CN110724872A - 具有超低温冲击韧性的高锰奥氏体钢及其热轧板制造方法 - Google Patents

具有超低温冲击韧性的高锰奥氏体钢及其热轧板制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有超低温冲击韧性的高锰奥氏体耐磨钢，按质量百分比计包含：C：0.15～0.42％，Si：0.15～0.60％，Mn：25～33％，P：≤0.045％，S：≤0.03％，Cr：2～5％，Ni：≤3％，Mo：≤0.5％，V：0.30～0.50％，Cu：≤0.5％，Al≤2％，其余为铁和不可避免的杂质，并且在Cr含量为2～5％范围内时，Mn和C的含量需满足Mn+35C＝37～40％。本发明还公开了该奥氏体耐磨钢的热轧板制备方法。本发明通过采用一定比例的高锰低碳的成分组合，能显著提高低温高锰钢的超低温冲击韧性，实现高锰钢的连铸热轧生产，降低生产成本，稳定产品质量的目的。

Description

具有超低温冲击韧性的高锰奥氏体钢及其热轧板制造方法
技术领域
本发明涉及耐磨钢，更具体地是指一种具有超低温冲击韧性的高锰奥氏体钢及其热轧板制造方法。
背景技术
天然气是一种优质能源，主要成分是甲烷，具有燃烧热值高、污染少的特点。近三十年以来，随着环境保护要求的不断提高，天然气日益受到人们的重视，广泛应用于发电、汽车燃料、居民生活和工业方面。将常压下气态天然气冷却至-162℃以下凝结形成的液体称为液化天然气(Liquined Natural Gas，简称为LNG)。与气态天然气相比，液化后的天然气只有原体积的1/625，非常便于储存与地面运输，并且单位重量的液化天然气地面运输费用仅是管道运输费用的1/6～1/7。除了利用热能以外，超低温的LNG在大气压力下转变为常温气态的过程中，可提供大量的冷能(气化潜热为121kcal/kg)，将这些冷能回收，还可以利用于其他低温用途。
由于液化天然气储运温度是在-162℃(天然气常压沸点)以下，这就要求用于储运液化天然气的材料在超低温下具有良好的冲击韧性、足够的抗脆性开裂和止裂能力。而在-162℃以下可供选用的符合低温下力学性能要求的材料很少。目前，在世界上建造LNG储运设施所使用的材料以9Ni钢为主，同时也在研发新型超低温材料。其中高锰奥氏体钢由于其价格、低热膨胀系数和低周疲劳性能的显著优势而备受关注。高锰奥氏体钢采用锰和碳稳定奥氏体相，在室温条件下获得单相奥氏体组织，一般不存在韧脆转变现象，具备超低温(-196℃)应用的先天优势。
国内专利89104759.X给出了一种铁-锰-铝-碳奥氏体无磁钢与低温钢，其成分组成的重量百分比配比为：C：0.25～0.33％，Si：≤0.7％，Mn：19～21％，P：≤0.04％；S：≤0.05％，Al：2.3～3.2，其余为铁和不可避免的杂质，主要采用电弧炉氧化法冶炼(或感应炉冶炼)、碱性液渣保护铸锭、钢锭加热温度为1200℃左右、在1150～800℃温度之间加工成型材，其固溶温度为1000℃±50℃。该钢种具有极低的磁导率与在-196℃及其以上温度的高韧性，可代替1Cr18Ni9Ti与9％Ni钢用于-196℃及其以上温度的低温设备的机械部件，如容器、阀门等，价格低、热处理工艺与焊接工艺简单。
国内专利201710359159.6给出了一种LNG储罐用高锰中厚板的设计及其制造方法，钢的化学成分为wt％：C：0.45～0.67％，Si：0.02～0.48％，Mn：23.70～27.20％，P：≤0.051％；S：≤0.02％，Ni:≤2.20％，Cr:≤4.13％，Cu:≤1.10％，Mo:≤0.94％，V:≤0.21％，Al：≤4.64％，其余为铁和不可避免的杂质，该钢种为单相奥氏体组织，具有高强塑性，同时具有优异的-196℃超低温冲击韧性，可替代9％Ni钢，且成本远低于9％Ni钢。
US20060084305给出了一种高压氢气用的高锰奥氏体不锈钢，钢的化学成分为wt％：C：0.01～0.10％，Si：0.1～1％，Mn：6～20％，Ni:1～6％，Cr:10～20％，Cu:2～5％，N：0.01～0.40％，其余为铁和不可避免的杂质，该钢种为单相奥氏体组织，其Md30满足-120<Md30<20，其中Md30＝497-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-20(Ni+Cu)-18.5Mo，具有低氢脆性，适用于低温氢环境。
JP19990318357给出了一种超低温用高锰无磁钢，钢的化学成分为wt％：C：0.05～0.15％，Mn：26.0～30.0％，Ni:0.50～5.0％，Cr:5.0～10.0％，N：0.05～0.15％，其余为铁和不可避免的杂质，该钢种具有超低温韧性，适用于低温环境。
KR19890020003给出了一种高锰钢及其制造方法，钢的化学成分为wt％：C：0.1～0.5％，Si：0.02～1.5％，Mn：16～35％，Al:1～8％，Ti:0.02～0.15％，Nb:0.05～0.15％，Cu：≤0.5％，其余为铁和不可避免的杂质。
KR19960077693给出了一种具有优异超低温韧性的高锰钢及其制造方法，钢的化学成分为wt％：C：0.45～0.55％，Si：0.4～0.8％，Mn：16～22％，Ni：1.5～4％，Cr：2～5.5％，Mo：0.1～0.3％，Al:1～2.5％，Cu：0.1～0.2％，其余为铁和不可避免的杂质。
上述专利文献中，其分设计思路主要关注材料的强度、韧性等性能，但对成分之间关联及其对超低温韧性的优化并未展开深入研究。另外，以上专利产品较少涉及连铸热轧生产工艺。
发明内容
本发明为解决上述缺陷，提供了一种具有抗腐蚀磨损性能的具有超低温冲击韧性的高锰奥氏体钢及其热轧板制造方法，通过采用一定比例的高锰低碳的成分组合，能显著提高低温高锰钢的超低温冲击韧性，实现高锰钢的连铸热轧生产，降低生产成本，稳定产品质量的目的。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一方面，一种具有抗腐蚀磨损性能的奥氏体耐磨钢，按质量百分比计包含：C：0.15～0.42％，Si：0.15～0.60％，Mn：25～33％，P：≤0.045％，S：≤0.03％，Cr：2～5％，Ni：≤3％，Mo：≤0.5％，V：0.30～0.50％，Cu：≤0.5％，Al≤2％，其余为铁和不可避免的杂质，并且在Cr含量为2～5％范围内时，Mn和C的含量需满足Mn+35C＝37～40％。
另一方面，一种具有抗腐蚀磨损性能的奥氏体耐磨钢的热轧板制备方法，采用包括如下步骤：
先进行合金配料，然后依次进行电炉炼钢、炉外精炼、连铸、热送、再加热、热轧、轧后固溶，
再加热步骤中，板坯加热温度控制在1120～1250℃；
热轧步骤中，板坯开轧温度控制在1050～1200℃，板坯终轧温度控制在950～1100℃。
在轧后固溶步骤中，固溶开始温度控制在900～1100℃；固溶终止温度控制在≤500℃，冷却速度控制在10～50℃/S。
所述的连铸采用立式连铸。
采用本发明的具有超低温冲击韧性的高锰奥氏体钢及其热轧板制造方法，具有以下几个优点：
1、与上述现有技术的专利文献相比，本发明提出了合理的C、Mn、Cr元素比例，同时通过合金化处理，在相同的奥氏体稳定性，抑制碳化物的析出长大，提高了高锰钢的超低温韧性。
2、通过合金元素优化，提高了高锰钢高温强度与其导热系数，降低了高锰钢的热膨胀系数，从而降低了连铸生产难度与轧制难度。
3、本发明采用立式连铸+热送热轧工艺实现热轧板产品的生产。对于高锰钢(锰含量20％以上)，热膨胀系数大、热导率低，普通立弯式连铸机是无法进行生产的。而立式连铸机生产的铸坯，其凝固偏析大为改善、组织均匀，连铸坯夹杂物大为改善，纯净度高，表面质量大为改善。同时在合理的轧制温度区间进行轧制，并采用轧后固溶处理工艺，保证了热轧板产品具有最佳的组织状态、表面质量和使用性能，提高了生产效率，降低了生产成本。
附图说明
图1是本发明实施例1的奥氏体耐磨钢的金相照片。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
本发明的具有抗腐蚀磨损性能的奥氏体耐磨钢的成分设计思路是通过合金化处理，在奥氏体钢稳定性不变的情况下，提高低温奥氏体的超低温冲击韧性。同时，采用立式连铸工艺改善钢锭凝固偏析与表面质量，提高组织均匀性和钢水纯净度，结合轧后固溶工艺，获得奥氏体组织，从而提高锰钢的超低温冲击韧性。具体如下：
本发明的奥氏体耐磨钢，按质量百分比计包含：C：0.15～0.42％，Si：0.15～0.60％，Mn：25～33％，P：≤0.045％，S：≤0.03％，Cr：2～5％，Ni：≤3％，Mo：≤0.5％，V：0.30～0.50％，Cu：≤0.5％，Al≤2％，其余为铁和不可避免的杂质，并且在Cr含量为2～5％范围内时，Mn和C的含量需满足Mn+35C＝37～40％。
其主要组成合金元素的作用如下：
碳：碳是高锰钢构成的主要元素之一。碳可以稳定合金中奥氏体，当进行快速冷却时碳可使奥氏体保持在室温呈单相的奥氏体组织。碳含量增加则碳的固溶强化作用将增强，这样便提高了高锰钢的硬度、强度及耐磨性。但碳含量继续增加，高锰钢组织中的碳化物量将增多，可能沿晶界分布，大大降低钢的冲击韧性。并且由于碳化物与奥氏体的比容有差别，固溶后的高锰钢存在着极小的孔洞缺陷，也会降低钢的冲击韧性。通常，高锰钢碳含量控制在0.3～1.0％之间，本发明高锰钢的C含量为0.15～0.42％。
锰：锰是高锰钢的主要成份，它对合金相区的扩大、奥氏体组织的稳定及Ms点的降低都有很大的影响，锰可使高锰钢的奥氏体组织保持到室温。若锰的含量增加，则高锰钢的强度及冲击韧性都将提高，这是因为锰具有增加晶间结合力的作用。锰若含量很高会使钢的导热性下降，进而很容易出现穿晶组织，严重影响了高锰钢的机械及力学性能等。本发明考虑到合金化影响，Mn含量控制区间为25～33％。
碳锰组合：在本发明的奥氏体高锰钢中，碳和锰均是其主要元素，而其中的碳化物含量严重影响奥氏体钢的冲击韧性和强度，并且碳含量和锰含量越高，组织中的碳化物含量也越高。经试验发现，为了保证高锰钢的超低温冲击韧性，当其合金元素含量在本发明范围内时，特别是铬元素含量为2～5％时，Mn含量和C含量需要满足Mn+35C＝37～40。
硅：硅通常是作为一种脱氧剂带入，它具有强化固溶体、提高屈服强度的作用。但是它封闭相区且会促进石墨化。当其含量大于0.6％时，一方面会导致高锰钢产生粗晶，另一方面也会使碳在奥氏体中溶解度降低，进而促使碳化物在晶界的析出，不但降低了钢的韧性，也增加了钢的热裂倾向。因此，通常我们将硅控制在0.3～0.6％范围内，但在某些特殊情况下，如需钢水具有良好的流动性时，我们应增加硅量，使晶界的状况得到改善。本发明硅含量控制在0.15～0.60％。
硫：高锰钢中因硫与锰的存在，便生成了硫化锰，硫化锰可进入溶渣。因此本发明硫含量控制在0.03％以下
磷：在奥氏体中的溶解度很小，通常是和铁、锰等产生共晶磷化物，且在晶界析出。磷和容易引起材料的热裂，降低材料的机械性能并对耐磨性有一定的损害，严重时甚至会在工作中断裂。此外，磷还具有促进锰、碳元素偏析的作用，因次应尽量降低磷含量。本发明磷含量控制在0.045％以下。
铬：铬是目前在高锰钢中运用较多的元素，也在抗腐蚀方面有明显作用。经水韧处理后铬会大部分都溶入到高锰钢奥氏体中，提高了高锰钢的稳定性和抗腐蚀性能，同时也会加快了碳化物在冷却时的析出。铬固溶于奥氏体后，便可提高钢的屈服强度，降低钢的延伸率及冲击韧性。在生产过程中，铸态时若铬增加，则碳化物的析出也将加快，且通常会在晶界上进行连续网状分布。在进行重新加热时，其溶入奥氏体相对较难，因而不易得到单相的奥氏体，此时应将水韧加热的温度在标准高锰钢基础上再提高30℃～50℃。本发明Cr加入量为2～5％。
镍：镍是非碳化物形成元素，同时也是奥氏体形成元素，能提高高锰钢耐腐蚀性能、低温韧性，但成本昂贵，因此本发明Ni加入量为≤3％。
钼：钼与铁的结合力比较强，同时钼原子的尺寸较大、扩散速度较小，因此加钼的铸态高锰钢中其碳化物的析出量将减少，其奥氏体的晶界上也不再呈现网状，还可以减慢钢中针状碳化物的析出速度，降低其析出温度，这些对高锰钢在铸态下的塑性及强度提高都有利，也很好的弥补了因铬元素加入带来的不足。因此，在加铬的高锰钢中再加入钼元素是非常有益的。本发明考虑到合金化影响，Mo含量设计控制在0.50％以下。
钒：钒具有细化高锰钢组织，提高钢的屈服强度、原始硬度及耐磨性的作用。钒是强碳化物形成元素，在凝固过程中先析出VC或V(C，N)，这些碳化物弥散分布有强烈抑制晶粒长大的作用，同时碳化物晶内析出也抑制了晶界碳化物的形成与长大。而V的添加量过多，易形成粗大的液析碳化物，降低钢的冲击韧性。而V的添加量过少，则起不到细化晶粒的作用。本发明考虑到合金化影响，V含量设计控制在0.30～0.50％以下。
铜：铜是非碳化物形成元素，同时也是奥氏体形成元素，能提高高锰钢耐腐蚀性能、低温韧性，因此本发明Cu加入量控制在0.50％以下。
铝：铝是铁素体形成元素，提高奥氏体的层错能。因此本发明Al加入量控制在2％以下。
上述奥氏体耐磨钢的热轧板制备方法，包括如下步骤：
采用包括如下步骤：
先进行合金配料，然后依次进行电炉炼钢、炉外精炼、连铸、热送、再加热、热轧、轧后固溶，
再加热步骤中，板坯加热温度控制在1120～1250℃；
热轧步骤中，板坯开轧温度控制在1050～1200℃，板坯终轧温度控制在950～1100℃。
在轧后固溶步骤中，固溶开始温度控制在900～1100℃；固溶终止温度控制在≤500℃，冷却速度控制在10～50℃/S。
所述的连铸采用立式连铸为较佳。
本发明与现有技术的成分对比具体见表1，表1中的对比例1～6依次为89104759.X、201710359159.6、US20060084305、JP19990318357、KR19890020003、KR19960077693。
表1与本发明与国内外相近专利的成分对比
与现有生产钢种相比，本发明的奥氏体高锰钢的性能达到以下要求：
1、机械性能：σb≥750Mpa，σ0.2≥350Mpa，延伸率≥20％，布氏硬度≤230
2、夏比缺口冲击性能：室温冲击功≥100J，-196℃冲击功≥40J。
本发明的实施例1～6的主要化学成分参见表2：
表2各实施例的化学成分(％)
实施例 C Si Mn P S Cr Ni Mo V Cu Al
1 0.23 0.23 24.5 0.022 0.019 3.7 1.0 0.23 0.32 0.028 0.4
2 0.35 0.24 29.1 0.028 0.010 4.2 2.7 0.38 0.17 0.014 0.8
3 0.17 0.45 26.2 0.042 0.029 2.6 0.2 0.21 0.31 0.021 1.1
4 0.36 0.22 27.2 0.012 0.018 2.2 1.7 0.34 0.43 0.042 0.5
5 0.41 0.31 24.8 0.025 0.013 4.8 1.3 0.32 0.35 0.021 1.9
6 0.28 0.59 28.9 0.016 0.011 4.3 0.8 0.28 0.23 0.032 0.2
上述各实施例的力学性能见表3：
表3各实施例力学性能
其中实施例4的热轧板的金相组织200倍如图1所示，为均匀细小的奥氏体组织，其余实施例的金相组织与其相类似。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (4)

1.一种具有超低温冲击韧性的奥氏体耐磨钢，其特征在于，按质量百分比计包含：C：0.15～0.42％，Si：0.15～0.60％，Mn：25～33％，P：≤0.045％，S：≤0.03％，Cr：2～5％，Ni：≤3％，Mo：≤0.5％，V：0.30～0.50％，Cu：≤0.5％，Al≤2％，其余为铁和不可避免的杂质，并且在Cr含量为2～5％范围内时，Mn和C的含量需满足Mn+35C＝37～40％。
2.如权利要求1所述的奥氏体耐磨钢的热轧板制备方法，其特征在于，采用包括如下步骤：
先进行合金配料，然后依次进行电炉炼钢、炉外精炼、连铸、热送、再加热、热轧、轧后固溶，
再加热步骤中，板坯加热温度控制在1120～1250℃；
热轧步骤中，板坯开轧温度控制在1050～1200℃，板坯终轧温度控制在950～1100℃。
3.如权利要求2所述的奥氏体耐磨钢的热轧板制备方法，其特征在于：在轧后固溶步骤中，固溶开始温度控制在900～1100℃；固溶终止温度控制在≤500℃，冷却速度控制在10～50℃/S。
4.如权利要求2所述的奥氏体耐磨钢的热轧板制备方法，其特征在于：所述的连铸采用立式连铸。
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