真空管用钢材及其制造方法与流程

1.本发明涉及一种具有特别适合用作提供于超高速真空管列车的真空管的物理性能的钢材及其制造方法。


背景技术：

2.近年来，作为下一代交通系统，在国内外正在积极进行对被称为单侧超级高铁(hyperloop)的超高速真空管列车的研究。超高速真空管列车基本上是在真空管中移动列车的形式的交通工具。即，它是一种交通工具的概念，其通过将管内部保持在真空状态，最小化空气阻力，因此可以以超高速运行列车。
3.在用于超高速真空管列车的真空管中，不仅是管的结构，管的材料也是对保持管内部的真空状态产生极大的影响的因素，但目前对管材料的研究和开发不足。
4.专利文献1中也公开了用于制造用于超高速真空管列车的真空管的分段管，但没有特别提及管的材料。
5.(现有技术文献)
6.(专利文献1)us2019/0170276a1(2019年06月06日公开)


技术实现要素：

要解决的技术问题
7.根据本发明的一个方面，可以提供一种钢材及其制造方法，所述钢材具有特别适合用作提供于超高速真空管列车的真空管的物理性能。
8.本发明的技术问题并不受限于上述内容。通常的技术人员基于本说明书的全部内容可以容易地理解本发明的附加技术问题。技术方案
9.根据本发明的一个方面的真空管用钢材中，以重量％计，可以包含：c：0.1-0.2％、si：0.05-0.5％、mn：1.0-1.6％、ni：0.5-1.0％、cr：1.5-4.0％、余量的fe及不可避免的杂质，微细组织可以具有铁素体和珠光体的复合组织，所述钢材的气体释放率可以为1.0*10-10
毫巴
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以下。
10.所述钢材中包含的杂质中的ti、nb及v的总含量可以小于0.01％(包括0％)。
11.所述铁素体的分数可以为60-90面积％，所述珠光体的分数可以为10-40面积％。
12.所述钢材中包含的马氏体或贝氏体的分数可以小于1面积％(包括0％)。
13.所述钢材可以具有400-600mpa的屈服强度(ys)、0.8以下的屈强比(yr)以及19-30％的伸长率(el)。
14.所述钢材在-20℃下的夏比冲击功可以为30-50j。
15.所述钢材的厚度可以为15-30mm。
16.根据本发明的一个方面的制造真空管用钢材的方法可以包括以下步骤：将板坯进行再加热后在900-1000℃的精轧温度下进行热轧以提供钢材，以重量％计，所述板坯包含：
c：0.1-0.2％、si：0.05-0.5％、mn：1.0-1.6％、ni：0.5-1.0％、cr：1.5-4.0％、余量的fe及不可避免的杂质；将热轧的所述钢材以5-50℃/秒的第一冷却速度进行第一冷却，冷却至550-650℃；所述第一冷却结束后，在第一冷却终止温度下将所述钢材收卷成卷材；以及将所述卷材以0.005-0.05℃/秒的第二冷却速度进行第二冷却，冷却至常温。
17.所述板坯中包含的杂质中的ti、nb及v的总含量可以小于0.01％(包括0％)。
18.热轧的所述钢材的厚度可以为15-30mm。
19.所述第一冷却的冷却方法可以是水冷，所述第二冷却的冷却方法可以是放冷。有益效果
20.根据本发明的一个方面，可以提供一种钢材及其制造方法，所述钢材具有低的气体释放率和屈强比，因此具有特别适合用作超高速真空管列车的真空管的物理性能。最佳实施方式
21.本发明涉及一种真空管用钢材及其制造方法，以下对本发明的优选的具体实施方案进行说明。本发明的具体实施方案可以变形为各种形式，不应解释为本发明的范围限定于以下说明的具体实施方案。本具体实施方案是为了向本领域技术人员更详细地说明本发明而提供的。
22.以下，对根据本发明的一个方面的真空管用钢材进行更详细的说明。
23.根据本发明的一个方面的真空管用钢材中，以重量％计，可以包含：c：0.1-0.2％、si：0.05-0.5％、mn：1.0-1.6％、ni：0.5-1.0％、cr：1.5-4.0％、余量的fe及不可避免的杂质，微细组织可以具有铁素体和珠光体的复合组织，并且所述钢材的气体释放率可以为1.0*10-10
毫巴
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以下。
24.以下，对本发明的合金组成进行更详细的说明。以下，除非另有特别记载，否则与合金组成的含量相关的％和ppm是以重量为基准。
25.根据本发明的一个方面的真空管用钢材中，以重量％计，可以包含：c：0.1-0.2％、si：0.05-0.5％、mn：1.0-1.6％、ni：0.5-1.0％、cr：1.5-4.0％、余量的fe及不可避免的杂质，并且可以将杂质中的ti、nb及v的总含量积极地抑制为小于0.01％(包括0％)。
26.碳(c)：0.1-0.2％
27.碳(c)是代表性的提高淬透性的元素，并且是有助于有效地确保钢材的强度的元素。因此，在确保真空管结构体的强度的方面，本发明中可以包含0.1％以上的碳(c)。优选的碳(c)含量可以超过0.1％，更优选的碳(c)含量可以为0.12％以上。另一方面，当碳(c)含量过多时，导致钢材的韧性降低，焊接性变差，而且屈强比增加，因此本发明中可以将碳(c)含量的上限限制为2.0％。优选的碳(c)含量可以小于0.2％，更优选的碳(c)含量可以为0.18％以下。
28.硅(si)：0.05-0.5％
29.硅(si)是有助于钢的脱氧的元素。因此，为了确保钢的清洁度，本发明中可以包含0.05％以上的硅(si)。优选的硅(si)含量可以为0.06％以上，更优选的硅(si)含量可以为0.08％。另一方面，当添加过多的硅(si)时，阻碍表面氧化皮的脱落而可能会降低产品表面质量，而且阻碍碳化物的析出，因此可能会阻碍目标微细组织的形成。因此，本发明中可以将硅(si)含量的上限限制为0.5％。优选的硅(si)含量可以为0.4％以下，更优选的硅(si)含量可以为0.3％以下。
30.锰(mn)：1.0-1.6％
31.锰(mn)是有助于提高钢的淬透性的元素，因此为了确保钢材的强度，本发明中可以包含1.0％以上的锰(mn)。优选的锰(mn)含量可以为1.1％以上，更优选的锰(mn)含量可以为1.2％以上。另一方面，当添加过多的锰(mn)时，钢材的韧性降低，抗裂纹性变差，而且由于铸造偏析而可能产生材质偏差，因此，本发明中可以将锰(mn)含量的上限限制为1.6％。优选的锰(mn)含量可以为1.5％以下，更优选的锰(mn)含量可以为1.4％以下。
32.镍(ni)：0.5-1.0％
33.镍(ni)是有助于增加钢材的强度的元素，而且是有助于有效地提高钢材的冲击韧性的元素。因此，为了如上所述的效果，本发明中可以包含0.5％以上的镍(ni)。优选的镍(ni)含量可以超过0.5％，更优选的镍(ni)含量可以为0.6％以上。然而，当镍(ni)的含量超过一定水平时，上述效果会饱和，另一方面，在经济性方面并不优选，因此本发明中可以将镍(ni)含量的上限限制为1.0％。优选的镍(ni)含量可以小于1.0％，更优选的镍(ni)含量可以为0.9％以下。
34.铬(cr)：1.5-4.0％
35.铬(cr)是有助于有效地降低本发明所期望的气体释放率的元素。铬(cr)与铁(-0.44v)相比具有更低的还原电位(-0.73v)，因此可以在钢材表面形成非常薄且致密的铬氧化膜。致密的氧化膜对从材料释放的气体起到阻隔(barrier)的作用，因此可以有效地降低材料的气体释放率。因此，为了如上所述的效果，本发明中可以包含1.5％以上的铬(cr)。优选的铬(cr)含量可以超过1.5％，更优选的铬(cr)含量可以为1.7％以上。随着铬(cr)含量增加，降低气体释放率的效果提高，但考虑到铬(cr)是一种高价的成分，添加一定水平以上的铬在经济性方面并不优选。此外，当添加过多的铬(cr)时，淬透性过度提高，可能会引发表层中的低温组织的形成，因此在材料的物理性能偏差方面并不优选。因此，本发明中可以将铬(cr)含量的上限限制为4.0％。优选的铬(cr)含量可以为3.6％以下，更优选的铬(cr)含量可以为3.3％以下。
36.根据本发明的一个方面的真空管用钢材中，除了上述成分之外，可以包含余量的fe和其它不可避免的杂质。然而，在通常的制造过程中可能会从原料或周围环境不可避免地混入并不期望的杂质，因此不能完全排除这些杂质。这些杂质对于本领域技术人员而言是众所周知的，因此在本说明书中不特别提及其所有内容。此外，并不排除除了上述组成之外的有效成分的添加。
37.此外，本发明的钢材可以将作为杂质包含的钛(ti)、铌(nb)及钒(v)的总含量积极地限制为小于0.01％(包括0％)。这些钛(ti)、铌(nb)、钒(v)是代表性的析出强化元素，并且是仅添加少量也形成微细碳氮化物而有效地有助于提高钢材的强度的元素。本发明的钢材最终应用的对象是作为大型结构体的超高速列车用真空管，因此在加工性和施工性方面屈强比的提高并不优选。因此，为了确保本发明中所期望的屈强比，积极地限制有意添加钛(ti)、铌(nb)及钒(v)，并且即使不可避免地引入这些成分，也可以将其总含量限制为小于0.01％(包括0％)。
38.根据本发明的一个方面的真空管用钢材中，微细组织可以具有铁素体和珠光体的复合组织，并且可以积极地抑制硬质组织的形成。铁素体的分数可以为60-90面积％，珠光体的分数可以为10-40面积％，作为硬质组织的马氏体或贝氏体的总分数可以小于1面积％
(包括0％)。
39.马氏体或贝氏体等低温组织具有高强度且屈强比低，因此作为结构用材料表现出优异的特性。然而，本发明的真空管用钢材的厚度为5-30mm的水平，因此即使通过控制冷却条件，也仅在钢材表面引入硬质组织的可能性高。即，在钢材中心部并没有形成硬质组织，但硬质组织仅在钢材表面部集中形成，因此在钢材厚度方向上产生材质偏差的可能性高。因此，本发明中可以积极地控制马氏体和贝氏体的总分数，以减小如上所述的材质偏差。
40.根据本发明的一个方面的真空管用钢材的气体释放率可以为1.0*10-10
毫巴
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以下。其中，气体释放率是指在利用材料构成真空腔室时，每单位时间从每单位面积的材料释放到真空的气体量。即，当利用材料构成腔室并利用泵进行排气后将泵与腔室隔离时，发生腔室内的压力随着一定时间的经过而上升的现象。可以通过测量如上所述的腔室内的压力上升值并代入以下[关系式1]来计算气体释放率。
[0041]
[关系式1]
[0042]
q＝(v/a)
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(
△
p/t)
[0043]
所述关系式1中，q表示气体释放率(毫巴
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)，v表示腔室体积(升(liter))，a表示腔室表面积(cm2)，p表示腔室内压力(毫巴(mbar))，t表示时间(秒)。
[0044]
此外，根据本发明的一个方面的真空管用钢材可以具有400-600mpa的屈服强度(ys)、0.8以下的屈强比(yr)以及19-30％的伸长率(el)，并且在-20℃下的夏比冲击功可以满足30-50j的范围。
[0045]
根据本发明的一个方面的钢材具有低气体释放率的同时具有低屈强比特性，因此可以提供特别适合用作作为大型真空结构体的超高速列车用真空管的物理性能。特别地，利用根据本发明的一个方面的钢材制造的真空管具有低气体释放率，从而可以有效地保持真空管内部的真空状态，而且具有低的屈强比，因此可以具有优异的抗震特性。
[0046]
根据本发明的一个方面的真空管用钢材可以具有5-30mm的厚度，并且用于制造真空管的钢材的厚度可以根据真空管的直径而选择性地确定。作为非限制性的实例，当真空管的直径为约1-3m时，可以应用具有5-15mm的厚度的钢材，当真空管的直径为约3-5m时，可以应用具有15-30mm的厚度的钢材。
[0047]
以下，对根据本发明的一个方面的制造真空管用钢材的方法进行更详细的说明。
[0048]
根据本发明的一个方面的制造真空管用钢材的方法，可以包括以下步骤：将板坯进行再加热后在900-1000℃的精轧温度下进行热轧以提供钢材，以重量％计，所述板坯包含：c：0.1-0.2％、si：0.05-0.5％、mn：1.0-1.6％、ni：0.5-1.0％、cr：1.5-4.0％、余量的fe及不可避免的杂质；将热轧的所述钢材以5-50℃/秒的第一冷却速度进行第一冷却，冷却至550-650℃；所述第一冷却结束后，在第一冷却终止温度下将所述钢材收卷成卷材；以及将所述卷材以0.005-0.05℃/秒的第二冷却速度进行第二冷却，冷却至常温。
[0049]
板坯的再加热
[0050]
可以在准备具有规定成分的板坯后进行再加热。本发明的板坯的合金组成与上述钢材的合金组成相对应，因此用对上述钢材的合金组成的说明来代替对本发明的板坯的合金组成的说明。本发明的板坯加热条件可以应用通常的板坯加热条件，但作为非限制性的实例，板坯的再加热可以在1200-1350℃的温度范围内进行。
[0051]
热轧
[0052]
可以将再加热的板坯进行热轧以提供热轧钢材。热精轧可以在900-1000℃的温度范围内进行。为了防止由于组织微细化而降低低屈强比特性，热精轧可以在900℃以上的温度范围内进行。此外，为了防止过多的氧化皮，可以在1000℃以下的温度范围内进行热精轧。
[0053]
第一冷却和收卷
[0054]
热轧结束后，可以将热轧的钢材以5-50℃/秒的第一冷却速度进行冷却至550-650℃，然后收卷成热轧卷材。
[0055]
当第一冷却速度过低时，收卷后发生相变，因此回热引起的氧化皮的形成可能会成为问题。因此，本发明中可以以5℃/秒以上的冷却速度进行第一冷却。另一方面，当第一冷却速度过快时，可能会导致产品形状变差或产生低温组织，因此本发明中可以将第一冷却速度的上限限制为50℃/秒。
[0056]
就具有本发明的合金组成的钢材而言，在约600℃左右显示最快的相变速度，因此优选在550-650℃的温度范围内结束冷却后在该温度区间进行收卷，以使最终钢材的所有微细组织为铁素体和珠光体的复合组织。
[0057]
第二冷却
[0058]
可以将收卷的卷材以0.005-0.05℃/秒的第二冷却速度进行冷却至常温。本发明的钢材中，铁素体和珠光体的相变在约600℃的区间完成，但为了防止一部分未相变组织的低温组织化，优选在缓冷条件下进行第二冷却。此外，当应用快的冷却速度来将收卷的卷材进行冷却时，可能会发生产品变形和弯曲等形状缺陷，因此本发明中可以将第二冷却速度的上限限制为0.05℃/秒。另一方面，本发明中没有特别限制第二冷却速度的下限，但在排除0℃/秒的冷却速度的意义上，可以将第二冷却速度的下限限制为0.005℃/秒。第二冷却的冷却条件可以是放冷。
[0059]
通过上述制造工艺制造的钢材不仅具有铁素体和珠光体的复合组织，而且可以积极地抑制马氏体或贝氏体等的硬质组织的形成。优选地，铁素体的分数可以为60-90％，珠光体的分数可以为10-40面积％，硬质组织的分数可以小于1面积％(包括0％)。
[0060]
此外，通过上述制造工艺制造的钢材可以具有1.0*10-10
毫巴
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cm-2
以下的气体释放率、400-600mpa的屈服强度(ys)、0.8以下的屈强比(yr)、19-30％的伸长率(el)以及30-50j的在-20℃下的夏比冲击功。
具体实施方式
[0061]
以下，通过实施例对本发明进行更具体的说明。然而，需要注意的是，下述实施例仅仅是用于例示本发明以对本发明进行更具体的说明，并不是用于限制本发明的权利范围。
[0062]
(实施例)
[0063]
将具有表1的合金组成的板坯在1250℃的温度范围内进行加热，然后在950℃的温度范围内进行热精轧，从而制造厚度为25mm的热轧钢材。之后，以25℃/秒的冷却速度进行冷却至600℃并结束冷却，并在该冷却终止温度下将热轧钢材进行收卷。之后，应用0.03℃/秒的冷却速度进行冷却至常温，并且对各试片的微细组织、屈强比以及气体释放率进行测量后一同记载于表1中。
[0064]
微细组织是通过硝酸酒精溶液(nital)蚀刻法对各试片进行蚀刻后利用500倍率的光学显微镜进行测量。表1的微细组织中的f表示铁素体，p表示珠光体。拉伸试验是通过沿轧制方向取jis5号标准的试片来进行，并且将0.2％偏移(off-set)屈服强度除以拉伸强度来计算屈强比。气体释放率是通过构成长度为500mm、直径为150mm、厚度为20mm的真空腔室后利用上述[关系式1]来进行测量。
[0065]
[表1]
[0066]
满足本发明所限制的条件的试片1和试片2的情况下，可以确认同时满足1.0*10-10
毫巴
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以下的气体释放率和0.8以下的屈强比。另一方面，不满足本发明所限制的条件的试片3和试片4的情况下，可以确认无法同时满足本发明所期望的屈强比和气体释放率。
[0067]
因此，根据本发明的一个方面的钢材同时具有低气体释放率和低屈强比特性，因此可以确认具有特别适合用作作为大型真空结构体的超高速列车用真空管的物理性能。
[0068]
以上，通过实施例对本发明进行了详细说明，但也可以包括其它形式的实施例。因此，权利要求的技术思想和范围并不受限于实施例。