CN108796383A - 一种含钛高强度高韧性无磁钢及其制造方法 - Google Patents

一种含钛高强度高韧性无磁钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种含钛高强度高韧性无磁钢及其制造方法，其化学成分重量百分比为：C 0.20～0.30％，Si≤0.4％，Mn 20～25％，A11.0～3.0％，Ti 0.015～0.045％，P≤0.01％，S≤0.01％，其余为Fe及不可避免杂质。本发明采用低速加热和长时间保温工艺，轧制过程采用热机械轧制方法，获得细化奥氏体晶粒为基体组织，从而有利于钢板的强度和塑性的提高。本发明无磁钢板的屈服强度为400～440MPa，抗拉强度为650～690MPa、断后延伸率为35～45％，夏氏冲击功Akv(‑196℃)≥120J，在16kA/m的磁场强度下其相对磁导率能达到1.005或者更低。

Description

一种含钛高强度高韧性无磁钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及无磁钢，具体涉及一种含钛高强度高韧性无磁钢及其制造方法。
背景技术
近年来，随着变压器、选矿采矿、特殊船舶等行业的发展，越来越多的无磁钢被广泛的应用。无磁钢室温下基体组织为奥氏体，因为奥氏体具有顺磁性，在磁场中磁化作用很弱，即产生所谓的“无磁”现象，故形象的称之为无磁钢。通常无磁钢主要分为无磁高锰钢(Fe-Mn系和Fe-Mn-Al系)和无磁不锈钢(CrNiMo系、CrNiMnN系及CrMnN系)。
对于奥氏体不锈钢，其化学成分的特征在于以Ni元素作为稳定钢中奥氏体相的主要合金元素，从而达到无磁或者低磁的效果。因此，这种无磁钢对于Ni元素的需求量很大。这就导致了奥氏体不锈钢一类的无磁钢价格昂贵并且可能不具有足够的强度。
目前使用的MnCr系和MnAl系无磁钢的化学成分特点在于钢中的碳锰含量普遍较高，这就导致材料的焊接性能较差。需要适当的降低钢中的碳锰含量以保证此类无磁钢的焊接性能。
由于高锰无磁钢以奥氏体为基体，在未添加其他合金元素的情况下通常强度较低，不能满足使用需求。因此，在无磁钢成分设计时，在钢中适当的添加微量的微合金元素Ti，充分利用Ti的细晶强化或析出强化的效果，再辅以控制轧制技术。这样能最大限度的提高无磁钢的强度，同时不会显著影响无磁钢的焊接和机械加工性能。
以“无磁钢”为关键词进行了联机检索，检索得到最相关专利。目前，无磁钢主要成分有Mn-Ni-Nb-Mo-V-Ti和Mn-Ni-Cr-Nb-Mo-V-Ti不锈钢体系以及C-Mn-Al的高锰钢体系两种。
如中国专利公开号CN104894471A公布了“一种高锰高铝含钒无磁钢板及其制造方法”，该热轧钢的成分为百分比：C：0.14～0.20％，Mn：21.50～25.00％，Al：1.50～2.50％，V：0.04～0.10％，N＜0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质。其基体组织为奥氏体，综合力学性能较优，但该钢的屈服强度仅为280～300MPa，难以满足如今对于结构用无磁钢高强度的需求。
中国专利公开号“CN102409227A”公布的“一种低相对磁导率的热轧带钢及其制备方法”，该钢的成分百分比为：C：0.25～0.35％，Si：0.5～0.6％，Mn：25～26％，Al：3.8～4.2％，V：0.06～0.10％，P：0.02～0.03％，S：0.02～0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。该钢的基体组织为奥氏体，屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥750MPa，断后伸长率≥66％，相对磁导率≤1.002，具有较优的综合性能。但由于钢中的Al元素含量过高，导致在加热轧制过程中，表面极易发生氧化，形成热轧裂纹，降低了钢材的成材率，且后续需要进行水韧化处理，生产过程复杂且增加了成产成本。
中国专利公开号“CN102747273A”公开了“一种含铌高锰无磁钢及其制备方法”，该钢的化学成分百分比为：C：0.8～1.2％，Mn：10～15％，Si：0.3～0.5％，P＜0.008％，S＜0.005％，Nb：0.01～0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。该钢经过热轧后，热轧板在1000℃保温15min后进行水淬，得到抗拉强度900～1000MPa，延伸率为50～60％，洛氏硬度15～22HRC，相对磁导率小于1.0002的高强度无磁钢。但该钢的不足之处在于钢中的C含量过高，生产过程中易产生网状碳化物，易脆，需要再次进行水韧化处理，生产过程同样复杂，且生产成本也高。
因此，急需开发一种具有较高强度和高韧性，生产工艺简单，成本低廉的无磁结构钢，以满足如今对于无磁钢材料高强度的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含钛高强度高韧性无磁钢及其制造方法，其屈服强度为400～440MPa，抗拉强度为650～690MPa，延伸率为35～45％，冲击功在-196℃可达到120J以上，在16kA/m的磁场强度下其相对磁导率能达到1.005或者更低。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种含钛高强度高韧性无磁钢，其成分重量百分比为：C 0.20～0.30％，Si≤0.4％，Mn 20～25％，A1 1.0～3.0％，Ti 0.015～0.045％，P≤0.01％，S≤0.01％，其余为Fe及不可避免杂质。
又，本发明所述无磁钢组织为细小的奥氏体晶粒，其晶粒大小为9～15μm。
所述无磁钢的屈服强度400～440MPa，抗拉强度650～690MPa，延伸率35～45％，冲击功在-196℃达到120J以上，在16kA/m的磁场强度下其相对磁导率能达到1.005或者更低。
在本发明钢的成分设计中：
碳C：能够保证材料强度的同时还能够稳定奥氏体。因为本钢室温基体组织为奥氏体，而在奥氏体钢中析出强化的作用较小，主要依靠固溶元素的固溶强化作用。当钢中的碳元素含量过高时会导致钢的强硬度增加，焊接性能下降，导致材料的加工性能下降。碳含量过低又会导致材料没有足够的强度。综合考虑碳含量对于材料强度、组织稳定性、焊接性、加工性能等因素，本发明中碳的含量控制在0.20～0.30％。
锰Mn：锰是高锰无磁钢中稳定奥氏体的主要元素，较高的锰含量能够保证材料基体组织为稳定的奥氏体组织，从而确保材料在较高的磁场强度下仍具有较低的相对磁导率。此外，相比于其他稳定奥氏体的元素(如Ni)，锰的价格更低，能够有效的降低企业生产成本。当钢中的锰含量少时，由于奥氏体的稳定性较差，在后续冷却或者冷加工过程中可能形成马氏体组织，恶化钢板的无磁性能；而当钢中的锰含量过高时又会因为在加热过程中极易氧化，而导致钢板表面质量差。因此，本发明合理的选择锰含量的范围在20～25％。
铝Al：铝能够有效的防止钢中碳化物的形成，有利于奥氏体中碳的固溶，对改善钢板无磁性能大有益处。此外，铝能显著提高钢的层错能，抑制冷却和变形过程马氏体的形成，有利于保证奥氏体的稳定性。同时，由于锰在加热过程中极易氧化，在钢中加入适量的铝，能够在表面形成致密的Al2O3氧化膜，有效的防止钢板表面的过度氧化，对钢板表面质量有一定的改善作用。但若钢中的铝含量过高，会导致钢在冶炼和浇注的难度增大，制造成本上升，形成过度的氧化物恶化钢板质量。因此，本发明选用的合适的铝含量范围在1.0～3.0％。
硅Si：硅有固溶强化的作用，能够提高钢的耐蚀性能和高温抗氧化性能；但含量过高会导致钢表面脱碳严重，降低焊接性能。因此，本发明选择的硅含量≤0.40％。
钛Ti：钛是强碳化物形成元素，在钢中能够形成TiN，作为奥氏体形核的质点，起到细化奥氏体晶粒的作用。本发明中添加微量的Ti主要起到细化奥氏体晶粒的作用，同时，Ti的碳氮化物析出能够起到一定的析出强化的效果，进一步的提高实验钢的强度。因此，本发明选择的Ti的添加范围在0.015～0.045％。
本发明的含钛高强度高韧性无磁钢的制造方法，包括如下步骤：
1)冶炼、铸造
按上述成分冶炼、铸造成钢锭或连铸坯；
2)加热
钢锭或铸坯加热，加热速度≤70℃/h，加热温度1130℃～1180℃；
3)轧制
钢锭经开坯后进行轧制；连铸坯直接进行轧制，轧制采用两阶段轧制：
第一阶段轧制，开轧温度1050～1100℃，在轧制至成品钢板厚度的3～4倍板厚时在辊道上待温至820～900℃；
第二阶段轧制，开轧温度820～900℃，道次变形率为10～25％，终轧温度780～840℃；
4)轧制后的钢板直接堆垛空冷。
在本发明的含钛高强度高韧性无磁钢板制造方法中：
1、对于本发明锰含量如此高的钢来说，在较低温度阶段(＜600℃)，其导热率只有普通低合金钢的三分之一。因此，在铸锭和铸坯加热阶段要保证其具有较小的加热速率，以保证铸锭和铸坯能够充分受热，避免由于表面和心部的温差过大而导致在变形过程中钢板的内外变形不一致而形成开裂；在加热高温段，采用低温加热的方法，加热温度为1130～1180℃。由于该钢中的Mn含量过高，导致其抗氧化性能降低，在高温下的高温氧化现象严重，而钢中的Al元素在表面形成一层致密的Al2O3氧化膜，能够有效的防止板坯表面的继续氧化；但过高的加热温度会破坏这层致密的氧化膜，导致钢板表面以下出现严重的氧化现象，甚至会在表面以下产生严重的晶界氧化，成为热轧表面开裂的裂纹源。因此，要将轧制加热温度控制在1130～1180℃。
2、当轧件厚度到达成品钢板厚度的3～4倍时，在辊道上待温至820～900℃。对于高锰奥氏体钢来说，其锰含量过高导致奥氏体能够稳定存在于室温。而各种合金元素在奥氏体中的固溶度较高，很难利用析出强化的手段对实验钢进行强化。因此，在轧制过程中采用控制轧制的办法，在较高的温度进行粗轧，使材料能够进行充分的变形，在奥氏体中引入较高密度的位错，利用形变诱导析出使钢中析出Ti的碳氮化物，为奥氏体的再结晶提供形核位置，充分发挥动态再结晶细化晶粒的作用。同时，由于钢板动态再结晶落后于轧制变形，部分形变奥氏体晶粒没有充分的再结晶，在粗轧结束和精轧开始(820～900℃)间的等温过程中，由于温度较高，未发生动态再结晶的变形晶粒会发生奥氏体晶粒的回复、再结晶过程，使精轧前的奥氏体晶粒得到进一步的细化。第二阶段820～900℃的轧制，能够保证细化后的奥氏体晶粒再较低的温度下变形，同样会引入大量的位错。此外，其变形温度较第一阶段轧制低，位错动态回复的速度下降，且变形率较第一阶段的要大，位错密度较第一阶段轧制有进一步提高。总的来说第二阶段轧制是通过增加变形、抑制回复来增加奥氏体中的缺陷，为后续的奥氏体静态再结晶提供更多的形核位置，起到二次细化奥氏体晶粒的作用。
3、本发明对于轧至成品厚度的钢板，进冷床直接空冷即可，不需要对钢板进行任何二次热处理。为了不占用冷床空间，提高生产效率，当温度降低至再结晶温度以下后可以进行堆垛缓冷。
本发明的有益效果：
1、通过合理设计化学成分，在钢中添加了微量的Ti元素，利用在高温下TiN的析出为奥氏体晶粒的形核提供质点，细化奥氏体晶粒，使钢的强度较其他同类产品得到显著的提高。
2、本发明钢板采用较低的轧制加热温度，减少了轧制过程的能耗。同时，两阶段轧制使钢板最终的组织得到显著的细化，冷却过程采用空冷，成品钢板无需进行任何后续的热处理工艺，大大降低至生产制造成本。
3、从本发明所涉及的钢板的制造方法来看，其加热和轧制过程的工艺窗口较大，可选择的范围较大，工艺简单，可操作性较强。从实施效果来看，适合在中、厚板产线进行稳定的批量生产。
4、本发明的含钛高强度高韧性无磁钢，其屈服强度为400～440MPa，抗拉强度为650～690MPa，延伸率为35～45％，冲击功在-196℃可达到120J以上，在16kA/m的磁场强度下其相对磁导率能达到1.005或者更低。
附图说明
图1为对比例1钢板的基体组织金相照片。
图2为本发明实施例3钢板的基体组织金相照片。
具体实施方式
以下将根据具体实施例和说明书附图对本发明所述的含钛高强度高韧性无磁钢及其制造方法做进一步的说明。然而本发明不限于以下实施例，由之变化而来的多种技术方案均应属于本发明的保护范围之内。
本发明实施例成分参见表1，表2为本发明钢实施例性能参数。
对比例1
1)采用电弧炉冶炼，并浇注成钢锭；其成分重量百分比按照表1所示；
2)钢锭经过均热炉加热至1160℃保温5小时，开坯轧制成板坯后冷却至室温；
3)将板坯加热至1150℃保温5小时，在中、厚板轧制进行轧制，开轧温度1100℃，不经两阶段轧制直接轧至成品板厚后空冷至室温。
实施例1
1)采用电弧炉冶炼，并浇注成钢锭，其成分重量百分比按照表1所示；
2)钢锭经过均热炉加热至1170℃保温5小时，开坯轧制成板坯后冷却至室温；
3)将板坯加热至1140℃保温5小时，在中、厚板轧制上进行第一阶段轧制，开轧温度1090℃，轧制成品厚度的3倍板厚时在辊道上待温至880℃；随后进行第二阶段轧制，开轧温度880℃，轧至钢板成品厚度；第二阶段轧制的道次变形率为15～25％，终轧温度为820℃；轧制结束后在冷床上空冷至室温。
实施例2
1)采用电弧炉冶炼，并浇注成钢锭，其成分重量百分比按照表1所示；
2)钢锭经过均热炉加热至1140℃保温5小时，开坯轧制成板坯后冷却至室温；
3)将板坯加热至1150℃保温5小时，在中、厚板轧制上进行第一阶段轧制，开轧温度1110℃，轧制成品厚度的3倍板厚时在辊道上待温至900℃；随后进行第二阶段轧制，开轧温度900℃，轧至钢板成品厚度；第二阶段轧制的道次变形率为10～20％，终轧温度为840℃。轧制结束后在冷床上空冷至室温。
实施例3
1)采用电弧炉冶炼，并浇注成钢锭。其成分重量百分比按照表1所示；
2)钢锭经过均热炉加热至1130℃保温5小时，开坯轧制成板坯后冷却至室温；
3)将板坯加热至1140℃保温5小时，在中、厚板轧制上进行第一阶段轧制，开轧温度1080℃，轧制成品厚度的3倍板厚时在辊道上待温至860℃；随后进行第二阶段轧制，开轧温度860℃，轧至钢板成品厚度；第二阶段轧制的道次变形率为16～25％，终轧温度为820℃；轧制结束后在冷床上空冷至室温。
实施例4
1)采用电弧炉冶炼，并浇注成钢锭。其成分重量百分比按照表1所示；
2)钢锭经过均热炉加热至1160℃保温5小时，开坯轧制成板坯后冷却至室温；
3)将板坯加热至1130℃保温5小时，在中、厚板轧制上进行第一阶段轧制，开轧温度1070℃，轧制成品厚度的3倍板厚时在辊道上待温至840℃；随后进行第二阶段轧制，开轧温度840℃，轧至钢板成品厚度；第二阶段轧制的道次变形率为12～22％，终轧温度为800℃。轧制结束后在冷床上空冷至室温。
表1 单位：wt.％
试验例1
对本发明的对比例1和实施例1-4的含钛高强度高韧性无磁钢板的力学性能和16kA/m磁场强度下的相对磁导率进行测试，测试结果如下表3所示。
表2
从表1和表2可以看出，未采用本发明所涉及的含钛高强度高韧性无磁钢板的制造方法的对比例1钢，其屈服强度仅有250MPa，抗拉强度不大于630MPa，而延伸率则能够达到60％以上，-196℃下的夏氏冲击功≥120J，相对磁导率也能够满足要求。
而采用本发明涉及的含钛高强度高韧性无磁钢板的制造方法生产的无磁钢，其屈服强度均大于400MPa，抗拉强度大于650MPa，-196℃下的夏氏冲击功≥120J，在16kA/m的磁场强度下其相对磁导率≤1.005。采用本发明所涉及的两阶段轧制工艺生产的实施例1-4钢的屈服强度较未采用两阶段轧制工艺生产的对比例1钢高出约150MPa，同时抗拉强度也在一定程度上有所提高。是其能够满足无磁结构钢对于钢材本身强度的要求日益提高的需求，是一种有效的提高无磁钢强度的制造方法。
试验例2
对对比例1和实施例3的钢板进行微观组织研究，其基体组织金相照片如图1和图2所示。图1是对比例1钢板的金相照片，图2是实施例3钢板的金相照片。
从图中可以看出，本发明所涉及的含钛高强度高韧性无磁钢板的基体组织为等轴的奥氏体晶粒。对比图1和图2可以发现，采用本发明所涉及的两阶段轧制工艺生产含钛高强度高韧性无磁钢板能够使钢板基体的奥氏体晶粒得到显著的细化。未采用两阶段轧制的钢板其基体中奥氏体晶粒的大小约在40～50μm，而采用本发明所涉及的两阶段轧制工艺生产的无磁钢，其基体奥氏体晶粒的大小约为9～15μm。
由此说明，本发明所涉及的两阶段轧制工艺能够充分的细化含钛高强度高韧性无磁钢板的基体奥氏体晶粒，使钢板的强度和塑性均能够得到显著的提高，保证了本发明所涉及的含钛无磁钢板的高强度和高塑性。

Claims (6)

1.一种含钛高强度高韧性无磁钢，其成分重量百分比为：C 0.20～0.30％，Si≤0.4％，Mn 20～25％，A1 1.0～3.0％，Ti 0.015～0.045％，P≤0.01％，S≤0.01％，其余为Fe及不可避免杂质。
2.如权利要求1所述的含钛高强度高韧性无磁钢，其特征是，所述无磁钢组织为细小的奥氏体晶粒，其晶粒大小为9～15μm。
3.如权利要求1或2所述的含钛高强度高韧性无磁钢，其特征是，所述无磁钢的屈服强度400～440MPa，抗拉强度650～690MPa，延伸率35～45％，冲击功在-196℃达到120J以上，在16kA/m的磁场强度下其相对磁导率能达到1.005或者更低。
4.如权利要求1所述的含钛高强度高韧性无磁钢的制造方法，其特征是，包括如下步骤：
1)冶炼、铸造
按权利要求1所述成分冶炼、铸造成钢锭或连铸坯；
2)加热
钢锭或铸坯加热，加热速度≤70℃/h，加热温度1130℃～1180℃；
3)轧制
钢锭经开坯后进行轧制；连铸坯直接进行轧制，轧制采用两阶段轧制：
第一阶段轧制，开轧温度1050～1100℃，在轧制至成品钢板厚度的3～4倍板厚时在辊道上待温至820～900℃；
第二阶段轧制，开轧温度820～900℃，道次变形率为10～25％，终轧温度780～840℃；
4)轧制后的钢板直接堆垛空冷。
5.如权利要求4所述的含钛高强度高韧性无磁钢的制造方法，其特征是，所述无磁钢组织为细小的奥氏体晶粒，其晶粒大小为9～15μm。
6.如权利要求4所述的含钛高强度高韧性无磁钢的制造方法，其特征是，所述无磁钢屈服强度为400～440MPa，抗拉强度为650～690MPa，延伸率为35～45％，冲击功在-196℃可达到120J以上；在16kA/m的磁场强度下其相对磁导率能达到1.005或者更低。
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