CN111492725A - 用于屏蔽磁场的钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于屏蔽磁场的钢板，该钢板用于医用磁共振成像(MRI)室壁体等，并且本发明涉及用于制造该钢板的方法。

Description

用于屏蔽磁场的钢板及其制造方法
技术领域
本公开涉及在医用磁共振成像(MRI)室壁等中使用的用于屏蔽磁场的钢板以及用于制造该钢板的方法。
背景技术
主要在医院中使用的磁共振成像(MRI)装置是将无线电波施加至位于强磁场内的人体并测量反射磁场以观察大脑、内脏和其他内部器官的装置。MRI装置利用超导磁体来产生静磁场，并且最近已经开发出7T(T：特斯拉)或更高的高磁场MRI装置以获得高分辨率图像。
当由于从MRI装置产生的高磁场而在MRI室外部出现泄漏磁场时，因对高精度电子装置的信号系统造成干扰而导致电子设备出现故障。此外，由于已经研究表明高磁场对人体产生有害影响，因此有必要使用磁屏蔽材料来防止这种高磁场泄漏至外部。更优选地，需要具有高性能且经济的磁屏蔽材料。在这方面，必须选择最佳的屏蔽材料和厚度，以使常规MRI屏蔽室外部的磁通密度小于5高斯(＝0.5mT)。
特别地，根据材料中的特定磁场强度指示高磁通密度的磁导率特性在屏蔽直流磁场方面很重要，并且需要具有低矫顽力。为了在提高磁导率的同时降低矫顽力，应当使阻碍磁畴壁的运动的钢中的诸如碳、氮、碳化物或氮化物之类的析出物最小，并且应当在减小晶界的同时促进晶粒生长。钢中添加杂质会在凝固期间或者在轧制后的热处理过程期间形成细分散的析出物，从而形成新的磁畴，这减少了静磁能并干预了磁畴壁的运动。另外，当杂质作为侵入类型而不是替代类型进入铁时，对磁特性产生较大的不利影响。侵入元素通过使固溶体的晶格弹性变形来降低磁导率，并且碳是代表性元素。
专利文献1已经提出了具有优异的磁场屏蔽特性的热轧酸洗厚钢板；然而，专利文献1的钢板与本公开的钢板的不同之处在于：专利文献1的钢板由于仅通过热轧、卷取和酸洗而没有热处理来提供磁特性，因此缺乏磁屏蔽性能，并且专利文献1的钢板是用于屏蔽交流磁场的材料。近来，对具有能够屏蔽比如MRI室的直流磁场的优异的磁屏蔽能力的钢材的需求日益增长。
(专利文献1)韩国专利公开No.10-2005-0129244
发明内容
技术问题
本公开的一方面在于提供通过控制合金元素和热处理条件而具有优异的磁场屏蔽性能的钢板以及用于制造这种钢板的方法。
本公开的技术问题不限于此，并且本领域技术人员根据以下描述将清楚地理解未提及的其他问题。
技术解决方案
本公开的一方面涉及一种用于屏蔽磁场的钢板，该钢板以重量百分比计包括：0.02％或更少的碳(C)、0.001％至0.05％的硅(Si)、0.01％至0.2％的锰(Mn)、0.001％或0.05％的铝(Al)、0.005％或更少的铌(Nb)、0.07％或更少的钛(Ti)、0.01％或更少的氮(N)、0.015％或更少的磷(P)、0.005％或更少的硫(S)、以及剩余部分的铁(Fe)和不可避免的杂质。
其中，显微组织以铁素体为主要组织，其中，铁素体的平均晶粒尺寸为100μm或更大。
另一方面涉及一种用于制造用于屏蔽磁场的钢板的方法，该方法包括：在Ac3至1250℃的温度下对以重量百分比计包括下述组成的钢板坯进行再加热：0.02％或更少的碳(C)、0.001％至0.05％的硅(Si)、0.01％至0.2％的锰(Mn)、0.001％或0.05％的铝(Al)、0.005％或更少的铌(Nb)、0.07％或更少的钛(Ti)、0.01％或更少的氮(N)、0.015％或更少的磷(P)、0.005％或更少的硫(S)、以及剩余部分的铁(Fe)和不可避免的杂质；
对经再加热的板坯进行热轧并且在Ar3或更高的温度下进行精热轧以获得钢板；以及
将钢板空气冷却至室温。
有益效果
本公开可以提供具有优异的磁场屏蔽性能的钢板，该钢板能够在施加直流磁场以及来自MRI装置的直流磁场施加至MRI室的外部时通过使磁畴能够顺畅(smooth)运动来抑制对人体和外部电子装置的影响。
附图说明
图1是图示了根据发明例2、5和7以及比较例2的磁场强度的磁通密度的曲线图。
图2是图示了根据发明例2、5和7以及比较例2的磁通密度的相对磁导率的曲线图。
具体实施方案
本发明人对上述技术问题进行了广泛的研究，并且因此，控制合金元素和制造过程以提高对直流磁场的屏蔽性能，使晶粒粗化并且有助于磁畴的在施加有直流磁场时的顺畅运动，从而提供尺寸为15mmt的钢材，该钢材能够防止从医院MRI装置释放的直流磁场被施加至MRI室外部并防止影响人体和外部电子装置。
首先，对本公开的钢板的组成范围进行描述。本公开的钢板以重量％(下文称为％)计可以包含：0.02％或更少的碳(C)、0.001％至0.05％的硅(Si)、0.01％至0.2％的锰(Mn)、0.001％或0.05％的铝(Al)、0.005％或更少的铌(Nb)、0.07％或更少的钛(Ti)、0.005％或更少的氮(N)、0.015％或更少的磷(P)、0.005％或更少的硫(S)，以及剩余部分为铁(Fe)和不可避免的杂质。
C：0.02％或更少
碳(C)通过使固溶体的晶格弹性变形而显著降低了磁导率。另外，由于由C形成的铁素体或碳化物干扰磁畴壁的运动，从而增加铁损，因此优选尽可能少地包含碳。因此，C的含量优选地为0.02％或更少，更优选地为0.005％或更少。
硅：0.001％至0.05％
硅(Si)主要用作脱氧剂。当包含Si时，C的溶解度降低，从而降低了磁场屏蔽特性。在这方面，优选包含0.05％或更少的Si。然而，Si少于0.001％会导致脱氧不足。因此，Si的量优选地为0.001％至0.05％，更优选地为0.001％至0.05％。
锰：0.01％至0.2％
锰(Mn)是与S结合形成MnS的元素，MnS本身是增加脆性的因素。为了降低由S引起的脆性，优选包含0.01％或更大的Mn。然而，由于在高温热处理期间在晶界处形成的MnS抑制晶粒粗化，因此Mn的量优选地不超过0.2％。
铝：0.001％至0.05％
铝(Al)是用于廉价地使钢水脱氧的元素。为了充分获得这种效果，优选包含0.001％或更大的Al。然而，在含量超过0.05％的情况下，Al与N结合形成AlN，从而抑制晶粒粗化。在这方面，Al的含量优选为0.05％或更少。
Nb：0.005％或更少
铌(Nb)是以NbC或Nb(C,N)形式析出以显著提高基材的强度和焊接区的强度的元素。此外，在高温下再加热期间使用的Nb抑制奥氏体的再结晶以及铁素体或贝氏体的转变，从而使组织细化。在这方面，Nb是为了确保常规热轧钢板的强度而添加的元素。同时，由于晶粒细化，Nb对磁屏蔽特性具有不利影响，并且因此，优选包含0.005％或更少的Nb。
Ti：0.07％或更少
钛(Ti)具有由于在加热时主要与氮反应而抑制晶粒生长的效果，并且因此优选被添加至常规碳钢以改善强度和韧性。然而，在本公开中，不仅强度和韧性不是重要因素，而且Ti是晶粒粗化中的有害元素，因此Ti的含量优选为0.07％或更少。
N：0.01％(100ppm)或更少
氮(N)是在与Ti同时添加时形成TiN并且在不添加Ti时通过与Al结合而形成AlN的元素。在晶界处或晶粒内形成TiN、AlN等的情况下，在高温下的热处理期间抑制了晶粒粗化。因此，N的含量优选为0.01％(100ppm)或更少，更优选地为0.005％(50ppm)或更少。
P：0.015％或更少
磷(P)是有利于改善强度和耐腐蚀性的元素，但是P也会显著增加材料的脆性。在这方面，理想的是将P的量控制得尽可能低。因此，P的量优选为0.015％或更少。
S：0.005％或更少
硫(S)是通过形成MnS等而显著增加脆性的元素，并且因此理想的是将S的量控制得尽可能低。因此，S的量优选为0.005％或更少。
本公开的钢板除了上述合金元素之外还包含铁(Fe)。然而，在常规的制造过程中，不期望的杂质会不可避免地从环境或原材料混入，并且因此不能排除。这些杂质是本领域普通技术人员中的任一技术人员已知的，并且因此将不详细提及。
本公开的钢板的主要组织为铁素体，并且本公开的钢板优选地包含95面积％或更多的铁素体，更优选地包含99面积％或更多的铁素体。
铁素体的平均晶粒尺寸优选为100μm或更大。在热轧、空气冷却、正火热处理以及应力消除退火之后的晶粒尺寸小于100μm的情况下，磁畴的运动不顺畅，使得在屏蔽钢板上感应磁场时磁通密度不够高。因此，当对7T或更高的MRI施加直流磁场时，屏蔽效果不足。
同时，本公开的钢板可能在铁素体的晶界处或晶粒内包含析出物。析出物可以是AlN、TiN、MnS等。由于析出物在轧制后的正火热处理期间由于钉扎效应而用于抑制晶粒生长，因此优选的是析出物的最大尺寸不超过100nm，更优选地不超过20nm。
优选的是，钢板的屈服强度为190MPa或更小、拉伸强度为220MPa至300MPa，延伸率为40％或更大，以及屈服比为0.8或更小。
在7T或更高的高磁场MRI设备的情况下，在形成MRI室壁体的屏蔽钢板上感应的直流磁场的磁场强度通常为200A/m至300A/m，并且通常设计为被施加1.3T至1.5T的磁通密度。因此，本公开的钢板在300A/m的磁场强度下优选地具有1T(特斯拉)或更高的磁通密度，对于更好的直流磁场屏蔽性能，更优选地具有1.3T或更高的磁通密度。
将对用于制造本公开的钢板的方法进行详细描述。本公开的钢板可以通过对满足上述合金组成的钢材(钢板坯)进行加热并热轧来制造。如果需要，除了正火热处理之外，还可以进行应力消除退火。将对每个过程进行详细描述。
制备并加热满足前述合金组成的钢材、例如钢板坯。优选地，在Ac3至1250℃的温度范围内进行加热。Ac3可以使用下式1来计算。当钢板坯的加热温度低于Ac3时，在轧制过程中开始奥氏体向铁素体的转变，从而由于铁素体的晶粒尺寸的细化而对磁特性产生不利影响。同时，考虑到经济可行性，优选在不超过1250℃的温度下进行加热。
[式1]
Ac3(℃)＝937.2-436.5C+56Si-19.7Mn+136.3Ti-19.1Nb+198.4Al
各成分符号是指各成分的含量(wt％)。
热轧经加热的钢材。热轧过程具体包括对再加热的板坯进行粗轧并精轧以获得热轧钢板。粗轧优选地在Tnr至1250℃的温度范围内进行。当板坯在低于Tnr的温度下轧制时，晶粒细化，从而使其不能有效地改善磁屏蔽性能。同时，Tnr可以从下式2得出。
[式2]
Tnr(℃)＝887+464C+(6445Nb-/644Nb)+890Ti+363Al-357Si
各成分符号是指各成分的含量(wt％)。
同时，当在奥氏体开始转变为铁素体的低于Ar3的温度范围内进行精轧时，细的铁素体在铁素体晶界处形成核，从而减小了平均晶粒尺寸，使得对磁特性产生不利影响。因此，优选在Ar3或更高的温度下进行精轧。
然后对热轧钢板进行冷却。冷却没有特别地控制。作为优选实例，进行空气冷却，进行空气冷却直到温度达到室温为止。
将冷却后的钢板在Ac3或更高的温度下保持(1.3t+30)分钟并且然后进行炉内冷却或空气冷却来进行正火热处理。在Ar3或更高的温度下长时间进行正火热处理由于额外的晶粒粗化而有效地改善了磁屏蔽特性。需要至少(1.3t，t：厚度)分钟以使厚钢板达到目标温度，并且在达到目标温度后需要保持至少30分钟以使从钢板的表面至钢板的中心的温度均匀分布。
为了消除已经正火热处理的钢板内部的应力，可以在800℃至900℃下进行(1.3t+30)分钟的热处理并且然后进行炉内冷却来进行应力消除退火。已经粗轧和精轧的热轧钢板中残留的应力可能会干扰磁畴的运动并显著降低磁特性。在这方面，可以在正火热处理之后在800℃至900℃下进行(1.3t+30，t：钢板的厚度)分钟的热处理并且然后进行空气冷却或炉内冷却来附加地进行应力消除退火，以使磁屏蔽特性最大。
发明实施方案
将参照实施例对本公开进行更详细地描述。然而，实施例仅用于理解本公开而不应当被解释为限制本公开。本公开的范围是由权利要求中描述的主题以及根据这些主题合理推断的主题来确定的。
(实施例)
制备具有300mm的厚度和表1的组成的钢板坯，并且在下表2的条件下制造板材。表1的合金组成的单位为重量％，并且其余部分包括铁(Fe)和不可避免的杂质。
[表1]
类别 C Si Mn P S T-Al Nb Ti N
钢1 0.0015 0.002 0.053 0.0070 0.0038 0.0322 0.0014 0.0686 0.0022
钢2 0.0195 0.001 0.195 0.0072 0.0032 0.0230 0.0001 0.0001 0.0018
钢3 0.0016 0.003 0.032 0.0057 0.0045 0.0076 0.0005 0.0003 0.0019
钢4 0.1500 0.010 0.500 0.0150 0.0150 0.0400 0.0001 0.0001 -
钢5 0.0300 0.010 0.200 0.0100 0.0100 0.035 0.0001 0.0001 -
钢6 0.0015 0.002 0.069 0.0092 0.0043 0.035 0.0001 0.0289 0.0095
[表2]
Figure BDA0002547356360000091
对于在表2的条件下制造的钢板，评估了晶粒尺寸和机械性能并且在下表3中示出。使用光学显微镜在钢板的厚度方向上观察晶粒尺寸。同时，使用拉伸测试仪通过在室温下沿轧制方向采集全厚度样品来评估诸如屈服强度、拉伸强度、延伸率等的机械性能。
[表3]
Figure BDA0002547356360000101
如表3中所示，满足本公开的合金组成和制造工艺的发明例的晶粒尺寸为100μm或更大、屈服强度为190MPa或更小、拉伸强度为220MPa至300MPa、延伸率为40％或更大并且屈服比为0.8或更小。
同时，在发明例3的情况下，应用与发明例1和2相同的组成和相似的制造工艺，但是，未进行正火热处理。因此，发明例3的晶粒尺寸与发明例1和2相比相对较小。
同时，比较例1和2使用的钢中的C含量超出本公开中提出的量，使得比较例1和2包含的晶粒与发明例1至7的晶粒相比具有细的尺寸，并且因此比较例1和2由于晶粒细化而具有超出本公开中提出的范围的屈服强度和拉伸强度。比较例3具有满足本公开中提出的范围的组成，然而，在对板坯进行热轧之后的最终产品的厚度小(总压下量增加)，这超出了本公开中提出的强度范围。
同时，相对于磁场强度测量了所制造的钢板的磁通密度，并且在下表4中示出。
表4
Figure BDA0002547356360000111
如上表4中所示，满足本公开的合金组成和制造方法的发明例1至7在B3的磁场强度下具有1.0T或更高的磁通密度。
同时，在所有发明例中，发明例3在热轧和冷却后不涉及额外的正火热处理，并且与处于类似条件下的发明例1和2相比显示出相对较低的值。相反，发明例7是进行应力消除退火的结果，并且因此与其他条件相比具有最高的优异的磁通密度。
同时，比较例1至3在B3的磁场强度下具有0.11T至0.98T的磁通密度，这表明不适合用作用于7T或更高的MRI屏蔽室的材料。
图1是图示了发明例2、5和7以及比较例2的根据磁场强度的磁通密度的曲线图。在特定磁场强度区域中，发现磁通密度按照实施例7、2和5的顺序变高，而比较例2显示出最低的磁通密度。可以观察到，当在热轧之后进行应力消除退火和正火热处理并且满足了本公开中提出的组成和成分时，磁特性最高。
图2是图示了根据发明例2、5和7以及比较例2的磁通密度的相对磁导率的曲线图。磁导率是表示在给定磁场下介质的磁化程度的值，而相对磁导率表示介质的磁导率与真空磁导率的比，并且相对磁导率以公式“磁通密度/磁场强度/1.257”来表示。图2的相对磁导率图示了使用相对于磁通密度的公式所计算的图1中所示的各样品的结果。该曲线图表明，更高的相对磁导率使得在施加磁场时屏蔽材料更容易磁化，并且屏蔽性能更有效。

Claims (8)

1.一种用于屏蔽磁场的钢板，所述钢板以重量百分比计包括：
0.02％或更少的碳(C)、0.001％至0.05％的硅(Si)、0.01％至0.2％的锰(Mn)、0.001％或0.05％的铝(Al)、0.005％或更少的铌(Nb)、0.07％或更少的钛(Ti)、0.01％或更少的氮(N)、0.015％或更少的磷(P)、0.005％或更少的硫(S)、以及剩余部分的铁(Fe)和不可避免的杂质，
其中，显微组织包括铁素体作为主要组织，其中，所述铁素体的平均晶粒尺寸为100μm或更大。
2.根据权利要求1所述的用于屏蔽磁场的钢板，其中，所述钢板的存在于铁素体晶粒的边界处或铁素体晶粒内的析出物的最大尺寸为100nm或更小。
3.根据权利要求1所述的用于屏蔽磁场的钢板，其中，所述钢板在300A/m的磁场强度下具有1T(特斯拉)或更高的磁通密度。
4.根据权利要求1所述的用于屏蔽磁场的钢板，其中，钢板的屈服强度为190MPa或更小、拉伸强度为220MPa至300MPa、延伸率为40％或更大以及屈服比为0.8或更小。
5.一种用于制造用于屏蔽磁场的钢板的方法，所述方法包括：
在Ac3至1250℃的温度下对钢板坯进行再加热，所述钢板坯以重量百分比计包括：0.02％或更少的碳(C)、0.001％至0.05％的硅(Si)、0.01％至0.2％的锰(Mn)、0.001％或0.05％的铝(Al)、0.005％或更少的铌(Nb)、0.07％或更少的钛(Ti)、0.01％或更少的氮(N)、0.015％或更少的磷(P)、0.005％或更少的硫(S)、以及剩余部分的铁(Fe)和不可避免的杂质；
对经再加热的板坯进行热轧并且在Ar3或更高的温度下进行精热轧以获得钢板；以及
将所述钢板空气冷却至室温。
6.根据权利要求5所述的用于制造用于屏蔽磁场的钢板的方法，还包括在Ar3或更高的温度下保持至少(1.3t+30)分钟，然后进行炉内冷却或空气冷却的正火热处理。
7.根据权利要求6所述的用于制造用于屏蔽磁场的钢板的方法，还包括在所述正火热处理之后在800℃至900℃的温度下进行至少(1.3t+30)分钟的热处理，然后进行炉内冷却的应力消除退火。
8.根据权利要求5所述的用于制造用于屏蔽磁场的钢板的方法，其中，在所述热轧期间，在精热轧之前，在Tnr至1250℃的温度下进行粗轧。
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