相以面积率计为90％以上，进一步优选为95％以上。除奥氏体相以外的剩余部分为铁素体相或马氏体相。
微观组织中的平均粒径为80μm以上
验证了平均粒径与夏比冲击试验的吸收能量的关系的结果，如图1所示，如果满足本发明的其他条件且将平均粒径设为80μm以上，可以使上述吸收能量为150J以上。这里，本说明书中的晶粒主要是指奥氏体粒，平均粒径可以从使用光学显微镜以200倍拍摄的图像中随机选择100个晶粒，以圆等效直径计算，根据其平均值来求出。
上述平均粒径可以通过在上述成分组成下进行根据后述条件的热轧和热处理来实现。
本发明的钢可以用转炉、电炉等公知的熔炼方法对具有上述成分组成的钢液进行熔炼。另外，也可以在真空脱气炉中进行二次精炼。此时，为了将妨碍适当组织控制的Ti和Nb限制在上述范围内，需要避免不可避免地从原料等混入，采取减少它们的含量的措置。例如，通过降低精炼阶段的炉渣的碱度，可以使这些合金向炉渣富集并排出，减少最终的坯材产品中的Ti和Nb的浓度。另外，也可以是吹入氧使其氧化并在回流时使Ti和Nb的合金浮上分离等方法。然后，优选通过连续铸造法、造块－分块轧制法等公知的铸造方法来制成规定尺寸的坯材等钢坯材。
进而，规定将上述钢坯材制成极低温韧性优异的钢材的制造条件。
[钢坯材的加热温度：1100℃～1300℃]
为了得到具有上述组织的钢，重要的是加热到1100℃～1300℃的温度区域后，进行热轧。这里的温度控制以钢坯材的表面温度为基准。为了表现上述Mn的效能，重要的是使Mn扩散到钢中。即，为了通过热轧促进Mn的扩散，热轧前的钢坯材的加热温度设为1100℃以上。另一方面，由于有如果超过1300℃则钢开始熔解的风险，所以加热温度的上限设为1300℃。钢坯材的加热温度优选为1130℃以上，优选为1270℃以下，更优选为1130℃～1270℃。
[热轧]
钢坯材加热后进行热轧。热轧的方法不特别限定，但是由于最终轧制中的终轧温度越低轧制能率越低，所以优选设为700℃以上。进而，优选为750℃以上。
[再次加热到1100℃～1300℃的温度区域，实施加热温度(℃)与加热时间(h)的乘积成为100℃·h以上的热处理]
热轧后或进行之后的冷却处理后实施规定的热处理。在热处理中，再次加热到1100℃～1300℃的温度区域，实施加热温度(℃)与加热时间(h:hour)的乘积成为100℃·h以上的热处理，由此晶粒变得粗大，极低温韧性提高，除此之外，热轧时导入的位错恢复，因此拉伸性能特别是总伸长率提高。将再加热的温度区域设为1100℃～1300℃是因为以下原因。即，为了通过热处理使Mn扩散，将热处理中的再加热时的加热温度设为1100℃以上。另一方面，由于有如果超过1300℃则钢开始熔解的风险，所以再加热时的加热温度的上限设为1300℃。而且，规定加热温度(℃)与加热时间(h)的乘积是因为晶粒生长与位错的恢复有关。另外，为了制造成本，加热温度与加热时间的乘积的上限值优选为650℃·h，为了使所有晶粒粗大，下限值优选为208℃·h。热处理中的再加热时的加热温度优选为1130℃以上，优选为1270℃以下，更优选为1130℃～1270℃。为了促进粒生长，加热时间优选为0.1h以上，为了抑制制造能率的降低，优选为0.5h以下，更优选为0.1h～0.5h。热处理后进行冷却。
可以在热轧后和/或之后的热处理后分别进行冷却处理。
这是为了抑制碳化物的析出。冷却温度的范围分别优选为300～650℃、300～900℃，平均冷却速度分别优选为1.0℃/s以上。
实施例
以下，通过实施例来详细说明本发明。应予说明，本发明不限定于以下实施例。
通过转炉－钢包精炼－连续铸造法，制作表1所示的成分组成的钢坯(钢坯材)。接着，在表2所示的条件下，将得到的钢坯通过热轧制成6～30mm厚的钢板。这里，对于各样品，热处理中的再加热时的加热温度设为与钢坯材的加热温度相同的温度。
对于得到的钢板，以下述要领实施组织评价和极低温韧性及拉伸性能的机械性能评价。
在表2中，“最终轧制时的终轧温度”表示最终轧制结束温度。
(1)组织评价
·奥氏体相的面积率
微观组织的各相的面积率从后方散射电子衍射(EBSD)解析的Phase map求出。在得到的钢板的板厚1/2位置，从与轧制方向平行的截面采集EBSD解析用试验片，在500μm×200μm的视场中，以测定步进0.3μm进行EBSD解析，将Phase map所记载的值设为面积率。
确认了通过发明例和比较例，奥氏体相的面积率均为90％以上，基相为奥氏体。
·平均粒径
对于热处理后的钢板，研磨轧制方向截面，从使用光学显微镜以200倍的倍率拍摄板厚1/2位置而得的图像中随机选择100个晶粒，根据圆等效直径求出作为平均粒径的平均粒径。
(2)极低温韧性
依据JIS Z 2242(2005年)的规定，从板厚超过10mm的各钢板的板厚1/2位置的与轧制方向平行的方向采集夏比V切口试验片，对各钢板在－196℃和－269℃下实施三个的夏比冲击试验，求出吸收能量，评价母材韧性。在本发明中，将三个的吸收能量的平均值为150J以上评为母材韧性优异。
应予说明，对于板厚小于10mm的各钢板，依据JIS Z 2242(2005年)的规定，从板厚1/2位置的与轧制方向平行的方向采集5mm亚尺寸的夏比V切口试验片，对各钢板在－196℃和－269℃下实施三个的夏比冲击试验。这里，将三个的吸收能量的平均值为100J以上设为母材韧性优异。应予说明，－269℃的夏比冲击试验将试验片放入胶囊，一边使液氦流过一边实施。
参考文献1：T.Ogata,K.Hiraga,K.Nagai,and K.Ishikawa:Tetsu-to-Hagane,69(1983),641.
(3)拉伸性能
从得到的各钢板采集平行部直径6mm、标点间距25mm的圆棒拉伸试验片在－269℃下实施拉伸试验，调查总伸长率。在本发明中，将总伸长率30％以上判定为拉伸性能优异。
将以上得到的结果示于表2。
Figure BDA0003510642360000111
Figure BDA0003510642360000121
确认到根据本发明的钢满足上述目标性能(夏比冲击试验的吸收能量的平均值为150J以上，拉伸试验的总伸长率为30％以上)。另一方面，对于超出本发明范围的比较例，吸收能量和总伸长率中的任一个以上不能满足上述目标性能。

Claims (3)

1.一种钢，具有如下的成分组成和微观组织：
所述成分组成以质量％计包含
C：0.100％～0.700％、
Si：1.00％以下、
Mn：20.0％～40.0％、
P：0.030％以下、
S：0.0070％以下、
Al：0.01％～5.00％、
Cr：0.5％～7.0％、
N：0.0050％～0.0500％、
O：0.0050％以下、
Ti：0.005％以下、和
Nb：0.005％以下，
且剩余部分为Fe和不可避免的杂质，
微观组织以奥氏体为基相，
该微观组织的平均粒径为80μm以上，－269℃的夏比冲击试验的吸收能量为150J以上，－269℃的拉伸试验的总伸长率为30％以上。
2.根据权利要求1所述的钢，其中，
所述成分组成以质量％计进一步含有选自
Cu：1.0％以下、
Ni：1.0％以下、
Mo：2.0％以下、
V：2.0％以下、
W：2.0％以下、
Ca：0.0005％～0.0050％、
Mg：0.0005％～0.0050％、和
REM：0.0010％～0.0200％
中的1种以上。
3.一种钢的制造方法，将具有权利要求1或2所述的成分组成的钢坯材，加热到1100℃～1300℃的温度区域，
进行热轧，
再次加热到1100℃～1300℃的温度区域，实施加热温度与加热时间的乘积成为100℃·h以上的热处理。
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