CN104846175B - 低温高强塑积高锰钢板及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温高强塑积高锰钢板及其加工工艺，包括高锰钢的熔炼、钢锭的后处理、和开坯轧制成板在内的工艺步骤，具体步骤为：A、高锰钢的熔炼中，料方的组分按重量百分比计为：Mn 30%~36%，C 0.02%~0.06%，S≤0.01%，P≤0.008%，其余为Fe；B、钢锭的后处理：将熔炼成的高锰钢铸锭，保持在1150℃~1200℃条件下热处理2~4小时、然后转移到室温、水淬池中均质完成固溶处理；C、开坯轧制成板：固溶处理后的高锰钢铸锭开坯后经过热轧、回火均质。本发明的高锰钢板在低温下具备典型韧性断裂特征—韧窝断口，其具备50%以上的均匀延伸率，屈服强度和抗拉强度高，在‑180℃强塑积超过50GPa%；该热轧或热轧后再冷轧的钢板在低温应用领域均具有巨大的应用价值。

Description

低温高强塑积高锰钢板及其加工工艺

技术领域

本发明属于钢铁材料及其加工制备领域，具体涉及一种低温高强塑积高锰钢板及其加工工艺。

背景技术

众所周知，钢的低温脆性断裂是钢结构最危险的破坏形式之一，钢材在低温时具有脆性断裂现象，而一般来说，钢铁材料出现脆性断裂时具有以下特征：（1）断裂时所承受的工作应力低于屈服极限；（2）脆断一但发生，以极高的速度扩展（2000米/秒以上）；（3）断口平直，断面收缩率小，外观上无明显的宏观变形特征；（4） 断口形貌多为沿晶断裂。一但出现脆性破坏将造成重大损失，如第二次世界大战中，美国约1000艘“自由轮”发生脆性断裂。

因此，不断提高材料的低温塑性成为人们研究和实验热点。目前，广泛应用于低温的钢铁材料，主要为低碳马氏体型低温钢主要是3.5%Ni、5%Ni和9%Ni钢，这类钢板性能虽能满足要求，但含很高的镍，价格昂贵；另外一类为奥氏体型低温钢，主要包括AISI304、304LN、316、316LN和310等钢种，其化学成分可参见表1，此类钢种低温强度低，虽然304LN和316LN用氮强化可以在一定程度上提高低温强度，但此类钢在低温下易发生马氏体相变而产生磁性和应力。因此上述两类钢在技术上和经济上均存在无法克服的缺点。

表1常用低温钢的化学成分

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种低温高强塑积高锰钢板及其加工工艺，其提高了高锰钢中锰的重量百分比，熔炼的钢锭再经固溶处理、轧制、均质制得高锰钢板，该钢板热轧、均质后具有良好的低温塑性以及较高的屈服强度和抗拉强度；热轧后的钢板再经冷轧后，在低温下具备典型韧性断裂特征—韧窝断口，其具备50%以上的均匀延伸率，屈服强度达到525MPa、抗拉强度达到958MPa，在-180℃强塑积超过50GPa%；该热轧或热轧后再冷轧的钢板在低温应用领域均具有巨大的应用价值。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种低温高强塑积高锰钢板的加工工艺，包括高锰钢的熔炼、钢锭的后处理、和开坯轧制成板在内的工艺步骤，以上工艺步骤的参数为：

A、高锰钢的熔炼：按照高锰钢重量百分比为Mn 30%~36%、C 0.02%~0.06%、S≤0.01%、P≤0.008%、其余为Fe的组分配比，计算投料比例、并熔炼成钢锭；

B、钢锭的后处理：将步骤A中的钢锭保持在1150℃~1200℃条件下热处理2~4小时、然后转移到室温、水淬池中均质完成固溶处理；

C、开坯轧制成板：固溶处理后的钢锭开坯后经过热轧、回火均质。

步骤A中所述Mn的重量百分比含量优选32%~35%。

本发明还供了一种采用上述技术方案制备的低温高强塑积毛板。

本发明的材料成分属于超高锰钢范围，一般认为，高锰钢在低温下存在韧脆转变现象，当锰含量超过30%以上，其低温断裂形式主要以沿晶脆断为主。上述技术方案中将锰的含量提高至30~36%，所制备的铸锭经热轧、均质所制得的毛板，在低温下具有良好的延展性以及较高的屈服强度和抗拉强度，拉伸断口属于韧窝断口，其抗拉强度仍远远高于相关标准的要求。

上述技术方案热轧后的毛板再进行步骤D的处理：热轧、均质后的毛板再进行冷轧、退火均质成型。

冷轧、退火均质的条件为：热轧、均质后的毛板在室温下经10~20道次冷轧到1.0mm~2.0mm厚的钢板，轧制变形量为90%~93%，所述钢板在500℃~720℃下保持0.5~2小时，后转移到室温、水淬池中均质。

热轧、均质后的毛板再经冷轧轧制成薄钢板，在低温（-180℃、-196℃）进行拉伸试验，结果表明：经过冷轧后的薄钢板其仍然具备典型韧性断裂特征—韧窝断口，甚至具有50%以上的均匀延伸率，屈服强度和抗拉强度较高，在-180℃强塑积超过50GPa%，适用于低温环境。

本发明还提供了一种采用上述技术方案所制备的高锰钢钢板，其经热轧后再进行冷轧，厚度为1.0~2.0mm。

采用上述技术方案产生的有益效果在于：（1）本发明高锰钢的成分简单，成本低，尤其是当其用于低温领域代替高镍钢铁时，其成本大幅降低；（2）热处理工艺简单，适用于规模化生产，节能环保，加工技术简易，容易实现；（3）所加工的钢板可适用于低温环境，尤其是-170℃~-196℃的环境，可用于低温压力容器的制备。

附图说明

图1是实施例1中高锰钢毛板在不同温度下拉伸的工程应力-工程应变曲线；

图2是实施例2中钢锭经热轧、冷轧后获得的高锰钢板的XRD图；

图3是实施例2中钢锭经热轧、冷轧、600℃退火1小时后获得的高锰钢板的XRD图；

图4是实施例2中钢锭经热轧、冷轧、600℃退火1小时获得的高锰钢板在-180℃拉伸断裂后平行端的XRD图；

图5是实施例2中高锰钢板600℃退火1小时淬火后的EBSD图；

图6和图7分别是实施例2中高锰钢板在-180℃拉伸断裂后断口的SEM图；

图8是实施例3中高锰钢板700℃退火1小时淬火后的EBSD图；

图9和图10分别是实施例3中高锰钢板在-180°C拉伸断裂后断口的SEM图；

图11是实施例3中高锰钢板在-180℃拉伸断裂后平行端的XRD图；

图12和图13分别是实施例2和实施例3中高锰钢板在-180℃的工程应力-工程应变曲线和真应力-真应变曲线；

图14是实施例4中，-196℃拉断后断口平行端XRD衍射图谱；

图15是实施例4中，-196℃拉断后断口的SEM照片；

图16是实施例2~实施例4中，高锰钢板拉伸试验的强塑积对比图；其中，●表示本发明中不同实施例的高锰钢板在不同温度下的强塑积值；○表示参考文献[1]中公开的强塑积值，□表示参考文献[2]中公开的强塑积值；★表示参考文献[3]中公开的强塑积值；▼和◆表示参考文献[4]中公开的强塑积值；▲表示参考文献[5]中公开的强塑积值；◇表示Fe-22Mn-0.6C在-196℃下的强塑积值；

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[5] Xiuhui Fang, Ping Yang, Fayun Lu, li Meng.(2011).Dependence ofdeformation twinning on grain orientation and texture evolution of highmanganese TWIP steels at different deformation temperatures. Journal of Ironand steel research, International. 18(11).46-52。

具体实施方式

实施例1

本实施例中所述高锰钢的成分按重量百分比计为：Mn 34%、C 0.04%，S≤0.01%，P≤0.008%，其余为Fe和不可避免的杂质。硫、磷的含量为限制性含量。具体加工步骤为：

A、按照上述高锰钢的组分配比，计算投料比例，将配料在工频电感应炉中熔炼、炉内氩气正压环境，以防止Mn在熔炼过程中挥发，将配料熔炼成钢锭。

B、钢锭的后处理：将步骤A中的钢锭保持在1150℃~1200℃条件下热处理2~4小时、然后转移到室温、水淬池中均质完成固溶处理；经过固溶处理后，铸锭中各相充分溶解，有利于提高高锰钢板材的韧性及抗蚀性能，消除应力与软化。

C、开坯轧制成板：固溶处理后的高锰钢铸锭开坯后经过热轧、回火均质。

热轧、均质的工艺条件为：首先将坯料加热至在800℃~1000℃、然后热轧成10~20mm厚的毛板，再在1000℃~1100℃下保持1~2小时，后转移到室温、水淬池中均质。热轧后进行均质可消除因热轧而产生的应力集中点。

本实施例中热轧的毛板厚度为13mm，将该毛板按照GB/T 13239-2006（金属材料低温拉伸试验方法）进行拉伸实验，拉伸应变速率为10^-3s^-1，其平均结果参见表2。其工程应力-工程应变曲线见图1。

表2 实施例1热轧、均质后的毛板拉伸性能测试

以上结果表明：铸锭经热轧、均质所制得的毛板，在低温下具有良好的延展性以及较高的屈服强度和抗拉强度，拉伸断口属于韧窝断口，其抗拉强度仍远远高于相关标准的要求。

实施例2

在实施例1的基础，还包括步骤D：热轧、均质后的毛板再进行冷轧，退火均质成型。

冷轧的条件为：热轧、均质后的毛板在室温下经10~20道次冷轧到1mm~2.0mm厚的钢板，轧制变形量为90%~92%，该样品进行XRD测试，其XRD图参见图2。

退火均质成型：将冷轧所得的样品在600℃退火1小时，后转移到室温、水淬池中完成退火均质，得高锰钢板，再将上述高锰钢板进行XRD和EBSD（电子背散射花样）测试，分别参见图3和图5。

从图2可以看出，冷轧钢板为完全面心立方结构的奥氏体组织；600℃退火1小时后，仍为完全面心立方结构的奥氏体组织（参见图3），无相变发生；图5显示钢板的平均晶粒尺寸为2.0μm。

将本实施例制备的高锰钢板按照GB/T 13239-2006（金属材料低温拉伸试验方法）在-180℃进行拉伸试验，并对断裂后断口平行端（是指标距内的变形区域）进行XRD测试，参见图4，结果表明：-180℃拉伸没有发生应变/应力而诱发马氏体相变，仍然为奥氏体组织，大大提高了钢板的强度和塑性；对断口进行SEM测试，参见图6和图7：断口类型为韧窝断口。

在-180℃条件下，屈服强度σ_0.2为612.50MPa，抗拉强度σ_b为982.92MPa，延伸率为49.1%。具备韧性断裂的典型特征。参见图12和图13。

实施例3

与实施例2不同的是：将冷轧后的钢板在700℃、退火1小时，后转移到室温、水淬池中完成退火均质，得高锰钢板，再将上述高锰钢板进行EBSD（电子背散射花样）测试，参见图8，在-180°C进行拉伸实验，工程应力-工程应变曲线和真应力-真应变曲线分别参见图12和图13，拉断后在断口平行端进行XRD测试、断口处进行SEM测试，结果参见图9~11。

以上结果表明：700℃退火1小时后，钢板的平均晶粒尺寸为2.5μm；-180℃拉断后仍为完全面心立方结构的奥氏体组织，无相变发生，没有发生应变/应力诱发马氏体相变，大大提高了钢板的强度和塑性；断口类型为韧窝断口。拉伸试验表明：屈服强度为525MPa，抗拉强度为958MPa，延伸率为53.7%。

本发明制备的细晶粒尺寸的高锰钢在-180℃拉伸的强度接近添加12%Ni的304不锈钢在-162℃的拉伸强度，塑性要远远大于添加了8% Ni和12% Ni的304不锈钢在-162℃的塑性，如Do-Yeal Ryoo, Namhyun Kang, Chung-Yun Kang在《Effect of Ni content onthe tensile properties and strain-induced martensite transformation for 304stainless steel》（Materials Science and Engineering A 528(2011) 2277-2281）公开的添加8%Ni和12%Ni的不锈钢低温拉伸曲线。

实施例4

与实施例1和2不同的是：Mn的重量百分比含量为34.5%，毛板的厚度为13.8mm，步骤D中将13.8mm毛板冷轧92.9%后，经550℃退火1小时，后转移到室温、水淬池中完成退火均质。拉伸温度：-196℃（液氮），拉伸速率：1.5mm/min；测试力学数据如下：抗拉强度1193MPa，屈服强度1018MPa，延伸率40.0%。将拉断后断口平行端进行XRD测试，断口进行SEM测试，分别参见图14和图15，结果表明：在-196℃拉断后无相变产生，仍然为稳定的完全奥氏体组织；拉断后断口SEM照片，显示为韧窝状断口。

根据实施例2~4的拉伸试验，进行了强塑积的计算，与现有技术进行了比对，参见图16：本发明的高锰钢经过晶粒细化后在低温度的强塑积是最好的，超过50GPa%。

实施例5~6

所述高锰钢的成分按重量百分比计参见表3。工艺步骤与实施例2相同，其中部分的参数不同，参见表3数据。

将制得的高锰钢板分别在-170℃、-180℃和-196℃进行拉伸实验，其结果参见表3数据。

表3 实施例5~实施例6的高锰钢成分及拉伸试验结果

以上结果表明：本发明制备的高锰钢钢板在-170℃~-196℃具有良好的低温塑性，拉伸强度和屈服强度较高。

本发明制备的高锰钢钢板加工成1.0~2.0mm、在-170℃~-196℃条件下，其抗拉强度和延伸率的值远远超过中国国标对于低温钢板09MnNiDR钢的拉伸性能要求，在低温环境中的应用具有广阔的前景。

Claims (6)

1.一种低温高强塑积高锰钢板的加工工艺，包括高锰钢的熔炼、钢锭的后处理、和开坯轧制成板在内的工艺步骤，其特征在于以上工艺步骤的参数为：

A、高锰钢的熔炼：按照高锰钢重量百分比为Mn 30%~36%、C 0.02%~0.06%、S≤0.01%、P≤0.008%、其余为Fe的组分配比，计算投料比例、并熔炼成钢锭；

B、钢锭的后处理：将步骤A中的钢锭保持在1150℃~1200℃条件下热处理2~4小时、然后转移到室温、水淬池中均质完成固溶处理；

C、开坯轧制成板：固溶处理后的钢锭开坯后经过热轧、回火均质；

D：热轧、均质后的毛板再进行冷轧、退火均质成型；

其中，步骤D中冷轧、退火均质的条件为：热轧、均质后的毛板在室温下经10~20道次冷轧到1.0mm~2.0mm厚的钢板，轧制变形量为90%~92%，所述钢板在600℃~700℃下保持0.5~2小时，后转移到室温、水淬池中均质。

2.根据权利要求1所述的低温高强塑积高锰钢板的加工工艺，其特征在于步骤A中Mn的重量百分比含量为32%~35%。

3.根据权利要求1或2所述的低温高强塑积高锰钢板的加工工艺，其特征在于步骤A所述高锰钢的熔炼中采用的是工频电感应炉、炉内氩气正压环境。

4.根据权利要求1所述的低温高强塑积高锰钢板的加工工艺，其特征在于步骤C中热轧、均质的工艺条件为：首先将钢锭坯料加热至在800℃~1000℃、然后热轧成10~20mm厚毛板，再在1000℃~1100℃下保持1~2小时，后转移到室温、水淬池中均质。

5.根据权利要求1所述的低温高强塑积高锰钢板的加工工艺，其特征在于步骤D中钢板退火均质的条件为≥500℃且＜600℃。

6.一种低温高强塑积高锰钢毛板，其特征在于该毛板采用权利要求1所述的方法步骤加工而成，该高锰钢毛板在-180℃、常压下为韧窝断口。