CN111492082B

CN111492082B - 具有优异的耐磨性的钢材及其制造方法

Info

Publication number: CN111492082B
Application number: CN201880083118.1A
Authority: CN
Inventors: 金龙进; 丁荣德; 姜明薰; 尹汝善; 朴寿吉
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Holdings Inc
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2021-10-26
Anticipated expiration: 2038-12-20
Also published as: KR102020381B1; EP3730649A1; CN111492082A; WO2019125023A8; WO2019125023A1; KR20190076795A; EP3730649A4; US20210164068A1

Abstract

本发明的目的在于提供一种钢材以及用于该钢材的制造方法，其中，钢材具有优异的强度、延伸率和冲击韧性以及优异的内部品质和耐磨性。根据本发明，提供了一种具有优异的耐磨性的钢材以及用于该钢材的制造方法，其中，该钢材按重量％计包含0.55％至1.4％的碳(C)、12％至23％的锰(Mn)、5％或更少(不包括0％)的铬(Cr)、5％或更少(不包括0％)的铜(Cu)、0.5％或更少(不包括0％)的Al、1.0％或更少(不包括0％)的Si、0.02％或更少(包括0％)的S、0.04％或更少(包括0％)的磷(P)、以及余量的Fe和不可避免的杂质，并且该钢材具有按面积％计包含10％或更少(包括0％)的碳化物和余量奥氏体的显微组织。

Description

具有优异的耐磨性的钢材及其制造方法

技术领域

本公开涉及奥氏体钢材以及制造该奥氏体钢材的方法，奥氏体钢材用于采矿、运输、储存等领域中的钢、用在石油和天然气行业(Oil and Gas Industries)中的钢、作为用于工业机械、结构材料和浆料管的钢、以及作为耐酸钢等，并且更特别地，本公开涉及具有优异的内部品质和耐磨性的奥氏体钢材以及制造该奥氏体钢材的方法。

背景技术

奥氏体钢由于奥氏体钢的优异的加工硬化性、低温韧性和非磁性能而用于各种应用。具体地，由于主要使用的包含铁素体或马氏体作为主要组织的碳钢在其性能方面具有局限性，因此，作为用于克服所述缺点的替代，奥氏体钢应用近来逐渐增加。

特别地，随着采矿工业、石油和天然气(Oil and Gas Industries)行业的增长，在采矿、运输、精炼和储存过程中使用的钢的磨损已经成为主要问题。此外，随着近来开始的作为代替石油的化石燃料的油砂(Oil Sands)的开发，由包含油、岩石、砾石、沙子等的浆料对钢的磨损被指出为使生产成本增加的重要原因。因此，对具有优异的耐磨性的钢材的开发和应用的需求大大增加。

在用于采矿和机械工业的现有零件工业中，主要使用具有优异的耐磨性的哈德菲尔德(Hadfield)钢。为了增加钢材的耐磨性，已经作出持续的努力以通过包含高含量的碳和大量的锰来增加耐磨性来生成奥氏体组织。然而，在哈德菲尔德钢的情况下，高的碳含量会通过在高温下沿着奥氏体晶界形成网状碳化物而严重降低钢的性能、特别是延展性。

为了抑制网状形式的碳化物析出，已经提出了通过在高温下执行固溶热处理或者在热加工后淬火至室温来制造高锰钢的方法。然而，在制造条件不容易改变时，比如在钢材的厚度较厚或者在必须进行焊接时，可能难以抑制这种网状形式的碳化物的析出，并且因此引起钢材的机械性能迅速劣化的问题。

另外，高锰钢的锭或钢板坯除了致使诸如锰和碳之类的合金元素在凝固期间偏析之外还不可避免地致使诸如P、S等的杂质元素在凝固期间偏析。最后，在最终产品中沿着深偏析区域形成粗碳化物，这最终引起显微组织的不均匀和性能的劣化。

另外，由于在加工期间产生的热或应力，因此可能导致产生中心部分裂纹。

为了改善耐磨性，必须增加碳含量，并且增加锰含量以防止由于碳化物偏析而引起的机械性能劣化可能是常用方法，但这导致合金量和制造成本的增加。

为了解决该问题，还需要研究与锰相比有效抑制碳化物形成的元素的添加。另外，对于由于偏析而引起的脆性问题(这在高合金产品中是常见的)研究存在持续需求。

(现有技术文献)

(专利文献1)韩国专利申请公开No.2016-0077558

发明内容

技术问题

本公开的一方面在于提供一种具有优异的内部品质和耐磨性以及优异的强度、延伸率和冲击韧性的钢材。

本公开的另一方面在于提供一种制造具有优异的内部品质和耐磨性以及优异的强度、延伸率和冲击韧性的钢材的方法。

技术方案

根据本公开的一方面，具有优异的耐磨性的钢材按重量％计包含0.55％至1.4％的碳(C)、12％至23％的锰(Mn)、5％或更少(不包括0％)的铬(Cr)、5％或更少(不包括0％)的铜(Cu)、0.5％或更少(不包括0％)的Al、1.0％或更少(不包括0％)的Si、0.02％或更少(包括0％)的S、0.04％或更少(包括0％)的磷(P)、以及余量的Fe和不可避免的杂质，其中，该钢材包括按面积％计包含10％或更少(包括0％)的碳化物和余量奥氏体的显微组织。

该钢材可以具有3.0或更少的组分偏析指数，该组分偏析指数由关系表达式1表示。

[关系表达式1]

组分偏析指数(S)＝(轧制材料的中心部分中的C组分/钢水中的C组分)/1.25+(轧制材料的中心部分中的Mn组分/钢水中的Mn组分)/1.15+(轧制材料的中心部分中的P组分/钢水中的P组分)/3.0

其中，中心部分中的组分表示在等于轧制材料的厚度的一半的位置处在显微组织分析中测得最高组分的部分的上部和下部50μm以内的范围内的组分。

钢材可以具有350MPa或更大的屈服强度、20％或更大的均匀延伸率、40J或更大的冲击韧性。

根据本公开的另一方面，一种用于制造具有优异的耐磨性的钢材的方法包括：制备钢水，该钢水按重量％计包含0.55％至1.4％的碳(C)、12％至23％的锰(Mn)、5％或更少(不包括0％)的铬(Cr)、5％或更少(不包括0％)的铜(Cu)、0.5％或更少(不包括0％)的Al、1.0％或更少(不包括0％)的Si、0.02％或更少(包括0％)的S、0.04％或更少(包括0％)的磷(P)、以及余量的Fe和不可避免的杂质；

通过在满足以下关系表达式2的钢水温度(T_C)和满足以下关系表达式3的铸造速度(V)的条件下连续铸造钢水而获得板坯的连续铸造操作；

[关系表达式2]

K≤T_C≤K+60

其中，在关系表达式2中，K值表示由以下关系表达式4所确定的值；

[关系表达式3]

V(m/分钟)≥0.025[T_C-K]

其中，在关系表达式3中，K值表示由以下关系表达式4所确定的值；

[关系表达式4]

K(℃)＝1536-(69[C]+4.2[Mn]+39[P])

其中，[C]、[Mn]、[P]分别表示元素的含量(重量％)；

以再加热温度(T_R)或更低的温度再加热板坯，再加热温度(T_R)通过以下关系表达式5获得；

[关系表达式5]

T_R＝1453-165[C]-4.5[Mn]-414[P]

其中，T_R表示再加热温度(℃)；并且[C]和[Mn]分别表示元素的含量(重量％)；

将在再加热中再加热的板坯在850℃至1050℃的精轧温度热轧以获得热轧钢；以及

以5℃/秒或更高的速率将热轧钢冷却至600℃或更低。

有益效果

根据本公开的示例性实施方案，钢材可以具有优异的耐磨性，并且可以因此应用于需要耐磨性的领域，遍及出现相对大量磨损的石油和天然气工业中的采矿、运输、储存或工业机械领域。具体地，由于可以显著减少在生产加工期间可能出现的内部缺陷，因此可以将钢材可扩展地应用于需要相对高的内部品质的领域。

附图说明

图1是示出了比较钢4的钢板厚度的中心部分中的缺陷的图像。

具体实施方式

本发明人已经研究了与在需要耐磨性的技术领域中使用的现有钢相比具有优异的强度和耐磨性的钢，并且已经认识到，在高锰钢的情况下，可以确保奥氏体钢独有的优异的强度和延伸率，并且此外，由于在改善加工硬化率时材料的硬度可以因材料自身在磨损环境中的加工硬化而增大，因此可以确保优异的耐磨性，从而使本公开完整。

本公开的示例性实施方案提供了一种奥氏体钢材，该奥氏体钢材具有优异的强度以及基于奥氏体的钢材独有的优异的强度和延伸率特性，这是因为材料的硬度因材料自身在磨损环境中的加工硬化而增大。

此外，在本公开的示例性实施方案中，可以对铸造条件和再加热条件进行相对优化，以通过对芯部由于诸如P等的杂质以及大量的碳和锰而引起的脆性——这是现有奥氏体耐磨钢所具有的问题——进行控制来提供具有改善的内部品质(中心部分品质)的改善的奥氏体耐磨钢材以及制造该奥氏体耐磨钢材的方法。

在下文中，将对根据本公开的示例性实施方案的具有优异的耐磨性的钢材进行描述。

根据本公开的示例性实施方案的具有优异的耐磨性的钢材按重量％计包含0.55％至1.4％的碳(C)、12％至23％的锰(Mn)、5％或更少(不包括0％)的铬(Cr)、5％或更少(不包括0％)的铜(Cu)、0.5％或更少(不包括0％)的Al、1.0％或更少(不包括0％)的Si、0.02％或更少(包括0％)的S、0.04％或更少(包括0％)的磷(P)、以及余量的Fe和不可避免的杂质，其中，钢材包括按面积％计包含10％或更少(包括0％)的碳化物和余量奥氏体的显微组织。

在下文中，将对组分和组分范围进行描述。

C：0.55重量％(在下文中，也被称为“％”)至1.4重量％

碳(C)是奥氏体稳定元素，碳不仅用于改善均匀延伸率，而且还是用于提高强度和增大加工硬化率的非常有利的元素。如果碳含量少于0.55％，则可能难以在室温下形成稳定的奥氏体，并且存在可能难以确保足够的强度和加工硬化率的问题。另一方面，如果含量超过1.4％，则大量的碳化物偏析而使均匀延伸率降低，并且因此，难以确保优异的延伸率，从而导致耐磨性劣化和过早断裂。

因此，C的含量可以优选地限制为0.55％至1.4％，并且具体地限制为0.8％至1.3％。

Mn：12％至23％

锰(Mn)是在稳定奥氏体中发挥作用并改善均匀延伸率的非常重要的元素。为了在本公开的示例性实施方案中获得奥氏体作为主要组织，可以优选地包括12％或更多的Mn。

如果Mn含量低于12％，则奥氏体稳定性可能降低，并且因此，可能形成马氏体组织。因此，如果不能充分确保奥氏体组织，则可能难以确保足够的均匀延伸率。另一方面，如果Mn含量超过23％，则不仅制造成本增加，而且还存在诸如由于锰的添加而引起的耐腐蚀性劣化、制造过程困难等问题。

因此，Mn含量可以优选地限制为12％至23％，并且具体地限制为15％至21％。

Cr：5％或更少(不包括0％)

铬(Cr)使奥氏体稳定直至适当的添加量的范围，从而改善低温下的冲击韧性，并且铬固化在奥氏体中以提高钢的强度。另外，铬还是提高钢材的耐腐蚀性的元素。然而，如果Cr的含量超过5％，则可能不是优选的，这是因为在奥氏体晶界处过量形成的碳化物会显著降低钢的韧性。另外，在一些情况下，Cr的含量可以限制为3.5％或更少。

Cu：5％或更少(不包括0％)

铜(Cu)在碳化物中具有非常低的固溶度，并且在奥氏体中扩散较慢，会集中在奥氏体和成核的碳化物界面处，因而阻碍碳的扩散，使得碳化物的生长有效地减缓。因此，最终存在抑制碳化物的生成的作用。然而，如果Cu的含量超过5％，则存在使钢的热加工性劣化的问题，并且因此，可能优选的是将含量的上限限制为5％。

Al：0.5％或更少(不包括0％)，Si：1.0％或更少(不包括0％)

铝(Al)和硅(Si)是在炼钢过程期间作为脱氧剂而添加的组分，并且铝(Al)含量的上限限制为0.5％，并且硅(Si)含量的上限可以优选地限制为1.0％。

S：0.02％或更少(包括0％)

S是杂质，并且可以优选地被尽可能地抑制，并且S的上限可以优选地控制为0.02％。

P：0.04％或更少(包括0％)

通常，P是由于在晶界处偏析(segregation)而引起热脆性的众所周知的元素。具体地，包含大量C、Mn的高合金钢、比如在根据本公开的示例性实施方案的钢中，在添加P偏析物的情况下可能导致板坯和产品的严重脆性。此外，如果P超过一定含量，则偏析度急剧上升，并且因此，可能优选的是地将含量限制为0.04％或更少。

另外，还包括余量的Fe和不可避免的杂质。然而，在正常的制造过程中，来自原料或周围环境的不期望的杂质会不可避免地混入，并且因此不能排除。这些杂质是本领域技术人员已知的，并且因此在本说明书中未具体提及。另外，不排除除了上述组分以外的有效组分的添加。

根据本公开的示例性实施方案的具有优异的耐磨性的钢材包括按面积％计包含10％或更少(包括0％)的碳化物和余量奥氏体的显微组织。

如果碳化物的面积分数超过10％，则可能引起快速的冲击韧性劣化。奥氏体提高了延展性和韧性。

钢材可以优选地具有3.0或更少的组分偏析指数(S)。

[关系表达式1]

如果由关系表达式1表示的组分偏析指数(S)超过3.0，则在加工期间、例如在切割期间在1/2t(t：钢厚度)的位置处沿着偏析区域产生裂纹的可能性会迅速增加。

在下文中，将对根据本公开的另一示例性实施方案的制造具有优异的耐磨性的钢材的方法进行详细描述。

根据本公开的另一示例性实施方案的制造具有优异的耐磨性的钢材的方法包括：制备钢水，该钢水按重量％计包含0.55％至1.4％的碳(C)、12％至23％的锰(Mn)、5％或更少(不包括0％)的铬(Cr)、5％或更少(不包括0％)的铜(Cu)、0.5％或更少(不包括0％)的Al、1.0％或更少(不包括0％)的Si、0.02％或更少(包括0％)的S、0.04％或更少(包括0％)的磷(P)、以及余量的Fe和不可避免的杂质；

[关系表达式2]

K≤T_C≤K+60

[关系表达式3]

V(m/分钟)≥0.025[T_C-K]

[关系表达式4]

K(℃)＝1536-(69[C]+4.2[Mn]+39[P])

其中，[C]、[Mn]、[P]分别表示元素的含量(重量％)；

[关系表达式5]

T_R＝1453-165[C]-4.5[Mn]-414[P]

以5℃/秒或更高的速率将热轧钢冷却至600℃或更低。

连续铸造

通过在满足以下关系表达式2的钢水温度(T_C)和满足以下关系表达式3的铸造速度(V)的条件下连续铸造如上所述地形成的钢水而获得钢板坯。

[关系表达式2]

K≤T_C≤K+60

其中，在关系表达式2中，K值表示由以下关系表达式4所确定的值。

[关系表达式3]

V(m/分钟)≥0.025[T_C-K]

其中，在关系表达式3中，K值表示由以下关系表达式4所确定的值。

[关系表达式4]

K(℃)＝1536-(69[C]+4.2[Mn]+39[P])

其中，[C]、[Mn]、[P]分别表示元素的含量(重量％)。

在本公开的示例性实施方案中，为了抑制板坯组织中的过度偏析(其可能在高碳高锰耐磨钢中容易出现)，求出根据组分变化而变化的铸造条件，如关系表达式2至4中所示的。因此，可以抑制在最终钢中经常出现的内部品质(芯部品质)缺陷。

如果未在上述铸造条件下制造板坯，则板坯中可能形成过多的偏析区域，从而导致板坯变脆，并且即使在再加热和轧制之后，仍可能保留过多的偏析区域，从而导致品质缺陷。

板坯再加热

对通过如上所述的连续铸造而获得的板坯进行再加热。

可能优选的是，在通过以下关系表达式5获得的再加热温度(T_R)或更低的温度下对板坯进行再加热。

[关系表达式5]

T_R＝1453-165[C]-4.5[Mn]-414[P]

[T_R表示再加热温度(℃)；并且[C]和[Mn]分别表示对应元素的含量(重量％)]

在本公开的示例性实施方案中，为了抑制由于在再加热期间偏析区域的部分熔融而导致的中心部分的脆化(其在高碳高锰耐磨钢中容易出现)，求出如上述关系表达式5中那样根据组分变化来限制再加热温度的条件。因此，可以抑制在最终钢中经常出现的内部品质(芯部品质)缺陷。

如果板坯的再加热温度超过T_R温度，则板坯的偏析区域中可能会出现部分熔融，并且因而发生的芯部的脆化影响产品，导致轧制材料的组分偏析指数超过3.0，从而导致芯部中的缺陷。

获得热轧钢

通过将如上所述的再加热板坯在850℃至1050℃的精轧温度热轧而获得热轧钢。

如果精轧温度低于850℃，则碳化物可能偏析，使得可能降低均匀延伸率，并且显微组织可能变为薄饼状(pancake)，从而导致由于组织的各向异性而引起的不均匀延伸率。如果精轧温度超过1050℃，则晶粒生长可能会活跃，这可能容易引起晶粒的粗大化，从而导致强度降低。

冷却热轧钢

以5℃/秒或更高的速率将热轧钢冷却至600℃或更低。

如果冷却速率小于5℃/秒，或者如果冷却停止温度超过600℃，则碳化物可能偏析，从而导致延伸率降低的问题。快速冷却过程有助于确保C和N元素在基体中的高的固溶度。因此，冷却可以优选地以5℃/秒或更高的速率进行至600℃以下。具体地，冷却速率可以为10℃/秒或更高，更具体地为15℃/秒或更高。

冷却速率的上限不特别限制，并且可以考虑设备的冷却能力来限制。也可以将热轧钢冷却至室温。

在根据本公开的另一示例性实施方案的制造具有优异的耐磨性的钢材的方法中，例如可以制造具有350MPa或更大的屈服强度、20％或更大的均匀延伸率以及40J或更大的冲击韧性的钢材。

发明实施方式

在下文中，将通过实施例对本公开的示例性实施方案进行更详细地描述。然而，应当注意的是，以下描述的实施方案仅旨在例示本公开，而并非旨在限制本公开的范围。这是因为本公开的范围由权利要求书中描述的项以及能够根据权利要求书合理推断的项而确定。

(实施例)

通过在表2中的条件下连续铸造满足表1中示出的组分和组分范围的钢水来制备板坯，并且然后，通过在表3中的条件下对板坯进行再加热、热轧和冷却来制备热轧钢。

测量如上所述制备的热轧钢的显微组织、组分偏析指数、切割裂纹出现率(％)、耐磨性(g)、屈服强度(MPa)和均匀延伸率(％)，并在下面的表4中示出了结果。在这种情况下，通过根据ASTM 65测试方法在利用砂磨损测试喷预定量的砂的同时使试样与旋转辊接触之后测量减少的重量来评估耐磨性。

另外，测定了热轧钢的-29℃的冲击韧性(冲击能量(J))，并在下面的表4中示出了结果。

另一方面，对于比较钢4，为了观察钢板的厚度的中心部分中的缺陷的出现，观察图像，在图1中示出了结果。

[表1]

[表2]

在表2中，铸造速度(V)为V(m/分钟)＝0.025[T_C-K]。

[表3]

[表4]

1)组分偏析指数(S)＝(轧制材料的中心部分中的C组分/钢水中的C组分)/1.25+(轧制材料的中心部分中的Mn组分/钢水中的Mn组分)/1.15+(轧制材料的中心部分中的P组分/钢水中的P组分)/3.0

*中心部分中的组分：指的是在等于轧制材料的厚度的一半的位置处在显微组织分析中测得最高组分的部分的上部和下部50μm以内的范围内的组分。

2)切割裂纹的出现率：(中心部分中的裂纹长度/总切割长度)×100

如表1至表4中所示，在满足本公开的全部钢组分和制造条件的本发明钢1至5的情况下，可以看出，不仅展现出优异的耐磨性、屈服强度、冲击韧性和均匀延伸率，还展现出低的切割裂纹率。

另一方面，在不满足本公开的钢组分和制造条件中的至少一者的比较钢1至9的情况下，可以看出，耐磨性、屈服强度、冲击韧性和均匀延伸率中的至少一个性能不足或者切割裂纹率较高。

在中心部分组分偏析指数大于3.0的比较钢4的情况下，发现裂纹出现率较高，并且如图1中所示，在钢厚度的中心部分中产生缺陷。可以看出，裂纹出现在最容易受切割加工期间产生的热应力影响的中心部分中，并且裂纹沿着中心部分传播。

Claims

1.一种具有优异的耐磨性的钢材，按重量％计包含：

0.55％至1.4％的碳(C)、12％至23％的锰(Mn)、5％或更少而不包括0％的铬(Cr)、5％或更少而不包括0％的铜(Cu)、0.5％或更少而不包括0％的Al、1.0％或更少而不包括0％的Si、0.02％或更少且包括0％的S、0.04％或更少且包括0％的磷(P)、以及余量的Fe和不可避免的杂质，其中，所述钢材包括按面积％计包含10％或更少且包括0％的碳化物和余量奥氏体作为显微组织，以及

其中所述钢材具有3.0或更小的组分偏析指数，所述组分偏析指数由关系表达式1表示；

[关系表达式1]

组分偏析指数(S)＝(轧制材料的中心部分中的C组分/钢水中的C组分)/1.25+(轧制材料的中心部分中的Mn组分/钢水中的Mn组分)/1.15+(轧制材料的中心部分中的P组分/钢水中的P组分)/3.0，

其中，所述中心部分中的组分表示在等于所述轧制材料的厚度的一半的位置处在显微组织分析中测得最高组分的部分的上部和下部50μm以内的范围内的组分。

2.根据权利要求1所述的具有优异的耐磨性的钢材，其中所述钢材具有350MPa或更大的屈服强度、20％或更大的均匀延伸率以及40J或更大的冲击韧性。

3.一种制造具有优异的耐磨性的钢材的方法，包括：制备钢水，所述钢水按重量％计包含0.55％至1.4％的碳(C)、12％至23％的锰(Mn)、5％或更少而不包括0％的铬(Cr)、5％或更少而不包括0％的铜(Cu)、0.5％或更少而不包括0％的Al、1.0％或更少而不包括0％的Si、0.02％或更少且包括0％的S、0.04％或更少且包括0％的磷(P)、以及余量的Fe和不可避免的杂质；

通过在满足以下关系表达式2的钢水温度(T_C)和满足以下关系表达式3的铸造速度(V)的条件下连续铸造所述钢水而获得板坯的连续铸造操作，

[关系表达式2]

K≤T_C≤K+60

其中，在关系表达式2中，K值表示由以下关系表达式4所确定的值，

[关系表达式3]

V(m/分钟)≥0.025[T_C-K]

其中，在关系表达式3中，K值表示由以下关系表达式4所确定的值，

[关系表达式4]

K(℃)＝1536-(69[C]+4.2[Mn]+39[P])

其中，[C]、[Mn]、[P]分别表示元素的以重量％计的含量；

以通过以下关系表达式5获得的再加热温度(T_R)或更低的温度再加热所述板坯，

[关系表达式5]

T_R＝1453-165[C]-4.5[Mn]-414[P]

其中，T_R表示再加热温度(℃)，以及[C]和[Mn]分别表示元素的以重量％计的含量；

将在所述再加热中再加热的所述板坯在850℃至1050℃的精轧温度热轧以获得热轧钢；以及

以5℃/秒以上将所述热轧钢冷却至600℃或更低。