CN108368585B - 韧性和内部品质优异的耐磨钢材及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及耐磨钢材，其可以适用于需要诸如延展性和耐磨性的特性的工业机器、结构材料、浆料管道用钢材、酸钢材、采矿、运输和贮存领域等，以及用于油气工业。更具体地，本发明涉及韧性和内部品质优异的耐磨钢材及其制造方法。
Description
技术领域
本公开内容涉及这样的耐磨钢材：其适用于需要诸如延展性和耐磨性的特性的工业机器、结构材料、浆料管道用钢材、在酸性环境中的钢材，其适用于需要诸如延展性和耐磨性的特性的采矿、运输和贮存领域等以及油气工业。更具体地，本公开内容涉及在韧性和内部品质方面优异的耐磨钢材及其制造方法。
背景技术
近年来，由于采矿行业以及油气勘探行业的增长，采矿、运输、精炼和贮存过程中使用的厚钢材(即，厚钢板)的磨损已经变成问题。
具体地，随着油砂作为化石燃料的来源以代替石油的发展已经规范化，由包含油、砂砾和沙子的浆料引起的钢材的磨损是生产成本增加的主要原因。因此，对于在耐磨性方面优异的钢材的开发和应用有重大需求。
在采矿行业中，根据相关技术，主要使用具有优异耐磨性的哈德菲尔德钢(Hadfield Steel)。为了增强钢材的耐磨性，已经试图通过提供高含量的碳和大量的锰来增加奥氏体组织和耐磨性。然而，在哈德菲尔德钢的情况下，大量添加的碳在高温下使碳化物沿奥氏体晶界形成为网状形式。因此，存在的缺点在于，钢材的材料特性(具体地，延展性)可能快速降低。
为了抑制网状形式的碳化物的析出，已经提出在热加工之后通过在高温下进行固溶处理或者通过在室温下进行淬火的用于生产高锰钢的方法。然而，在制造条件改变成问题的情况下，例如在钢材的厚度高或必然涉及焊接的情况下，难以抑制网状形式的碳化物的析出。因此，可能存在的问题在于，钢材的材料特性可能快速劣化。
此外，在高锰钢的锭或板坯的情况下，在凝固期间不可避免地发生例如锰、碳等的合金元素的偏析。偏析的发生在例如热轧等的后处理中进一步加剧。因此，碳化物的部分析出以网状形式沿偏析区发生，在最终产品中恶化。因此，促进了显微组织的不均匀性并且使材料特性劣化。
如上所述，为了提高钢材的耐磨性，需要提高碳含量。为了解决由碳引起的碳化物析出而使材料特性劣化的问题，相对提高锰的含量可能是常见方法。然而，相对提高锰含量可能导致合金的量和制造成本增加。
因此，与增加锰含量相比，需要开发能够抑制碳化物形成的技术。
发明内容
技术问题
本公开内容的一个方面可以提供在韧性和内部品质方面优异的耐磨钢材，所述钢材必须包含C和Mn以确保耐磨性，同时有效地抑制由C和Mn引起的板坯和轧制材料的中心特性的劣化。
技术方案
根据本公开内容的一个方面，具有优异的韧性和内部品质的耐磨钢材包含：碳(C)：0.6重量％至1.3重量％，锰(Mn)：14重量％至22重量％，余量的铁(Fe)和其他不可避免的杂质，以及所述耐磨钢材具有包含残余奥氏体和面积分数为5％或更小(包括0％)的碳化物的显微组织。
根据本公开内容的另一个方面，用于制造具有优异的韧性和内部品质的耐磨钢材的方法包括：再加热钢板坯，所述钢板坯包含，碳(C)：0.6重量％至1.3重量％，锰(Mn)：14重量％至22重量％，余量的铁(Fe)和其他不可避免的杂质；通过将已经再加热的钢板坯在850℃至1050℃下精热轧来制造热轧钢板；以及将热轧钢板在5℃/秒或更大的冷却速率下冷却到600℃或更低，其中，再加热在由关系2表示的温度(T，℃)或更低的温度下进行。
[关系2]
T(℃)＝1446-(174.459×C)-(3.9507×Mn)
在此，在关系2中，C和Mn是指该元素的重量含量。
有益效果
根据本公开内容的一个示例性实施方案，可以在不添加除C和Mn之外的合金元素的情况下，提供钢材的内部品质以及韧性和耐磨性优异的耐磨钢材。
此外，根据本公开内容的一个示例性实施方案的耐磨钢材可以有利地应用于需要耐磨性的领域。具体地，应用范围可以扩大，例如需要韧性和内部品质的领域。
附图说明
图1是根据本公开内容的一个示例性实施方案的比较钢4的显微组织图像，并且左侧图像示出了在UT缺陷测试中使用扫描电子显微镜(SEM)确定的缺陷部分的结果，同时右侧图像示出了EPMA测量的结果。
具体实施方式
本发明人已经深入研究了用于制造除了钢材的耐磨性之外还具有优异的内部品质(材料特性等)的钢材的方法。因此，虽然使用了具有面心立方(fcc)结构并且是具有高含量的碳和锰的高锰钢的奥氏体钢材，但是优化了制造条件以控制由包含大量的碳和锰所引起的钢中心脆化问题。在这种情况下，确定可以提供具有所需要水平的耐磨性的钢材，并且本公开内容已经完成。
通常，奥氏体钢材由于钢自身的特性例如加工淬透性、非磁性特性等已经用于各种目的。详细地，由于已经被主要使用的主要由铁素体或马氏体构成的碳钢具有所需材料特性的限制，因此作为用于克服主要由铁素体或马氏体构成的碳钢的缺点的替代品的奥氏体钢材的应用增加。
详细地，在本公开内容中，在不包含除C和Mn之外的另外的组分的情况下，确保了奥氏体钢材优异的耐磨性和内部品质。此外，通过优化制造条件，不仅显著地减少了碳化物形成，而且显著地降低钢材厚度中心线的锰的偏析度。
在下文中，将详细地描述本公开内容。
根据本公开内容的一个方面，在具有优异的韧性和内部品质的耐磨钢材中，合金组成优选包含碳(C)：0.6重量％至1.3重量％，和锰(Mn)：14重量％至22重量％。
下文中，将详细描述如上所述限制本公开内容中提供的耐磨钢材的合金组成的原因。在此，除非另有具体说明，否则各组分的含量意指重量％。
碳(C)：0.6％至1.3％
碳(C)，使奥氏体稳定的元素，不仅用于提高均匀延伸率，而且用于增强强度和提高应变硬化率。如果碳的含量小于0.6％，则难以在室温下形成稳定的奥氏体并且难以确保足够的强度和应变硬化率。在另一方面，如果碳含量超过1.3％，则大量碳化物析出，因此均匀延伸率降低。因此，可能难以确保优异的延伸率且由于存在耐磨性降低和早期断裂萌生的问题而不是优选的。
因此，在本公开内容中，优选将C的含量限制在0.6％至1.3％。
锰(Mn)：14％至22％
锰(Mn)是用于使奥氏体稳定并具有提高均匀延伸率的效果的重要元素。在本公开内容中，为了获得作为主要组织的奥氏体，优选以14％或更大的量包含Mn。
然而，如果Mn的含量小于14％，则奥氏体稳定性降低并且可能形成马氏体组织。因此，如果未充分地确保奥氏体组织，则可能难以确保足够的均匀延伸率。然而，如果Mn的含量超过22％，则制造成本可能增加。此外，其由于可能存在制造过程困难、由于锰的添加而使耐腐蚀性下降等问题而不是优选的。
因此，在本公开内容中，Mn的含量优选地被限制在14％至22％，更优选大于15％。
本公开内容的剩余物是铁(Fe)。然而，在根据相关技术的钢制造过程中，不期望的杂质可能不可避免地从原材料或周围环境中被并入，因而杂质不能被排除。因为这些杂质对于炼钢领域的技术人员来说是公知的，因此在本说明书中没有对其全部进行具体描述。
满足上述合金组成的本公开内容的耐磨钢材优选具有作为显微组织的奥氏体单相。然而，其可能包含在制造过程中不可避免地形成的碳化物的部分，并且可以优选以5％或更小(包括0％)的面积分数包含碳化物。
碳化物形成为集中在比晶粒的内部能量更高的晶界上。如果以大于5％的面积分数包含碳化物，则延展性降低。因此，在本公开内容中存在的问题在于可能难以确保期望水平的韧性、耐磨性等。
在不添加除C和Mn之外另外的合金元素的情况下，满足上述合金组成和显微组织的根据本公开内容的耐磨钢材可以确保优异的耐磨性和韧性。
详细地，与根据相关技术的奥氏体钢材相比，根据本公开内容的耐磨钢材具有优异的中心特性。例如，钢材的由关系1表示的中心部分中的锰(Mn)的偏析度为1.16或更小。
[关系1]
Mn的偏析度＝(钢材的中心部分中的Mn元素)/(钢水中的Mn元素)
在此，在关系1中，钢材的中心部分是指所述钢材的位于厚度方向上1/2t位置以上和以下50μm或更小的区域。在此，t是指厚度(mm)。
如果耐磨钢材的中心部分中的锰(Mn)的偏析度超过1.16，则可能存在的问题在于，不仅使冲击韧性劣化而且引起UT缺陷。
因此，为了获得具有本公开内容中所需优异的韧性和内部品质的耐磨钢材，中心部分中的锰(Mn)的偏析度优选为1.16或更小，并且更优选为1.10或更小。
如上所述，根据本公开内容的耐磨钢材具有的技术效果是，在不添加除C和Mn之外的另外的合金元素的情况下，即使当Mn的含量高(例如14％或更大，此外大于15％)时，不仅确保韧性而且使中心部分的劣化显著降低。
下文中，将详细描述根据本公开内容的另一个方面的用于制造具有优异的韧性和内部品质的耐磨钢材的方法。
根据本公开内容的耐磨钢材可以通过如下来制造：制备满足本公开内容所提出的合金组成的钢板坯，然后将钢板坯再加热-热轧-冷却。下文中，将详细地描述各个过程的条件。
[钢板坯的再加热]
在本公开内容中，当对钢板坯进行再加热时，再加热优选在由关系2表示的温度(T，℃)或更低的温度下进行。在这种情况下，温度优选满足在1100℃至1300℃的温度范围。
[关系2]
T(℃)＝1446-(174.459×C)-(3.9507×Mn)
在此，在关系2中，C和Mn是指该元素的重量含量。
如果再加热在超过由关系2获得的温度(T)的温度下进行，则在板坯中的偏析中发生部分熔化，因此可能发生中心脆化现象。详细地，在随后的热轧之后，由于中心部分中的锰的偏析度超过1.16不仅使冲击韧性劣化而且还可以引起UT缺陷。因此，在超过所述温度(T)的温度下进行的再加热不是优选的。
[热轧]
将已经再加热的钢板坯进行热精轧以制造热轧钢板。在本公开内容中，热精轧优选在850℃至1050℃的温度范围内进行。
如果热精轧期间的温度小于850℃，则可能析出大量的碳化物，因此可能引起均匀延伸率降低。此外，显微组织可能被压平(pancaked)，因此可能发生由结构各向异性引起的沿轴的延伸率的差异。在另一方面，如果热精轧温度超过1050℃，则可能存在的问题在于，由于晶粒的活跃生长使晶粒可以容易地变粗，因此强度降低。
如上所述获得的热轧钢板是具有相对高的厚度并且优选厚度为10mm至80mm的厚板。
[冷却]
在本公开内容中，通过使如上所述制造的热轧钢板快速冷却的过程，可以确保基体组织中的碳(C)的固溶度高。在这种情况下，冷却优选地在基体结构中在5℃/秒或更大的冷却速率下进行直至600℃或更低。
如果冷却速率小于5℃/秒或冷却结束温度超过600℃，则可能存在的问题在于，C不凝固而是析出为碳化物，因此延伸率可能降低。
更优选地，冷却在10℃/秒或更大的冷却速率下进行，并且还更优选地在15℃/秒或更大的冷却速率下进行。然而，考虑到冷却设备的限制，冷却速率的上限可以限制在50℃/秒。
此外，即使冷却结束温度降低至室温，对钢特性也没有影响。然而，考虑到设备效率，冷却结束温度的下限限制为200℃。
发明实施方式
下文中，将参照实施例更详细地描述本公开内容。然而，应注意，下述实施方案是为了举例说明本公开内容的目的并且不旨在限制本公开内容的范围，因为本公开内容的范围由权利要求中所描述的内容以及能够由此合理推断的内容来确定。
(实施例)
使用满足如表1所示组分体系和组成范围的钢板坯，通过表1所示一系列过程以制造厚度为20mm的热轧钢板。
然后，测量已经制造的各热轧钢板的显微组织、中心部分中的Mn的偏析度、UT缺陷、屈服强度、均匀延伸率，并且其结果如表2所示。此外，测量关于热轧钢板的冲击韧性(-40℃)，并且其结果如表2所示。
在这种情况下，使用光学显微镜观察显微组织，并且通过测量热轧钢板中心部分(位于厚度方向1/2t位置以上和以下50μm或更小的区域)中的Mn的含量和钢水中的Mn的含量来示出中心部分中的Mn的偏析度。
此外，关于UT缺陷，进行超声测试(UT)以确定是否有缺陷(合格或不合格)，所述超声测试是使用超声波确定材料内部存在或不存在裂纹的非破坏性测试。此外，使用Charpy冲击测试仪测量在-40℃下的冲击韧性。
[表1]
[表2]
在此，在表2中，γ是指奥氏体，M是指马氏体。
如在表1和表2所示，在满足本公开内容中提出的合金组成和制造条件的发明钢1至4的情况下，钢材是奥氏体钢，强度、延伸率和韧性优异，并且Mn的偏析度是1.16％或更小。因此，确定钢材的内部品质是优异的。
在另一方面，在C含量不足的比较钢1的情况下，无法确保足够的强度。在C含量过量的比较钢2的情况下，确保了强度，而不能确保延展性。
此外，在Mn含量不足的比较钢3的情况下，没有稳定地形成奥氏体相。此外，由于除奥氏体之外还形成马氏体，因此冲击韧性较差。
在比较钢4至7的情况下，钢合金组成满足本公开内容，但是制造条件在本公开内容之外。在比较钢4至7中，在比较钢4的情况下，由于再加热温度高于关系2，因此Mn的偏析度超过1.16。因此UT缺陷测试的结果不合格。
此外，比较钢5至7分别对应于精热轧温度、冷却速率和冷却结束温度不满足本公开内容的情况。在比较钢5至7中，由于形成大量碳化物，因此冲击韧性较差。
图1是比较钢4的显微组织图像，其中中心部分中的Mn的偏析度超过1.16。在这种情况下，作为EPMA测量的结果，确定出现Mn偏析。在UT缺陷测试中，可以确定缺陷部分。
虽然以上已经示出并描述了示例性实施方案，但是对本领域技术人员而言显而易见的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下可以进行修改和变化。
Claims (4)
1.一种具有优异的韧性和内部品质的耐磨钢材，包含：
碳(C)：0.6重量％至1.3重量％，锰(Mn)：14重量％至22重量％，余量的铁(Fe)和其他不可避免的杂质，以及
具有包含残余奥氏体和面积分数为5％或更小且包括0％在内的碳化物的显微组织，
其中所述钢材的由关系1表示的锰(Mn)的偏析度为1.16或更小，
其中所述钢材的厚度为10mm至80mm，
[关系1]
Mn的偏析度＝(钢材的中心部分中的Mn元素)/(钢水中的Mn元素)
其中，在关系1中，钢材的中心部分是指所述钢材的位于厚度方向上1/2t位置以上和以下50μm或更小的区域，
其中t是指厚度(mm)。
2.根据权利要求1所述的具有优异的韧性和内部品质的耐磨钢材，其中所述钢材包含大于15重量％的锰(Mn)。
3.一种用于制造具有优异的韧性和内部品质的耐磨钢材的方法，包括：
再加热钢板坯，所述钢板坯包含碳(C)：0.6重量％至1.3重量％，锰(Mn)：14重量％至22重量％，余量的铁(Fe)和其他不可避免的杂质；
通过将已经再加热的所述钢板坯在850℃至1050℃下精热轧来制造热轧钢板；以及
将所述热轧钢板在5℃/秒或更大的冷却速率下冷却到600℃或更低，
其中所述再加热在由关系2表示的温度(T，℃)或更低温度下进行，
[关系2]
T(℃)＝1446-(174.459×C)-(3.9507×Mn)
其中，在关系2中，C和Mn是指所述元素的重量含量，
其中所述钢材的由关系1表示的锰(Mn)的偏析度为1.16或更小，
其中所述钢材的厚度为10mm至80mm，
[关系1]
Mn的偏析度＝(钢材的中心部分中的Mn元素)/(钢水中的Mn元素)
其中，在关系1中，钢材的中心部分是指所述钢材的位于厚度方向上1/2t位置以上和以下50μm或更小的区域，
其中t是指厚度(mm)。
4.根据权利要求3所述的用于制造具有优异的韧性和内部品质的耐磨钢材的方法，其中所述钢板坯包含大于15重量％的锰(Mn)。
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