CN108728728B

CN108728728B - 一种具有极低屈强比的高锰钢及其制造方法

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Publication number: CN108728728B
Application number: CN201710269758.9A
Authority: CN
Inventors: 林田子; 侯华兴; 张涛; 杨颖�; 张哲�
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2017-04-24
Filing date: 2017-04-24
Publication date: 2020-06-23
Anticipated expiration: 2037-04-24
Also published as: CN108728728A

Abstract

本发明公开一种具有极低屈强比的高锰钢及其制造方法。钢中含有C 0.010％～0.090％、Si 0.15％～0.60％、Mn 10.0％～16.0％、Nb 0.020％～0.040％、Ti 0.005％～0.03％、Ni 1.0％～4.0％、Al 0.020％～0.060％、P≤0.020％、S≤0.010％、N≤0.0080％，其余为Fe和不可避免的杂质。连铸后堆垛缓冷＞72h，清理时板坯温度为100～200℃；加热温度1150～1250℃；第一阶段开轧温度1150～1030℃，终轧温度1040～980℃；第二阶段开轧温度950～850℃，终轧温度900～750℃，轧后空冷；轧后还可进行正火、淬火、回火或淬火+回火中的一种热处理。生产的高锰钢板屈强比为0.12～0.39，具有优良的强韧性和低温韧性。

Description

一种具有极低屈强比的高锰钢及其制造方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，特别涉及一种具有极低屈强比的高锰钢及其制造方法。

背景技术

传统高强度中厚板产品一般采用低碳(0.06％～0.2％)和低锰(Mn：1.0％～1.8％)，同时添加Cr和Mo等贵金属元素的成分设计思想，采用控制轧制和控制冷却工艺或热处理工艺生产。并且随着钢板厚度的增加，需要大量添加Cr和Mo等提高淬透性的合金元素，使生产成本大大提高，同时还要辅以C含量的增加，严重恶化焊接性能和低温韧性。而且我国是一个少Mo和无Cr资源的国家，大量Cr和Mo等贵金属元素的应用将使原料供给问题凸显。另外，随着大型工程结构对轻量化和安全性的迫切需求，对钢材的强度、塑性、韧性和屈强比等性能提出了越来越高的苛刻要求，但提高强度与改善塑性和韧性具有一定的矛盾性，强度的提高往往导致塑性和韧性的下降，且传统高强中厚板面临屈强比偏高的问题。

为了满足用户的个性化需求，许多制造企业已经开发出高强度、高延伸率的高锰钢作为结构用钢在工程中应用。高锰钢经适当成分设计后，表现出优异的强度、塑性、低温韧性、加工硬化性、以及抗冲击安全性，在机车、汽车、低温容器、高架建筑、桥梁等领域展示出广阔的应用潜力。高锰钢无载荷作用下，室温组织为稳定的奥氏体。加载过程中，表现出应变诱导孪晶效应，产生大的无缩颈均匀延伸变形；同时，强度逐渐上升，材料硬化，这是高强塑性高锰钢最显著的力学特征。

CN104152797A公开了一种低温塑性高锰钢板及其加工方法。钢中成分的重量百分比为：C 0.02％～0.06％、Mn 30％～36％、S≤0.01％、P≤0.01％，0.008％，其余为Fe；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；固溶处理后的高锰钢铸锭开坯后经过热轧轧制成板，回火均质。该钢板的特点是在低温(如-180℃)拉伸变形，具备典型脆断特征—沿晶断裂，但是其具备18％以上的均匀延伸率，屈服强度为300～500MPa，抗拉强度为500～800MPa，屈强比为0.74左右，适用于低温环境，如低温压力容器用钢板。该钢中Mn含量较高，且冶炼工艺为铸锭、并需要固溶处理，工艺复杂，成本高。

CN 101927432A公开了一种高强塑高锰带钢的制造方法。钢中成分的重量百分比为C＜0.2％，Mn10％～30％，Si 1％～6％，Al 1％～8％，其余为Fe；工艺为热轧、卷曲。屈服强度为250～280MPa，抗拉强度640～660MPa，屈强比为0.5左右。该钢中Mn、Si、Al含量偏高，冶炼困难，连轧后需要卷曲，工艺复杂，成本高。

CN 101065503A公开了一种含铜高强韧高锰钢及其制造方法。钢中成分的重量百分比为：Mn 15％～25％、Cu 0.10％～1.5％、C 0.3％～1.0％、Si 0.04％～0.8％、Al0.002％～0.8％。该钢中C、Mn含量较高，屈服强度为320～520MPa，抗拉强度为850～1080MPa，屈强比为0.38～0.48，且铸坯需要进行固溶处理，热轧后进行退火处理，工艺复杂，成本较高。

CN 104862586A公开了一种超高强度中碳含镍高锰孪晶诱发塑性钢及制备方法，钢中成分的重量百分比为：C 0.5％～0.80％，Si 0.10％～0.40％，Mn 15.0％～20.0％，Ni0.10％～0.40％，P<0.02％，S<0.01％，N<0.004％，该钢中C、Mn含量较高，冶炼后需要进行模铸，屈服强度为371～1551MPa，抗拉强度为975～1616MPa，屈强比为0.38～0.96，屈强比偏高，冶炼后需要模铸，成本较高。

CN 102418032A公开了一种增强孪晶诱导塑性高锰钢板强塑积的退火制备工艺，该钢成分的重量百分比为：C 0.06％～0.6％，Si：≤3％，Al≤3％，Mn 22％～30％，P≤0.1％，S≤0.02％，该钢在轧制后需要进行三轮热处理，工艺复杂，成本较高。

CN 104011248A公开了具有高强度的非磁性高锰钢板及其制造方法。钢中成分的重量百分比为C 0.4％～0.9％，Si 0.01％～2.0％，Al：0.01％～8％，Mn 10％～25％，Ti0.05％～0.2％，B：0.0005％～0.005％，P≤0.8％，S≤0.05％。该钢中C含量较高，对焊接性能不利。钢板屈服强度为484～509MPa，抗拉强度为848～1105MPa，屈强比为0.43～0.51。热轧后续进行冷轧、退火，工艺复杂，成本较高。

郭亮，丁厚福在《兵器材料科学与工程》2005(28):12-15发表了论文“低碳高合金钢和高锰钢冲击腐蚀磨损特性研究”，钢中含C：1.1％～1.3％，采用铸造工艺，成本较高。

以上文献中公开的高锰钢虽然多数达到了高强度、高韧性，但涉及低屈强比的不多，合金成分设计中C、Mn含量较高，工艺方面多为铸锭，轧后需要进行冷却、退火处理，工艺复杂，成本较高。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明通过添加微量合金元素Nb、Ti及Ni元素，通过合理的控轧及热处理工艺，提供一种具有高抗拉强度，极低屈强比，韧性和延伸率优良的高锰钢及其制造方法，其组织性能优于传统高强钢，该制备方法简单易操作。可用于建筑、桥梁等钢结构关键构件中，保证结构具有高的抗断能力，提高建筑结构在灾难发生时的安全性。

具体的技术方案是：

一种具有极低屈强比的高锰钢，钢中化学成分按重量百分比为C 0.010％～0.090％、Si 0.15％～0.60％、Mn 10.0％～16.0％、Nb 0.020％～0.040％、Ti 0.005％～0.03％、Ni 1.0％～4.0％、Al 0.020％～0.060％、P≤0.020％、S≤0.010％、N≤0.0080％、余量为铁和不可避免的杂质。

本发明选择以上合金元素种类及其含量是因为：

C：强烈的奥氏体稳定元素和固溶强化元素，可以保证钢板的强度和淬透性能，但过多的C含量会增加间隙原子，间隙原子会恶化低温韧性和焊接性能，本发明采用低碳成分设计，因此，将C含量控制为0.010％～0.090％；

Si：具有固溶强化、延迟碳化物析出、提高回火脆性的作用，但Si的含量过高会降低钢的低温韧性和塑性，因此，本发明将Si含量控制为0.15％～0.60％；

Mn：能够强烈的稳定奥氏体和提高淬透性，通过溶入金属材料的基体起到固溶强化作用，也可以与C形成碳化物，达到弥散强化的作用，以提高钢板的强度，同时Mn也具有脱氧及脱硫作用，防止热脆，改善钢板的塑性与韧性。但如果Mn含量过高，一方面会降低钢的焊接性能和耐腐蚀性能，另一方面可显著增加钢板的制造成本，并且当钢板在热轧过程中加热时，会显著增强钢的氧化，从而劣化了钢板的表面品质，因此，本发明将Mn含量控制为10.0％～16.0％；

Nb：是强碳和氮化合物形成元素，主要作用是通过在钢中形成细小碳氮化物抑制加热时晶粒长大，空冷时又具有一定的析出强化作用；Nb加入钢中，通过抑制奥氏体晶粒界面运动，从而提高钢板的再结晶温度。钢板中加入适量的Nb，高温奥氏体化时，未溶解的NbC起到钉轧奥氏体晶界的作用，从而阻碍奥氏体晶界过分粗化。溶解在奥氏体中的Nb在两阶段轧制过程中抑制奥氏体再结晶，细化奥氏体晶粒。但Nb含量过高，则会形成粗大的NbC，影响钢板的力学性能。因此，本发明将Nb的含量控制为0.020％～0.040％。

Ti：在本发明中为重要的微合金化元素，不但可以有效细化晶粒改善韧性外，而且能有C和N形成细小的碳化物、氮化物或碳氮化物，具有很高的沉淀强化作用，可大幅提高钢板的强度，当Ti元素超过0.03％时，会形成粗大的TiN颗粒就，失去细化晶粒作用。因此，本发明将Ti含量控制为0.005％～0.03％。

Ni：能够强烈的稳定奥氏体，并明显改善钢的低温韧性，使钢在具有足够强度的同时具有良好的低温韧性，但Ni添加量过多会增加钢的成本。考虑到本发明钢的强度较高，会在一定程度上降低韧性，需要增加适当Ni以弥补韧性的损失。因此本发明将Ni的含量控制为1.0％～4.0％。

Al：主要的脱氧元素，Al含量过高，将导致Al的氧化物夹杂增加，降低钢的纯净度，不利于钢的韧性，因此，本发明将Al的含量控制为0.020％～0.060％。

P、S、N：是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好，但要求过低会增加生产成本，因此，本发明将P、S、N的含量分别控制为P≤0.020％、S≤0.010％、N≤0.0080％。

本发明还提供一种具有极低屈强比的高锰钢的制造方法，其生产工艺流程涉及：铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼—真空脱气—连铸—板坯加热－轧制－矫直－检验。其特征是：

冶炼工艺：进行铁水预处理，采用转炉冶炼，通过顶吹或顶底复合吹炼，进行精炼处理，并进行微合金化，控制钢中杂质含量在上述成分范围；精炼时要控制钢水N≤0.0080％，加Ti微合金化。连铸采用电磁搅拌，减少元素偏析。连铸后需堆垛缓冷大于72小时，缓冷可有效去除钢坯中的氢含量和铸造内应力，避免裂纹的产生，缓冷后进行板坯带温清理，进一步减少铸造缺陷，清理时板坯温度要控制在100～200℃，可避免切割裂纹的发生。

轧制工艺：轧前加热温度1150～1250℃；轧制时采用两阶段控轧，第一阶段轧制开轧温度控制在1150～1030℃，终轧温度控制在1040～980℃；第二阶段轧制开始温度控制在950～850℃，终轧温度控制在900～750℃，轧后空冷。钢板的厚度为8～40mm。

本发明还可以在轧制工艺后对钢板进行如下其中一种热处理，以改善性能：

(1)正火处理：加热温度为850～920℃；

(2)淬火处理：加热温度为850～920℃；

(3)回火处理：回火温度为500～700℃；

(4)淬火+回火处理，淬火温度为850～920℃，回火温度为500～700℃。

控制各个制造步骤的原因如下：

(1)板坯加热温度确定在1150～1250℃，目的使钢板充分奥氏体化，同时使合金元素在较高的温度下充分均匀化。

(2)第一阶段轧制开轧温度控制在1150～1030℃，终轧温度控制在1040～980℃，第一阶段的轧制过程中，奥氏体发生动态再结晶、静态再结晶、动态回复的过程，细化了奥氏体晶粒。

(3)第二阶段轧制开始温度控制在950～850℃，终轧温度控制在900～750℃，目的是将奥氏体进一步细化且形成了大量的位错，钢板热轧态组织为奥氏体+马氏体，有助于钢板获得较高的强度和较好的韧性。

(4)可以采用正火、淬火、淬火+回火或回火的方式进一步优化钢板的力学性能。采用较高的加热温度能使钢板充分奥氏体化；淬火后进行回火处理，淬火温度为850～920℃，回火温度为500～700℃，目的是钢板最终的组织为回火态马氏体板条+亚稳奥氏体组织。

有益效果：

按照上述方案生产的高锰钢具有以下有益效果：

(1)钢板屈服强度160～350MPa，抗拉强度880～1350MPa，屈强比为0.12～0.39；延伸率A≥20％；-40℃低温冲击韧性≥100J。

(2)利用亚稳奥氏体协同马氏体基体的细化，综合改善钢材的低温韧性。

(3)利用亚稳奥氏体的TRIP效应延迟颈缩和提高钢材的加工硬化性能，提高钢材的塑性和降低屈强比；

(4)工艺生产简单，采用热轧平板生产，钢板厚度为8～40mm，效率高，节省能源。

附图说明

图1为实施例4热轧态金相组织。

钢中组织为亚稳奥氏体+马氏体；亚稳奥氏体组织可以保证钢板低屈服强度，在塑性变形时可产生TRIP效应，进一步提高钢板的强度和韧性，马氏体为硬相组织，可提高钢板的抗拉强度，保证钢板具有较低的屈强比。

具体实施方式

本发明涉及的技术问题采用下述技术方案解决：一种具有极低屈强比的高锰钢及其制造方法，其化学成分质量百分比为C 0.010％～0.090％、Si 0.15％～0.60％、Mn10.0％～16.0％、Nb 0.020％～0.040％、Ti 0.005％～0.03％、Ni 1.0％～4.0％、Al0.020％～0.060％、P≤0.020％、S≤0.010％、N≤0.0080％，其余为Fe和不可避免的杂质。连铸后需堆垛缓冷大于72小时，板坯清理时，板坯温度要控制在100～200℃，轧前加热温度1150～1250℃；采用两阶段控轧，第一阶段轧制开轧温度1150～1030℃，终轧温度1040～980℃；第二阶段轧制开轧温度950～850℃，终轧温度900～750℃，轧后空冷。另外，还可以在轧制工艺后对钢板进行如下其中一种热处理：(1)正火处理：加热温度为850～920℃；(2)淬火处理：加热温度为850～920℃；(3)回火处理：回火温度为500～700℃；(4)淬火+回火处理，淬火温度为850～920℃，回火温度为500～700℃。钢板的厚度为8～40mm。

以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。

表1为实施例钢的化学成分，表2为实施例钢的工艺制度；表3为实施例钢热轧态的力学性能。表4为实施例钢热处理后力学性能。

表1 实施例钢化学成分(wt，％)

表2 实施例钢工艺制度

表3 实施例钢热轧态力学性能

热轧态钢板的屈服强度为182～350MPa，抗拉强度为884～1280MPa，屈强比不高于0.29，伸长率≥25％，具有良好的强度和韧性。

表4 实施例钢热处理后力学性能

通过上述热处理方式，可以使热轧态组织均匀化，进一步降低钢板的屈强比，使屈强比不高于0.27，并提高了钢板的延伸率及低温冲击功，改善钢板的综合性能。

Claims

1.一种具有极低屈强比的高锰钢，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C0.010％～0.062％、Si 0.15％～0.42％、Mn 10.0％～14.1％、Nb 0.020％～0.040％、Ti0.005％～0.03％、Ni 1.0％～3.9％、Al 0.020％～0.060％、P≤0.020％、S≤0.010％、N≤0.0080％，其余为Fe和不可避免的杂质；

钢板的生产工艺为：铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼—真空脱气—连铸—板坯加热－轧制－矫直－检验；其中，

转炉冶炼采用顶吹或顶底复合吹炼，精炼处理加Ti微合金化，连铸采用电磁搅拌，连铸后堆垛缓冷＞72h，缓冷后进行板坯带温清理，清理时板坯温度为100～200℃；

板坯加热温度为1150～1250℃；采用两阶段控制轧制，第一阶段轧制开轧温度为1150～1030℃，终轧温度为1040～980℃；第二阶段轧制开轧温度为950～850℃，终轧温度为813～750℃，轧后空冷；

对轧后钢板进行如下其中一种热处理：

(1)正火处理：加热温度为850～920℃；

(2)淬火处理：加热温度为850～920℃；

(3)回火处理：回火温度为500～700℃；

2.如权利要求1所述的具有极低屈强比的高锰钢，其特征在于，钢板的厚度为8～40mm。

3.如权利要求1所述的具有极低屈强比的高锰钢，其特征在于，所述高锰钢钢板的屈强比为0.12～0.29。