CN109576593A - 一种热轧磁轭钢及其制造方法 - Google Patents

一种热轧磁轭钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热轧磁轭钢,一种热轧磁轭钢,其化学元素质量百分比为:C:0.03~0.15%,0<Si≤0.50%,Mn:1.50~2.20%,Ti:0.05~0.18%,Nb≤0.10%,Mo:0.05~0.50%,V≤0.22%,Al:0.015~0.10%,N≤0.010%,0<Ca≤0.010%,其余为Fe以及其它不可避免的杂质;其中,Nb+V+Ti≥0.15%,其中Nb、V和Ti均表示其质量百分比。此外,本发明还公开了一种上述的热轧磁轭钢的制造方法,包括步骤:(1)冶炼、精炼和铸造;(2)再加热:加热温度≥1230℃,保温时间≥1h;(3)热轧;(4)层流冷却;(5)卷取:卷取温度550~650℃,然后缓慢冷却至室温。本发明所述的热轧磁轭钢强度高、韧性好,磁感性能佳。

Description

一种热轧磁轭钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种磁轭钢及其制造方法,尤其涉及一种热轧磁轭钢及其制 造方法。
背景技术
水电资源是一种可再生的清洁能源,大力发展水电开发具有重要的意义。 然而,这些大型水电项目均需单机容量百万千瓦级别的大型水轮发电机组, 这对于水轮发电机转子磁轭部分用钢的综合性能提出了更加严格的要求。
目前,已有专利文献公开了热轧高强度磁轭钢及其制造方法。例如:公 开号为CN101016600,公开日为2007年8月15日,名称为“C-Mn-Ti-Nb 系热轧高强度高磁感性能钢及其制造方法”的中国专利文献公开了一种 C-Mn-Ti-Nb系热轧高强度磁轭钢,其组分及含量为:C:0.03~0.15%,Si: ≤0.15%,Mn:1.00~1.80%,P:≤0.025%,S:≤0.015%,Ti:0.08~0.18%, Nb:0.02~0.07%,Als:0.02~0.10%,N:≤0.010%。在该专利文献所公开的生产工艺为:先将所浇注的板坯加热至1230~1280℃;然后粗轧,粗轧结 束温度为≥1100℃;然后精轧,终轧温度为850~930℃;钢板轧后采用层流 冷却后卷取,卷取温度为550~620℃,制得热轧板卷。然而,该专利文献所 公开的热轧高强度磁轭钢屈服强度偏低,仅为700MPa级别,磁感性能B50≥1.5T。
另有公开号为:CN103451532A,公开日为2013年12月18日,名称为 “屈服强度≥750MPa的热轧磁轭钢及其生产方法”的中国专利文献公开了 一种热轧磁轭钢,其组分及含量为:C:0.03~0.15%,Si:≤0.15%,Mn: 1.10~1.90%,P:≤0.020%,S:≤0.010%,Ti:0.08~0.18%,Nb:0.075 ~0.120%,Als:0.02~0.10%,N:≤0.010%。该专利文献所公开的热轧磁 轭钢通过提高Nb含量来进一步提高钢板的强度,采用控轧控冷热连轧工艺, 加热温度为1280~1350℃,粗轧结束温度为≥1100℃,精轧终轧温度为850 ~930℃,卷取温度为640~700℃。其屈服强度≥750MPa,抗拉强度≥ 800MPa,延伸率≥11%,磁感性能B50≥1.5T。
此外,公开号为CN103451533A,公开日为2013年12月18日,名称为 “屈服强度≥800MPa的热轧磁轭钢及其生产方法”的中国专利文献公开了 一种屈服强度≥800MPa的热轧磁轭钢。在该专利文献所公开的技术方案中, 通过进一步添加Mo(wt%,0.10~0.50%)元素将钢的强度提高至800MPa 级别。生产工艺为:板坯加热至1280~1350℃;然后粗轧,粗轧结束温度为 ≥1100℃;精轧终轧温度为850~930℃;钢板轧后层流冷却后卷取,卷取温度为640~700℃,制得热轧板卷。其屈服强度≥800MPa,抗拉强度≥850MPa, 延伸率≥11%,磁感性能B50≥1.5T。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种热轧磁轭钢,该热轧磁轭钢强度高、韧 性佳,具有高磁感性能。
为了达到上述发明的目的,本发明提供了一种热轧磁轭钢,其化学元素 质量百分比为:
C:0<Si≤0.50%,Mn:Ti: Nb≤0.10%,Mo:V≤0.22%,Al:N≤0.010%, 0<Ca≤0.010%,其余为Fe以及其它不可避免的杂质;
其中,Nb+V+Ti≥0.15%,其中Nb、V和Ti均表示其质量百分比。
在本发明所述的技术方案中,其他不可避免的杂质元素主要包括P和S 元素,其中可以控制P≤0.015%,S≤0.005%。
在成分设计上,本案发明人通过理论分析和试验研究发现,通过高Ti 含量的添加从而在带钢卷取过程中析出弥散细小的纳米级碳化物,起到强烈 的析出强化效果;同时加入适量的Mo元素是为了在卷取后的缓慢冷却过程 中保持Ti的碳化物的高温热稳定性,强化纳米碳化物的析出强化效果的持续 时间;而通过加入Nb元素,起到细化晶粒,提高强度和冲击韧性的作用; 通过加入V元素,起到细化晶粒,从而提高强度的作用;而Si元素的设计 是为了提高强度和磁感性能;而C含量的设计一方面要保证强度,同时也要 与Ti、Nb、Mo、V、N含量相配合,最终使得所述的热轧磁轭钢达到所需要 的微观组织,具有较好的钢种性能,并且获得合适比例的铁素体+贝氏体组 织。
本发明所述的热轧磁轭钢的化学元素的设计原理如下所述:
C:碳(C)是钢中不可或缺的基本元素之一,作为钢中的间隙原子,对 提高钢的强度起着非常重要的作用。碳含量对钢中铁素体和贝氏体组织组成 影响较大。在本发明所述的技术方案中,为了获得抗拉强度达850MPa级的 高强钢,必须保证C的质量百分比在0.03%以上,以使钢中形成足够的贝氏 体组织,且形成较多的碳化物析出物;同时C的质量百分比也不能太高,否 则在生产过程中例如热轧或高温卷取过程中将使铁素体相变抑制,不利于形 成铁素体+贝氏体以及纳米级析出物的微观组织,对磁感性能和冲击韧性产 生不利影响。本发明所述的热轧磁轭钢的C的加入量与Ti、Mo、Nb、V和 N的加入量密切相关,本发明所述的技术方案成分设计的一个重要原则是保 证加入的C应全部与Ti、Mo、Nb、V和N原子相结合并形成大量弥散细小 的且具有高热稳定性的纳米级析出物。这些纳米级析出物在后续工艺过程中 例如高温卷取后的缓慢冷却过程中可有效的抑制铁素体晶粒长大,同时起到 析出强化效果。综上考虑,本发明所述的热轧磁轭钢将碳的质量百分比控制 在0.03~0.15%。
Si:硅(Si)是钢中的基本元素之一。Si在炼钢过程起到部分脱氧的作 用。此外,Si在钢中可扩大铁素体形成范围,有利于扩大轧制工艺窗口;同 时Si还有较强的固溶强化效果。此外,Si可以减少晶体各向异性,使磁化容 易,磁阻减少,同时,Si还能减轻钢中其它杂质的危害,降低对磁性的有害 影响,显著提高本发明所述的热轧磁轭钢的磁感应性能;但是,Si的质量百 分比太高,会降低钢的导热性,例如在钢带加热和冷却过程中,引起内裂。因此,本发明所述的热轧磁轭钢中将硅的质量百分比控制在0<Si≤0.50%。
Mn:锰(Mn)是钢中最基本的元素之一,也是扩大奥氏体相区的重要 元素,可以降低钢的临界淬火速度,稳定奥氏体,细化晶粒,提高钢的强度 和韧性。在本发明所述的热轧磁轭钢中,为保证钢板的强度和韧性,Mn的 质量百分比一般应控制在1.5%以上;同时,Mn的质量百分比过高,将会抑 制钢中铁素体相变,且容易发生Mn元素在连铸坯中心成分偏析,同时板坯 连铸时易发生热裂。因此,本发明所述的热轧磁轭钢中将Mn的质量百分比 限定为在1.5~2.20%。
Ti:钛(Ti)是本发明所述的热轧磁轭钢中的重要元素之一。加入较高 质量百分比的Ti主要目的是为了在奥氏体向铁素体转变过程中,在铁素体基 体中形成更多的纳米级碳化物,同时需要添加一定量Mo元素以保证纳米级 碳化物在高温时仍具有较强的抗粗化能力,即具有高的热稳定性。控制Ti 的质量百分比,有利于充分发挥钢中VTi的纳米析出强化作用,从而使本发 明所述的热轧磁轭钢具有高强度和高磁感应性能。经过理论计算和试验证实, Ti发挥最佳析出强化效果的质量百分比在0.05~0.18%之间。
Mo:钼(Mo)也是本案的关键元素之一。Mo与C之间也有较强的结 合力,与Ti相比,MoC通常大部分在铁素体中析出。试验已证实,单纯添 加Ti的高强钢中,TiC在600-700℃的高温卷取过程中粗化现象比较严重, 钢卷缓慢冷却至室温后TiC的弥散强化效果会大大减弱。添加一定量的Mo 元素之后,由于形成(Ti,Mo)C不仅需要Ti原子的扩散,同时还需要Mo元素 的扩散,而Mo的扩散过程是非常缓慢的。因此使得(Ti,Mo)C的粗化过程比 单一的TiC的粗化过程缓慢得多,从而使(Ti,Mo)C具有更高的热稳定性。同 时,Ti和Mo的质量百分比控制在一定的范围内,有利于达到最佳效果。根 据试验结果,Mo的质量百分比控制在0.05~0.50%之间时,其与Ti形成的(Ti, Mo)C具有最强的高温热稳定性。
Nb:铌(Nb)在控制轧制过程中,可以提高钢的再结晶温度,同时通过 抑制再结晶和阻止晶粒长大,可细化奥氏体晶粒尺寸,有效提高钢的冲击韧 性;并在轧后冷却过程中,NbC和NbN纳米级析出物析出,可以起到很好 的沉淀强化作用。因此,本发明所述的热轧磁轭钢控制Nb的质量百分比在 Nb≤0.10%;
V:钒(V)是本案中的关键元素之一。V与Ti类似,由于其碳氮化物 在奥氏体中的固溶度较大而通常在铁素体中析出。V也是强碳化物形成元素, 加入适量的V可固定多余的C,进一步起到析出强化效果。根据理论分析和 试验研究结果,本发明所述的热轧磁轭钢对V的质量百分比限定在V≤ 0.22%。
Al:铝(Al)是钢中重要合金元素。Al在本发明所述的技术方案中的基 本作用主要是在炼钢过程中脱氧。钢中Al的质量百分比一般不低于0.015%; 同时,若Al的质量百分比过高,其细化晶粒的作用反而减弱。根据实际生产 过程中铝含量的控制水平,将钢中铝的质量百分比控制在0.015~0.10%即可, 优选地,Al的质量百分比控制为0.02~0.06%。
N:氮(N)在本案中属于有害元素杂质元素,其质量百分比含量越低越 好。然而,N是钢中不可避免的元素,这些固溶或游离的N元素必须通过形 成某种氮化物加以固定,否则游离的氮原子对钢的冲击韧性非常不利,而且 在带钢轧制的过程中很容易形成全长性的“锯齿裂”缺陷。本案中通过添加 强碳化物或氮化物形成元素Ti,形成稳定的TiN从而固定N原子。因此,在 本发明所述的热轧磁轭钢中,N的质量百分比控制在N≤0.010%以内。
Ca:在本发明所述的技术方案中,钙(Ca)元素的主要作用是钙处理, 可改善长条状MnS类夹杂的形状及其分布,有利于改进本发明所述的热轧磁 轭钢的韧塑性。因此,Ca含量控制在0<Ca≤0.010%。
P:磷(P)是钢中有害的杂质元素。P极易偏聚到晶界上,钢中P的含 量较高时,形成Fe2P在晶粒周围析出,降低钢的韧性和磁感性能,故其含量 越低越好,在本发明所述的热轧磁轭钢中,控制磷的质量百分比P≤0.015%。
S:硫(S)是钢中有害的杂质元素。钢中的S通常与Mn结合形成MnS 夹杂,尤其是当S和Mn的质量百分比均较高时,钢中将形成较多的MnS, 而MnS本身具有一定的塑性,在后续轧制过程中MnS沿轧向发生变形,降 低钢板的横向拉伸性能。因此,钢中S的质量百分比越低越好,本发明专所 述的热轧磁轭钢的S的质量百分比控制在S≤0.005%。
进一步地,在本发明所述的热轧磁轭钢中,还满足:0.2≤Ti/Mo≤2.0, 其中Ti和Mo均表示其质量百分比。为了更进一步发挥钢中微合金元素的纳 米析出强化作用,将Ti和Mo的质量百分比控制在满足关系式:0.2≤Ti/Mo ≤2.0。
进一步地,在本发明所述的热轧磁轭钢中,还还满足:0.03%≤ (Ti-3.42N)/4+Nb/7.67+Mo/8+V/4.17≤0.20%,其中Ti、Nb、Mo、V和N均表 示其质量百分比。
进一步地,在本发明所述的热轧磁轭钢中,其晶粒度为12级,其微观组 织为铁素体+贝氏体基体以及纳米级析出物,所述析出物包括Ti的析出物。
进一步地,在本发明所述的热轧磁轭钢中,所述析出物还包括Nb的析 出物和/或V的析出物。
进一步地,在本发明所述的热轧磁轭钢中,其中贝氏体的相比例≥70%。
进一步地,在本发明所述的热轧磁轭钢中,其屈服强度≥800MPa,抗拉 强度≥850MPa,延伸率≥14%,-20℃纵向冲击功KV2≥40J,磁感性能B50≥1.58T,B100≥1.73T,B200≥1.90T,B300≥1.93T。
相应地,本发明的另一目的在于提供一种上述的热轧磁轭钢的制造方法, 通过配合上述热轧磁轭钢的成分设计例如高含量Ti的成分设计,采用较高的 加热温度以保证尽可能多的Ti原子固溶在板坯中,从而获得性能好的热轧磁 轭钢。
为了达到上述发明的目的,本发明提供了一种上述的热轧磁轭钢的制造 方法,包括步骤:
(1)冶炼、精炼和铸造;
(2)再加热:加热温度≥1230℃,保温时间≥1h;
(3)热轧;
(4)层流冷却;
(5)卷取:卷取温度550~650℃,然后缓慢冷却至室温。
在本发明所述的技术方案中,钢坯的加热温度控制在≥1230℃,以保证 有尽可能多的Ti原子固溶在板坯中,这是由于Ti的碳氮化物固溶温度通常 很高(例如≥1300℃),在炼钢或连铸以及轧制过程的不同阶段均会析出,这 就使得最终可用来起到析出强化作用的Ti的质量百分比变低,因此,必须保 证高的加热温度才有可能在最终的卷取过程中获得更多的纳米析出物。
此外,在热轧粗轧和精轧阶段,轧制过程的节奏应尽量快速完成,避免 在热轧粗轧和精轧阶段过多Ti的碳氮化物析出,这是因为在热轧阶段尤其是 精轧处于奥氏体区,在此温度区间析出的Ti的碳化物或碳氮化物尺寸大多在 几十微米,对最终的析出强化效果不大。因此,在热轧的阶段例如粗轧和精 轧阶段应尽快完成以保留更多的Ti原子在卷取过程中析出。
同时,为了进一步保证钢的低温冲击韧性以及良好的磁性能,钢中不能 出现马氏体组织以及下贝氏体组织,且钢中的各类非金属夹杂物级别均应≤ 1.5级,且四类夹杂物级别总和应≤5.0。
同时由于本发明所述的热轧磁轭钢的成分设计使得在连续冷却过程中, 在钢板的层流冷却过程中以及钢板卷取之后均可能发生部分铁素体转变。当 卷取温度为550℃~650℃时,精轧后的变形奥氏体将在冷却过程中(即卷取 之前)发生少部分铁素体转变,层流冷却结束,在钢板卷取之后仍然可能发 生部分铁素体转变。两个过程中形成的铁素体总比例<30%。随后剩余的变 形奥氏体将全部发生贝氏体转变,即钢中贝氏体比例≥70%。
由于本案的热轧磁轭钢中较多的Nb、V和Ti析出强化元素的至少其中 之一。钢中的NbVTi等在板坯加热过程中重新溶解,以固溶状态存在于钢中; 钢中纳米级析出物例如包括Nb、V和Ti的第二相粒子主要在精轧结束至卷 取缓冷过程中析出,其中(NbTi)(CN)类纳米级析出物的形成温度主要是 550-700℃之间,而V(CN)类纳米级析出物的形成温度主要是500-650℃之 间。如钢中不添加V元素时,必须在钢中添加更多的Ti元素,从而保证本发明所述的热轧磁轭钢的拉伸性能。本发明钢含有较多的Nb、Ti和V的至 少其中之一元素,能使钢的再结晶温度提高至950℃以上,且钢的终轧温度 在830-920℃之间,因此,能够获得细小的铁素体和贝氏体组织,其晶粒度 约12级。
进一步地,在本发明所述的制造方法中,在步骤(3)中,控制粗轧结束 温度为1000~1100℃,在1000℃以上多道次大压下量轧制且累计变形量≥ 50%,随后中间坯待温至再进行多道次轧制且该多道次轧制 累计变形量≥70%;终轧温度控制在之间。
进一步地,在本发明所述的制造方法中,还包括步骤(6)回火:回火温 度≤600℃。
根据对钢板板形质量的不同要求,可选择是否进行回火热处理。回火热 处理能够消除钢中残余内应力,有利于提高钢板的磁性能和板形质量。但是, 回火热处理将对钢的组织产生一定影响,同时,也对钢中纳米级析出物的长 大粗化产生影响,从而对钢板的拉伸性能以及低温韧性产生一定的影响。本 发明所述的热轧磁轭钢通过合适的成分设计和工艺设计,能够有效阻止纳米 级析出物在回火热处理过程中的长大,从而使得本发明所述的热轧磁轭钢可 进行回火热处理等热加工工艺,在所述的制造方法中,回火温度≤600℃。
本发明所述的热轧磁轭钢,其屈服强度≥800MPa,抗拉强度≥850MPa, 延伸率≥14%,-20℃纵向冲击功KV2≥40J,磁感性能B50≥1.58T,B100≥ 1.73T,B200≥1.90T,B300≥1.93T。
附图说明
图1为实施例5的热轧磁轭钢的微观组织图。
具体实施方式
下面将根据具体实施例及说明书附图对本发明所述的热轧磁轭钢作进 一步说明,但是该说明并不构成对本发明技术方案的不当限定。
实施例1-5
表1列出了实施例1-5的热轧磁轭钢中的各化学元素的质量百分比。
表1.(wt%,余量为Fe和除了P、S以外的其他不可避免的杂质元素)
实施例1-5的热轧磁轭钢的制造方法包括如下步骤:
(1)按照表1所列的化学元素组分进行冶炼、精炼和铸造;
(2)再加热:加热温度≥1230℃,保温时间≥1h;
(3)热轧:控制粗轧结束温度为1000~1100℃,在1000℃以上多道次大 压下量轧制且累计变形量≥50%,随后中间坯待温至再进行 多道次轧制且该多道次轧制累计变形量≥70%;终轧温度控制在之间;
(4)层流冷却;
(5)卷取:卷取温度然后缓慢冷却至室温。
需要说明的是,实施例2和实施例3还包括步骤(6)回火:实施例2 的回火温度为500℃,回火时间为30min;实施例4的回火温度为580℃,回 火时间为30min。
表2列出了实施例1-5的热轧磁轭钢的制造方法中的具体工艺参数。
表2.
另外,对本案各实施例的热轧磁轭刚进行了性能测定,并将其结果列于 表3和表4中。
表3列出了各实施例的热轧磁轭钢的力学性能。
表3.
备注:冲击试样尺寸:2.5*10*55mm。
由表3可以看出,本案各实施例的热轧磁轭钢,其屈服强度≥800MPa, 抗拉强度≥850MPa,延伸率≥14%,-20℃纵向冲击功KV2≥40J(换算成全 尺寸试样的要求)。
表4列出了各实施例的热轧磁轭钢的磁感性能。
表4.
实施例 B<sub>50</sub>(T) B<sub>100</sub>(T) B<sub>200</sub>(T) B<sub>300</sub>(T)
1 1.607 1.854 1.911 1.976
2 1.587 1.786 1.882 1.941
3 1.605 1.791 1.881 1.938
4 1.600 1.782 1.871 1.929
5 1.601 1.814 1.889 1.973
由表4可以看出,各实施例的热轧磁轭钢的磁感性能表现为:B50≥1.58T, B100≥1.73T,B200≥1.90T,B300≥1.93T。
图1为实施例5的热轧磁轭钢的微观组织图。
由图1可以看出,实施例5的热轧磁轭钢的微观组织为铁素体+贝氏体 基体以及纳米级析出物,所述析出物包括Nb、Ti的析出物和V的析出物。
需要说明的是,本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文 件所给出的实施例,所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术,包括但不局 限于在先专利文献、在先公开出版物,在先公开使用等等,都可纳入本发明 的保护范围。
此外,本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组 合方式或是具体实施例所记载的组合方式,本案记载的所有技术特征可以以 任何方式进行自由组合或结合,除非相互之间产生矛盾。
还需要注意的是,以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然 本发明不局限于以上实施例,随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员 能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的,均应属于本发明的 保护范围。

Claims (10)

1.一种热轧磁轭钢,其特征在于,其化学元素质量百分比为:
C:0<Si≤0.50%,Mn:Ti:Nb≤0.10%,Mo:V≤0.22%,Al:N≤0.010%,0<Ca≤0.010%,其余为Fe以及其它不可避免的杂质;
其中,Nb+V+Ti≥0.15%,其中Nb、V和Ti均表示其质量百分比。
2.如权利要求1所述的热轧磁轭钢,其特征在于,还满足:0.2≤Ti/Mo≤2.0,其中Ti和Mo均表示其质量百分比。
3.如权利要求1所述的热轧磁轭钢,其特征在于,还满足:0.03%≤(Ti-3.42N)/4+Nb/7.67+Mo/8+V/4.17≤0.20%,其中Ti、Nb、Mo、V和N均表示其质量百分比。
4.如权利要求1所述的热轧磁轭钢,其特征在于,其晶粒度为12级,其微观组织为铁素体+贝氏体基体以及纳米级析出物,所述析出物包括Ti的析出物。
5.如权利要求4所述的热轧磁轭钢,其特征在于,所述析出物还包括Nb的析出物和/或V的析出物。
6.如权利要求4所述的热轧磁轭钢,其特征在于,其中贝氏体的相比例≥70%。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的热轧磁轭钢,其特征在于,其屈服强度≥800MPa,抗拉强度≥850MPa,延伸率≥14%,-20℃纵向冲击功KV2≥40J,磁感性能B50≥1.58T,B100≥1.73T,B200≥1.90T,B300≥1.93T。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的热轧磁轭钢的制造方法,其特征在于,包括步骤:
(1)冶炼、精炼和铸造;
(2)再加热:加热温度≥1230℃,保温时间≥1h;
(3)热轧;
(4)层流冷却;
(5)卷取:卷取温度然后缓慢冷却至室温。
9.如权利要求8所述的制造方法,其特征在于,在步骤(3)中,控制粗轧结束温度为1000~1100℃,在1000℃以上多道次大压下量轧制且累计变形量≥50%,随后中间坯待温至900~1000℃,再进行多道次轧制且该多道次轧制累计变形量≥70%;终轧温度控制在830~920℃之间。
10.如权利要求8所述的制造方法,其特征在于,还包括步骤(6)回火:回火温度≤600℃。
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