一种超低温用高强韧性高锰钢板及其制备方法与流程

本发明涉及钢铁生产，尤其是一种超低温用高强韧性高锰钢板及其制备方法。

背景技术：

1、随着能源消耗的激增，过度依赖石油、煤炭等化石能源造成了严峻的大气污染和全球气候变暖问题，大力发展天然气等清洁能源已发展为必然趋势，这对于lng运输船、储罐材料及相应接收站的需求也进一步增加。

2、目前，在lng储运设施等低温工程领域应用最多的仍为含镍系低温钢，但由于镍是昂贵的金属元素，因此当下开发低镍或无镍型低温钢是未来低温材料发展的重要方向。锰和镍均是奥氏体形成元素，在钢中具有相似的特性，低温钢中利用锰替代镍可以保证其低温性能与含镍系低温钢相当，同时可以获得更好的焊接性和低温塑性。研发超低温用高锰钢可以获得巨大的材料建造成本优势。

3、已见报道的高锰钢制备技术，大多只聚焦于高锰钢抗拉强度或抗冲击韧性的提升，低成本制备兼顾高强度和高抗低温冲击韧性的高锰钢产品尚未有报道。

4、公开号cn113637908a的中国专利申请公开了一种大厚度低温环境用高锰钢板及其生产方法，其化学成分为c：0.43～0.47％，si：0.30～0.35％，mn：22.5～25％，p≤0.010％，s≤0.004％，cu：0.40～0.50％，v：0.02～0.05％，cr：3～4％，nb：0.010～0.015％，al：0.02～0.05％，余量为fe和不可避免的杂质；生产方法包括冶炼、模铸、开坯、加热、轧制、轧后控冷工序。此高锰钢及其方法的缺点在于添加了昂贵的ni和cu合金，轧后控冷采用一段式超快冷，容易在凝固过程中导致铸态组织奥氏体相间析出大量的碳化物，不仅会促进内应力的产生而形成裂纹，还会恶化钢的塑性和韧性。

5、公开号cn108118255a的中国专利申请公开了一种具有高冲击韧性的高锰twip耐低温钢及其制造方法，其化学成分为c：0.050～0.30％，si：0.30～1.5％，mn：25～35％，al：2.0～4.0％，余量为fe和不可避免的杂质；该耐低温钢基于层错能在-196℃下设计为25～40mj/m2。该耐低温钢及其方法的缺点是通过加入大量的al元素来抑制晶间开裂、促进钢的twip效应，但这会导致钢液的流动性明显下降，并使钢的晶粒粗化，恶化铸造性能和力学性能；制备的耐低温钢虽实现了高冲击韧性，但牺牲了钢材的强度性能，屈服强度仅在200～300mpa之间，抗拉强度仅在600～700mpa。

6、公开号cn114717475a的专利申请公开了一种基于层错能设计的含nb高强塑性高锰钢及制备方法，其化学成分为c：0.1～0.5％，si：1～4％，mn：18～22％，cu：0.5～2.5％，nb：0.1～0.3％，p＜0.010％，s＜0.005％，余量为fe。该高锰钢及方法通过加入nb元素析出nbc细化晶粒和析出强化来提高屈服强度，其次通过成分设计调控层错能在18mj/m2附近，以控制高锰钢的变形机制为马氏体相变和孪晶，由此获得较好的塑性。该高锰钢及方法的缺陷是加入大量昂贵的nb、cu合金，显著增加钢材成本；并且层错能调控在18mj/m2附近，其变形机制主要为马氏体相变，虽能获得高强塑性，但会显著恶化了钢材的低温韧性。

7、公开号cn113941430a的中国专利申请公开了一种基于twip效应和纳米析出强化的耐磨高锰钢、制备方法及用途，其化学成分为c：1.2～1.6％，si：0.3～0.5％，mn：18～26％，mo：1.0～2.0％，nb：0.04～0.08％，v：0.3～1.2％，p≤0.003％，s≤0.005％，余量为fe和其他不可避免的杂质。该高锰钢及其方法通过将层错能控制在20～40mj/m2来产生孪晶发生twip效应，并通过nb和mo形成碳化物纳米相析出强化高锰钢的耐磨性能。该高锰钢及其方法的缺陷是添加了大量nb、mo等昂贵合金元素，综合成本高；并且层错能控制的范围低，在钢板使用过程中产生的twip效应不够强烈，制备的高锰钢产品力学性能一般。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种低成本兼具高强度和高抗低温冲击韧性的超低温用高强韧性高锰钢板；本发明还提供了一种制造成本低的超低温用高强韧性高锰钢板的制备方法。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是，其化学成分及其质量百分数为：c 0.04～0.10％，mn 21.0～25.5％，si 0.25～0.35％，p≤0.008％，s≤0.003％，o≤0.003％，ti 0.02～0.05％，w 0.01～0.05％，余量为fe和不可避免的杂质；所述高锰钢板在-196℃下的层错能为40～45mj/m2。

3、进一步的，所述高锰钢板的屈服强度≥520mpa，抗拉强度≥900mpa，断后伸长率≥50％，-196℃低温冲击韧性akv≥200j。

4、本发明方法包括冶炼、模铸、均化、轧制、冷却和重击预硬化工序；

5、所述冷却工序：钢板首先以5～40℃/s的冷速冷却至450～500℃，再空冷至300～350℃，最后以不小于100℃/s的冷速进行冷却；

6、所述重击预硬化工序：采用金属撞针对钢板表面进行重击变形，重击能量为30～80j，重击频率为50～2000hz，每个硬化点冲击时间为8～30s。

7、进一步的，所述均化工序：钢坯加热至1170～1230℃均匀化处理3～10h。

8、进一步的，所述轧制工序：温度范围控制在1030～1130℃进行粗轧，温度范围控制在800～1000℃进行精轧，终轧温度控制在780～880℃。

9、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

10、(1)当层错能低于15mj/m2，高锰钢在塑性变形的过程中会形成ε-马氏体，产生相变诱发塑性(trip)效应；当层错能在18～45mj/m2时，高锰钢的变形机制以孪生诱发塑性(twip)效应为主；当层错能超过45mj/m2时，高锰钢的变形机制主要为位错滑移。层错能过低的高锰钢在低温冲击载荷变形条件下易发生马氏体相变，恶化低温冲击韧性，而层错能过高的高锰钢在低温冲击变形条件下的twip效应减弱，同样不利于改善低温冲击韧性。本发明及其方法通过将层错能控制在40～45mj/m2，从而保证钢材在后续重击预硬化步骤发生强烈的孪晶诱发塑性(twip)效应，在钢材表面形成梯度纳米晶层，显著提高钢材的屈服和抗拉强度。本发明钢板屈服强度≥520mpa，抗拉强度≥900mpa，断后伸长率≥50％。

11、(2)本发明及其方法未使用昂贵ni、nb、mo等合金元素韧化基体，通过添加少量低成本合金元素ti、w，部分固溶于高锰钢中，细化奥氏体晶粒，部分以碳化物析出，阻碍晶界运动；同时形成的c-w原子键强于c-mn和c-fe原子键可以增大裂纹扩展阻力，结合三段式冷却步骤，明显缩小奥氏体晶粒尺寸，提高钢板内部组织均匀性，显著提高了高锰钢的低温冲击韧性，-196℃低温冲击韧性akv≥200j。本发明方法吨钢冶炼成本降低15％以上。

技术特征：

1.一种超低温用高强韧性高锰钢板，其特征在于，其化学成分及其质量百分数为：c0.04～0.10%，mn 21.0～25.5%，si 0.25～0.35%，p≤0.008%，s≤0.003%，o≤0.003%，ti0.02～0.05%，w 0.01～0.05%，余量为fe和不可避免的杂质；所述高锰钢板在-196℃下的层错能为40～45mj/m2。

2.根据权利要求1所述的一种超低温用高强韧性高锰钢板，其特征在于：所述高锰钢板的屈服强度≥520mpa，抗拉强度≥900mpa，断后伸长率≥50%，-196℃低温冲击韧性akv≥200j。

3.权利要求1或2所述超低温用高强韧性高锰钢板的制备方法，其特征在于：包括冶炼、模铸、均化、轧制、冷却和重击预硬化工序；

4.根据权利要求3所述的一种超低温用高强韧性高锰钢板的制备方法，其特征在于，所述均化工序：钢坯加热至1170～1230℃均匀化处理3～10h。

5.根据权利要求3或4所述的一种超低温用高强韧性高锰钢板的制备方法，其特征在于，所述轧制工序：温度范围控制在1030～1130℃进行粗轧，温度范围控制在800～1000℃进行精轧，终轧温度控制在780～880℃。

技术总结
本发明公开了一种超低温用高强韧性高锰钢板及其制备方法，其化学成分及其质量百分数为：C 0.04～0.10%，Mn 21.0～25.5%，Si 0.25～0.35%，P≤0.008%，S≤0.003%，O≤0.003%，Ti 0.02～0.05%，W 0.01～0.05%，余量为Fe和不可避免的杂质；所述高锰钢板在‑196℃下的层错能为40～45mJ/m2。本钢板通过将层错能控制在40～45mJ/m2，从而保证钢材在后续重击预硬化步骤发生强烈的TWIP效应，在钢材表面形成梯度纳米晶层，显著提高钢材的屈服和抗拉强度；能提高钢板内部组织均匀性，显著提高了高锰钢的低温冲击韧性，‑196℃低温冲击韧性AKV≥200J。

技术研发人员：吕晗,刘宏强,赵燕青,莫德敏,赵林林,石帅,马腾飞,高云哲,侯伟,周玉青,黄新贵,谷秀锐,郭瑞华,石玉龙,苏丽冬,师利锋,白丽娟,孙晓冉,张子悦
受保护的技术使用者：河北河钢材料技术研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/10/14