CN112888803A

CN112888803A - 焊接性优良的高强度、高延性、非磁性钢材及其制造方法

Info

Publication number: CN112888803A
Application number: CN201980068247.8A
Authority: CN
Inventors: 李东镐; 金成圭; 李云海; 姜相德; 韩箱浩
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Holdings Inc
Priority date: 2018-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2021-06-01
Also published as: KR102119962B1; EP3872209A1; WO2020085849A1; EP3872209A4; KR20200046799A; WO2020085849A8

Abstract

本发明涉及一种可适当地用于产生涡流的部件如配电盘、变压器等的非磁性钢材。更详细地，本发明涉及一种非磁性钢材及其制造方法，该非磁性钢材不仅焊接性优良，而且强度和延性也优良。

Description

焊接性优良的高强度、高延性、非磁性钢材及其制造方法

技术领域

背景技术

配电盘、变压器等材料通常需要高强度和优良的非磁性特性。为了满足这些条件，传统上使用了大量加入镍(Ni)和铬(Cr)的不锈钢。然而，不锈钢存在强度低、价格高的缺点。

为了提高非磁性钢材的强度，可以应用铁素体或马氏体不锈钢，但是所述铁素体或马氏体不锈钢具有高磁性，因此不仅产生涡流导致的功率损耗，而且存在价格非常高的缺点。

因此，为了具有低价格和高强度及非磁性特性，通过调节钢中锰(Mn)和碳(C)的含量，开发了具有奥氏体相的钢材。

这种奥氏体钢种具有通过调节所述两元素的含量在常温和超低温下也能稳定地保持奥氏体相的优点，因此可以很好地保持非磁性特性。

另一方面，将高强度和非磁性特性优良的钢材制作成想要的部件时，需要防止焊接导致的物性恶化，因而必须确保非磁性钢材的焊接性。

因此，需要开发一种非磁性钢材，不仅具有高强度和非磁性特性，而且焊接性优良。

发明内容

技术问题

本发明一方面旨在提供一种非磁性钢材，通过优化合金组成，以低制造成本实现具有高强度和高延性，并且焊接性优良。

本发明另一方面旨在提供一种制造上述的非磁性钢材的方法。

本发明要解决的问题不限于上述的内容。本发明要解决的其他问题描述于本说明书的整体内容中，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，理解本发明的其他问题没有任何困难。

技术方案

本发明一方面提供一种焊接性优良的高强度、高延性、非磁性钢材，以重量％计，所述钢材包含碳(C)：0.03～0.50％、硅(Si)：0.3％以下、锰(Mn)：15～30％、铬(Cr)：2.0％以下(不包含0％)、钼(Mo)：0.5％以下(不包含0％)、钛(Ti)：0.01～0.1％、钒(V)：0.01～0.5％、铝(Al)：0.2～1.0％、磷(P)：0.1％以下、硫(S)：0.01％以下、氮(N)：0.03％以下、余量的其他不可避免的杂质和Fe，并且具有奥氏体单相组织。

本发明另一方面提供一种焊接性优良的高强度、高延性、非磁性钢材的制造方法，其包含：对具有上述的合金组成的钢坯在1100～1250℃下进行再加热的步骤；对所述再加热的钢坯在800～1000℃下进行热精轧制成厚钢板的步骤；以及将所述厚钢板以10℃/s以上的冷却速度进行冷却的步骤。

发明效果

根据本发明，以低成本也能提供具有优良的非磁性特性的钢材。此外，本发明的钢材不仅强度和延性优良，而且具有优良的焊接性。

附图说明

图1是对比显示根据本发明一实施例的发明钢和比较钢的磁导率测量结果的曲线图。

具体实施方式

本发明的发明人进行了深入研究，以提供一种非磁性钢材，不仅具有高强度和高延性以及具有优良的非磁性特性，而且具有优良的焊接性。研究结果发现，可以提供能够大大提高所述非磁性钢材的相(phase)稳定性的最佳组成。

尤其，在本发明中，除了C、Mn等合金元素之外，通过以一定含量加入Al，可以防止碳形成为碳化物，并且通过进一步加入Cr和Mo，可以进一步提高强度、延性和焊接性，这一点具有技术上的意义。

下面详细描述本发明。

根据本发明一方面的焊接性优良的高强度、高延性、非磁性钢材，以重量％计，所述钢材可包含碳(C)：0.03～0.50％、硅(Si)：0.3％以下、锰(Mn)：15～30％、铬(Cr)：2.0％以下(不包含0％)、钼(Mo)：0.5％以下(不包含0％)、钛(Ti)：0.01～0.1％、钒(V)：0.01～0.5％、铝(Al)：0.2～1.0％、磷(P)：0.1％以下、硫(S)：0.01％以下、氮(N)：0.03％以下。

在下文中，将详细描述如上控制本发明所提供的非磁性钢的合金成分的理由。在此情况下，除非另有说明，否则各成分的含量是指重量％，并且组织的比例是基于面积。

碳(C)：0.03～0.50％

碳(C)是确保钢中奥氏体组织的重要元素，通过含有一定量以上的C，可以充分确保奥氏体的稳定性。在本发明中，为了上述的效果，可以包含0.03％以上的所述C。另一方面，如果所述C的含量大于0.30％，则在连铸辊等高温下长时间暴露时会析出碳化物，因此非磁性特性下降，但是本发明中通过加入一定的铝(Al)来减少碳化物的形成，故所述C最多可包含0.50％。

因此，在本发明中，C可含有0.03～0.50％。

硅(Si)：0.3％以下

硅(Si)对钢的堆垛层错能不会有太大影响，通常用作脱氧剂。如果这种Si的含量大于0.3％，则制造成本增加，并且由于过度形成氧化物，产品的表面品质可能会下降。

因此，所述Si可包含0.3％以下，考虑到钢制造过程中不可避免加入的程度，排除含量为0％。

锰(Mn)：15～30％

锰(Mn)是起到稳定奥氏体组织的作用的重要元素，为了获得钢材的低磁导率，需要含有15％以上。尤其，如果C的含量低，则所述Mn的加入量低于15％时会形成α′-马氏体相，从而降低非磁性特性。另一方面，如果所述Mn的含量大于30％，则制造成本大幅上升，并且热加工步骤中加热时会产生内部氧化或加工裂纹，存在表面品质变差的问题。

因此，在本发明中，Mn可包含15～30％。

铬(Cr)：2.0％以下(不包含0％)

铬(Cr)是抑制高温氧化减少表面缺陷以及通过固溶强化提高强度的有效元素。当大量加入这种Cr时，制造成本会增加，并且形成粗大的碳化物降低强度。有鉴于此，所述Cr可包含2.0％以下，排除含量为0％。

钼(Mo)：0.5％以下(不包含0％)

钼(Mo)是通过使析出相细化来增加析出强化效果的有效元素。当大量加入这种Mo时，合金成本会增加，析出相变得粗大，无法充分获得上述的效果。有鉴于此，所述Mo可包含0.5％以下，排除含量为0％。

钛(Ti)：0.01～0.1％

钛(Ti)是在钢内部与氮(N)反应而析出氮化物并形成孪晶(Twin)的元素，为了确保钢的强度和成形性，可以加入钛。此外，Ti形成析出相，进而提高屈服强度。微量加入也能获得这种效果，因此可加入0.01％以上。但是，如果含量大于0.1％，则析出物形成过多，轧制或锻造时可能会产生裂纹，而且成形性和焊接性可能会恶化。

因此，在本发明中，Ti可包含0.01～0.1％。

钒(V)：0.01～0.5％

钒(V)在钢内部与碳、氮等反应而形成碳化物、氮化物等，对提高强度有用。尤其，对于奥氏体高锰钢，900℃以上的高温下固溶度高，而在600～800℃的温度下固溶度低，因此钒是析出强化效果大的元素。为了充分获得析出强化效果，优选所述V含有0.01％以上。但是，如果含量大于0.5％，则析出物形成过多，在轧制或锻造等热加工时，由于高温加工性下降，可能会产生裂纹。

因此，在本发明中，V可包含0.01～0.5％。

铝(A1)：0.2～1.0％

铝(Al)作为脱氧剂加入，是防止钢中形成碳化物的有效元素。此外，具有调节孪晶的分数改善成形性的效果。为了充分获得上述的效果，优选含有0.2％以上。但是，如果含量大于1.0％，则形成氧化物的趋势增大，电弧焊时熔接熔池的熔透变差导致产生焊接不良，由于形成氧化物，产品的表面品质会变差。

因此，在本发明中，Al可包含0.2～1.0％，更优选可包含0.2～0.8％。

磷(P)：0.1％以下

磷(P)是促进偏析(segregation)以及铸造时导致产生龟裂的元素，因此优选尽可能少量含有磷。如果所述P的含量大于0.1％，则铸造性可能会恶化，因此所述P可包含0.1％以下。

硫(S)：0.01％以下

硫(S)是形成MnS等夹杂物而降低钢的物性的元素。因此，优选尽可能少量含有硫，如果含量大于0.01％，则存在热脆性的问题。因此，所述S可包含0.01％以下。

氮(N)：0.03％以下

氮(N)与钛(Ti)结合形成Ti氮化物，但是如果含量大于0.03％，则与Ti结合后剩下的自由氮(free N)引起时效硬化导致母材的韧性会大大下降，并且造成钢坯和钢板表面上产生裂纹，存在损害表面品质的问题。因此，所述N可包含0.03％以下。

本发明的余量成分是铁(Fe)。但是，常规制造过程中会不可避免地混入来自原料或周围环境的意想不到的杂质，因此无法排除混入杂质。这些杂质是常规制造过程的任何技术人员都知道的杂质，因此相关的所有内容本说明书中不再赘述。

具有上述的合金组成的本发明的非磁性钢材，其作为微细组织优选具有奥氏体单相组织。如此，通过具有奥氏体单相组织，即使接收外部能量，也可以保持非磁性。

尤其，对于本发明的非磁性钢材，通过合金组成的优化，具有稳定性高的奥氏体相。由此，在50kA/m的磁场下，可以具有相对磁导率为1.01以下的特性。

暴露于电磁场的材料的涡流所导致的损耗与材料的磁性有密切相关。磁性越大，产生的涡流越大，从而造成损耗增加。通常，磁性与磁导率(μ)成正比。也就是说，磁导率越大，磁性越增加。磁导率定义为感应磁场(B)与磁化的磁场(H)之比，即μ＝B/H。换而言之，当磁导率减小时，材料的磁性减小，在暴露于电场的情况下，由于防止表面上的涡流损耗，能量效率会增加。因此，对于配电盘和变压器等材料，使用没有磁性的非磁性钢板有利于防止能量损耗。

另外，本发明的钢材是厚度为10～40mm的厚钢板，并且强度和延性优良，具体地可以确保450MPa以上的拉伸强度和55％以上的延伸率。

在下文中，将详细描述根据本发明另一方面的高强度和高延性非磁性钢材的制造方法。

首先，准备满足上述的合金组成的钢坯，然后对所述钢坯在1100～1250℃下进行再加热。

如果所述钢坯再加热时温度低于1100℃，则后续热轧时轧制负荷可能会过大，而如果该温度高于1250℃，则可能产生严重的内部氧化导致表面品质下降。

因此，所述钢坯再加热时可在1100～1250℃下进行。

可以对如上再加热的钢坯进行热轧制成厚钢板。此时，优选在800～1000℃下进行。

如果热精轧时温度低于800℃，则存在轧制中负荷变大的问题。另一方面，所述热精轧时，温度越高，变形阻力越低，进而容易轧制，但是由于组织的粗大化，无法确保目标强度，因此优选限制在1000℃以下。

然后，可以将如上制造的厚钢板进行冷却。

所述冷却优选以足够抑制形成晶界碳化物的冷却速度实施，更优选以10℃/s以上的冷却速度进行冷却。

如果所述冷却时冷却速度小于10℃/s，则难以避免形成碳化物，冷却途中晶界上会析出碳化物，因此存在钢提前断裂导致的延性降低以及强度变差的问题。

对于本发明，冷却速度越快越有利，因此对上限不需要进行特别限制，只要在加快冷却的范围内即可。但是，考虑到常规加快冷却时冷却速度难以超过80℃/s，可以将上限限制在80℃/s以下。

另一方面，所述厚钢板冷却时，可在500℃以下的温度下停止冷却。即使如上所述进行加快冷却，如果在过高的温度下停止冷却，则可能会造成碳化物生成和生长。如果碳化物大量生成，则存在奥氏体稳定性下降导致磁导率特性下降的问题。

即使所述冷却进行到常温，也不会影响确保所期望的物性，因此对所述冷却结束温度的下限没有特别限制。

完成所述热轧和冷却工艺而得到的本发明的最终钢材(厚钢板)，其作为微细组织具有稳定性高的奥氏体相，因此不仅具有高强度和高延性，还可以具有优良的焊接性和非磁性特性。

下面通过实施例更具体地描述本发明。不过需要注意，下述实施例只是意在例示本发明以更加详细地描述，并不意在限制本发明的权利范围。本发明的权利范围取决于权利要求书的内容及由此合理导出的内容。

实施发明的方式

(实施例)

准备具有下表1所示合金组成的各钢坯，对所述钢坯在1200℃下进行再加热后，在950℃下进行热精轧制成各厚钢板。然后，将所制造的厚钢板以20℃/s进行冷却，并在400℃下结束冷却。

然后，对所制造的各厚钢板测量机械物性(屈服强度(YS)、拉伸强度(TS)、延伸率(E1))和磁导率，其结果示于下表2中。此时，屈服强度(YS)是用0.2％偏移(offset)值来表示。

磁导率是用真空中的磁导率与特定环境下的磁导率之比的相对磁导率来表示，而在本发明中，利用顺磁性测量设备测量了真空和大气中的磁导率，即相对磁导率(μ)。

另一方面，对于机械物性，基于拉伸试验标准试验法ASTM E8/E8M加工成板状试样后，再用单向拉伸试验机进行了评价。

另外，对各试样以1.5KJ/cm的热输入量进行药芯焊丝电弧焊(Flux Cored ArcWelding，FCAW)后，通过用肉眼观察焊接部分表面来评价了焊接性。

【表1】

【表2】

如上表1和表2所示，对于本发明的合金组成和制造条件都得到满足的发明钢1至4，测量出相对磁导率都小于1.01，不仅强度和延性良好，而且焊接性也良好。

相比之下，对于传统钢，即大量含有Cr和Ni的不锈钢，其相对磁导率低，但是难以确保延性，由于大量加入高价元素，制造成本大幅上升。

另一方面，对于大量含有Cr的比较钢2和大量含有C且Al含量不足的比较钢3，其磁导率为1.01以上，磁导率非常差。

此外，对于未含有Cr和Mo且Al含量相对高的比较钢1和大量含有C且Al含量过多的比较钢4，其磁导率为1.01，并且焊接性差。这是因为，由于钢中Al引起的强脱氧效果，电弧(Arc)稳定性下降，从而产生表面焊珠(bead)不良导致的焊接不良。不仅如此，还归因于随着Ti等其他元素的回收率提高而形成Al₂O₃、Ti(Al)(C.N)等析出相会发生冲击韧性、材质等的劣化。

图1是对比显示了所述发明钢2和比较钢3的磁导率值的测量结果，发明钢2整体上保持低磁导率，而比较钢3保持高磁导率。

如上所述，与大量含有Cr和Ni的传统钢相比，当满足本发明中提出的合金组成时，能够以更低成本获得非磁性钢材。不仅如此，本发明的非磁性钢材强度和延性优良，而且焊接性优良，可以期待拓宽应用范围。

Claims

1.一种焊接性优良的高强度、高延性、非磁性钢材，其特征在于，

以重量％计，所述钢材包含碳(C)：0.03～0.50％、硅(Si)：0.3％以下、锰(Mn)：15～30％、铬(Cr)：2.0％以下且不包含0％、钼(Mo)：0.5％以下且不包含0％、钛(Ti)：0.01～0.1％、钒(V)：0.01～0.5％、铝(Al)：0.2～1.0％、磷(P)：0.1％以下、硫(S)：0.01％以下、氮(N)：0.03％以下、余量的其他不可避免的杂质和Fe，并且具有奥氏体单相组织。

2.根据权利要求1所述的焊接性优良的高强度、高延性、非磁性钢材，其特征在于，

所述钢材在50kA/m的磁场下相对磁导率为1.01以下。

3.根据权利要求1所述的焊接性优良的高强度、高延性、非磁性钢材，其特征在于，

所述钢材的拉伸强度为450MPa以上，延伸率为55％以上。

4.一种焊接性优良的高强度、高延性、非磁性钢材的制造方法，其特征在于，

所述制造方法包含：

对钢坯在1100～1250℃下进行再加热的步骤，以重量％计，所述钢坯包含碳(C)：0.03～0.50％、硅(Si)：0.3％以下、锰(Mn)：15～30％、铬(Cr)：2.0％以下且不包含0％、钼(Mo)：0.5％以下且不包含0％、钛(Ti)：0.01～0.1％、钒(V)：0.01～0.5％、铝(Al)：0.2～1.0％、磷(P)：0.1％以下、硫(S)：0.01％以下、氮(N)：0.03％以下、余量的其他不可避免的杂质和Fe；

对所述再加热的钢坯在800～1000℃下进行热精轧制成厚钢板的步骤；以及

将所述厚钢板以10℃/s以上的冷却速度进行冷却的步骤。

5.根据权利要求4所述的焊接性优良的高强度、高延性、非磁性钢材的制造方法，其特征在于，

所述冷却是以10～80℃/s的冷却速度进行。

6.根据权利要求4所述的焊接性优良的高强度、高延性、非磁性钢材的制造方法，其特征在于，

所述冷却是在500℃以下的温度下结束。