CN110100029B

CN110100029B - 高强度高韧性的厚钢板及其制造方法

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Publication number: CN110100029B
Application number: CN201780079934.0A
Authority: CN
Inventors: 姜模昌; 张大盈
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Holdings Inc
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2021-04-27
Anticipated expiration: 2037-12-21
Also published as: CA3045601A1; EP3561108A1; WO2018117700A1; US20200017931A1; CN110100029A; EP3561108A4; KR20180073075A; JP6818147B2; CA3045601C; KR101917454B1; JP2020509174A

Abstract

本发明的一个方面的目的是提供一种在制造中在不使用水冷进行加速冷却的情况下借助于热机械控制工艺(TMCP)而具有高强度和高韧性的厚度为15mmt以上的厚钢板以及用于制造该厚钢板的方法。

Description

高强度高韧性的厚钢板及其制造方法

技术领域

本公开涉及具有高强度和高韧性的厚钢板及其制造方法。

背景技术

钢的韧性是一种与强度相对的性能，并且难以确保强度和韧性两者的优异水平。

在相关技术中，已经尝试使用热处理来同时确保高合金钢材中的强度和韧性。然而，可能存在以下问题：由于使用相对昂贵的合金元素而导致成本增加、以及由于较高的合金量而导致的焊接和切割方面的缺陷。

对此，已经开发和利用了一种用于通过控制轧制和冷却条件来调节合金元素和优化显微组织以确保韧性和强度的热控制轧制技术(专利文献1)。

同时，当钢材的厚度小于15mmt时，厚度较薄，并且即使在轧制之后的冷却期间进行空气冷却，也可以获得达钢材内部的充分的冷却速率。然而，当厚度为15mmt以上时，内部潜热较高，使得空气冷却过程可能在获得充分的冷却速率方面具有限制。

出于此原因，加速冷却技术被用于15mmt以上的一般钢材，该加速冷却技术通过在轧制之后的冷却期间进行水冷而在调节冷却速率的同时诱发显微组织细化。

然而，为了进行上述加速冷却，需要适合的设备，并且具有需要严格控制的缺点，因为由于部分不稳定的操作导致的不均匀冷却可能在加工期间由于残余内应力的变化而引起如波状等的平整度的影响。

因此，在制造厚度为15mmt以上的厚钢时，需要开发一种用于在显著减少设备投资的同时稳定地确保产品质量的方法。

(专利文献1)韩国专利公开公报No.10-2016-0138771。

发明内容

技术问题

本公开的一方面提供了一种在制造中在不使用水冷进行加速冷却的情况下借助于热机械控制工艺(TMCP)而具有高强度和高韧性的厚度为15mmt以上的厚钢板以及用于制造该厚钢板的方法。

技术方案

根据本公开的一方面，高强度和高韧性的厚钢板可以包含以重量％计的：0.02％至0.10％的碳(C)、0.6％至1.7％的锰(Mn)、0.5％或更少(不包括0％)的硅(Si)、0.02％或更少的磷(P)、0.015％或更少的硫(S)、0.005％至0.05％的铌(Nb)、0.005％至0.08％的钒(V)、余量为铁(Fe)和不可避免的杂质。

厚钢板具有由铁素体和珠光体混合结构构成的显微组织，其中奥氏体的粒度为10或更大的ASTM粒度数，铁素体的粒度为9或更大的ASTM粒度数。

根据本公开的一方面，高强度和高韧性的厚钢板的制造方法可以包括以下步骤：以1100℃或更高的温度对满足上述合金组成的钢板坯进行再加热；以780℃至850℃的范围内的温度对经再加热的钢板坯进行精热轧以制备热轧钢板；以及在进行精热轧之后，进行空气冷却至室温。

有益效果

根据本公开，可以提供能够稳定地确保从0℃至-70℃的冲击韧性的厚钢板。

如上所述，通过以高效率提供厚钢板而具有在经济上有利的效果，即使在轧制之后的冷却期间没有进行加速冷却之后，也具有在经济上有利的效果。

最佳实施方式

本发明人已经进行了深入的研究来提供一种物理性能等于或大于通过常规方法制造的钢板的物理性能的钢板而不进行常规水冷工艺，其借助于热机械控制工艺(TMCP)制造具有15mmt以上的厚度的厚钢。

因此，由于优化了合金组成和制造条件，已经确认的是，即使在轧制之后的冷却期间进行空气冷却，也可以制造具有期望的物理性能的厚钢板，从而完成本公开。

特别地，为了克服由于不进行加速冷却而引起的冷却效果，本公开技术意义在于：在精细地控制显微组织的同时通过在钢合金组成中利用V来极好地确保强度和韧性。

在下文中，将对本公开进行详细地描述。

根据本公开的一方面，具有高强度和高韧性的厚钢板可以优选地包含以重量％计的：0.02％至0.10％的碳(C)、0.6％至1.7％的锰(Mn)、0.5％或更少的硅(Si)、0.02％或更少的磷(P)、0.015％或更少的硫(S)、0.005％至0.05％的铌(Nb)以及0.005％至0.08％的钒(V)。

在下文中，将对如上所述地控制本公开的钢板的合金组成的原因进行详细地描述。在这种情况下，除非另有说明，否则每种元素的含量是指重量％。

C：0.02％至0.10％

碳(C)是用于钢的强化的基本元素(essential element)。然而，当C的含量过多时，轧制期间的轧制载荷可能由于高温强度的增加而增加，并且可能诱发韧性在-20℃或更低的低温下的不稳定性。

同时，当C的含量小于0.02％时，难以确保本公开中所需的强度，并且为了将C的含量控制成小于0.02％，可能另外需要脱碳过程，这可能导致成本增加。另一方面，当C的含量超过0.10％时，轧制载荷可能增加，并且在由本公开控制的温度范围中可能无法适当地进行轧制，并且可能难以控制有利于钢的强化的其他元素，并且不会充分地获得韧性。

因此，在本公开中，优选地将C的含量控制成0.02％至0.10％。

Mn：0.6％至1.7％

锰(Mn)是用于确保钢的冲击韧性以及控制杂质元素如S的基本元素，但是当锰和C一起被过量添加时，可焊接性可能会下降。

在本公开中，如上所述，可以通过控制C的含量来有效地确保钢的韧性，并且为了获得较高的强度，可以在不添加C的情况下利用Mn来提高强度，使得可以保持冲击韧性。

优选的是，为了上述效果，包含0.6％或更多量的Mn。然而，当Mn的含量超过1.7％时，可焊接性可能由于过多的C当量而劣化，并且存在如下问题：韧性仅在厚钢板的一部分中下降并且由于在铸造期间发生的偏析而产生裂纹。

因此，在本公开中，优选地将Mn的含量控制成0.6％至1.7％。

Si：0.5％或更少(不包括0％)

硅(Si)是用于镇静钢(killed steel)的主要元素，并且是有利于通过固溶强化来确保钢的强度的元素。

然而，当Si的含量超过0.5％时，存在如下问题：轧制期间载荷增加，以及焊接期间被焊接的部分的韧性与基部材料(厚钢板本身)一起劣化。

因此，在本公开中，Si的含量控制成0.5％或更少，并且不包括0％。

P：0.02％或更少

磷(P)是在钢的制造期间不可避免地包含的元素，并且磷(P)是易于偏析的元素，并且磷(P)容易形成低温显微组织，并因此对韧性劣化具有较大的影响。

因此，优选地将P的含量控制得尽可能低。在本公开中，P的含量控制成0.02％或更小，因为即使在P以0.02％的最大值被包含时，在确保性能方面也没有很大困难。

S：0.015％或更少

硫(S)是在钢的制造期间不可避免地包含(含有)的元素。当S的含量过多时，存在如下问题：非金属夹杂物增加使得韧性劣化。

因此，优选地将S的含量控制得尽可能低。在本公开中，S的含量控制成0.015％或更少，因为即使当S以0.015％的最大值被包含时，在确保性能方面没有很大困难。

Nb：0.005％至0.05％

铌(Nb)是有利于在轧制期间通过高温析出而保持精细显微组织的元素，并且是有利于确保强度和冲击韧性的元素。特别地，在本公开中，除了通过控制一系列制造条件来确保显微组织细化之外，还需要添加Nb来稳定地获得精细结构。

Nb的含量通过在对用于轧制的板坯进行再加热的温度和时间下所溶解的Nb的量来确定，但是超过0.05％的含量不是优选的，因为该含量通常超过溶解范围。同时，当Nb的含量小于0.005％时，析出量不充分并且不会充分获得上述效果，这不是优选的。

因此，在本公开中，优选的是，Nb的含量可以控制成0.005％至0.05％。

V：0.005％至0.08％

钒(V)是有利于确保钢的强度的元素。特别地，在本公开中，由于C的含量受限以确保钢的冲击韧性并且Mn的含量受限以控制偏析效果，可以通过添加V改善在C和Mn受限的情况下由于没有加速冷却的不充分的强度。另外，由于V在低温区域处析出，因此存在于轧制期间在受限的温度范围中减小轧制载荷的效果。

然而，当V的含量超过0.08％时，可能过多地形成析出物并且可能引起脆性，这不是优选的。然而，当V的含量小于0.005％时，析出的量是不充分的并且不会充分地获得上述效果，并且因此不是优选的。

因此，在本公开中，优选地将V的含量控制成0.005％至0.08％。

同时，在本公开中，为了进一步改进满足上述合金组成的钢板的性能，Ni和Cr中的至少一者或更多者还可以分别以0.5％或更少的量被包含，并且另外，Ti还可以以0.05％或更少的量被包含。

可以添加镍(Ni)和铬(Cr)来确保钢的强度，并且考虑到碳当量和实质上所包含的元素的限制，优选地添加0.5％或更少的量。

可以在调节钢的强度的同时添加钛(Ti)以用于表面品质控制，但是考虑到在过多添加时由于析出物引起的晶界脆性的影响，优选地添加0.05％或更少的量。

上述组成的其余部分是铁(Fe)。然而，由于来自原料或周围环境的不期望的杂质能够不可避免地掺入，因此在相关技术的制造过程中，杂质不能被排除。这些杂质在本说明书中没有具体提及，因为这些杂质对于本领域技术人员而言是已知的。

优选的是，本公开的满足上述合金组成的钢板具有含有铁素体和珠光体的混合结构的显微组织。

更具体地，在本公开中，通过包含以面积分数计的85％至95％的铁素体和5％至15％的珠光体，可以确保期望的强度和冲击韧性。

当珠光体的分数过高时，与拉伸强度相比，屈服强度可能过度增加。

如上所述，在本公开中的含有铁素体和珠光体混合结构的厚钢板中，优选的是，铁素体的粒度为ASTM粒度数9或更大。当铁素体的粒度小于ASTM粒度数9时，形成粗晶粒并且可能不会确保目标水平的强度和韧性。

铁素体的粒度受奥氏体粒度的影响。因此，在本公开中，优选的是，奥氏体的粒度为10或更大的ASTM粒度数。当奥氏体的粒度小于ASTM粒度数10时，在最终产品中可能无法获得精细显微组织，并且可能不会确保期望的性能。

满足如上所述的合金组成和显微组织的本公开的厚钢板具有80％至92％的屈服比(屈服强度(MPa)/拉伸强度(MPa))、具有在甚至在-70℃的300J或更高的优异的低温冲击韧性、并且还具有高强度。

优选的是，本公开的厚钢板具有15mmt以上的厚度，并且更优选地具有15mmt至75mmt的厚度。

在下文中，将对本公开的另一方面的用于具有优异的低温韧性的厚钢板的制造方法进行详细描述。

简而言之，根据本公开，期望的厚钢板可以通过[钢板坯再加热——热轧——冷却]工艺制造，并且用于每个步骤的条件将如下进行详细描述。

[再加热步骤]

首先，优选地准备满足上述合金组成的钢板坯，然后在1100℃或更高的温度下对钢板坯进行再加热。

再加热过程是利用铸造期间形成的铌化合物来进行显微组织细化，并且因此优选的是，在1100℃或更高的温度下进行再加热过程，以在再溶解之后使Nb分散以及精细地析出。

当再加热温度低于1100℃时，溶解不会适当地发生并且也不会诱发精细晶粒，并且难以确保最终钢材中的强度。另外，由于析出物而难以控制晶粒，使得仅通过控制稍后描述的轧制条件获得的显微组织细化不会获得稳定的显微组织细化和期望的物理性能。

[热轧]

优选的是，根据上述方法对经再加热的钢板坯进行热轧以制造热轧钢板。

在这种情况下，优选在780℃至850℃的范围内的温度下进行精轧。

当进行精轧的温度低于780℃时，轧制在两相区域处进行，并且存在如下问题：在轧制期间形成的先共析结构和变形致使轧制和切割之后残余应力不均匀，从而导致难以控制形状。另一方面，当温度超过850℃时，奥氏体的再结晶可能由于晶粒强度而使强度下降，这是不期望的。

在轧制之后形状不均匀的情况下，应通过使用平整设备(leveling facility)确保平坦性，并且由于在冷平整期间的应力，板上可能有另外的残余应力。因此，鉴于消除残余应力，重要的是进行热平整，并且在本公开中，通过在780℃至850℃的范围内的温度下在单相区域进行热精轧，可以确保用于热平整所需的温度，并且即使在平整之后也可以确保可消除应力的恢复温度，并且在最终产品的进一步加工中，可以显著减小形状等的不均匀的可能性。

[冷却]

优选的是，将根据上述方法制造的热轧钢板冷却至室温以制备最终的厚钢板。在这种情况下，在冷却时优选地进行空气冷却。

在本公开中，其在经济上是有利的，因为本公开通过在对热轧钢板进行冷却期间进行空气冷却而不需要单独的冷却设备，并且即使在进行空气冷却的情况下，也可以获得所有期望的性能。

在下文中，将通过实施方案更具体地描述本公开。然而，应当指出的是，以下实施方案意在更详细地说明本公开，而不是限制本公开的范围。本公开的范围由权利要求中阐述的事项和由此合理推断的事项来确定。

具体实施方式

(实施方案)

在1100℃或更高的温度下对具有下表1中所示的合金组成的板坯进行再加热，然后在下表2中所示的条件下进行精热轧及冷却来准备最终的厚钢板。

在这种情况下，分别准备具有25mmt厚度和50mmt厚度的厚钢板以用于本发明钢1，并且准备具有30mmt厚度的厚钢板以分别用于本发明钢2和3。分别准备：用于比较钢1的具有30mmt厚度的厚钢板、用于比较钢2的具有25mmt厚度的厚钢板和用于比较钢3的具有30mmt厚度的厚钢板。

此后，对于每个厚钢板，使用显微镜在1/4t(其中，t是厚度(mm))的点处观察显微组织，并且通过使用L₀＝5.65√S₀(其中，L₀是初始规格长度，并且S₀是初始横截面面积)的比例样品对总厚度评估拉伸特性。结果在下表3中示出。

另外，对每个厚钢板而言，评估了夏比(Charpy)V形切口冲击特性，并且其结果在下表4中示出。

[表1]

[表2]

[表3]

(在表3中，除F分数的其余量是P，其中F是铁素体，P是珠光体。)

[表4]

如表3中所示，可以确认的是，本公开的厚钢板即使在轧制之后的冷却期间进行空气冷却过程也可以确保与在常规轧制之后通过水冷所确保的钢(对比钢1)的性能相同的性能(粒度、屈服比等)。

同时，比较钢3表明的是，即使Nb的添加量过多，但是强度的增加是不充分的。这是因为即使在Nb的添加量增加时，由于固溶的量的限制，Nb的作用没有被充分发挥。

另外，如表4中所示，可以确认的是，在本发明的厚钢板中，在达-70℃时不发生冲击转变。

同时，在比较钢2的情况下，钢合金组成中的V含量过高，并且可以确认的是，冲击转变在接近-40℃的区域发生。

在制造厚钢板中，在对板坯进行再加热时确认了抽取温度(extractiontemperature)对强度的影响。具体地，将本发明钢1的板坯加热至满足表5中所示的相应的抽取温度，然后在820℃的温度下进行精热轧至具有25mmt的厚度，然后进行空气冷却至室温以制备相应的厚钢板。

此后，评估上述厚钢板中的每个厚钢板的拉伸特性。

[表5]

如表5中所示，可以确认的是，强度随着抽取温度的下降而下降。特别地，当抽取温度为1090℃时，可以确认的是，与抽取温度为1168℃的情况相比，强度下降了大约60MPa至90MPa，并且屈服比也下降至小于80％。

随着抽取温度下降，影响显微组织细化等的Nb的再利用效果等减小，这在类似的轧制条件下引起强度和屈服比降低。

因此，可以确认的是，在再加热期间，抽取温度优选为1100℃或更高。

Claims

1.一种具有高强度和高韧性的厚钢板，包含以重量％计的：

0.02％至0.10％的碳(C)、0.6％至1.7％的锰(Mn)、0.5％或更少且不包括0％的硅(Si)、0.02％或更少的磷(P)、0.015％或更少的硫(S)、0.005％至0.05％的铌(Nb)、0.005％至0.08％的钒(V)、余量为铁(Fe)和不可避免的杂质，并且所述厚钢板具有由以面积分数计的85％至95％的铁素体和5％至15％的珠光体构成的显微组织，

其中奥氏体的粒度为10或更大的ASTM粒度数，并且铁素体的粒度为9或更大的ASTM粒度数，

其中屈服比，以MPa计的屈服强度/以MPa计的拉伸强度，为83％至92％，在-70℃的冲击韧性为300J或更高，以及

其中厚度为15mmt至75mmt。

2.根据权利要求1所述的具有高强度和高韧性的厚钢板，其中所述厚钢板还包含以重量％计的0.5％或更少的Ni以及0.5％或更少的Cr中的一者或更多者。

3.根据权利要求1所述的具有高强度和高韧性的厚钢板，其中所述厚钢板还包含以重量％计的0.05％或更少的Ti。

4.一种具有高强度和高韧性的厚钢板的制造方法，所述方法包括以下步骤：

以1100℃或更高的温度对钢板坯进行再加热，所述钢板坯包含以重量％计的：0.02％至0.10％的碳(C)、0.6％至1.7％的锰(Mn)、0.5％或更少且不包括0％的硅(Si)、0.02％或更少的磷(P)、0.015％或更少的硫(S)、0.005％至0.05％的铌(Nb)、0.005％至0.08％的钒(V)、余量为铁(Fe)和不可避免的杂质；

以780℃至850℃的范围内的温度对经再加热的钢板坯进行精热轧以制备具有15mmt至75mmt的厚度的热轧钢板；以及

在进行所述精热轧之后，进行空气冷却至室温。

5.根据权利要求4所述的具有高强度和高韧性的厚钢板的制造方法，其中所述钢板坯包含以重量％计的0.5％或更少的Ni以及0.5％或更少的Cr中的一者或更多者。

6.根据权利要求4所述的具有高强度和高韧性的厚钢板的制造方法，其中所述钢板坯还包含以重量％计的0.05％或更少的Ti。