JP2015533942A - Alloy steel for low alloy high strength steel - Google Patents

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Abstract

本発明は、帯鋼、シートおよびパイプの製造のための、低合金高張力の炭化物を含まないベイナイト鋼であって、重量%で以下の化学組成:0.10〜0.70のC、0.25〜4.00のSi、0.05〜3.00のAl、1.00〜3.00のMn、0.10〜2.00のCr、0.001〜0.50のNb、0.001〜0.025のN、最大で0.15のP、最大で0.05のSを有し、残部は鉄および鉄鋼のトランプ元素であり、Mo、Ni、Co、W、Nb、Ti、またはVおよびZrおよび希土類の1種または複数の元素を任意選択で有し、ただし、AlNの一次析出を避けるために条件Al?N<5?10−3(重量%)を満たし、かつセメンタイト形成を抑制するために条件Si+Al>4?C(重量%)を満たすことを条件とする、ベイナイト鋼に関する。The present invention is a bainite steel free of low alloy high tensile carbides for the production of steel strips, sheets and pipes, with the following chemical composition in weight percent: 0.10 to 0.70 C, 0 .25 to 4.00 Si, 0.05 to 3.00 Al, 1.00 to 3.00 Mn, 0.10 to 2.00 Cr, 0.001 to 0.50 Nb, 0 0.001 to 0.025 N, at most 0.15 P, at most 0.05 S, the balance being trump elements of iron and steel, Mo, Ni, Co, W, Nb, Ti Or optionally having one or more elements of V and Zr and rare earths, but satisfying the condition Al? N <5-10-3 (wt%) and cementite to avoid primary precipitation of AlN Condition to satisfy the condition Si + Al> 4? C (weight%) to suppress formation To, on the bainitic steel.

Description

本発明は、請求項1によれば、靱性(tenacious;ねばり強さ)を有し、同時に、優れた耐摩耗性を有する低合金高張力(strength;強度)鋼用の合金鋼に関する。   According to claim 1, the present invention relates to an alloy steel for low-alloy high-strength steel that has tenacious tenacity and at the same time has excellent wear resistance.

特に、本発明はこの合金から作られたパイプ、帯鋼(strip)およびシートに関し、それらから、例えば自動車産業用の部品例えば車両本体、支持構造物の部品、またはエアバッグ用チューブおよびシリンダチューブが製造される。建設機械(construction-machine)産業の分野において、この合金から作られた耐摩耗板は、例えば油圧ショベルに対する高度な耐摩耗性の要件が生じた場合にも使用することができる。このような鋼は、突然の衝撃エネルギーを吸収しなければならない用途、例えば防弾用の装甲(bullet proof armor)としても用いられる。   In particular, the present invention relates to pipes, strips and sheets made from this alloy, from which, for example, parts for the automotive industry such as vehicle bodies, parts of support structures, or airbag tubes and cylinder tubes. Manufactured. In the field of construction-machine industry, wear-resistant plates made from this alloy can also be used when high wear-resistance requirements arise, for example for hydraulic excavators. Such steels are also used in applications where sudden impact energy must be absorbed, such as bullet proof armor.

この合金から製造されたパイプは、熱間または冷間で帯鋼から、または継ぎ目なく製造される溶接管として構成することができ、場合によっては、円形形状とは異なる断面を有することができる。   Pipes made from this alloy can be configured either hot or cold, from steel strip or as welded pipes that are seamlessly produced, and in some cases can have a cross-section that differs from a circular shape.

この合金から作られた建設用(construction)のパイプまたはプレートは、特に高い応力に曝される溶接鋼構造(construction)、例えばクレーン構造、橋構造、ホイスト構造および重量車構造にも用いられ得る。   Construction pipes or plates made from this alloy can also be used in welded steel constructions that are exposed to particularly high stresses, such as crane structures, bridge structures, hoist structures and heavy vehicle structures.

重量および/または経費を軽減させると同時に、さらに高い強度および改良された加工特性と部品特性を求める要求によって、とりわけ炭化物を含まない鋼として「スーパーベイナイト」の名前でも知られる超微細粒子の二相鋼が開発されるに至った。残留オーステナイトのラメラを有するベイナイト系フェライト(bainitic ferrite)からなるこの種の微細構造の生成を、その上部および下部のベイナイトの微細構造と対比して図1に図式的に示す。   Due to the demand for higher strength and improved processing and part properties while reducing weight and / or cost, the ultra-fine grained two-phase, also known as “superbainite”, especially as a carbide-free steel Steel has been developed. The formation of this type of microstructure consisting of bainitic ferrite with residual austenite lamellae is shown schematically in FIG. 1 in contrast to the microstructure of the upper and lower bainite.

これらの鋼の特徴は、例えば1000〜約2000MPaの強度(引張強度)、引張強度に応じて少なくとも5%の破断時伸び率(破断伸度)、残留オーステナイト部分を有する極めて微細な(ナノ)構造のベイナイト系の微細構造である。   The characteristics of these steels are, for example, a strength (tensile strength) of 1000 to about 2000 MPa, an elongation at break (breaking elongation) of at least 5% depending on the tensile strength, and a very fine (nano) structure having a retained austenite portion. This is a bainite-based microstructure.

この超微細構造を生成する方法は、セメンタイトの析出とマルテンサイトの形成を回避しながら、ベイナイト領域において低温で相変態(transformation;形質転換)させることに基づく。ベイナイト例えばセメンタイトの中で析出する炭化物を抑制することが必要であり、その理由は、一方では、これらが破壊誘導可能な物質として強い脆化効果を有し、それによって必要とされる靭性(tenacity)の達成が妨げられており、そして、他方では、本発明による特性を達成するために必要な安定化されたオーステナイトの割合が得られないからである。   The method of generating this ultrastructure is based on transformation at low temperatures in the bainite region, avoiding the precipitation of cementite and the formation of martensite. It is necessary to suppress the carbides that precipitate in bainite, for example cementite, on the one hand because they have a strong embrittlement effect as a material that can be fracture-inducible and thereby the tenacity required. This is because the proportion of stabilized austenite necessary to achieve the properties according to the invention is not obtained.

しかしながら、これらの鋼の経済的利用は遅れている。これらの低い変態温度では、合金組成に依存して、変態のカイネティクス(transformation kinetic)が強く減速され、特に炭素含有量の増加と共に、恒温に保持する時間を数時間から1日または数日までとより長くさせ得るからである。しかしながら、そのような長い処理時間は、部品の経済的生産として受け入れられないので、変態を加速する解決手段として合金コンセプトが探究された。   However, the economic use of these steels has been delayed. At these low transformation temperatures, depending on the alloy composition, the transformation kinetics are strongly decelerated, especially with increasing carbon content, from a few hours to a day or days. This is because it can be made longer. However, since such long processing times are not acceptable for economic production of parts, the alloy concept has been explored as a solution to accelerate transformation.

48時間までのこのような長い恒温での変態時間を必要とする合金組成は、WO2009/075494A1から既知である。この鋼は、炭素と鉄の他に、高価なニッケル、モリブデン、硼素およびチタンを含むことでも不利であり、達成できる靭性はここで記載されている用途の分野にはまだ十分ではない。   An alloy composition which requires such a long constant transformation time up to 48 hours is known from WO2009 / 075494A1. This steel is also disadvantageous in that it contains expensive nickel, molybdenum, boron and titanium in addition to carbon and iron, and the toughness that can be achieved is not yet sufficient for the field of application described here.

鉄道線路用の炭化物を含まないベイナイト鋼は、例えばDE69631953T2から既知である。マンガン、クロムおよびさらなる元素、例えばモリブデン、ニッケル、バナジウム、タングステン、チタンおよび硼素の他、上記で開示される合金鋼は、1から3%の間のケイ素含有量を有する。   Bainitic steel free from carbides for railway tracks is known, for example, from DE 69631953T2. In addition to manganese, chromium and further elements such as molybdenum, nickel, vanadium, tungsten, titanium and boron, the alloy steel disclosed above has a silicon content between 1 and 3%.

この刊行物はまた、シリコンの他に、アルミニウムの添加がベイナイト中の炭化物の形成を減少させまたは抑制することができ、残りの残留オーステナイトを安定させることができることを言及している。この鋼によって、長い変態時間の不利な点を克服することもできるが、ここにおいて、対応するベイナイト系の微細構造は、空気(空気焼入れ)単独で連続的に冷却させることによって生成させ得る。   This publication also mentions that in addition to silicon, the addition of aluminum can reduce or inhibit the formation of carbides in bainite and stabilize the remaining retained austenite. With this steel, the disadvantages of long transformation times can be overcome, but here the corresponding bainite-based microstructure can be produced by continuous cooling with air (air quenching) alone.

この鋼は、強い摩耗応力に曝される鉄道線路についての要求に対して構成されるが、上記の応用分野用の帯鋼、シートおよびパイプ用には使うことができないか、または不経済である。これらの場合、耐摩耗性に対する要求の他に、強度および靭性の要件も満たされなければならないからである。さらに、それらのコンパクトな断面のために、線路の断面の寸法は、鋼の空冷の後に達成されるべき材料特性に関して合金化コンセプトを調整する必要がある帯鋼、シートおよびパイプの寸法と著しく異なる。既知の鋼の不利な点は、高価なチタンおよび他の合金元素、例えばニッケル、モリブデンおよびタングステンを添加する点でもある。   This steel is configured for the demands on railway tracks exposed to strong wear stresses, but cannot be used for the steel strips, sheets and pipes for the above applications or is uneconomical . In these cases, in addition to the requirements for wear resistance, the requirements for strength and toughness must also be met. In addition, because of their compact cross-section, the cross-section dimensions of the track are significantly different from the dimensions of steel strips, sheets and pipes where the alloying concept needs to be adjusted with respect to the material properties to be achieved after steel air cooling. . A disadvantage of the known steel is also the addition of expensive titanium and other alloying elements such as nickel, molybdenum and tungsten.

既知の鋼のさらなる課題は、アルミニウムが添加されたときに特に窒化アルミニウムの形成によって材料特性に悪影響を与える、窒素含有量に関する情報がない点である。   A further problem with the known steels is that there is no information about the nitrogen content which adversely affects the material properties, especially by the formation of aluminum nitride, when aluminum is added.

アルミニウムの添加の結果、鋼中に存在する窒素との親和性が大きいため、凝固の間に粗い窒化アルミニウムが形成されて鋼中に一次(primarily;主に)析出し、鋼の延性ノッチ衝撃靭性(ductility notch impact toughness)、バースト特性(bursting behavior)および寿命に大きなマイナスの効果を与え、これによって機械的特性を著しく悪化させる。   As a result of the addition of aluminum, the affinity with nitrogen present in the steel is high, so that rough aluminum nitride is formed during solidification and precipitates primary (primarily) in the steel, and the ductile notch impact toughness of the steel It has a large negative effect on (ductility notch impact toughness), bursting behavior and lifetime, thereby significantly degrading mechanical properties.

その結果、有害な窒化アルミニウムの析出量およびサイズは鋼中のそれぞれの窒素およびアルミニウム含有量に依存しているが、窒素が考慮されないため、具体的な材料特性は予測できないことから、シリコンの代わりにアルミニウムまたはさらなるアルミニウムが加えられるこの既知の合金鋼は、実践では使用不可能とされる。さらに、本発明による記載された応用の分野において達成できる靭性も十分に高くない。   As a result, the deposition and size of harmful aluminum nitride depends on the respective nitrogen and aluminum content in the steel, but since nitrogen is not taken into account, the specific material properties cannot be predicted, so that This known alloy steel, to which aluminum or further aluminum is added, is rendered unusable in practice. Furthermore, the toughness that can be achieved in the field of application described according to the invention is not sufficiently high.

合金鋼が満たすべき機械的特性についての要求は、以下の通りに要約され得る。
強度:1250〜2500MPa
破断伸度:12%以上
−20℃でのノッチ衝撃靭性:少なくとも15J
The requirements for the mechanical properties that the alloy steel should satisfy can be summarized as follows.
Strength: 1250-2500 MPa
Elongation at break: 12% or more Notch impact toughness at −20 ° C .: at least 15 J

本発明の目的は、帯鋼、シートおよびパイプの製造用の、靱性且つ耐摩耗性を有する、低合金で、高強度の、炭化物を含まないベイナイト鋼用の合金鋼を明らかにすることである。この鋼は、一方では、既知の合金鋼より費用効率が良く、他方では、例えば引張強度、破断伸度、靭性などの要求を満たす一定の材料特性を確保する。さらに、これらの材料特性は、空気焼入れによって残気(stationary air)で冷却するときにも、達成される。   The object of the present invention is to reveal a tough and wear-resistant, low alloy, high strength, carbide-free bainite steel for steel strips, sheets and pipes. . This steel, on the one hand, is more cost-effective than known alloy steels, and on the other hand ensures certain material properties that meet requirements such as tensile strength, breaking elongation, toughness and the like. Furthermore, these material properties are also achieved when cooling with stationary air by air quenching.

この目的は、請求項1の特徴と共にそのプレアンブル(preamble)に基づいて解決される。有利な改良は、従属請求項の発明である。   This object is solved on the basis of its preamble together with the features of claim 1. An advantageous refinement is the invention of the dependent claims.

ベイナイトの微細構造の分類を示す図である。It is a figure which shows the classification | category of the fine structure of a bainite. 変態挙動の概略図である。It is the schematic of transformation behavior. 試験の溶融17のシートの冷却における温度経過(残気による冷却と焼入れ)を示す図である。It is a figure which shows the temperature course (cooling and quenching by residual air) in the cooling of the sheet | seat of the melting 17 of a test. 従来の高強度鋼材と比較した試験した試験合金の機械的特性値を示す図である。It is a figure which shows the mechanical characteristic value of the test alloy tested compared with the conventional high strength steel materials. 微細構造の概略図、つまり、Nb(C,N)-析出を有する前述のオーステナイト粒子および配向が異なるサブ粒子の構造を示す図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a fine structure, that is, a structure of the austenite particles having Nb (C, N) -precipitation and sub-particles having different orientations. 窒化アルミニウム(AlN)の一次析出を予測する計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result which estimates the primary precipitation of aluminum nitride (AlN). 本発明の合金のX線スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the X-ray spectrum of the alloy of this invention.

本発明によれば、重量%で以下の化学組成:
0.10〜0.70のC、
0.25〜4.00のSi、
0.05〜3.00のAl、
1.00〜3.00のMn、
0.10〜2.00のCr、
0.001〜0.50のNb、
0.001〜0.025のN、
最大で0.15のP、
最大で0.05のS
を有し、残部は精錬関連の夾雑物を有する鉄(iron with smelting related contaminations。請求の範囲ではiron and steel tramp elements)であり、Mo、Ni、Co、W、Nb、TiまたはVおよびZrおよび希元素の1種または複数の元素を任意選択で有し、ただし、AlNの一次析出(primary precipitations)を避けるために条件Al×N<5×10−3(重量%)を満たし、セメンタイト形成を抑制するために条件Si+Al>4×C(重量%)を満たすことを条件とする、合金鋼が提供される。
According to the present invention, the following chemical composition in weight percent:
C of 0.10 to 0.70,
0.25 to 4.00 Si,
0.05 to 3.00 Al,
1.00 to 3.00 Mn,
0.10 to 2.00 Cr,
0.001 to 0.50 Nb,
0.001 to 0.025 N,
A maximum of 0.15 P,
S of up to 0.05
And the balance is iron with smelting related contaminations (in the claims, iron and steel tramp elements), Mo, Ni, Co, W, Nb, Ti or V and Zr and Optionally contains one or more rare elements, but meets the condition Al x N <5 x 10 -3 (wt%) to prevent primary precipitation of AlN and suppresses the formation of cementite Therefore, an alloy steel is provided that satisfies the condition Si + Al> 4 × C (% by weight).

任意選択により、希土類および反応性元素(reactive element)、例えばCe、Hf、La、Re、Scおよび/またはYの合計で1重量%まで添加することができる。   Optionally, a total of up to 1% by weight of rare earths and reactive elements such as Ce, Hf, La, Re, Sc and / or Y can be added.

パドル塊(puddle lump)または平板(slab)の状態において、本発明による鋼は、空気冷却後すでに1250MPa以上の強度(R)、12%以上の破断伸度、および−20℃で、少なくとも15Jの靭性(KBZ)を有する(表1参照)。微細構造は、炭化物を含まないベイナイトおよび残留オーステナイトからなり、少なくとも75%のベイナイト系フェライト、少なくとも10%の残留オーステナイト、および最大で5%のマルテンサイト(またはマルテンサイト相および/または分解したオーステナイト)の割合を有する。 In the state of a puddle lump or slab, the steel according to the invention is already at least 15 J at a strength (R m ) of 1250 MPa or more, an elongation at break of 12% or more and −20 ° C. after air cooling. Toughness (KBZ) (see Table 1). The microstructure consists of carbide free bainite and residual austenite, at least 75% bainite-based ferrite, at least 10% residual austenite, and up to 5% martensite (or martensite phase and / or decomposed austenite). Have a ratio of

本発明による合金鋼は、DE6906953T2およびWO2009/075494A1からの、炭化物を含まないベイナイト鋼の開発に基づいている。   The alloy steel according to the invention is based on the development of a carbide-free bainite steel from DE 6906953T2 and WO 2009 / 075494A1.

要求された材料特性を達成するための既知の合金鋼と比較して、本発明に基づいて実施された試験は、驚くべきことに、目標とする0.05から3.0重量%の範囲のアルミニウムおよび0.001から0.5重量%の範囲のニオブを添加して空気焼入れすることによって、優れた材料強度および耐摩耗性の他に、非常に良好な靭性が達成され得ることを示した。特に、ニオブの添加によって粒子の微細化により靭性特性が顕著に改善され、その結果、この合金は機械的特性および耐摩耗性に関する高度な要件を満たす。   Compared to known alloy steels to achieve the required material properties, the tests carried out according to the invention surprisingly have a target range of 0.05 to 3.0% by weight. In addition to excellent material strength and wear resistance, very good toughness can be achieved by adding aluminum and niobium in the range of 0.001 to 0.5 wt% and air quenching. . In particular, the addition of niobium significantly improves the toughness properties by grain refinement, so that this alloy meets the high requirements for mechanical properties and wear resistance.

また、0.10から2.00重量%の範囲のクロムの有利な添加の結果、材料特性に悪影響を及ぼし得る、粗い多角形のフェライト体の形成が効果的に回避されることができるように、フェライト形成のカイネティクスは決定的に制御され得る。この点に関して、アルミニウムとクロムの間の相互作用は重要である。アルミニウムがフェライトおよびベイナイト変態を加速する一方、クロムの添加はフェライト変態を遅延させる(図2参照)。目標とするこれらの2つの元素の組合せによって、フェライトおよびベイナイト形成のカイネティクスは制御され得る。   Also, as a result of the advantageous addition of chromium in the range of 0.10 to 2.00% by weight, the formation of coarse polygonal ferrite bodies that can adversely affect the material properties can be effectively avoided. The kinetics of ferrite formation can be critically controlled. In this regard, the interaction between aluminum and chromium is important. Aluminum accelerates the ferrite and bainite transformation, while the addition of chromium delays the ferrite transformation (see FIG. 2). Depending on the targeted combination of these two elements, the kinetics of ferrite and bainite formation can be controlled.

ベイナイト中に炭化物が析出するのを回避させるというアルミニウム添加の既知の有益な効果の他に、シリコンと比較してアルミニウムの添加によりベイナイト変態のカイネティクスが顕著に加速されることを、試験は示している。後者はまた、アルミニウムの含有量の増加と共に増加する。これは、本発明による鋼の靭性および強度が、シリコンだけで合金化された鋼と比較して、連続冷却の後、顕著に改善されることを意味し、すなわち、より高い靭性および強度の値が達成され得る。より厚い(例えば10mmを超える)シートにおいても、要求された機械的特性の組合せを達成するためには、10℃/sより大きい冷却速度が有利である。要求された機械的特性は、より薄いシートの場合は残気での冷却によって、または、合金化コンセプトを調整することによっても達成され得る。変態のカイネティクスに対する異なる合金元素の影響を、図2に示す。フェライト、パーライトおよびベイナイトの変態のカイネティクス、ならびにマルテンサイト開始温度に対するC、Si、Al、Mn、CrおよびMoの効果を、図式的に示す。   In addition to the known beneficial effect of adding aluminum to avoid carbide precipitation in bainite, tests show that the addition of aluminum significantly accelerates the kinetics of bainite transformation compared to silicon. ing. The latter also increases with increasing aluminum content. This means that the toughness and strength of the steel according to the invention is significantly improved after continuous cooling compared to the steel alloyed with silicon alone, i.e. higher toughness and strength values. Can be achieved. Even for thicker sheets (eg, greater than 10 mm), cooling rates greater than 10 ° C./s are advantageous to achieve the required combination of mechanical properties. The required mechanical properties can also be achieved by cooling with residual air in the case of thinner sheets or by adjusting the alloying concept. The effect of different alloying elements on the kinetics of transformation is shown in FIG. Figure 3 schematically shows the kinetics of the transformation of ferrite, pearlite and bainite and the effect of C, Si, Al, Mn, Cr and Mo on the martensite onset temperature.

本発明によれば、既知の鋼と比較して、鋼における一次析出としての有害な窒化アルミニウムの数およびサイズを最小化するために、窒素含有量が規定された上限0.025重量%を超えず、より好ましくは0.015重量%、またはさらに好ましくは0.010重量%を超えないことが、これらの有利な特性を達成するためには厳密に必要であり、その場合、さらに、Al×N<5×10−3の条件が満たされなければならない。さもなければ、粒子の微細化によって靭性を増加させるために必要とされるニオブ炭窒化物(niobium carbonitride)形成を可能にするために、窒素含有量の下限が0.001重量%、最適には0.0020重量%であることが必要である。 According to the present invention, the nitrogen content exceeds the specified upper limit of 0.025% by weight in order to minimize the number and size of harmful aluminum nitrides as primary precipitates in the steel compared to known steels. More preferably 0.015% by weight, or even more preferably not exceeding 0.010% by weight, in order to achieve these advantageous properties, in which case Al × The condition of N <5 × 10 −3 must be met. Otherwise, the lower limit of nitrogen content is 0.001% by weight, optimally to allow the niobium carbonitride formation required to increase toughness by grain refinement It must be 0.0020% by weight.

試験した合金の組成および測定した機械的特性を、表1に示す。全ての試料は、約950℃まで加熱され、それから残気で冷却されるかまたは加速冷却された。必要な冷却速度は、シート厚および組成に応じて選択される。機械的なサンプリングの結果が示すように、試料の溶融物14はCr含有量が低すぎるため要求された特性を達成できなかった。試験の溶融物16は、12mmのより大きなシート厚のために、加速冷却だけでその後に要求を満たした。残気または空気焼入れでの冷却の典型的な温度プロファイルを、図3に示す。   The composition of the tested alloys and the measured mechanical properties are shown in Table 1. All samples were heated to about 950 ° C. and then cooled with residual air or accelerated cooling. The required cooling rate is selected depending on the sheet thickness and composition. As indicated by mechanical sampling results, the sample melt 14 was too low in Cr content to achieve the required properties. The test melt 16 subsequently met the requirements with accelerated cooling alone due to the larger sheet thickness of 12 mm. A typical temperature profile for cooling with residual air or air quenching is shown in FIG.

図4において、いくつかの試験された試験の溶融物と、それらの機械的特性および冷却条件を、従来の高張力の鋼材料と比較して示す。開発された鋼は、改良された伸び特性(stretch properties)で、より高強度材料の領域にあることが分かる。   In FIG. 4, the melts of several tested tests and their mechanical properties and cooling conditions are shown in comparison with a conventional high tensile steel material. It can be seen that the developed steel is in the region of higher strength materials with improved stretch properties.

Figure 2015533942
Figure 2015533942

結果は、硬化した状態における優れた機械的特性(本発明においてほぼ完成(semi-finished)された製品、例えばパドル塊または平板の合金鋼の強度および靭性)を裏付けている(表1)。   The results confirm the excellent mechanical properties in the hardened state (strength and toughness of products semi-finished in the present invention, such as paddle agglomerates or flat steel alloys) (Table 1).

必須元素として、アルミニウムは、変態のカイネティクスを加速することの他に、シリコンとの組み合わせで、ベイナイト中の炭化物の析出を抑制するという重要な役割を果たす。その結果、炭素のフェライトへの溶解度が限られるため、残留オーステナイトは安定化される。ベイナイト中の少なくとも10%である高い割合の残留オーステナイトによって、極めて微細なラメラ構造(fine lamellar microstructure)の他に、優れた機械的特性が生じる。異なる微細構造のコンポーネントは、走査型電子顕微鏡で測定されたものであり、平均300nmのラメラ間隔が測定された。微細なラメラ構造を持つ基礎構造(例えばサブ粒子(sub grain))を有する、前述(previous)のオーステナイト粒子の概略図を、図5に図式的に示す。ここで、前述のオーステナイト粒子の構造は、Nb(C,N)の析出を経て安定化される。   As an essential element, in addition to accelerating transformation kinetics, aluminum plays an important role in suppressing the precipitation of carbides in bainite in combination with silicon. As a result, the retained austenite is stabilized because the solubility of carbon in ferrite is limited. A high proportion of retained austenite, at least 10% in bainite, results in excellent mechanical properties in addition to extremely fine lamellar microstructure. The different microstructured components were measured with a scanning electron microscope and an average 300 nm lamellar spacing was measured. A schematic diagram of the previous austenite particles having a basic structure with a fine lamellar structure (e.g. sub grains) is shown schematically in FIG. Here, the structure of the austenite particles described above is stabilized through the precipitation of Nb (C, N).

次いで、対応する残留オーステナイトの割合によって、いわゆるTRIP効果を有利に用いることもできる。通常、用語TRIP(変態誘起塑性:Transformation Induced Plasticity)に属する鋼は、非常に高い強度および優れた延性を同時に有する鋼であり、それによって特に冷間成形に適する。これらの特性は、それらの特別な微細構造によって得られ、変態誘起マルテンサイト形成およびそれに関連する加工硬化は阻害され、延性は増加する。TRIP効果による効果は、約10から20%の残留オーステナイトの割合が最適である。   The so-called TRIP effect can then also be used advantageously depending on the proportion of the corresponding retained austenite. Usually, steels belonging to the term TRIP (Transformation Induced Plasticity) are steels having at the same time very high strength and excellent ductility, thereby being particularly suitable for cold forming. These properties are obtained by their special microstructure, transformation-induced martensite formation and the associated work hardening are inhibited and ductility is increased. The effect of the TRIP effect is optimal at a proportion of retained austenite of about 10 to 20%.

本発明による合金化コンセプトは、以下に、さらに詳細に説明される。   The alloying concept according to the invention is explained in more detail below.

炭素:
材料の十分な強度のために、最小の含有量は、0.10重量%未満であってはならない。十分に低いマルテンサイト開始温度において、および、この温度で非常に微細な構造を構築するが、なおも良好な溶接性を有することにおいて、炭素含有量は、0.70重量%を超えてはならない。炭素含有量は、0.15から0.60重量%の間が有利であると判明した。最適特性は、炭素含有量が0.18から0.50重量%の間のときに達成される。
carbon:
For sufficient strength of the material, the minimum content should not be less than 0.10% by weight. The carbon content should not exceed 0.70% by weight at a sufficiently low martensite onset temperature and at this temperature to build a very fine structure but still have good weldability. . It has been found that the carbon content is advantageously between 0.15 and 0.60% by weight. Optimal properties are achieved when the carbon content is between 0.18 and 0.50% by weight.

アルミニウム/シリコン:
連続冷却後に要求される材料特性を達成するための必須元素は、変態のカイネティクスを強く加速させるアルミニウムである。
この効果を達成するために、アルミニウム含有量は少なくとも0.05重量%でなければならないが、最大は3.00重量%でなければならない。さもなければ、材料特性に悪影響を与える、粗い多角形のフェライト体が形成し得るからである。アルミニウム含有量があまりに低く、ベイナイト変態が遅すぎると、マルテンサイトの形成が促進され、それが破断伸度およびノッチ衝撃靭性に悪影響を与える。ベイナイト中での炭化物の十分な抑制のために、シリコンを0.25から4.00重量%の含有量で加えることができる。良好な材料特性は、アルミニウム含有量を0.07から1.50重量%の間、最適な含有量0.09から0.75重量%の間とすることで達成される。対応するシリコン含有量は、0.50から1.75重量%の間、または0.75から1.50重量%の間である。
Aluminum / silicon:
An essential element for achieving the material properties required after continuous cooling is aluminum, which strongly accelerates the kinetics of transformation.
In order to achieve this effect, the aluminum content must be at least 0.05% by weight, but the maximum must be 3.00% by weight. Otherwise, a coarse polygonal ferrite body that adversely affects the material properties can be formed. If the aluminum content is too low and the bainite transformation is too slow, martensite formation is promoted, which adversely affects fracture elongation and notch impact toughness. Silicon can be added at a content of 0.25 to 4.00% by weight for sufficient suppression of carbides in bainite. Good material properties are achieved with an aluminum content between 0.07 and 1.50% by weight and an optimum content between 0.09 and 0.75% by weight. The corresponding silicon content is between 0.50 and 1.75% by weight, or between 0.75 and 1.50% by weight.

目標とする少なくとも0.10から2.00重量%のクロムの添加の結果、フェライト変態は減速され得る。そして、アルミニウムとの組合せにより、フェライトおよびベイナイト形成のカイネティクスは目標とした方法で制御され得る。有利なクロム含有量は、0.10から1.75重量%の間または0.10から1.50重量%の間にある。   As a result of the targeted addition of at least 0.10 to 2.00% by weight of chromium, the ferrite transformation can be slowed down. And, in combination with aluminum, the kinetics of ferrite and bainite formation can be controlled in a targeted manner. An advantageous chromium content is between 0.10 and 1.75% by weight or between 0.10 and 1.50% by weight.

マンガン:
1.00から3.00重量%の範囲でのマンガンの添加は、多量の添加によって達成され得る強度と、低い含有量で達成できる十分な靭性との妥協として、合金鋼に対するそれぞれの要求に結果として依存する。非常に良好または最適な特性の組合せにおいて、マンガン含有量は、1.50から2.50重量%の間または1.70から2.50重量%の間でなければならない。
manganese:
The addition of manganese in the range of 1.00 to 3.00% by weight results in the respective demands on the alloy steel as a compromise between the strength that can be achieved with large additions and the sufficient toughness that can be achieved with low contents Depends on. In a very good or optimal combination of properties, the manganese content should be between 1.50 and 2.50% by weight or between 1.70 and 2.50% by weight.

ニオブ/窒素:
0.001から0.50重量%のニオブ含有量は、Nb(C,N)の形成を確保するために規定しなければならない。結果として生じる粒子の微細化は、靭性特性の顕著な改善の一因となる。さらに、NbNがNbCより安定で、したがって粒子のさらなる微細化を導くので、Nb(N)を形成するために0.001から0.025重量%の窒素含有量が推奨される。有利なニオブ含有量は、0.001から0.10または0.001から0.05重量%であり、対して、有利な窒素含有量は0.001から0.015または0.002から0.010重量%である。さらに、窒素の添加によってNbを介してCの過剰な結合を妨げる。さもなければ、Cのオーステナイト安定化効果が失われ得るからである。
Niobium / Nitrogen:
A niobium content of 0.001 to 0.50% by weight must be specified to ensure the formation of Nb (C, N). The resulting particle refinement contributes to a significant improvement in toughness properties. Furthermore, since NbN is more stable than NbC and thus leads to further refinement of the particles, a nitrogen content of 0.001 to 0.025% by weight is recommended to form Nb (N). The preferred niobium content is 0.001 to 0.10 or 0.001 to 0.05% by weight, whereas the preferred nitrogen content is 0.001 to 0.015 or 0.002 to 0.001. 010% by weight. Furthermore, the addition of nitrogen prevents excessive binding of C via Nb. Otherwise, the austenite stabilizing effect of C can be lost.

必要に応じて、強度をさらに増加させるための固溶体母合金(solid solution hardener)として、例えば、モリブデン(1.00重量%まで)、ニッケル(5.00重量%まで)、コバルト(2.00重量%まで)またはタングステン(1.50重量%まで)を加えることができる。代替として、または加えて、マイクロ合金元素(micro-alloying element)、例えば0.20重量%までのバナジウムおよび/または0.10重量%までのチタンを追加することができる。最大0.20重量%のTi、Vおよび最大5.50重量%のNi、Mo、Co、W、Zrの合計の含有量は、観察されなければならない。これらの合金元素の効果を利用するためには、最小含有量0.01重量%を観察しなければならない。   As required, as a solid solution hardener to further increase the strength, for example, molybdenum (up to 1.00 wt%), nickel (up to 5.00 wt%), cobalt (2.00 wt%) %) Or tungsten (up to 1.50% by weight) can be added. Alternatively or additionally, micro-alloying elements can be added, for example up to 0.20% by weight vanadium and / or up to 0.10% by weight titanium. A total content of up to 0.20 wt% Ti, V and up to 5.50 wt% Ni, Mo, Co, W, Zr must be observed. In order to take advantage of the effects of these alloying elements, a minimum content of 0.01% by weight must be observed.

希土類および反応性元素:
希土類および反応性元素、例えばCe、Hf、La、Re、Scおよび/またはYは、最適なラメラ間隔を達成するために、任意選択により添加することができ、したがって、強度および靭性のさらなる増加のために合計含有量を1重量%までとすることができる。必要であれば、合計の含有量として20ppmを添加すべきである。
Rare earths and reactive elements:
Rare earths and reactive elements such as Ce, Hf, La, Re, Sc and / or Y can optionally be added to achieve optimal lamellar spacing, thus further increasing strength and toughness Therefore, the total content can be up to 1% by weight. If necessary, 20 ppm should be added as a total content.

合金組成において、要求された材料特性、特に機械技術的特性を達成するためには、冷却速度を考慮しながら変態のカイネティクスおよび変態挙動(図2)、残留オーステナイトの安定化およびマルテンサイト開始温度において、以下の条件を遵守しなければならない。ここで、前述の経験的に決定された式において、C、Mn、Si、Al、CrおよびMoの含有量は重量%、冷却速度としてのTは℃/sで表示するものとする。式で使われる係数のユニットは、式で使用する変数に従って選択される。   In order to achieve the required material properties, especially mechanical properties, in the alloy composition, the kinetics and transformation behavior of the transformation (Fig. 2), the stabilization of the retained austenite and the martensite onset temperature, taking into account the cooling rate. The following conditions must be observed: Here, in the above-mentioned empirically determined formula, the contents of C, Mn, Si, Al, Cr and Mo are expressed by weight%, and T as a cooling rate is expressed in ° C / s. The unit of coefficients used in the formula is selected according to the variables used in the formula.

フェライト変態のカイネティクス:
機械技術的特性を支持するかまたは設定するために、特に材料特性に悪影響を与える粗い多角形のフェライト粒子の形成を回避するために、以下の条件を満たされなければならない。
(35×C)+(10×Mn)−Si−(5×Al)+Cr>13/T+10
Ferrite transformation kinetics:
In order to support or set the mechanical properties, in order to avoid the formation of coarse polygonal ferrite particles, in particular adversely affecting the material properties, the following conditions must be met:
(35 * C) + (10 * Mn) -Si- (5 * Al) + Cr> 13 / T + 10

ベイナイト変態のカイネティクス:
機械技術的特性のための、非常に微細に構成されたベイナイト系フェライト/残留オーステナイトのラメラを有する適切な微細構造を達成するために、ベイナイト変態のカイネティクスの以下の式を確立しなければならない。
400×exp[(−7×C)−(4×Mn)+8Al+3]/T>1
The kinetics of bainite transformation:
In order to achieve a suitable microstructure with very finely structured bainite-based ferrite / residual austenite lamellae for mechanical properties, the following equation of bainite transformation kinetics must be established: .
400 × exp [(− 7 × C) − (4 × Mn) + 8Al + 3] / T> 1

マルテンサイト開始温度(℃):
機械技術的特性を悪化させるマルテンサイト微細構造の割合が大きくなるのを回避するために、マルテンサイト開始温度を以下の通りに決定しなければならない。
525−(350×C)−(45×Mn)−(16×Mo)−(5×Si)+(15×Al)<<400
Martensite start temperature (℃):
In order to avoid an increase in the proportion of martensite microstructure that degrades the mechanical properties, the martensite onset temperature must be determined as follows.
525- (350 × C) − (45 × Mn) − (16 × Mo) − (5 × Si) + (15 × Al) << 400

残留オーステナイトを安定化させるために、セメンタイトの形成を抑制しなければならない。これはSiおよびAlで目標とする合金化をすることによって達成される。なぜなら、両方の元素のセメンタイトへの溶解度が極めて小さいからである。このために、以下の条件を満たさなければならない。
Si+Al>4×C
In order to stabilize the retained austenite, the formation of cementite must be suppressed. This is accomplished by targeted alloying with Si and Al. This is because the solubility of both elements in cementite is extremely small. For this purpose, the following conditions must be satisfied.
Si + Al> 4 × C

有害なAlNの一次析出を回避するために、以下の条件を満たさなければならない。
Al×N<5×10−3
図6に、この関係を再度、図式的に示す。
In order to avoid detrimental primary precipitation of AlN, the following conditions must be met:
Al × N <5 × 10 −3
FIG. 6 schematically illustrates this relationship again.

変態能力:
記載された微細構造に基づく本発明による特性を得るために、本発明による鋼の完全なオーステナイト化は、最終的な熱処理の前に達成されなければならない(図1参照)。
Transformation ability:
In order to obtain the properties according to the invention based on the described microstructure, complete austenitization of the steel according to the invention must be achieved before the final heat treatment (see FIG. 1).

要求される機械的特性の組合せ(強度、延性および靭性)を達成するためには、以下のフェライトおよびオーステナイトの生成の関係を満たされなければならない。
C+Si/6+Mn/4+(Cr+Mo)/3>1。
In order to achieve the required combination of mechanical properties (strength, ductility and toughness), the following ferrite and austenite formation relationships must be met.
C + Si / 6 + Mn / 4 + (Cr + Mo) / 3> 1.

本発明による鋼の微細構造は、フェライトおよび残留オーステナイトのラメラからなる。それは、5%までのマルテンサイトの割合(またはマルテンサイト/オーステナイト相および/または分解したオーステナイト)を有することができる。鋼の機械的特性に顕著に影響する微細構造の2つの最も重要な特徴は、ラメラ間隔および残留オーステナイトの割合である。ラメラ間隔が小さいほど、および残留オーステナイトの割合が高いほど、材料の強度および破断伸度が大きくなる。   The microstructure of the steel according to the invention consists of lamellar ferrite and residual austenite. It can have a proportion of martensite up to 5% (or martensite / austenite phase and / or decomposed austenite). The two most important features of the microstructure that significantly affect the mechanical properties of the steel are the lamellar spacing and the percentage of retained austenite. The smaller the lamella spacing and the higher the percentage of retained austenite, the greater the material strength and elongation at break.

要求された材料の高強度、少なくとも1250から2500MPaを達成するためには、ラメラ間隔の平均は、750nmより小さく、有利には500nmより小さくなければならない。   In order to achieve the required high strength of the material, at least 1250 to 2500 MPa, the average lamellar spacing must be less than 750 nm, preferably less than 500 nm.

少なくとも12%の伸度(および、破断時伸び率)を達成するには、残留オーステナイト割合が少なくとも10%で、マルテンサイト割合は多くても5%で存在しなければならない。   To achieve an elongation (and elongation at break) of at least 12%, the retained austenite ratio must be at least 10% and the martensite ratio must be at most 5%.

ニオブ炭窒化物形成による粒子の微細化によって高い靭性を達成するために、前述のオーステナイト粒子の平均サイズは、100μmの値を超えてはならない。   In order to achieve high toughness by grain refinement by niobium carbonitride formation, the average size of the austenite particles described above should not exceed a value of 100 μm.

微細構造が非常に微細であるので、微細構造のコンポーネントは顕微鏡によって各々をほとんど区別できないので、ケースに応じて電顕法およびX線回折の組合せを用いなければならない。   Since the microstructure is so fine that the components of the microstructure can hardly be distinguished from each other by the microscope, a combination of electron microscopy and X-ray diffraction must be used depending on the case.

微細構造のコンポーネントは、走査型電子顕微鏡によって区別することができる。このようにして、約300nmの平均ラメラ間隔は決定された。   Microstructured components can be distinguished by scanning electron microscopy. In this way, an average lamella spacing of about 300 nm was determined.

X線回折測定の結果を、図7に示す。X線スペクトルの強度分布から、本発明の微細構造のコンポーネントの結晶構造およびそれらの相の割合は、決定され得る。   The result of the X-ray diffraction measurement is shown in FIG. From the intensity distribution of the X-ray spectrum, the crystal structures of the microstructured components of the invention and the proportions of their phases can be determined.

10%から20%の間の残留オーステナイトの割合は、X線回折法を使用して決定された。   The proportion of retained austenite between 10% and 20% was determined using X-ray diffractometry.

Claims (10)

帯鋼、シートおよびパイプの製造のための、低合金高張力の炭化物を含まないベイナイト鋼用の合金鋼であって、重量%で以下の化学組成:
0.10〜0.70のC、
0.25〜4.00のSi、
0.05〜3.00のAl、
1.00〜3.00のMn、
0.10〜2.00のCr、
0.001〜0.50のNb、
0.001〜0.025のN、
最大で0.15のP、
最大で0.05のS
を有し、
残部は鉄および鉄鋼のトランプ元素であり、Mo、Ni、Co、W、Nb、Ti、またはVおよびZrおよび希土類の1種または複数の元素を任意選択で有し、ただし、AlNの一次析出を避けるために条件Al×N<5×10−3(重量%)を満たし、セメンタイト形成を抑制するために条件Si+Al>4×C(重量%)を満たすことを条件とする、合金鋼。
Alloy steel for bainite steel free of low-alloy high-strength carbides for the manufacture of strip steel, sheets and pipes, with the following chemical composition in weight percent:
C of 0.10 to 0.70,
0.25 to 4.00 Si,
0.05 to 3.00 Al,
1.00 to 3.00 Mn,
0.10 to 2.00 Cr,
0.001 to 0.50 Nb,
0.001 to 0.025 N,
A maximum of 0.15 P,
S of up to 0.05
Have
The balance is trump elements of iron and steel, optionally having one or more elements of Mo, Ni, Co, W, Nb, Ti, or V and Zr and rare earth, provided that the primary precipitation of AlN Alloy steel satisfying the condition Al × N <5 × 10 −3 (wt%) in order to avoid and satisfying the condition Si + Al> 4 × C (wt%) in order to suppress the formation of cementite.
前記合金鋼が、重量%で以下の含有量:
0.15〜0.60のC、
0.50〜1.75のSi、
0.07〜1.50のAl、
1.50〜2.50のMn、
0.10〜1.75のCr、
0.001〜0.10のNb、
0.001〜0.015のN
を有する、請求項1に記載の合金鋼。
The alloy steel has the following content in% by weight:
C of 0.15 to 0.60,
0.50 to 1.75 Si,
0.07-1.50 Al,
1.50 to 2.50 Mn,
0.10 to 1.75 Cr,
0.001 to 0.10 Nb,
0.001 to 0.015 N
The alloy steel according to claim 1, comprising:
前記合金鋼が、重量%で以下の含有量:
0.18〜0.50のC、
0.75〜1.5のSi、
0.09〜0.75のAl、
1.70〜2.50のMn、
0.10〜1.5%のCr、
0.001〜0.05のNb、
0.002〜0.010のN
を有する、請求項2に記載の合金鋼。
The alloy steel has the following content in% by weight:
C from 0.18 to 0.50,
0.75 to 1.5 Si,
0.09-0.75 Al,
1.70-2.50 Mn,
0.10 to 1.5% Cr,
0.001 to 0.05 Nb,
0.002 to 0.010 N
The alloy steel according to claim 2, comprising:
任意選択で合金化される前記元素が、重量パーセントで以下の含有量:
最大で5.00のNi、
最大で1.00のMo、
最大で2.00のCo、
最大で1.50のW、
最大で0.10のTi、
最大で0.20のV
を有し、
Ti、Vの合計の含有量が最大で0.20%であり、かつNi、Mo、Co、Wの合計の含有量が最大で5.50重量%である、請求項2に記載の合金鋼。
Optionally, the element to be alloyed contains the following content in weight percent:
Ni up to 5.00,
Mo up to 1.00,
Up to 2.00 Co,
1.50 W maximum,
Ti of up to 0.10,
V of 0.20 at maximum
Have
The alloy steel according to claim 2, wherein the total content of Ti and V is at most 0.20%, and the total content of Ni, Mo, Co and W is at most 5.50% by weight. .
微細構造が、炭化物を含まないベイナイトと残留オーステナイトからなり、少なくとも75%のベイナイト、少なくとも10%の残留オーステナイトおよび最大で5%のマルテンサイトの割合を有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の合金鋼。   5. The microstructure according to claim 1, wherein the microstructure is composed of carbide-free bainite and residual austenite and has a proportion of at least 75% bainite, at least 10% residual austenite and at most 5% martensite. Alloy steel as described in. 要求された材料特性を達成するために、変態のカイネティクス、マルテンサイト開始温度および微細構造の形成において、下記の条件:
フェライト変態のカイネティクス(ここでは、C、Mn、SiおよびAlは重量%での元素含有量、Tは℃/sでの冷却速度に対応する):
(35×C)+(10×Mn)−Si−(5×Al)+Cr>13/T+10、
ベイナイト変態のカイネティクス(ここでは、C、MnおよびAlは重量%での元素含有量、Tは℃/sでの冷却速度に対応する):
400×exp[(−7×C)−(4×Mn)+8Al+3]/T>1、
マルテンサイト開始温度(℃、ここでは、C、Mn、Si、AlおよびMoは重量%での元素含有量に対応する):
525−(350×C)−(45×Mn)−(16×Mo)−(5×Si)+(15×Al)<<400、
残留オーステナイトの安定化(ここでは、C、SiおよびAlは重量%での元素含有量に対応する):
Si+Al>4×C、
主なAlNの析出を回避するために(ここでは、AlおよびNは重量%での元素含有量に対応する)、
Al×N<5×10−3
要求された機械的特性の組合せを満たすために、
C+Si/6+Mn/4+(Cr+Mo)/3>1
を遵守する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の合金鋼。
In order to achieve the required material properties, in the formation of transformation kinetics, martensite onset temperature and microstructure, the following conditions:
Ferrite transformation kinetics (where C, Mn, Si and Al are the element content in weight%, T corresponds to the cooling rate in ° C./s):
(35 * C) + (10 * Mn) -Si- (5 * Al) + Cr> 13 / T + 10,
Bainitic transformation kinetics (where C, Mn and Al are elemental contents in weight%, T corresponds to the cooling rate in ° C / s):
400 × exp [(− 7 × C) − (4 × Mn) + 8Al + 3] / T> 1,
Martensite start temperature (° C., where C, Mn, Si, Al and Mo correspond to element content in weight%):
525- (350 × C) − (45 × Mn) − (16 × Mo) − (5 × Si) + (15 × Al) << 400,
Stabilization of residual austenite (here C, Si and Al correspond to element content in weight%):
Si + Al> 4 × C,
In order to avoid the main AlN precipitation (where Al and N correspond to the element content in weight%),
Al × N <5 × 10 −3 ,
To meet the required combination of mechanical properties,
C + Si / 6 + Mn / 4 + (Cr + Mo) / 3> 1
The alloy steel according to any one of claims 1 to 5, wherein
前記残留オーステナイトのラメラの平均距離が、750nm未満である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の合金鋼。   The alloy steel according to any one of claims 1 to 6, wherein an average distance of lamellae of the retained austenite is less than 750 nm. 前記残留オーステナイトのラメラの前記平均距離が、500nm未満である、請求項7に記載の合金鋼。   The alloy steel according to claim 7, wherein the average distance of the residual austenite lamella is less than 500 nm. 請求項1〜7の少なくとも1項に記載の合金鋼の、熱間または冷間圧延された帯鋼、シートメタル、パイプ、プロファイル、または、自動車産業、建設産業および建設機械用の鍛造部品、およびロッドおよびワイヤへの使用。   Hot or cold rolled steel strip, sheet metal, pipes, profiles or forged parts for the automotive industry, construction industry and construction machinery of the alloy steel according to at least one of claims 1-7, and Use on rods and wires. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の合金鋼の、摩耗部品および防護服の部品への使用。   Use of the alloy steel according to any one of claims 1 to 7 for wear parts and parts for protective clothing.
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