CN104109811A - Mn-Cr-V系超高强度无磁钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种Mn-Cr-V系超高强度无磁钢及其生产方法。该钢化学成份按重量百分数计为：C：0.4～0.5％，Si：0.2～0.4％，Mn：16～18％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：3.0～4.0％，V：1.0～2.0％，其余为Fe及不可避免的夹杂。其生产方法，按通常纯净钢工艺进行，包括电炉冶炼、钢包炉精炼、真空处理、底浇模铸、铸坯加热、轧制、回火处理、空冷的步骤。该钢的屈服强度≥900MPa，抗拉强度≥1100MPa，延伸率A≥20％，相对磁导率μ≤1.05，适用于大型变压器、发电机等设备的制造。同时，本发明钢化学成分简单，成本低廉，且易于生产操作，生产效率高，具有显著的经济效益和社会效益。

Description

Mn-Cr-V系超高强度无磁钢及其生产方法

技术领域

本发明属冶金材料技术领域，特别涉及一种适用于大型变压器、发电机、核电等工程所需的Mn-Cr-V系超高强度无磁钢及其生产方法。

背景技术

无磁钢指的是在磁场中不产生磁感应的钢，其组织主要为奥氏体，磁导率μ≤1.29×10^-6H/m。无磁钢的用途非常广泛，在自动控制系统、精密仪表、电讯和电机中，以及许多军事领域中都需要采用无磁钢。随着社会的进步和经济的发展，对高性能无磁钢的需求日益增加。目前广泛使用的无磁钢主要为20Mn23AlV系列，其磁导率相对较低，但屈服强度较低，与Q235钢强度级别相同，往往需要通过提高钢板厚度来满足使用要求，一方面增加了生产难度，同时加大了钢材用量，有悖当前“高强减薄”主流用钢趋势。

在本发明申请之前，申请号为201110329175.3的中国专利公布了“一种低相对磁导率的热轧带钢及其制备方法”，该热轧带钢的成分按重量百分比为：C：0.25～0.35％，Si：0.5～0.6％，Mn：25～26％，Al：3.8～4.2％，V：0.06～0.1％，P：0.02～0.03％，S：0.02～0.03％，其余为Fe；其制备方法为：按设定成分冶炼钢水并铸成铸坯，加热后进行粗轧获得中间坯，精轧后带钢厚度为2～14mm，冷却后的钢卷经固溶处理和实效处理后获得成品热轧带钢。该钢室温屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥750MPa，断后伸长率≥66％，相对磁导率≤1.002。该钢的综合性能较好，但是其不足在于其屈服强度较低，仅为400MPa级。申请号为201210222982.X的中国专利公布了“一种含铌高锰无磁钢及其制备方法”，其成分按质量百分比计为：Mn：10～15％、C：0.8～1.2％、Si：0.3～0.5％、P<0.008％、S<0.005％、Nb：0.01～0.02％，其余为Fe。该含铌高锰无磁钢制备步骤为：冶炼、锻造、热轧和水韧处理，热轧板在加热炉中1000℃保温15min后，水淬。得到900～1100MPa的抗拉强度以及50～60％的延伸率，洛氏硬度15～22HRC，磁导率小于1.0002。该钢的抗拉强度较高，但是其不足在于其屈服强度较低，仅为300MPa级。申请号为201110054633.7的中国专利公布了“一种钻具用无磁钢及其制备方法”，其化学成分按重量百分比含有C：0.30～0.40％，Si≤0.8％，Mn：7.0～9.0％，P≤0.06％，S≤0.01％，Cr：3.0～4.0％，Ni：8.0～10.0％，V：1.0～1.5％，其余为铁，该钢采用固溶时效热处理强化工艺的制备方法。该项专利技术的不足在于其屈服强度仅为700MPa级，且化学成分中添加了较高含量的Ni，大大增加了生产成本。

因此急需开发高强度、综合性能优良的无磁钢，以满足社会发展的需求。

发明内容

本发明的目的就是要克服现有技术的不足，提供一种低成本、易于生产的Mn-Cr-V系超高强度无磁钢及其生产方法。该钢屈服强度≥900MPa，抗拉强度≥1100MPa，延伸率A≥20％，相对磁导率μ≤1.05。

为实现上述目的，本发明所设计的Mn-Cr-V系超高强度无磁钢，其化学成份按重量百分数计为：C：0.4～0.5％，Si：0.2～0.4％，Mn：16～18％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：3.0～4.0％，V：1.0～2.0％，其余为Fe及不可避免的夹杂。

优选的，所述Mn-Cr-V系超高强度无磁钢，其化学成份按重量百分数计为：C：0.42～0.46％，Si：0.28～0.35％，Mn：16.3～17.3％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：3.40～3.60％，V：1.50～1.80％，其余为Fe及不可避免的夹杂。

本发明的Mn-Cr-V系超高强度无磁钢的生产方法，按通常纯净钢工艺进行，包括电炉冶炼、钢包炉精炼、真空处理、底浇模铸、铸坯加热、轧制、回火处理、空冷的步骤，其特殊之处在于：

所述铸坯加热采取分段式加热，铸坯入炉温度≤400℃，加热速度为35～50℃/h，加热至650℃，保温2h，随后加热至950℃，保温2h，最终加热至1250～1350℃，保温2h；

所述轧制时，开轧温度≥1100℃，终轧温度≥900℃，轧后缓冷至室温。

优选地，所述回火处理时，钢板在500～600℃保温1h。

本发明的Mn-Cr-V系超高强度无磁钢中各合金成份的作用机理和生产过程中工艺参数设置原理如下：

(1)碳：C有利于钢中形成单相奥氏体组织，同时也是有效的固溶强化元素。同时，钢中需要足够的C与添加的V、Cr等合金元素形成弥散的碳化物，以提高强度。但碳含量较高将影响钢的塑性、韧性。因此C含量控制在0.4～0.5％范围，优选为0.42～0.46％。

(2)锰：Mn是扩大奥氏体区和强烈地使奥氏体稳定的元素，Mn在钢中大部分固溶于奥氏体中，形成置换式固溶体，使基体得到强化，而且随着Mn含量的增加，γ→ε及γ→ε→αˊ马氏体转变温度降低，同时也缩小(Fe，Mn)₃C析出的温度范围，增加奥氏体的高温稳定性。由于本发明钢中C含量较高，因此Mn含量可适当降低，Mn含量控制在16～18％即可使钢中组织为全奥氏体，优选为16.3～17.3％。

(3)硅：Si的原子半径比奥氏体小得多，所以其固溶强化作用明显。在钢中加入少量的Si，可提高材料的电阻率，以减少涡流。Si在钢中是非碳化物形成元素，能降低C在奥氏体中的溶解度而促进高锰钢中碳化物析出，对奥氏体组织稳定性不利，而且Si在高锰钢结晶时有促使粗大枝晶形成的作用，并使钢的晶粒粗化，降低材料机械性能。一般而言选择Si含量在0.2～0.4％，优选为0.28～0.35％。

(4)铬：Cr系体心立方结构，原子半径和奥氏体面心立方晶格不同且与Fe原子半径差异较大，所以Cr固溶于奥氏体后具有显著的强化作用。同时，Cr可与C形成碳化物，通过时效处理而弥散析出，从而提高钢板强度，故将铬含量控制在3.0～4.0％，优选为3.40～3.60％。

(5)钒：V是强烈形成碳化物的元素，在高锰高铬钢中加入V，在时效处理时析出微细的VC而提高强度。钢中加入质量分数为0.3％以上的V就可以得到明显的弥散析出强化，随着加入量的增加，其强化效果也不断增强，且加入5％以内的V对磁导率基本没有影响。试验表明，V含量低于1.0％，不足以生成足够的VC强化基体，V含量高于2.0％，则造成不必要的浪费且降低钢的塑性。因此，为达到本发明钢所需的强度，将V含量控制在1.0～2.0％，优选为1.50～1.80％。

(6)磷、硫：P在高锰无磁钢中是有害元素，P含量过高时就会以碳化物和P共晶的形式析出，P共晶是脆性组织，对钢的机械性能不利。S易形成塑性硫化物，易使钢板产生分层。同时，本发明钢中碳含量与总合金量均较高，裂纹敏感性强，因此与低级别无磁钢相比，其P、S应控制在更低水平，综合考虑生产成本与生产稳定性，将钢中P、S含量分别控制在≤0.010％及≤0.005％范围。

本发明钢的生产过程中，铸坯加热采取分段式加热，控制铸坯入炉温度≤400℃，加热速度为35～50℃/h，以减小加热过程中的热应力，随后将铸坯缓慢加热至650℃，保温2h，使碳化物充分固溶，再将其升温至950℃，保温2h，使铸坯温度进一步均匀化，最后加热至1250～1350℃，保温2h，高温加热，使铸坯充分烧透，减少轧制过程中的裂纹发生率。控制终轧温度≥900℃的目的在于温度过低将使钢因加工硬化而难以轧制，同时加剧裂纹的产生，因此，本申请钢必须在900℃以上完成轧制。控制回火温度为500～600℃的目的在于使钢中V、Cr的碳化物充分析出，强化奥氏体基体，同时有效消除钢板残余应力，以利于后续生产加工。

通过严格限定钢中各组分的含量和生产方法中的各工艺参数，本发明的Mn-Cr-V系超高强度无磁钢，其屈服强度≥900MPa，抗拉强度≥1100MPa，延伸率A≥20％，相对磁导率μ≤1.05，适合大型变压器、发电机等设备的制造。同时，本发明钢化学成分简单，成本低廉，且易于生产操作，生产效率高，具有显著的经济效益和社会效益。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的Mn-Cr-V系高强度无磁钢及其生产方法作进一步的详细描述：

实施例1～9所选Mn-Cr-V系高强度无磁钢的化学成分按重量百分比计如表1所示(余量为Fe及不可避免的杂质)。

表1 本发明各实施例钢的化学成分(wt％)

实施例	C	Mn	Si	P	S	V	Cr
								1	0.46	16.3	0.21	0.006	0.003	1.65	3.5
2	0.48	16.5	0.28	0.007	0.005	1.70	3.4
								3	0.50	17.4	0.37	0.010	0.004	1.93	3.0
4	0.49	18.0	0.22	0.008	0.007	1.00	4.0
								5	0.42	16.9	0.35	0.010	0.006	1.79	3.8
6	0.45	17.7	0.29	0.011	0.008	1.50	3.6
								7	0.40	17.3	0.40	0.012	0.009	2.00	3.1
8	0.48	18.0	0.35	0.011	0.009	1.87	3.2
								9	0.44	17.3	0.34	0.010	0.008	1.80	3.5

表1列出了本发明的9组可用于大型变压器、发电机、核电等工程所需的超高强度无磁钢的化学成份，上述Mn-Cr-V系高强度无磁钢的生产方法：包括电炉冶炼、钢包炉精炼、真空处理、底浇模铸、铸坯加热、轧制、回火处理、空冷的步骤，其中，

钢水采用电炉冶炼再进行钢包炉精炼，真空系统循环进一步去除杂质和气体，采用底浇模铸；将铸锭锻造成230mm×900mm的铸坯，随后在2800mm中厚板产线进行轧制；铸坯加热采取分段式加热，铸坯入炉温度≤400℃，加热速度为35～50℃/h，缓慢加热至650℃，保温2h，随后缓慢加热至950℃，保温2h，最终加热至1250～1350℃，保温2h；轧制过程中，开轧温度≥1100℃，终轧温度≥900℃，轧后缓冷至室温；回火处理时，钢板在500～600℃保温1h，空冷，制得高强度无磁钢板。

相应地，表1中实施例1～9的Mn-Cr-V系超高强度无磁钢生产工艺参数和各项性能检测结果见表2所示。

表2 本发明各实施例主要生产工艺参数及性能检测结果

从表2可以看出，本发明实施例的无磁钢板都满足屈服强度≥900MPa，抗拉强度≥1100MPa，延伸率A≥20％，μ≤1.05，其性能均适合大型变压器、发电机等设备的制造。同时，本发明钢化学成分简单，成本低廉，且易于生产操作，生产效率高，具有显著的经济效益和社会效益。

Claims (4)

1.一种Mn-Cr-V系超高强度无磁钢，其特征在于：该钢的化学成份按重量百分数计为：C：0.4～0.5％，Si：0.2～0.4％，Mn：16～18％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：3.0～4.0％，V：1.0～2.0％，其余为Fe及不可避免的夹杂。

2.根据权利要求1所述的Mn-Cr-V系超高强度无磁钢，其特征在于，该钢的化学成份按重量百分数计为：C：0.42～0.46％，Si：0.28～0.35％，Mn：16.3～17.3％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：3.40～3.60％，V：1.50～1.80％，其余为Fe及不可避免的夹杂。

3.权利要求1所述的Mn-Cr-V系超高强度无磁钢的生产方法，按通常纯净钢工艺进行，包括电炉冶炼、钢包炉精炼、真空处理、底浇模铸、铸坯加热、轧制、回火处理、空冷的步骤，其特征在于：

所述铸坯加热采取分段式加热，铸坯入炉温度≤400℃，加热速度为35～50℃/h，加热至650℃，保温2h，随后加热至950℃，保温2h，最终加热至1250～1350℃，保温2h；

所述轧制时，开轧温度≥1100℃，终轧温度≥900℃，轧后缓冷至室温。

4.根据权利要求3所述的Mn-Cr-V系超高强度无磁钢的生产方法，其特征在于：所述回火处理时，钢板在500～600℃保温1h。