CN112955577B - 氧化皮剥离性优异的超低温用奥氏体高锰钢材及其制备方法 - Google Patents

氧化皮剥离性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

本发明的一方面的氧化皮剥离性优异的超低温用奥氏体高锰钢材以重量％计可包含C：0.2～0.5％、Mn：23～28％、Si：0.05～0.5％、P：0.03％以下、S：0.005％以下、Al：0.5％以下、Cr：3～4％、余量的Fe及其他不可避免的杂质，包含95面积％以上的奥氏体作为显微组织，在除鳞之前的钢材表面上氧化皮未剥离分率为30面积％以下(包括0面积％)。

Description

氧化皮剥离性优异的超低温用奥氏体高锰钢材及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种奥氏体高锰钢材及其制备方法，具体涉及一种超低温韧性优异的同时具有均匀的表面氧化皮剥离性，从而表面质量优异的奥氏体高锰钢材及其制备方法。
背景技术
奥氏体高锰钢材通过调节提高奥氏体相稳定性的元素锰(Mn)和碳(C)的含量，使得奥氏体即使在常温或超低温环境下也能稳定，从而具有高韧性的特征。
奥氏体高锰钢材含有规定含量以上的氧化性强的锰(Mn)，因此表现出易于产生表面氧化皮的倾向。在通常的奥氏体高锰钢材的制备中，由于在板坯再加热时形成的一次氧化皮通过热轧前的高压水喷射大部分被去除，因此一次氧化皮对后续工艺的影响并不大。但是，在热轧时形成的二次氧化皮即便通过热轧后的除鳞工艺，也不能完全去除氧化皮，影响到后续工艺。尤其，当二次氧化皮形成得较厚，或者在除鳞时未能均匀剥离二次氧化皮时，可能会产生在输送钢材时工作效率降低的问题。此外，不均匀的氧化皮剥离不利于钢材的外观，因此必须伴随有打磨等进一步工艺，不利于生产效率及经济效率。因此，目前亟需开发一种超低温韧性优异的同时具有均匀的氧化皮剥离性从而表面质量优异的奥氏体高锰钢材。
现有技术文献
专利文献1：韩国公开专利第10-2015-0075324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，可提供一种氧化皮剥离性优异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
本发明的一方面的氧化皮剥离性优异的超低温用奥氏体高锰钢材以重量％计可包含C：0.2～0.5％、Mn：23～28％、Si：0.05～0.5％、P：0.03％以下、S：0.005％以下、Al：0.5％以下、Cr：3～4％、余量的Fe及其他不可避免的杂质，包含95面积％以上的奥氏体作为显微组织，在除鳞之前的钢材表面上氧化皮未剥离分率为30面积％以下且0面积％以上。
所述钢材以重量％计可进一步包含从Cu：1％以下且大于0％及B：0.0005～0.01％中选择的一者或更多者。
在所述除鳞之前的钢材表面上氧化皮未剥离分率可为10面积％以下且0面积％以上。
所述奥氏体的平均晶粒度可为5～150μm。
以样品厚度10mm为准，所述钢材的-196℃下的夏比冲击韧性可为90J以上。
所述钢材的屈服强度可为400MPa以上，拉伸强度可为800MPa以上，延伸率可为40％以上。
本发明的一方面的氧化皮剥离性优异的超低温用奥氏体高锰钢材的制备方法可包括以下步骤：在1050～1300℃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：0.2～0.5％、Mn：23～28％、Si：0.05～0.5％、P：0.03％以下、S：0.005％以下、Al：0.5％以下、Cr：3～4％，余量的Fe及其他不可避免的杂质；对经过再加热的所述板坯在900～950℃的精轧温度下进行热轧，以提供中间材；将所述中间材以1～100℃/s的冷却速度冷却至600℃以下的温度范围；通过抛丸处理对冷却后的所述中间材的表面氧化皮进行除鳞以提供最终材。
所述板坯以重量％计可进一步包含从Cu：1％以下且大于0％及B：0.0005～0.01％中选择的一者或更多者。
在所述冷却后所述除鳞之前的所述最终材表面上氧化皮未剥离区域的面积分率可为30面积％以下且0面积％以上。
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，可提供一种超低温韧性优异的同时具有均匀的氧化皮剥离性从而表面质量优异的奥氏体高锰钢材及其制备方法。
附图说明
图1是表示将含铬(Cr)钢及无铬(Cr)钢的样品分别升温至1100℃的同时测量重量的结果的图。
图2(a)、(b)及(c)是分别拍摄样品2、样品4及样品9的表面的照片。
具体实施方式
本发明涉及一种氧化皮剥离性优异的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，对本发明的钢组成进行进一步详细的说明。下面，除非另有说明，表示各元素含量的％以重量为准。
本发明的一方面的氧化皮剥离性优异的超低温用奥氏体高锰钢材可包含C：0.2～0.5％、Mn：23～28％、Si：0.05～0.5％、P：0.03％以下、S：0.005％以下、Al：0.5％以下、Cr：3～4％、余量的Fe及其他不可避免的杂质。
碳(C)：0.2～0.5％
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0.2％。这是因为，当碳(C)含量少于0.2％时，因奥氏体的稳定性不足，无法获得在超低温下稳定的奥氏体，而且在外部应力下容易引起向ε-马氏体及α′-马氏体的应变诱发相变，可能会降低钢材的韧性和强度。相反，当碳(C)含量超过规定范围时，因碳化物析出，钢材的韧性可能会急剧变差，且因钢材的强度过高，钢材的加工性可能会显著降低，因此本发明可将碳(C)含量的上限限制为0.5％。因此，本发明的碳(C)含量可为0.2～0.5％。碳(C)含量优选可为0.3～0.5％，碳(C)含量更优选可为0.35～0.5％。
锰(Mn)：23～28％
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，本发明包含23％以上的锰(Mn)，因此能够有效地增加奥氏体稳定性，由此能够抑制铁素体、ε-马氏体及α′-马氏体的形成，有效地确保钢材的低温韧性。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，并且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28％。因此，本发明的锰(Mn)含量可为23～28％，锰(Mn)含量更优选可为23～25％。
硅(Si)：0.05～0.5％
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，而且产生断裂等而降低表面质量，因此本发明可将硅(Si)含量的上限限制为0.5％。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0.05％。因此，本发明的硅(Si)含量可为0.05～0.5％。
磷(P)：0.03％以下
磷(P)是容易偏析的元素，是在铸造时引起断裂或降低焊接性的元素。因此，本发明为了防止铸造性变差及焊接性下降，可将磷(P)含量的上限限制为0.03％。此外，本发明虽然不特别限制磷(P)含量的下限，但考虑到炼钢负担，也可将磷(P)含量的下限限制为0.001％。
硫(S)：0.005％以下
硫(S)是通过形成夹杂物来引发热脆性缺陷的元素。因此，本发明为了抑制产生热脆性，可将硫(S)含量的上限限制为0.005％。此外，本发明虽然不特别限制硫(S)含量的下限，但考虑到炼钢负担，也可将硫(S)含量的下限限制为0.0005％。
铝(Al)：0.05％以下
铝(Al)是作为脱氧剂添加的代表性元素。因此，本发明为了实现这种效果，可将铝(Al)含量的下限限制为0.001％，更加优选地，可将铝(Al)含量的下限限制为0.005％。但是，铝(Al)可能会与碳(C)及氮(N)进行反应而形成析出物，这些析出物可能会降低热加工性，因此本发明可将铝(Al)含量的上限限制为0.05％。铝(Al)含量的更优选的上限可为0.045％。
铬(Cr)：3～4％
铬(Cr)是这样一种元素：在适当添加量范围内，稳定奥氏体，有助于提高低温冲击韧性，并且固溶在奥氏体内，增加钢材强度。而且，铬又是提高钢材耐蚀性的元素。因此，本发明为了实现这种效果，可添加3％以上的铬(Cr)。而且，含铬(Cr)钢浓化在母材的表面侧上，表现出与无铬(Cr)钢不同的表面氧化皮行为，通过这种铬(Cr)的表面浓化，能够确保氧化皮剥离均匀性。由于本发明包含3％以上的铬(Cr)，因此铬(Cr)能够在钢材表层部上均匀地分布，由此能够确保均匀的氧化皮剥离性。但是，铬(Cr)是形成碳化物的元素，又是在奥氏体晶界上形成碳化物来降低低温冲击的元素，因此本发明中考虑到铬(Cr)与碳(C)及其他一起添加的元素之间的含量关系，可将铬(Cr)含量的上限限制为4％。因此，本发明的铬(Cr)含量可为3～4％，铬(Cr)含量更优选可为3～3.8％。
本发明的一方面的氧化皮剥离性优异的超低温用奥氏体高锰钢材以重量％计可进一步包含从Cu：1％以下(0％除外)及B：0.0005～0.01％中选择的一者或更多者。
铜(Cu)：1％以下(0％除外)
铜(Cu)是与锰(Mn)及碳(C)一起使奥氏体稳定的元素，是有效地帮助提高钢材的低温韧性的元素。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成长。因此，本发明为了确保低温韧性添加铜(Cu)，铜(Cu)含量的优选的下限可为0.3％。铜(Cu)含量的更优选的下限可为0.4％。相反，当铜(Cu)含量超过1％时，可能会降低钢材的热加工性，因此本发明可将铜(Cu)含量的上限限制为1％。因此，本发明的铜(Cu)含量可为1％以下(0％除外)，铜(Cu)含量的更优选的上限可为0.7％。
硼(B)：0.0005～0.01％
硼(B)是用于强化奥氏体晶界的晶界强化元素，即使添加少量也能强化奥氏体晶界来有效地降低钢材的高温裂纹敏感性。因此，为了实现这种效果，本发明可添加0.0005％以上的硼(B)。硼(B)含量的优选的下限可为0.001％，硼(B)含量的更优选的下限可为0.002％。相反，当硼(B)的含量超过规定范围时，因在奥氏体晶界上引发偏析而增加钢材的高温裂纹敏感性，可能会降低钢材的表面质量，因此本发明可将硼(B)含量的上限限制为0.01％。硼(B)含量的优选的上限可为0.008％，硼(B)含量的更优选的上限可为0.006％。
本发明的一方面的氧化皮剥离性优异的超低温用奥氏体高锰钢材除了上述成分以外还可以包括余量的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。
本发明的一方面的氧化皮剥离性优异的超低温用奥氏体高锰钢材可包含95面积％以上的奥氏体作为显微组织，由此能够有效地确保钢材的超低温韧性。奥氏体的平均晶粒度可为5～150μm。在制备工艺上可实现的奥氏体的平均晶粒度为5μm以上，当平均晶粒度大幅增加时，可能会导致钢材的强度下降，因此奥氏体的晶粒度可限制为150μm以下。
本发明的一方面的氧化皮剥离性优异的超低温用奥氏体高锰钢材可将碳化物和/或ε-马氏体作为除奥氏体以外还可存在的组织来包含。当碳化物和/或ε-马氏体的分率超过规定水平时，可能会急剧降低钢材的韧性及延性，因此本发明可将碳化物和/或ε-马氏体的分率限制为5面积％以下。
在本发明的一方面的氧化皮剥离性优异的超低温用奥氏体高锰钢材中，在热轧及冷却后的钢材表面上氧化皮未剥离区域的分率可为30面积％以下(包含0面积％)。优选地，热轧及冷却后的钢材表面上氧化皮未剥离区域的分率可为10面积％以下(包含0面积％)。因此，本发明的一方面的氧化皮剥离性优异的超低温用奥氏体高锰钢材能够确保在除鳞时均匀的氧化皮剥离性，且在无需额外工艺的情况下能够确保优异的表面质量。这种氧化皮剥离行为可能是随着在钢材中添加规定量的铬(Cr)来实现的技术效果。
本发明的一方面的氧化皮剥离性优异的超低温用奥氏体高锰钢材具有400MPa以上的屈服强度、800MPa以上的拉伸强度、40％以上的延伸率，且在-196℃下的夏比冲击韧性为90J以上(以样品厚度10mm为准)，可提供尤其适于超低温环境的结构钢材。
下面，对本发明的制备方法进行更为详细的说明。
本发明的氧化皮剥离性优异的超低温用奥氏体高锰钢材可通过以下方法制备：在1050～1300℃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：0.2～0.5％、Mn：23～28％、Si：0.05～0.5％、P：0.03％以下、S：0.005％以下、Al：0.5％以下、Cr：3～4％，余量的Fe及其他不可避免的杂质；对经过再加热的所述板坯在900～950℃的精轧温度下进行热轧，以提供中间材；将所述中间材以1～100℃/s的冷却速度冷却至600℃以下的温度范围；通过抛丸处理对冷却后的所述中间材的表面氧化皮进行除鳞，以提供最终材。
板坯再加热
由于在本发明的制备方法中提供的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说明来代替。
对由前述的钢组成提供的板坯可在1050～1300℃的温度范围下进行再加热。当再加热温度低于规定范围时，在热轧过程中，可能会出现轧制负荷过大的问题或合金成分未充分固溶的问题，因此本发明可将板坯再加热温度范围的下限限制为1050℃。相反，当再加热温度超过规定范围时，晶粒过度生长而降低强度，或因再加热温度超过钢材的固相线温度，可能会导致钢材的热轧性变差，因此本发明可将板坯再加热温度范围的上限限制为1300℃。
热轧
热轧工艺包括粗轧工艺及精轧工艺，经过再加热的板坯经过热轧后可作为中间材提供。此时，热精轧优选在900～950℃的温度范围下进行。
图1是表示将含铬(Cr)钢及无铬(Cr)钢的样品分别升温至1100℃的同时测量重量的结果的图。含铬(Cr)钢表示添加有3.4％铬(Cr)的钢材的样品，无铬(Cr)钢表示未人为地添加铬(Cr)的(即，铬(Cr)含量收敛至0％)钢材的样品。如图1所示，氧化程度可分为重量增加量为2％以下的A步骤、重量增加量大于2％且5％以下的B步骤及重量增加量大于5％的C步骤。
在无铬(Cr)钢的情况下，可确认在大约850℃附近开始B步骤，在大约920℃附近开始C步骤。相反，在含铬(Cr)钢的情况下，在大约900℃附近开始B步骤，在大约980℃附近开始C步骤。即可确认，含铬(Cr)钢及无铬(Cr)钢在规定温度范围以下未产生表面氧化，但在规定温度范围以后，含铬(Cr)钢与无铬(Cr)钢相比表现出更低的表面氧化倾向。
相反，为了防止热轧时表面氧化，优选尽可能在较低温度范围下实施热轧，但是当热精轧温度低于规定范围时，随着轧制负荷增加而产生过大的轧制负荷，可能会存在无法确保所希望的低温物性的问题。此外，当热精轧温度超过规定范围时，可能会存在所生长的晶粒粗大、不能获得目标强度的问题。因此，本发明中考虑到在钢中添加的铬(Cr)含量、所希望的拉伸强度及低温物性等，可将热精轧温度限制在900～950℃的范围。
冷却
可将热轧后的中间材以1～100℃/s的冷却速度冷却至600℃以下的冷却停止温度。当冷却速度低于规定范围时，因在冷却过程中被析出到晶界的碳化物，可能会出现钢材的延性下降及由此导致的耐磨性变差的问题，因此本发明可将热轧材的冷却速度限制为10℃/s以上。但是，虽然冷却速度越快，对抑制碳化物析出的效果越有利，但考虑到在通常的冷却中因设备特性难以实现超过100℃/s的冷却速度，本发明可将冷却速度的上限限制为100℃/s。本发明的冷却可采用加速冷却。
此外，即便采用10℃/s以上的冷却速度对中间材进行冷却，由于在高温下停止冷却时，碳化物生成及长大的可能性较高，因此本发明可将冷却停止温度限制为600℃以下。
除鳞
在冷却过程中或在结束冷却后，可进行去除形成在中间材表面上的氧化皮的除鳞工艺。除鳞可采用抛丸处理，并可采用在通常的高锰钢材制备中采用的抛丸处理条件。
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，可具有400MPa以上的屈服强度、800MPa以上的拉伸强度、40％以上的延伸率，且在-196℃下的夏比冲击韧性可为90J以上(以样品厚度10mm为准)。
此外，如上所述那样制备的奥氏体高锰钢材在冷却后除鳞之前的钢材表面上氧化皮未剥离区域的分率可为30面积％以下(包含0面积％)，优选地，在除鳞之前的钢材表面上氧化皮未剥离区域的分率可为10面积％以下(包含0面积％)。
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，而不用来限制本发明的保护范围。
(实施例)
准备由下表1的合金组成构成的板坯，采用表2的制备工艺制作各样品。
【表1】
Figure BDA0003030831130000081
【表2】
Figure BDA0003030831130000082
Figure BDA0003030831130000091
对各样品的拉伸特性及冲击韧性进行评价，并在表3中示出其结果。各样品的拉伸特性根据ASTM A370在常温下进行试验及评价，冲击韧性也根据相同规格的条件加工成10mm厚度的冲击样品后，在-196℃下进行测量。此外，以热轧及冷却后拍摄的各样品的表面照片为准，区分氧化皮剥离区域及氧化皮未剥离区域后测量表面氧化皮未剥离分率，并在表3中记载其结果。此时，以如下方式进行区分：将表面氧化皮未剥离分率为10面积％以下的情况作为氧化皮类型I，将表面氧化皮未剥离分率大于10面积％且30面积％以下的情况作为氧化皮类型II，将表面氧化皮未剥离分率大于30面积％的情况作为氧化皮类型III。
【表3】
Figure BDA0003030831130000092
如表1至表3所示，可确认满足本发明的合金组成及工艺条件的样品1至5满足400MPa以上的屈服强度、800MPa以上的拉伸强度、40％以上的延伸率，且在-196℃下的夏比冲击韧性为90J以上(以样品厚度10mm为准)，而且样品表面的氧化皮未剥离分率为30面积％以下；相反，未满足本发明的合金组成及工艺条件的样品6至10未同时满足上述物性及表面特性。
图2的(a)、(b)及(c)是分别拍摄样品2、样品4及样品9的表面的照片，可确认各样品表面的氧化皮剥离区域和氧化皮未剥离区域明显区分。
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 (9)

1.一种氧化皮剥离性优异的超低温用奥氏体高锰钢材，以重量％计包含C：0.2～0.5％、Mn：23～28％、Si：0.05～0.5％、P：0.03％以下、S：0.005％以下、Al：0.5％以下、Cr：3～4％、Cu：1％以下且大于0％、余量的Fe及其他不可避免的杂质，
包含95面积％以上的奥氏体作为显微组织，
在除鳞之前的钢材表面上氧化皮未剥离分率为30面积％以下且0面积％以上。
2.根据权利要求1所述的氧化皮剥离性优异的超低温用奥氏体高锰钢材，其中，所述钢材以重量％计进一步包含B：0.0005～0.01％。
3.根据权利要求1所述的氧化皮剥离性优异的超低温用奥氏体高锰钢材，其中，在所述除鳞之前的钢材表面上氧化皮未剥离分率为10面积％以下且0面积％以上。
4.根据权利要求1所述的氧化皮剥离性优异的超低温用奥氏体高锰钢材，其中，所述奥氏体的平均晶粒度为5～150μm。
5.根据权利要求1所述的氧化皮剥离性优异的超低温用奥氏体高锰钢材，其中，以样品厚度10mm为准，所述钢材的-196℃下的夏比冲击韧性为90J以上。
6.根据权利要求1所述的氧化皮剥离性优异的超低温用奥氏体高锰钢材，其中，所述钢材的屈服强度为400MPa以上，拉伸强度为800MPa以上，延伸率为40％以上。
7.一种氧化皮剥离性优异的超低温用奥氏体高锰钢材的制备方法，包括以下步骤：
在1050～1300℃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：0.2～0.5％、Mn：23～28％、Si：0.05～0.5％、P：0.03％以下、S：0.005％以下、Al：0.5％以下、Cr：3～4％、Cu：1％以下且大于0％，余量的Fe及其他不可避免的杂质；
对经过再加热的所述板坯在900～950℃的精轧温度下进行热轧，以提供中间材；
将所述中间材以1～100℃/s的冷却速度冷却至600℃以下的温度范围；
通过抛丸处理对冷却后的所述中间材的表面氧化皮进行除鳞，以提供最终材。
8.根据权利要求7所述的氧化皮剥离性优异的超低温用奥氏体高锰钢材的制备方法，其中，所述板坯以重量％计进一步包含B：0.0005～0.01％。
9.根据权利要求7所述的氧化皮剥离性优异的超低温用奥氏体高锰钢材的制备方法，其中，
在所述冷却后所述除鳞之前的所述最终材的表面上氧化皮未剥离区域的面积分率为30面积％以下且0面积％以上。
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