CN113373385A - 一种搪玻璃用钢及其制造方法 - Google Patents

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鲁岩
王俊凯
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Abstract

本发明公开了一种搪玻璃用钢，其化学元素质量百分比为：C：0.015～0.060％；Si：0.01～0.50％；Mn：0.20～1.5％；P：0.005～0.10％；Al：0.010～0.070％；Ti：0.10～0.30％；余量为Fe和其他不可避免的杂质，其中所述搪玻璃用钢的微观组织为铁素体；或者铁素体+渗碳体。此外本发明还公开了上述搪玻璃用钢的制造方法，其步骤包括(1)冶炼，精炼，连铸，以得到板坯(2)加热：加热温度1050～1250℃(3)热轧：控制热轧终了温度为800～920℃(4)冷却(5)热处理。本发明所述的搪玻璃用钢具有优良可加工性和低温韧性，同时也具有优良的涂搪性。

Description

一种搪玻璃用钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种金属材料及其制造方法，尤其涉及一种钢材及其制造方法。
背景技术
搪玻璃工艺是将含有高石英组份的玻璃质瓷釉涂覆在金属基体表面，然后通过高温烧结使得瓷釉牢固地密着于基体表面而形成复合材料的工艺。在现有技术中，以钢板为金属底胚制作而成的搪玻璃设备，应用领域十分广泛，如搪玻璃反应釜、搪玻璃储罐等，由于兼备玻璃的稳定性和金属的高强度等特点，具有良好的耐磨性，对各种酸、有机溶剂均有极高的耐腐蚀性，对碱性溶液也具有良好的耐腐蚀性。
在现有搪玻璃设备的制作过程中，钢板在经过成型、焊接等加工后，要经过反复多次的涂搪和高温烧成过程，烧成温度大约在930℃至870℃之间，其中，在涂搪过程中常常产生鳞爆、密着不良和针孔等涂搪缺陷，这些缺陷也是现有的搪玻璃专用钢板所要解决的主要问题。但是，考虑到从钢板成型到涂搪、到搪玻璃设备的制成和服役的整个过程，除了提高钢板的涂搪性能以外，为了改善加工过程，提高服役周期，还需要提高钢板的可加工性如易冲压、易弯曲和易冲孔等，提高钢板的低温韧性满足搪玻璃设备在-20℃以下甚至-40℃环境下服役要求。
目前，在搪玻璃设备制造过程中，常用的钢种仍然是Q245R等普通压力容器用钢，这类钢种在制作搪玻璃容器时，不仅容易产生鳞爆等搪瓷缺陷，而且所制作的搪玻璃设备无法满足-20℃以下服役要求。而现有专用的搪玻璃用钢屈强比较高(如在0.90以上)，屈服强度多在350MPa甚至400MPa以上，由于屈服强度高、波动也大，从而会给冲压、卷桶、冲孔等成型加工带来困难，有时需要多次反复成型，不利于生产制造。此外，现有专用的搪玻璃用钢所制作的搪玻璃设备低温韧性同样较差，也无法满足-20℃以下服役要求。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种搪玻璃用钢，其旨在解决现有的搪玻璃用钢的加工困难、低温韧性差的问题。本发明所述的搪玻璃用钢具有优良可加工性和低温韧性，同时也具有优良的涂搪性，可以有效用于制作搪玻璃设备。
为了实现上述目的，本发明提供了一种搪玻璃用钢，其化学元素质量百分比为：
C：0.015～0.060％；
Si：0.01～0.50％；
Mn：0.20～1.5％；
P：0.005～0.10％；
Al：0.010～0.070％；
Ti：0.10～0.30％；
余量为Fe和其他不可避免的杂质；
其中所述搪玻璃用钢的微观组织为铁素体；或者铁素体+渗碳体。
具体来说，在本发明所述的搪玻璃用钢中，各化学元素的设计原理如下所述：
C：在本发明所述的搪玻璃用钢中，碳是重要的强化元素，随着钢中含碳量增加，强度提高但塑性和韧性下降。对于常规的搪玻璃用钢来说，钢中的微观组织主要由珠光体+铁素体组成，珠光体的组份越高钢的强度也越高。对于本发明搪玻璃用钢，尽量地降低含碳量，使得钢中的组织由铁素体或铁素体+渗碳体组成，以提高钢的塑性和低温韧性，改善钢的可加工性。因此在本发明所述的搪玻璃用钢中控制C的质量百分比在0.015～0.060％之间。
在一些优选的实施方式中，C的质量百分比可以控制在0.02～0.05％之间。
Si：在本发明所述的搪玻璃用钢中，Si是强化基体元素也是脱氧元素，能够提高钢板的强度以及在高温烧成时的抗软化能力。但Si含量过高，在提高强度的同时也会损害钢板的塑性和韧性，也不利于焊接。综合考虑Si对镁合金的性能改善效果和不利因素，在本发明所述的搪玻璃用钢中控制Si的质量百分比在0.01～0.50％之间。
在一些优选的实施方式中，Si的质量百分比可以控制在0.10～0.40％之间。
Mn：在本发明所述的搪玻璃用钢中，Mn同Si一样，同样既是强化基体元素也是脱氧元素。同样能够提高钢板的强度以及在高温烧成时的抗软化能力。为了避免强度过高或强度波动范围过大不利于钢板的可加工性，提高钢板的塑性和低温韧性。在本发明所述的搪玻璃用钢中控制Mn的质量百分比0.20～1.5％之间。
在一些优选的实施方式中，Mn的质量百分比可以控制在0.50～1.2％之间。
P：在本发明所述的搪玻璃用钢中，P也是有益的强化元素，能够提高钢板的强度以及在高温烧成时的抗软化能力。但当磷的含量过高时，虽然提高了钢的强度，但同时也会损害钢板的塑性和韧性，不利于钢材后期的使用和焊接。因此，为了避免强度过高或强度波动范围过大对钢板的可加工性产生影响，提高钢板的塑性和低温韧性。在本发明所述的搪玻璃用钢中控制P的质量百分比在0.005～0.10％之间。
在一些优选的实施方式中，P的质量百分比控制在0.005～0.08％之间。
Al：在本发明所述的搪玻璃用钢中，Al是强脱氧元素，可以用于降低钢中的氧含量，从而减少钢中氧化物夹杂，提高钢的塑性和韧性。在本发明所述的搪玻璃用钢中，Al的质量百分比控制在0.010～0.070％之间。
Ti：在本发明所述的搪玻璃用钢中，Ti是强碳、氮化物形成元素，在钢中加入足量的Ti可以起到固定碳、氮，钛还和硫形成化合物的作用，最终可以形成的第二相粒子种类包括TiC、TiCN、TiN、TiS和Ti4C2S2等，它们可以以夹杂物和析出相的形式存在。此外，Ti的这些碳氮化物析出物在焊接时还可以起到阻止热影响区晶粒长大的作用，从而改善焊接性能。当钛含量过高时，钛优先和氮形成粗大的氮化钛夹杂物。因此，在本发明所述的搪玻璃用钢中控制Ti的质量百分比0.10～0.30％之间。
进一步地，在本发明所述的搪玻璃用钢中，其还含有下述各元素的至少其中之一：
Cu≤0.50％；
Cr≤0.50％；
Ni≤0.50％；
Mo≤0.50％；
并且满足：Cu+Cr+Ni+Mo≤1.0％，式中的Cu、Cr、Ni、Mo均表示其质量百分含量。
在本发明所述的搪玻璃用钢中，适量的铜、铬、镍和钼可以有效改善钢板在搪瓷过程中产生的气泡、提高搪瓷密着性。但过高含量的铜、铬、镍和钼不仅会提高合金成本，还容易在涂搪过程中，对搪瓷密着和表面质量产生影响。
进一步地，在本发明所述的搪玻璃用钢中，其满足Ti/C≥3.0，式中的Ti和C分别表示对应元素的质量百分含量。
进一步地，在本发明所述的搪玻璃用钢中，其满足Ti/C≥4.0，其满足Ti/C≥3.0，式中的Ti和C分别表示对应元素的质量百分含量。
在本发明所述的搪玻璃用钢中，钛的加入量和碳有关，通过控制Ti/C≥3.0这一技术特征，确保钢中不会形成珠光体组织，而是形成铁素体或铁素体+渗碳体组织，从而可以有效地提高钢的塑性和韧性、降低屈服强度，提高钢的可加工性和低温韧性。
在一些优选的实施方式中，钛和碳的含量可以满足Ti/C≥4.0。
进一步地，在本发明所述的搪玻璃用钢中，其中不可避免的杂质元素至少包括S和N，其中：S≤0.03％；并且/或者N≤0.008％。
在本发明所述的搪玻璃用钢中，硫在钢中可以与锰化合形成塑性夹杂物硫化锰，尤其对钢的横向塑性和韧性不利，因此硫的含量应尽可能地低。在添加钛的钢中，在一定程度上可以避免塑性硫化锰夹杂物的形成，而形成复合的硫化锰钛夹杂物，呈球形或圆形，减轻了硫化锰夹杂物对塑性和韧性的损害，这些夹杂物是有益的贮氢陷阱，可以有效提高钢板的抗鳞爆性能。但是如果硫的含量过高，其夹杂物颗粒就会越大，对塑性和韧性的损害就越大，因此，硫含量控制在S≤0.03％。
在含钛钢中，氮极易形成氮化钛夹杂物，由氮和钛的固溶度积，氮化钛可能在高温下甚至在钢液中就会析出形成粗大的夹杂物，这是一种呈方形或棱形的夹杂物，对钢的塑性和韧性损害很大，因此要尽量降低钢中含氮量，即控制N≤0.008％。
进一步地，在本发明所述的搪玻璃用钢中，其各化学元素还满足：Tieff/C≥4.0，其中Tieff＝Ti-1.5×S-3.43×N，式中的Ti、S和N均分别表示各对应元素的质量百分含量。
在本发明所述的搪玻璃用钢中，发明人通过多次试验创造性的发现，当Tieff/C≥4.0时，其中Tieff/C满足Tieff/C＝Ti-1.5×S-3.43×N时，可以显著降低钢的屈强比，实现在不过多地降低钢的抗拉强度的同时，使钢达到更好的屈服强度范围。
进一步地，在本发明所述的搪玻璃用钢中，还含有Nb：0.005～0.10％、V：0.005～0.05％、B：0.0005～0.005％中的至少其中之一。
在本发明所述的搪玻璃用钢中，Nb和V同钛一样也是强碳、氮化物形成元素，加入适量的铌和/或钒，可以替代部分的钛，因为钛含量越高，越容易形成粗大的TiN夹杂物，会损害钢板的塑性和韧性。Nb和V起着析出强化和固溶强化作用，其碳、氮化物的析出相也是有利的不可逆贮氢陷阱，以提高钢的抗鳞爆性能。B对提高钢的抗鳞爆性能十分有益。因此，在本发明所述的搪玻璃用钢中控制Nb的质量百分比在0.005～0.10％之间，控制V的质量百分比在0.005～0.05％之间，控制B的质量百分比在0.0005～0.005％之间。
进一步地，在本发明所述的搪玻璃用钢中，当含有Nb和V元素时，各化学元素满足：Ti+(48/93)Nb+(48/51)V≥4C，式中的Ti、Nb、V和C均分别表示各元素的质量百分含量。
进一步地，在本发明所述的搪玻璃用钢中，还含有Ca：0.001～0.005％、Mg：0.0005～0.005％中的至少其中之一。
在本发明所述的搪玻璃用钢中，Ca和Mg主要起到改变夹杂物特性的作用。由于提高钢板贮氢性能的要求，钢中含有较多的夹杂物和析出相，而细化的、呈球形的夹杂物不仅有利于提高贮氢作用还有利于减轻对钢的塑性、韧性的损害，微量的Ca或/和Mg可以起到改变夹杂物特性的作用。因此，在本发明所述的搪玻璃用钢中还可以控制Ca的质量百分比在0.001～0.005％之间，Mg的质量百分比在0.0005～0.005％之间。
进一步地，在本发明所述的搪玻璃用钢中，其各化学元素含量进一步满足下述各项的至少其中之一：
C：0.02～0.05％；
Si：0.10～0.40％；
Mn：0.50～1.2％；
P：0.005～0.08％。
进一步地，在本发明所述的搪玻璃用钢中，C元素含量为0.035～0.045％。
进一步地，在本发明所述的搪玻璃用钢中，其性能满足下述各项的至少之一：屈服强度为205～345MPa，延伸率A50≥30％，-40℃夏比冲击功Akv≥34J，屈强比≤0.8。
相应地，本发明的另一目的在于提供一种搪玻璃用钢的制造方法，采用该制造方法所获得的搪玻璃用钢，具有优良可加工性和低温韧性，同时也具有优良的涂搪性。
为了实现上述目的，本发明提出了上述的搪玻璃用钢的制造方法，包括步骤：
(1)冶炼，精炼，连铸，以得到板坯；
(2)加热：加热温度1050～1250℃；
(3)热轧：控制热轧终了温度为800～920℃；
(4)冷却；
(5)热处理。
在本发明所述的搪玻璃用钢的制造方法中，在所述步骤(1)中，转炉冶炼和精炼的目的在于脱去钢中的有害元素和杂质元素，加入必要的合金元素，达到设计的目标成分要求。采用连铸方式铸成板坯，连铸较模铸具有成分均匀、表面质量好等特点，因此以连铸工艺制造的钢板性能更均匀，更适合用于搪玻璃用钢的制造。在所述步骤(2)中，加热温度控制在1100～1250℃范围内，可以使板坯经过充分加热后，钢中的微观组织完全奥氏体化和均匀化，从而获得轧后显微组织均匀的钢。采用上述加热温度，可以实现在加热过程中，大量的钛、铌和钒等的夹杂物和析出相会有部分或全部溶解呈固溶状态，在随后的轧制和冷却过程中会重新析出成较小的粒子，同时这些析出相也可以起着阻止晶粒长大的作用。在所述步骤(3)中，控制热轧终了温度为800～920℃，能够保证轧后铁素体组织的充分转变和晶粒长大，也防止晶粒的异常长大。呈固溶状态的钛、铌和钒等合金元素随着热轧变形的进行和温度的下降，重新析出呈细小、弥散的粒子分布在铁素体基体上，一方面固定了钢中的碳、氮等元素，另一方面也有利于细化铁素体晶粒。
进一步地，在本发明所述的搪玻璃用钢的制造方法中，在步骤(4)中，采用空冷或水冷。
在本发明所述的技术方案中，可以采用空冷或水冷的冷却方式。
当采用空冷的冷却方式时，既可以采取单张钢板冷却也可以多张钢板堆冷的方式进行空冷，冷至室温。
进一步地，在本发明所述的搪玻璃用钢的制造方法中，在步骤(4)中，当采用水冷进行冷却时，控制终冷温度为650～750℃，冷却速率不大于50℃/s。
在本发明所述的技术方案中，水冷的终冷温度为650～750℃，水冷是为了加速冷却，进而有效阻止铁素体晶粒和析出相的进一步长大，有利于提高钢板的塑性、韧性，防止铁素体晶粒的异常长大，细小的析出相对提高钢板的贮氢性能有益。加速冷却还可以加快生产节奏，但过高的冷却速率会带来不好的板型甚至造成铁素体未充分再结晶和晶粒长大，因此在采用水冷进行冷却时，控制冷却速率不大于50℃/s。
进一步地，在本发明所述的搪玻璃用钢的制造方法中，在步骤(5)中，热处理温度为880～980℃。
在本发明所述的技术方案中，必要的热处理通过奥氏体化后再转变成铁素体，适当降低钢的屈服强度，提高钢的韧性，进而更好地提高钢板的可加工性和低温韧性。
本发明所述的搪玻璃用钢及其制造方法相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：
与现有技术相比，本发明通过钢材成分和加工工艺的控制，可以稳定地控制钢板的屈服强度在一个合适的范围内，降低屈服强度过高或波动过大对加工性的不利影响。本发明搪玻璃用钢的延伸率A50≥30％，可以满足复杂成型零件的制作要求。所制作的搪玻璃容器达到-40℃甚至更低温度下的冲击韧性要求。本发明所述的搪玻璃用钢屈服强度满足205～345MPa，延伸率A50≥30％，-40℃夏比冲击功Akv≥34J，屈强比≤0.8。相对于现有技术具有优良可加工性和低温韧性，同时也具有优良的涂搪性，可以有效用于制作搪玻璃设备。
附图说明
图1显示了本发明所述的搪玻璃用钢在实施例2中热轧态的微观组织形貌。
图2显示了本发明所述的搪玻璃用钢在实施例2中热轧板经5次模拟高温烧成后的微观组织形貌。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例和说明书附图对本发明所述的搪玻璃用钢及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
实施例1-6
本发明所述的搪玻璃用钢采用以下步骤制得：
(1)冶炼，精炼，连铸，以得到板坯。
(2)加热：加热温度1050～1250℃。
(3)热轧：控制热轧终了温度为800～920℃。
(4)冷却：采用空冷或水冷，当采用空冷时,冷却至室温；当采用水冷时,控制终冷温度为650～750℃，冷却速率不大于50℃/s。
(5)热处理：热处理温度为880～980℃。
表1列出了实施例1-6的搪玻璃用钢的各化学元素的质量百分配比。
表1.(wt％，余量为Fe和其他不可避免的杂质)
Figure BDA0002391712040000081
表2列出了实施例1-6的制造方法的各步骤的具体工艺参数。
表2.
Figure BDA0002391712040000082
Figure BDA0002391712040000091
表3列出了实施例1-6的搪玻璃用钢的相关性能参数。
表3.
Figure BDA0002391712040000092
从表3可以看出实施例1-6的搪玻璃用钢性能优异，屈服强度为245～312MPa，延伸率A50≥36％，-40℃夏比冲击功Akv≥86J，屈强比Rp0.2/Rm≤0.8。说明了钢板具有优良的塑性，同时有着合适的屈服强度控制范围，在用于制作搪玻璃容器时，无论是对于封头的冲压还是罐身的卷曲，以及各种冲孔加工等既满足了各种加工成型的塑性要求，又不至于因为钢板过高的强度或硬度带来加工困难和较大的回弹，并可以减少冲压和卷曲的次数。
此外，从表3中的冲击试验韧性可以看出，不同成分和加工工艺的搪玻璃用钢在0℃、-20℃的冲击功均高于100J，-40℃的冲击功也高于标准要求的34J，完全满足制作-20℃以下温度的搪玻璃设备的要求。明显优于目前应用的搪玻璃用钢，由此说明上述的搪玻璃用钢具有优良可加工性和低温韧性，同时也具有优良的涂搪性，有良好的推广应用价值和市场前景。
图1显示了本发明所述的搪玻璃用钢在实施例2中热轧态的微观组织形貌。从图1中可以看出，本实施例中的搪玻璃用钢在热轧态时，在光学显微镜下微观组织主要由铁素体组成，晶粒呈均匀的等轴晶形状，平均晶粒直径不大于40m。
图2显示了本发明所述的搪玻璃用钢在实施例2中热轧板经5次模拟高温烧成后的微观组织形貌。具体的热处理工艺为：900℃×10min+空冷(1次)→940℃×10min+空冷(1次)→870℃×10min+空冷(3次)。从图2中可以看出，本实施例中的搪玻璃用钢经5次模拟高温烧成后的微观组织仍为等轴的铁素体组织，相比热轧态下晶粒略有长大，但仍保持细小、均匀。
需要注意的是，以上所列举实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种搪玻璃用钢，其特征在于，其化学元素质量百分比为：
C：0.015～0.060％；
Si：0.01～0.50％；
Mn：0.20～1.5％；
P：0.005～0.10％；
Al：0.010～0.070％；
Ti：0.10～0.30％；
余量为Fe和其他不可避免的杂质；
其中所述搪玻璃用钢的微观组织为铁素体；或者铁素体+渗碳体。
2.如权利要求1所述的搪玻璃用钢，其特征在于，其还含有下述各元素的至少其中之一：
Cu≤0.50％；
Cr≤0.50％；
Ni≤0.50％；
Mo≤0.50％；
并且满足：Cu+Cr+Ni+Mo≤1.0％。
3.如权利要求1所述的搪玻璃用钢，其特征在于，其满足Ti/C≥3.0。
4.如权利要求3所述的搪玻璃用钢，其特征在于，其满足Ti/C≥4.0。
5.如权利要求1所述的搪玻璃用钢，其特征在于，其中不可避免的杂质元素至少包括S和N，其中：S≤0.03％；并且/或者N≤0.008％。
6.如权利要求5所述的搪玻璃用钢，其特征在于，其各化学元素还满足：Tieff/C≥4.0，其中Tieff＝Ti-1.5×S-3.43×N。
7.如权利要求1所述的搪玻璃用钢，其特征在于，还含有Nb：0.005～0.10％、V：0.005～0.05％、B：0.0005～0.005％中的至少其中之一。
8.如权利要求7所述的搪玻璃用钢，其特征在于，当含有Nb和V元素时，各化学元素满足：Ti+(48/93)Nb+(48/51)V≥4C。
9.如权利要求1所述的搪玻璃用钢，其特征在于，还含有Ca：0.001～0.005％、Mg：0.0005～0.005％中的至少其中之一。
10.如权利要求1所述的搪玻璃用钢，其特征在于，其各化学元素含量进一步满足下述各项的至少其中之一：
C：0.02～0.05％；
Si：0.10～0.40％；
Mn：0.50～1.2％；
P：0.005～0.08％。
11.如权利要求10所述的搪玻璃用钢，其特征在于，C元素含量为0.035～0.045％。
12.如权利要求1-11中任意一项所述的搪玻璃用钢，其特征在于，其性能满足下述各项的至少之一：屈服强度为205～345MPa，延伸率A50≥30％，-40℃夏比冲击功Akv≥34J，屈强比≤0.8。
13.如权利要求1-12中任意一项所述的搪玻璃用钢的制造方法，其特征在于，其包括步骤：
(1)冶炼，精炼，连铸，以得到板坯；
(2)加热：加热温度1050～1250℃；
(3)热轧：控制热轧终了温度为800～920℃；
(4)冷却；
(5)热处理。
14.如权利要求13所述的制造方法，其特征在于，在步骤(4)中，采用空冷或水冷。
15.如权利要求14所述的制造方法，其特征在于，在步骤(4)中，当采用水冷进行冷却时，终冷温度为650～750℃，冷却速率不大于50℃/s。
16.如权利要求13-15中任意一项所述的制造方法，其特征在于，在步骤(5)中，热处理温度为880～980℃。
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