CN112888804A - 表面质量优异的超低温用奥氏体高锰钢材及其制备方法 - Google Patents

表面质量优异的超低温用奥氏体高锰钢材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一方面的表面质量优异的超低温用奥氏体高锰钢材以重量％计可包含C：0.4～0.5％、Mn：23～26％、Si：0.03～0.5％、Cr：3～5％、Al：0.05％以下、S：0.05％以下、P：0.5％以下、B：0.005％以下、余量的Fe及不可避免的杂质，包含95面积％以上的奥氏体作为显微组织，在采用光学显微镜观察剖面时，从表面到t/8(在此t表示产品厚度(mm))位置的区域中观察到的表面缺陷中，从表面的深度为10μm以上的表面缺陷的数量可为每单位面积(mm2)0.0001个以下。

Description

表面质量优异的超低温用奥氏体高锰钢材及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种适用于储存和运输液化石油气或液化天然气等的燃料箱、储罐、船用薄膜板及输送管等的超低温用奥氏体高锰钢材及其制备方法，具体涉及一种通过抑制形成表面缺陷来有效地确保表面质量的超低温用奥氏体高锰钢材及其制备方法。
背景技术
奥氏体高锰(Mn)钢通过调节提高奥氏体相稳定性的元素锰(Mn)和碳(C)的含量，使奥氏体相在常温或超低温下也能稳定，从而具有较高的韧性。因此，奥氏体高锰(Mn)钢可用作要求超低温特性的用于储存和运输液化石油气或液化天然气等的燃料箱、储罐、船膜及输送管等的材料。
但是，由于高锰(Mn)钢含有氧化倾向较强的大量的锰(Mn)，在对板坯进行再加热时形成的晶界氧化中，部分物质作为氧化皮去除，但部分物质可能在热轧时生长成裂纹，作为表面缺陷残留在产品表面。因此，在制备高锰(Mn)钢时，必须伴随有产品表面的打磨工艺，这样不利于经济效率和生产效率。
(现有技术文献)
专利文献1：韩国公开专利第10-2015-0075275号(2015年7月3日公开)
发明内容
技术问题
根据本发明的一方面，可提供一种通过抑制形成表面缺陷来有效地确保表面质量的超低温用奥氏体高锰钢材及其制备方法。
本发明的问题并不局限于上述的内容。从本说明书的全部内容，本领域的技术人员将不难理解本发明的附加问题。
技术方案
本发明的一方面的表面质量优异的超低温用奥氏体高锰钢材以重量％计可包含C：0.4～0.5％、Mn：23～26％、Si：0.03～0.5％、Cr：3～5％、Al：0.05％以下、S：0.05％以下、P：0.5％以下、B：0.005％以下、余量的Fe及不可避免的杂质，包含95面积％以上的奥氏体作为显微组织，在采用光学显微镜观察剖面时，从表面到t/8(在此t表示产品厚度(mm))位置的区域中观察到的表面缺陷中，从表面的深度为10μm以上的表面缺陷的数量可为每单位面积(mm2)0.0001个以下。
所述钢材可进一步包含0.7重量％以下的Cu。
所述钢材的屈服强度可为400MPa以上，-196℃下的夏比冲击韧性可为41J以上。
本发明的一方面的表面质量优异的超低温用奥氏体高锰钢材可通过以下方法制备：在1000～1300℃的温度范围下对板坯进行再加热，所述板坯以重量％计包含C：0.4～0.5％、Mn：23～26％、Si：0.03～0.5％、Cr：3～5％、Al：0.05％以下、S：0.05％以下、P：0.5％以下、B：0.005％以下、余量的Fe及不可避免的杂质；对经过再加热的所述板坯进行粗轧，以提供粗轧棒；对所述粗轧棒在750～1000℃的温度范围下进行精轧，以提供热轧材，其中，控制所述板坯的再加热温度TSR和所述粗轧的压下量RRM，以满足以下关系式1。
[关系式1]
RRM/TSR＞0.15
在关系式1中，RRM及TSR分别表示粗轧压下量(mm)及板坯再加热温度(℃)。
所述板坯可进一步包含0.7重量％以下的Cu。
可将精轧后的所述热轧材以10℃/s以上的冷却速度加速冷却至600℃以下。
上述技术问题的解决方案并未全部列举本发明的特征，参照下述具体实施例应能更加详细地理解本发明的各种特征及其优点和效果。
发明效果
根据本发明的一方面，可提供一种超低温用的尤其具有合适的物性的同时具有优异表面质量的奥氏体高锰钢材。
此外，根据本发明的一方面，可提供一种在不伴随打磨等后续工艺的情况下确保优异的表面质量，从而能够有效地确保生产效率及经济效率的奥氏体高锰钢材的制备方法。
附图说明
图1是拍摄样品1的表面的照片。
图2是拍摄样品3的表面的照片。
图3是将样品1沿厚度方向切割后，通过光学显微镜观察剖面的照片。
具体实施方式
本发明涉及一种超低温用奥氏体高锰钢材及其制备方法，下面对本发明的优选实现例进行详细说明。本发明的实现例可变形为多种形式，不应将本发明的保护范围解释为局限于下述实现例。本发明的实现例是为了向本发明所属领域的技术人员更加详细地说明本发明而提供的。
下面，对本发明的钢的组成进行进一步详细的说明。下面，除非另有表示，表示各元素含量的％以重量为准。
本发明的一方面的表面质量优异的超低温用奥氏体高锰钢材以重量％计可包含C：0.4～0.5％、Mn：23～26％、Si：0.03～0.5％、Cr：3～5％、Al：0.05％以下、S：0.05％以下、P：0.5％以下、B：0.005％以下、余量的Fe及不可避免的杂质。此外，本发明的一方面的表面质量优异的超低温用奥氏体高锰钢材可进一步包含0.7重量％以下的Cu。
碳(C)：0.4～0.5％
碳(C)是有效地稳定钢材中的奥氏体且通过固溶强化确保强度的元素。因此，本发明为了确保低温韧性及强度，可将碳(C)含量的下限限制为0.4％。碳(C)含量的优选的下限可为0.41％，碳(C)含量的更优选的下限可为0.43％。这是因为，当碳(C)含量少于0.4％时，可能会降低屈服强度，且因奥氏体稳定性下降而形成铁氧体或马氏体，而且可能会降低低温韧性。相反，当碳(C)含量超过规定范围时，在轧制后冷却时可能会形成过多的碳化物，因此本发明可将碳(C)含量的上限限制为0.5％。碳(C)含量的优选的上限可为0.49％，碳(C)含量的更优选的上限可为0.47％。
锰(Mn)：23～26％
锰(Mn)是起到稳定奥氏体作用的重要元素。因此本发明为了实现这种效果，可将锰(Mn)含量的下限限制为23％。即，由于本发明包含23％以上的锰(Mn)，能够有效地增加奥氏体稳定性，由此能够抑制铁氧体、ε-马氏体及α′-马氏体的形成，有效地确保钢材的低温韧性。锰(Mn)含量的优选的下限可为23.1％。相反，当锰(Mn)含量超过规定水平范围时，奥氏体的稳定性增加效果将达到饱和，与此相反大幅增加制备成本，在热轧过程中产生过度的内部氧化而表面质量变差，因此本发明可将锰(Mn)含量的上限限制为26％。锰(Mn)含量的更优选的上限可为25.5％。
硅(Si)：0.03～0.5％
硅(Si)是与铝(Al)同样地作为脱氧剂必不可少地微量添加的元素。但是，当硅(Si)的添加量过多时，可能在晶界上形成氧化物而降低高温延性，而且因产生断裂等降低表面质量，因此本发明可将硅(Si)含量的上限限制为0.5％。硅(Si)含量的更优选的上限可为0.45％。相反，为了降低钢中的硅(Si)含量，需要过多的费用，因此本发明可将硅(Si)含量的下限限制为0.03％。硅(Si)含量的更优选的下限可为0.04％。
铬(Cr)：3～5％
铬(Cr)是一种在奥氏体内通过固溶强化以有助于提高强度的元素。此外，铬(Cr)具有优异的耐蚀性，有助于有效地防止因高温氧化引起的表面质量下降。因此，本发明为了实现这种效果，可将铬(Cr)含量的下限限制为3％。铬(Cr)含量的优选的下限可为3.1％，铬(Cr)含量的更优选的下限可为3.3％。相反，当铬(Cr)含量超过规定水平时，存在着因生成碳化物降低超低温韧性的问题，因此本发明可将铬(Cr)含量的上限限制为5％。铬(Cr)含量的优选的上限可为4.5％，铬(Cr)含量的更优选的上限可为4.0％。
硫(S)：0.05％以下
硫(S)不仅是不可避免地进入的杂质元素，而且是通过形成夹杂物来引发热脆性缺陷的元素。因此，本发明可以积极地抑制硫(S)含量的上限，硫(S)含量的优选的上限可为0.05％。
磷(P)：0.5％以下
磷(P)不仅是不可避免地进入的杂质元素，而且是易于偏析的元素，是在铸造时引发开裂或降低焊接性的元素。因此，本发明可以积极地抑制磷(P)含量的上限，磷(P)含量的优选的上限可为0.5％。
硼(B)：0.005％以下
硼(B)是通过强化晶体晶界的晶间断裂抑制效果，有助于提高表面质量的元素，也是当过量添加时因形成粗大析出物等降低韧性和焊接性的元素。因此本发明为了实现提高表面质量的效果，可包含0.0005％以上的硼(B)，但为了防止焊接性下降，可将硼(B)含量的上限限制为0.005％。
铜(Cu)：0.7％以下
铜(Cu)是一种用于稳定奥氏体的元素，其与锰(Mn)及碳(C)一起稳定奥氏体，是一种有助于提高低温韧性的元素。此外，铜(Cu)是在碳化物内固溶度较低且在奥氏体内扩散缓慢的元素，因此被浓缩在奥氏体和碳化物的界面来围绕微细碳化物的核周围，从而有效地抑制因碳(C)的进一步扩散导致的碳化物的生成及生长。因此，本发明为了实现这种效果，可进一步添加规定含量的铜(Cu)。铜(Cu)含量的下限可为0.3％，铜(Cu)含量的优选的下限可为0.35％，铜(Cu)含量的更优选的下限可为0.4％。但是，当铜(Cu)含量超过规定水平时，会因热脆性(hot shortness)导致表面质量降低的问题，因此本发明可将铜(Cu)含量的上限限制为0.7％。铜(Cu)含量的优选的上限可为0.65％，铜(Cu)含量的更优选的上限可为0.6％。
本发明的一方面的表面质量优异的超低温用奥氏体高锰钢材除了上述成分以外还可包含余量的Fe及其他不可避免的杂质。但是，在通常的制备过程中，不可避免地会混入来自原料或周围环境的意外杂质，因此不能完全排除这些杂质。由于本领域技术人员都能知晓这些杂质，在本说明书中不特意说明其所有内容。另外，不完全排除除上述组成以外的有效成分的添加。
本发明的一方面的表面质量优异的超低温用奥氏体高锰钢材包含95面积％以上的奥氏体作为显微组织，在采用光学显微镜观察剖面时，从表面到t/8(在此t表示产品厚度(mm))位置的区域中观察到的表面缺陷中，从表面的深度为10μm以上的表面缺陷的数量可为每单位面积(mm2)0.0001个以下。在此，观察区域表示形成于钢材剖面的任意矩形区域，观察区域的一面可位于与钢材表面相邻的位置。即，观察区域的高度为t/8(t：产品厚度，mm)，可采用在观察区域内形成的缺陷中深度超过规定水平以上的表面缺陷数量来计算表面缺陷数量密度。
即，本发明的一方面的表面质量优异的超低温用奥氏体高锰钢材如后述那样通过严格控制工艺条件积极抑制产品表面上形成的表面缺陷，其有效地确保表面质量，可以省略打磨工艺等的后续工艺，由此能够有效地确保产品的经济效率和生产效率。
此外，本发明的一方面的表面质量优异的超低温用奥氏体高锰钢材具有400MPa以上的屈服强度及-196℃下41J以上的夏比冲击韧性，因此能够提供尤其适合作为要求超低温特性的用于储存和运输液化石油气或液化天然气等的燃料箱、储罐、船膜及输送管等的材料的奥氏体高锰钢材。
下面，对本发明的制备方法进行更为详细的说明。
本发明的一方面的表面质量优异的超低温用奥氏体高锰钢材可通过如下方法制备：在1000～1300℃的温度范围下对具有上述组成的板坯进行再加热；对经过再加热的所述板坯进行粗轧，以提供粗轧棒；在750～1000℃的温度范围下进行精轧，以提供热轧材，其中，控制所述板坯的再加热温度(TSR，℃)和所述粗轧的压下量(RRM)，以满足以下关系式1。
[关系式1]
RRM/TSR＞0.15
板坯再加热
板坯的钢组成与前述的奥氏体高锰钢材的钢组成相对应，因此对板坯的钢组成的说明由前述对奥氏体高锰钢材的钢组成的说明来代替。
对具有前述钢组成的板坯可在1000～1300℃的温度范围下进行均匀的再加热。在板坯再加热步骤中提供的板坯的厚度大约可为250mm，但本发明的范围并不必须局限于此。
为了防止在后续热轧中产生过大的轧制负荷，可将板坯再加热温度范围的下限限制为1000℃。此外，加热温度越高越能确保热轧容易性，但是锰(Mn)含量较高的钢材在高温加热时可能会产生严重的晶界氧化，因此本发明可将板坯再加热温度的上限限制为1300℃。
热轧
在板坯再加热工艺之后，可伴随有将经过再加热的板坯粗轧成粗轧棒，并对粗轧棒在750～1000℃的温度范围下进行精轧来提供热轧材的热轧工艺。在热轧中，同样地精轧温度越高，越能降低变形阻力来确保热轧容易性，但精轧温度越高，越会引发由晶界氧化导致的表面质量下降，因此本发明的精轧温度可限制为750～1000℃。
由于本发明的奥氏体高锰钢材包含氧化性强的大量的锰(Mn)，因此即使限制加热炉的温度，也必然产生晶界氧化。在板坯再加热过程中形成的晶界氧化中，即使一部分作为氧化皮去除，残留的部分在热轧过程中生长成裂纹，在产品表面上形成表面缺陷，导致产品的表面质量变差。
本发明的发明人通过深入研究作出这样的结论：为了将热轧过程中残留在板坯表面的晶界氧化生长成裂纹的现象最小化，有效的方法为在加热板坯后尽可能迅速地产生再结晶，从而将组织微小化。但是，为了促进再结晶，最有效的方法是增加变形速度，而增加变形速度可通过增加粗轧的压下量来实现，但是当压下量的增加过大时，虽然可以最小化晶界氧化生长成裂纹的现象，但可能会产生因过大的轧制负荷损坏设备等的问题。
因此，本发明的发明人通过反复试验，得到在积极抑制形成产品表面缺陷的同时，将热轧中的轧制负荷控制为临界值以下的下列关系式1。
[关系式1]
RRM/TSR＞0.15
在关系式1中，RRM及TSR分别表示粗轧压下量(mm)及板坯再加热温度(℃)。
即，本发明由于如上述关系式1那样将相对于加热炉温度的粗轧压下量控制在规定范围内，因此当加热炉温度较高时，可通过相对地增加粗轧压下量来抑制热轧过程中晶界氧化生长成表面缺陷的问题，而且当加热炉温度较低时，可通过相对地降低粗轧压下量来降低热轧过程中施加于轧机的轧制负荷。由此，本发明能够提供最佳的板坯加热条件及热轧条件。
加速冷却
在热轧工艺之后，可将精轧后的热轧材以10℃/s以上的冷却速度加速冷却至600℃以下。由于本发明的奥氏体高锰钢材包含3～5％的铬(Cr)及C，因此可将热轧材的冷却速度控制为10℃/s以上，有效地防止因碳化物析出导致的低温韧性的下降。此外，在通常的加速冷却中，在设备特性上难以实现超过100℃/s的冷却速度，因此本发明可将冷却速度的上限限制为100℃/s。
此外，即便采用10℃/s以上的冷却速度对热轧材进行冷却，当在高温下停止冷却时，形成及生长碳化物的可能性较高，因此本发明可将冷却停止温度限制为600℃以下。
如上所述那样制备的奥氏体高锰钢材包含95面积％以上的奥氏体作为显微组织，在采用光学显微镜观察剖面时，对于从表面到t/8(在此t表示产品厚度(mm))位置的剖面积，从表面的深度为10μm以上的表面缺陷的数量可为每单位面积(mm2)0.0001个以下，且可具有400MPa以上的屈服强度及-196℃下41J以上的夏比冲击韧性。
实施发明的方式
下面，通过实施例对本发明进行更为具体的说明。但需要注意的是，后述的实施例仅用于例示本发明并进一步具体化，而不是用来限制本发明的保护范围。
(实施例)
采用具有下表1的组成的钢材制作250mm厚度的板坯，根据下表2的工艺条件制作及准备样品。对于各样品，在750～1000℃的温度范围下进行精轧，并以10℃/s以上的冷却速度加速冷却至600℃以下而制备。评价各样品的冲击吸收能、屈服强度及表面缺陷的形成与否，并在表2中示出其结果。冲击吸收能基于标准试验法ASTM E23，采用具有2mm缺口的板状样品在-196℃下进行评价。拉伸试验则在加工出基于标准试验法ASTM E8/E8M的板状样品后，通过单向拉伸试验机进行评价。表面缺陷的深度及数量则在沿厚度方向切割样品并根据ASTM E112准备样品后，采用光学显微镜测量观察区域内最大表面缺陷的深度及观察区域内的深度10μm以上的表面缺陷在每单位面积的数量后进行评价。
【表1】
项目 Mn Cr C Cu B Si P S.Al S
1 23.2 3.5 0.44 0.50 0.0012 0.041 0.027 0.036 0.0014
2 24.6 3.4 0.46 0.52 0.0028 0.311 0.014 0.039 0.0013
3 25.2 3.4 0.45 0.49 0.0026 0.318 0.017 0.043 0.0015
4 24.8 3.4 0.45 0.48 0.0029 0.300 0.017 0.033 0.0013
5 24.8 3.4 0.45 0.48 0.0029 0.300 0.017 0.033 0.0014
6 24.8 3.4 0.45 0.48 0.0029 0.300 0.017 0.033 0.0015
7 24.8 3.4 0.45 0.48 0.0029 0.300 0.017 0.033 0.0013
8 24.0 3.4 0.44 0.43 0.0030 0.270 0.013 0.023 0.0014
9 24.0 3.4 0.44 0.43 0.0030 0.270 0.013 0.023 0.0015
【表2】
Figure BDA0003022617510000081
可以确认，满足关系式1的样品3、6至9未产生表面缺陷，表面质量优异；而未满足关系式1的样品1、2、4及5产生表面缺陷，表面质量差，为了确保表面质量，必须伴随有打磨等的后续工艺。
图1是拍摄样品1的表面的照片，图2是拍摄样品3的表面的照片。从肉眼观察结果可知，在样品1上形成有大量微小的表面缺陷，而样品3上因未形成表面缺陷而确保优异的表面质量。此外，图3是沿厚度方向切割样品1后，通过光学显微镜观察其剖面的照片，可以确认在样品1的表面侧上沿相对于样品的厚度方向倾斜的方向形成有表面缺陷。
以上通过实施例对本发明进行详细说明，但也可以有与之不同的形式的实施例。因此，所附权利要求书的技术思想和范围并不局限于实施例。

Claims (6)

1.一种表面质量优异的超低温用奥氏体高锰钢材，以重量％计包含C：0.4～0.5％、Mn：23～26％、Si：0.03～0.5％、Cr：3～5％、Al：0.05％以下、S：0.05％以下、P：0.5％以下、B：0.005％以下、余量的Fe及不可避免的杂质，
包含95面积％以上的奥氏体作为显微组织，
在采用光学显微镜观察剖面时，从表面到t/8位置的区域中观察到的表面缺陷中，从表面的深度为10μm以上的表面缺陷的数量为每单位面积0.0001个以下，其中，所述t表示产品厚度且单位为mm，所述面积的单位为mm2。
2.根据权利要求1所述的表面质量优异的超低温用奥氏体高锰钢材，
所述钢材进一步包含0.7重量％以下的Cu。
3.根据权利要求1所述的表面质量优异的超低温用奥氏体高锰钢材，
所述钢材的屈服强度为400MPa以上，-196℃下的夏比冲击韧性为41J以上。
4.一种表面质量优异的超低温用奥氏体高锰钢材的制备方法，
在1000～1300℃的温度范围下对板坯进行再加热，所述板坯以重量％计包含C：0.4～0.5％、Mn：23～26％、Si：0.03～0.5％、Cr：3～5％、A1：0.05％以下、S：0.05％以下、P：0.5％以下、B：0.005％以下、余量的Fe及不可避免的杂质；
对经过再加热的所述板坯进行粗轧，以提供粗轧棒；
对所述粗轧棒在750～1000℃的温度范围下进行精轧，以提供热轧材，
其中，控制所述板坯的再加热温度TSR和所述粗轧的压下量RRM，以满足以下关系式1，
[关系式1]
RRM/TSR＞0.15
在关系式1中，RRM及TSR分别表示粗轧压下量及板坯再加热温度，所述粗轧压下量的单位为mm，所述板坯再加热温度的单位为℃。
5.根据权利要求4所述的表面质量优异的超低温用奥氏体高锰钢材的制备方法，
所述板坯进一步包含0.7重量％以下的Cu。
6.根据权利要求4所述的表面质量优异的超低温用奥氏体高锰钢材的制备方法，
将精轧后的所述热轧材以10℃/s以上的冷却速度加速冷却至600℃以下。
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