CN114867881B - 具有优异延性的高强度钢及其制造方法 - Google Patents

具有优异延性的高强度钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了具有高强度特性并且还具有优异延伸率的钢及其制造方法。

Description

具有优异延性的高强度钢及其制造方法
技术领域
本公开涉及高强度钢材料及其制造方法，更特别地，涉及具有优异延性的高强度钢材料及其制造方法。
背景技术
用于船舶、海上结构、建筑结构等的结构钢材料往往需要用于其用途的高强度特性。为了在满足钢结构所需的结构强度的同时减少结构的重量，钢材料的强度应是优异的。
另一方面，在制造钢结构的过程中，弯曲成形通常伴随着弯曲，但如果延性不足，则在弯曲成形期间在钢板中可能出现撕裂。当钢板由于这样的弯曲成形被撕裂时，可能出现制造时间显著长的问题。
此外，船体的外壁可能由于在船舶运转期间船舶之间的搁浅或碰撞而被撕裂。在这种情况下，这可能导致淹没或下沉，从而导致对生命和财产的损害。特别地，如果船舶的货物为原油或石油产品，则这可能导致严重的海洋环境事故。
由此可见，为了防止钢板由于船舶运转期间的碰撞或者制造钢结构期间的弯曲成形引起的撕裂，以及为了防止船体的外壁在因外部物体碰撞的情况下被撕裂，应用于外壁的钢材料的延性必须足够高以吸收冲击能。
然而，由于强度与延性彼此成反比，因此可能不容易制造同时具有优异的强度和延性的钢板。然而，为了解决如上所述的问题做出了许多努力。
例如，在专利文献1中，作为主相的铁素体的平均晶粒尺寸为3μm至12μm，铁素体分数被控制为90％或更大，以及第二相的平均等效圆直径被控制为0.8μm或更小。由此，描述了抗拉强度为490MPa或更大并且均匀延伸率为15％或更大的具有优异碰撞吸收特性的钢板。
专利文献1描述了具有490MPa或更大的抗拉强度和15％或更大的均匀延伸率的钢板。然而，虽然总延伸率(或断裂延伸率)与均匀延伸率相比与钢板的断裂更相关，但并没有清楚地描述本公开所确保的总延伸率。
专利文献2描述了通过应用在轧制之后的冷却过程中包括前冷却、空气冷却和后冷却的制造条件的钢材料，其中组织由铁素体和硬的第二相组成，铁素体在板的总厚度中的体积分数为75％或更大，硬度为140Hv或更大、160或更小，以及平均晶粒尺寸为2μm或更大。由此，可以提供具有490MPa或更大的抗拉强度和20％或更大的均匀延伸率的钢材料。
专利文献2具有优异的490MPa或更大的抗拉强度和20％或更大的均匀延伸率。然而，即使均匀延伸率是优异的，但总延伸率也不一定是优异的，因此关于与断裂延伸率相对应的总延伸率的程度是多少尚不清楚。
在专利文献3中，为了增大碰撞期间的能量吸收能力，描述了具有由铁素体主相和主要由珠光体构成的第二相组成的显微组织的厚钢板。此外，描述了在第二相的硬度、分数、平均面积和平均外围长度满足预定条件时铁素体的平均位错密度降低至一定水平以下的厚钢板。为此，公开了其中将钢材料加热至高于一般再加热温度的高温，然后进行控制轧制，以及进行空气冷却或软水冷却的制造方法。
专利文献4描述了用于通过满足80％至95％的铁素体面积分数和5％至20％的珠光体面积分数，并且通过限制铁素体的晶粒尺寸、纵横比和位错密度来制造使表面层与厚度中心之间的硬度差最小化的具有高强度和高延性的钢板。由此，可以提供具有490MPa或更大的抗拉强度以及根据板的厚度的23％至40％或更大的延伸率的钢板。
专利文献3和4可以制造具有490MPa或更大的抗拉强度和优异延性的钢板。然而，为了将S控制为0.003％或更小，在炼钢过程中不可避免地伴随着负荷。此外，再加热温度在正常范围之外，因此制造钢板中的困难是预料到的。
(现有技术文献)
(专利文献1)韩国专利第10-0914590号
(专利文献2)韩国专利公开第10-2016-0104077号
(专利文献3)日本专利第5994819号
(专利文献4)日本专利第6007968号
发明内容
技术问题
本公开的一个方面是提供具有高强度特性并且还具有优异延性的钢材料及其制造方法。
本公开的目的不限于以上描述。本领域技术人员将根据本说明书的总体描述在获得本公开的另外目的的理解方面没有困难。
技术方案
根据本公开的一个方面，具有优异延性的高强度钢材料按重量％计包含：碳(C)：0.14％至0.17％、硅(Si)：0.3％至0.5％、锰(Mn)：0.9％至1.2％、磷(P)：0.02％或更小、硫(S)：0.005％或更小、铝(Al)：0.01％至0.06％、钛(Ti)：0.005％至0.02％、铌(Nb)：0.005％至0.02％、氮(N)：0.002％至0.006％，以及余量中的Fe和其他不可避免的杂质，包含由作为基体组织的多边形铁素体和作为残余组织的珠光体组成的复合组织的显微组织，其中多边形铁素体的晶粒尺寸为4μm至8μm，以及其中钢材料的厚度为15mm或更小。
珠光体的分数可以为20面积％至30面积％。
钢材料可以具有355MPa或更大的屈服强度、490MPa或更大的抗拉强度、30％或更大的均匀延伸率。
根据本公开的另一个方面，制造具有优异延性的高强度钢材料的方法包括：将钢坯在1100℃至1200℃的范围内的温度下再加热，所述钢坯按重量％计包含：碳(C)：0.14％至0.17％、硅(Si)：0.3％至0.5％、锰(Mn)：0.9％至1.2％、磷(P)：0.02％或更小、硫(S)：0.005％或更小、铝(Al)：0.01％至0.06％、钛(Ti)：0.005％至0.02％、铌(Nb)：0.005％至0.02％、氮(N)：0.002％至0.006％，以及余量中的Fe和其他不可避免的杂质；对经再加热的钢坯进行粗轧；对经粗轧的钢坯在850℃至950℃的精轧结束温度下进行精轧以获得厚度为15mm或更小的经轧制的钢材料；以及将经轧制的钢材料空气冷却。
空气冷却的冷却速率可以为1℃/秒至5℃/秒。
精轧的累积轧制压下率可以为70％至90％。
有益效果
根据本公开的一个方面，可以提供具有高强度特性并且还具有优异延性的钢材料及其制造方法。
具体实施方式
在下文中，将描述本公开中的优选示例性实施方案。本公开中的示例性实施方案可以以各种形式修改，并且本公开的范围不应被解释为限于以下阐述的示例性实施方案。提供这些示例性实施方案为了向本公开所属领域的普通技术人员更详细地描述本公开。
在下文中，将详细地描述本公开。
在下文中，将详细地描述本公开的钢的合金组成。
在本公开中，除非另有说明，否则表示各元素的含量的％基于重量。
根据本公开的一个方面，具有优异延性的钢材料按重量％计包含：碳(C)：0.14％至0.17％、硅(Si)：0.3％至0.5％、锰(Mn)：0.9％至1.2％、磷(P)：0.02％或更小、硫(S)：0.005％或更小、铝(Al)：0.01％至0.06％、钛(Ti)：0.005％至0.02％、铌(Nb)：0.005％至0.02％、氮(N)：0.002％至0.006％，以及余量中的Fe和其他不可避免的杂质。
碳(C)：0.14％至0.17％
碳(C)是通过影响珠光体分数来决定抗拉强度的元素。因此，在本公开中，其中轧制之后的空气冷却是必不可少的而不是水冷却，足够的碳(C)含量对于确保抗拉强度是必不可少的。即，为了确保本公开中的目标抗拉强度，应添加0.14％或更大。另一方面，如果其含量超过0.17％，可以确保抗拉强度，但难以确保本公开中的目标延性。由于延性与珠光体面积分数成反比，因此当碳(C)含量增加时，珠光体增加，这不利于确保延性。
因此，碳(C)的含量可以为0.14％至0.17％，更优选地为0.15％至0.165％。
硅(Si)：0.3％至0.5％
硅(Si)是对脱氧有效并提高淬透性的元素，因此为了确保抗拉强度其应以0.3％或更大的量添加。然而，当其含量超过0.5％时，抗拉强度过高，并且延性由于强度增加而降低，使得难以确保本公开中的目标延伸率。
因此，硅(Si)的含量可以为0.3％至0.5％，更优选地为0.35％至0.5％。
锰(Mn)：0.9％至1.2％
锰(Mn)是提高淬透性的元素，因此为了确保抗拉强度，其应以0.9％或更大的量添加。然而，当其含量超过1.2％时，存在抗拉强度太高且延性降低的问题。
因此，锰(Mn)的含量可以为0.9％至1.2％，更优选地为1.0％至1.2％。
磷(P)：0.02％或更小
磷(P)是在钢材料的制造过程期间不可避免包含的杂质，并且由于延性的降低而必须使其最小化。然而，为了降低磷(P)含量，钢制造过程期间的负荷增加并且钢制造成本增加，因此将上限限制为0.02％。
因此，磷(P)的含量可以为0.02％或更小，更优选地为0.012％或更小。
硫(S)：0.005％或更小
硫(S)是在钢材料的制造过程期间不可避免包含的杂质，并且由于其通过形成MnS而显著地降低钢材料的延性，因此必须使其最小化。然而，为了降低硫(S)含量，钢制造过程期间的负荷增加并且钢制造成本增加，因此将上限限制为0.005％。
因此，硫(S)的含量可以为0.005％或更小，更优选地为0.003％或更小。
铝(Al)：0.01％至0.06％
铝(Al)与Si类似是对脱氧有效的元素，并且为了脱氧应以0.01％或更大的量包含在内。然而，如果其含量超过0.06％，则焊接部分的韧性可能降低。
因此，铝(Al)的含量可以为0.01％至0.06％，更优选地为0.02％至0.04％。
钛(Ti)：0.005％至0.02％
钛(Ti)与N结合以形成抑制再加热时奥氏体的粗大生长的TiN，从而通过细化最终显微组织的铁素体晶粒而有助于改善抗拉强度，因此，应添加至少0.005％。然而，当其含量超过0.02％时，TiN变得粗大并且可能无法防止奥氏体在高温下生长。为此原因，可能无法确保最终组织中的铁素体的细化，并且难以确保本公开中目标抗拉强度和延伸率。
因此，钛(Ti)的含量可以为0.005％至0.02％，更优选地为0.007％至0.015％。
铌(Nb)：0.005％至0.02％
由于铌(Nb)通过扩大奥氏体的非再结晶区域使轧制期间的奥氏体扁平化，因此其使最终显微组织中的铁素体的晶粒细化。因此，由于要同时提高钢的抗拉强度和延伸率，因此应添加0.005％或更大。然而，当其含量超过0.02％时，存在钢的焊接性极大降低的问题。
因此，铌(Nb)的含量可以为0.005％至0.02％，更优选地为0.007％至0.015％。
氮(N)：0.002％至0.006％
氮(N)通过与Ti形成TiN来抑制再加热期间奥氏体的粗大生长，因此应添加0.002％或更大。然而，当其含量超过0.006％时，存在钢板的表面品质极大劣化的问题。
因此，氮(N)的含量可以为0.002％至0.006％，更优选地为0.003％至0.005％。
本公开的钢材料可以包含剩余部分的铁(Fe)和其他不可避免的杂质。在常规的钢制造过程中，可能从原料或周围环境中不可避免地并入非预期的杂质，因此，可能无法排除。由于这些杂质可能对普通钢制造过程中的技术人员是已知的，因此所有这些可能在本公开中没有被具体提及。
在下文中，将详细地描述本公开的钢的显微组织。
在本公开中，除非另有说明，否则表示显微组织分数的％基于面积。
满足上述合金组成的本公开的钢材料包含20％至30％的珠光体和剩余部分的多边形铁素体作为显微组织，并且多边形铁素体的晶粒尺寸可以为4μm至8μm。
显微组织可以包含20％至30％的珠光体和剩余部分的多边形铁素体。
为了确保具有由多边形铁素体和珠光体组成的显微组织的钢的抗拉强度，多边形铁素体的晶粒尺寸必须显著地细或珠光体分数必须高。为了使多边形铁素体晶粒尺寸显著地细，需要许多工业上的努力，例如显著低的再加热温度或增加轧制期间的压下率。通过一般的厚钢板轧制，使铁素体晶粒尺寸为2μm或更小是非常困难的。此外，当铁素体晶粒尺寸低于一定水平时，均匀延伸率极大地降低并且总延伸率也相应地降低。因此，为了确保本公开的目标抗拉强度，在减小铁素体晶粒尺寸的同时珠光体分数应足够高。如果珠光体面积分数小于20％，则难以确保本公开中目标抗拉强度，并且如果其超过30％，则难以确保延伸率。
优选的是其他组织中不包含贝氏体。当包含贝氏体时，强度增加，但是可能难以确保本公开中的目标延性。
基于等效圆直径，铁素体晶粒尺寸可以为4μm至8μm。
如果铁素体晶粒尺寸小于4μm时，则强度增加，但由于均匀延伸率降低，因此难以确保总延伸率。另一方面，如果尺寸超过8μm，则难以确保抗拉强度。
在下文中，将详细地描述本公开的钢制造方法。
根据本公开的一个方面的钢材料可以通过对满足如上所述的合金组成的钢坯进行再加热、热轧和冷却的过程步骤来制造。
再加热
可以将满足如上所述的合金组成的钢坯再加热至1100℃至1200℃的范围内的温度。
再加热温度可以根据奥氏体粗化和Nb固溶体来确定。再加热温度越高，奥氏体越粗，并且Nb固溶体的量增加越大，这使轧制过程期间的奥氏体扁平化。当再加热温度超过1200℃时，Nb固溶体增加，但是奥氏体在再加热期间变得太粗大，因此存在最终显微组织中的多边形铁素体晶粒未充分细化的问题。另一方面，如果温度低于1100℃，则Nb固溶体变得不充分，并且可能无法充分地实现轧制期间的奥氏体的扁平化，因此可能对多边形铁素体的细化存在限制。
再加热时间取决于钢坯的厚度。再加热时间没有特别限制，但通常，每1mm的钢坯厚度加热约1分钟是充分的。
热轧
热轧通过分为粗轧和精轧来进行。
粗轧
可以紧接着在将经再加热的板坯从再加热炉中取出之后对其进行粗轧。
粗轧包括加宽轧制以确保最终钢板的宽度，并且将板坯轧制至精轧开始的厚度。
精轧
可以将经粗轧的钢材料在850℃至950℃的精轧结束温度下进行精轧。
当精轧结束温度低于850℃时，最终组织中的多边形铁素体晶粒尺寸基于等效圆直径为小于4μm。使得，可以充分确保高强度。然而，由于随着强度增加而延伸率降低，因此难以确保本公开中的目标延性。另一方面，当温度超过950℃时，多边形铁素体粒径尺寸基于等效圆直径超过8μm，使得难以确保本公开中的目标抗拉强度。
精轧的累积轧制压下率可以为70％至90％。
如果精轧的累积轧制压下率小于70％，则多边形铁素体无法充分地细化并且难以确保强度，并且如果其超过90％，则难以确保延伸率。
冷却
可以以1℃/秒至5℃/秒的冷却速率将经轧制的钢材料空气冷却。
当应用空气冷却时，有利于获得仅由多边形铁素体和珠光体组成的显微组织。另一方面，当应用水冷却时，不仅珠光体而且贝氏体作为第二相包含在内，因此强度过度增加，并且与空气冷却相比钢材料的冷却变化变大，从而增大了延伸率的变化。出于同样的原因，即使用空气冷却，如果冷却速率太快，则可能出现如上所述的问题，因此冷却速率的上限可以为5℃/秒。然而，如果空气冷却速率太慢，则多边形铁素体变粗并且难以确保抗拉强度。因此，冷却速率必须为1℃/秒或更大。此外，由于钢板的空气冷却速率可以根据钢板的厚度来确定，因此可以将钢板的厚度限制为15mm或更小以确保1℃/秒或更大的钢板的空气冷却速率。在本公开中，钢板通过常规轧制来制造，并且钢板的厚度的下限没有限制。
如上所述制造的本公开的钢材料具有355MPa或更大的屈服强度、490MPa或更大的抗拉强度、和30％或更大的均匀延伸率，并且可以在具有强度特性的同时具有优异的延性。
在下文中，将通过以下实施例具体地描述本公开。然而，应注意，以下实施例仅用于通过举例说明来详细描述本公开，并且不旨在限制本公开的权利范围。
发明实施方式
(实施例)
制造具有表1所示的合金组分的钢水，并且通过连铸方法将其铸造成厚度为250mm的钢坯。将制造的钢坯在表2所示的条件下再加热、轧制和冷却以制备厚度为11mm和15mm的钢板。对于冷却，应用空气冷却和水冷却。在空气冷却的情况下，在厚度为15mm或更小的钢中，冷却速率满足1℃/秒至5℃/秒。对于水冷却，应用18℃/秒的冷却速率，并将冷却结束温度设定为约710℃，并且应用在加速冷却之后空气冷却至室温的条件。
[表1]
[表2]
为了分析钢板的显微组织，从制造的钢板在板厚度的1/4点处取试样。其后，对试样进行抛光并用nital腐蚀溶液蚀刻，然后在光学显微镜下观察。使用连接至光学显微组织的图像分析仪来测量对应于多边形铁素体晶粒尺寸的平均等效圆直径、珠光体面积分数和贝氏体面积分数，并且示于表3中。
此外，通过从制造的钢板在钢板宽度的1/4处的点处取抗拉试样来进行抗拉测试。使得试样的长度与钢板的宽度方向平行来加工抗拉试样。根据为韩国船级社(KR)中列出的比例试样的R14B试样的规定，试样宽度为25mm，试样厚度为钢板厚度，并且标距长度为5.65×√(试样宽度×试样厚度)。其被加工为比例试样。表3示出了加工的抗拉试样通过在室温下进行抗拉测试的屈服强度、抗拉强度和均匀延伸率。
[表3]
如表1至表3所示，发明例1至8满足本公开的所有的合金组成和制造条件，从而满足本公开中的目标所有的屈服强度、抗拉强度和均匀延伸率。
然而，在比较例1中，C含量低于本公开的范围，珠光体分数小于20％并且抗拉强度未达到490MPa。
在比较例2中，C含量高于本公开的范围，珠光体分数超过30％，并因此屈服强度和抗拉强度是优异的。但是延性差，因此无法确保本公开中的目标延伸率。
由于因Nb含量不足而导致多边形铁素体晶粒尺寸在本公开的范围之外，因此比较例3不满足本公开中的屈服强度和延伸率目标。
比较例4满足本公开的合金组成。但是由于因再加热温度过高而导致无法充分地控制多边形铁素体晶粒尺寸，因此无法确保本公开中的目标延伸率。
在比较例5中，精轧结束温度在本公开的范围之外，并且多边形铁素体晶粒尺寸太小，因此均匀延伸率不好。
在比较例6中，应用水冷却代替空气冷却作为轧制之后的冷却方法，并且虽然形成作为第二相的珠光体和贝氏体，强度优异，但无法确保本公开中的目标延伸率。
在比较例7中，由于钢板的厚度超过15mm，因此轧制之后的冷却速率不足，从而可能无法确保屈服强度和抗拉强度。
在上文中，已经通过示例性实施方案详细描述了本公开，但是具有不同形式的其他示例性实施方案也是可能的。因此，以下阐述的权利要求的技术精神和范围不受示例性实施方案限制。

Claims (5)

1.一种具有优异延性的高强度钢材料，所述具有优异延性的高强度钢材料按重量％计包含：碳(C)：0.14％至0.17％、硅(Si)：0.3％至0.5％、锰(Mn)：0.9％至1.2％、磷(P)：0.02％或更小、硫(S)：0.005％或更小、铝(Al)：0.01％至0.06％、钛(Ti)：0.005％至0.02％、铌(Nb)：0.005％至0.02％、氮(N)：0.002％至0.006％，以及余量中的Fe和其他不可避免的杂质，
包含由作为基体组织的多边形铁素体和20面积％至30面积％的珠光体组成的复合组织的显微组织，
其中多边形铁素体的晶粒尺寸为4μm至8μm，以及
其中所述钢材料的厚度为15mm或更小。
2.根据权利要求1所述的具有优异延性的高强度钢材料，其中所述钢材料具有355MPa或更大的屈服强度、490MPa或更大的抗拉强度、30％或更大的均匀延伸率。
3.一种制造具有优异延性的高强度钢材料的方法，所述方法包括：
将钢坯在1100℃至1200℃的范围内的温度下再加热，所述钢坯按重量％计包含：碳(C)：0.14％至0.17％、硅(Si)：0.3％至0.5％、锰(Mn)：0.9％至1.2％、磷(P)：0.02％或更小、硫(S)：0.005％或更小、铝(Al)：0.01％至0.06％、钛(Ti)：0.005％至0.02％、铌(Nb)：0.005％至0.02％、氮(N)：0.002％至0.006％，以及余量中的Fe和其他不可避免的杂质；
对经再加热的钢坯进行粗轧；
对经粗轧的钢坯在850℃至950℃的精轧结束温度下进行精轧以获得厚度为15mm或更小的经轧制的钢材料；以及
将所述经轧制的钢材料空气冷却。
4.根据权利要求3所述的制造具有优异延性的高强度钢材料的方法，其中空气冷却的冷却速率为1℃/秒至5℃/秒。
5.根据权利要求3所述的制造具有优异延性的高强度钢材料的方法，其中精轧的累积轧制压下率为70％至90％。
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