具有优异耐磨性和韧性的奥氏体钢材及其制造方法与流程

本公开涉及具有优异的耐磨性和韧性的奥氏体钢材及其制造方法。

背景技术：

奥氏体钢材由于其诸如可加工硬化性、非磁性性能等特性而可用于各种目的。具体地，由于具有作为主要组织的铁素体和马氏体的碳钢在其性能方面存在限制，因此奥氏体钢材已越来越多地用作可克服碳钢的缺点的可替代材料。

随着采矿业和油气业的发展，使用钢材的磨损已成为采矿、运输、精炼和储存过程中的重要问题。作为用于替代石油的化石燃料，油砂的开发已经积极地进行，并且由包含油、砾石、沙子等的浆料引起的钢材的磨损已经被认为是增加生产成本的重要原因。因此，对具有优异的耐磨性和韧性的钢材的开发和应用的需求增加。

高锰钢或哈德菲尔德钢(hadfieldsteel)具有优异的耐磨性，并因此已广泛地在各种工业中用作耐磨部件。为了提高钢材的耐磨性，一直试图通过添加高含量的碳并包含大量的锰来增加奥氏体组织和耐磨性。

然而，高锰钢中的高含量碳可能在高温下产生沿晶界形成的碳化物，使得钢材的性能、特别是钢材的延展性可能大大降低。

为了防止上述碳化物在晶界上析出，已经提出通过进行水印刷热处理或在高温下进行固溶处理、进行热加工以及在室温下进行快速冷却来制造高锰钢的方法。

然而，通过上述方法制造的高锰钢在一般机械磨损环境中可以具有优异的耐磨性，但是这种高锰钢可能难以在伴随磨蚀和磨损的环境中实现耐磨性。因此，可能难以在可能发生钢的复杂磨损的恶劣环境中应用这种高锰钢。

因此，可能需要开发一种奥氏体钢材，其可以通过基于碳和锰的含量防止碳化物的形成来确保耐磨性和韧性两者。

(现有技术)

(参考文献1)韩国公开专利公报no.2010-0106649

技术实现要素：

技术问题

本公开的一方面是提供一种具有优异的耐磨性和韧性的奥氏体钢材。

本公开的另一方面是提供一种制造具有优异的耐磨性和韧性的奥氏体钢材的方法。

技术方案

根据本发明的一方面，提供一种具有优异的耐磨性和韧性的奥氏体钢材，该奥氏体钢材包含以重量％计的：0.6％至1.9％的碳(c)、12％至22％的锰(mn)、5％或更少(不包括0％)的铬(cr)、5％或更少(不包括0％)的铜(cu)、0.5％或更少(不包括0％)的铝(al)、1.0％或更少(不包括0％)的硅(si)、0.1％或更少(包括0％)的磷(p)、0.02％或更少(包括0％)的硫(s)，以及余量的fe和不可避免的杂质，并且作为显微组织，以面积分数计包含97％或更高(包括100％)的奥氏体和3％或更低(包括0％)的碳化物。

优选地，奥氏体的晶粒尺寸可以为500μm或更小。

根据本公开的另一方面，提供一种制造具有优异的耐磨性和韧性的奥氏体钢材的方法，该方法包括：准备板坯，该板坯以重量％计包含0.6％至1.9％的碳(c)、12％至22％的锰(mn)、5％或更少(不包括0％)的铬(cr)、5％或更少(不包括0％)的铜(cu)、0.5％或更少(不包括0％)的铝(al)、1.0％或更少(不包括0％)的硅(si)、0.1％或更少(包括0％)的磷(p)、0.02％或更少(包括0％)的硫(s)，以及余量的fe和不可避免的杂质；在1050℃或更高温度下再加热板坯；通过在800℃或更高的精轧温度下热轧经再加热的板坯来获得经热轧的钢材；以及执行热处理，在热处理中，在满足以下关系表达式1的热处理温度(t)下将经热轧的钢材保持满足关系表达式2的保持时间(分钟)，并且以10℃/秒或更高的冷却速度将经热轧的钢材水冷至500℃或更低；

[关系表达式1]：

530+285[c]+44[cr]＜t＜1446-174[c]-3.9[mn]

其中t为热处理温度(℃)，[c]、[cr]和[mn]各自表示各元素的重量％，

[关系表达式2]：

t+10<保持时间<t+30，

其中t为钢板的厚度(mm)

有益效果

根据本公开的一方面，通过经由热处理控制显微组织中的碳化物，可以提供具有优异的耐磨性和韧性的奥氏体钢材，其可以确保耐磨性和韧性。

附图说明

图1是在热处理之前和之后的发明钢4的显微组织的光学显微镜图像。

具体实施方式

在下文中，将描述本公开的优选示例性实施方案。

然而，可以提供示例性实施方案以向本领域的普通技术人员更完整地描述本公开。

此外，本公开的示例性实施方案可以以各种方式修改，并且本公开的范围不限于下面描述的实施方案。

此外，在说明书中，除非另外指出，否则术语“包含”可以表示可以还包含某个元素，而不排除另一元素。

在以下描述中，将详细描述根据本公开的示例性实施方案的具有优异的耐磨性和韧性的奥氏体钢材。

根据本发明的一方面的具有优异耐磨性和韧性的奥氏体钢材以重量％计可以包含：0.6％至1.9％的碳(c)、12％至22％的锰(mn)、5％或更少(不包括0％)的铬(cr)、5％或更少(不包括0％)的铜(cu)、0.5％或更少(不包括0％)的铝(al)、1.0％或更少(不包括0％)的硅(si)、0.1％或更少(包括0％)的磷(p)、0.02％或更少(包括0％)的硫(s)，以及余量的fe和不可避免的杂质，并且作为显微组织，以面积分数计包含97％或更高(包括100％)的奥氏体和3％或更低(包括0％)的碳化物。

将描述钢材的组成和组成范围。

碳(c)：0.6至1.9重量％(下文中，称为“％”)

可以优选地将碳(c)的含量限制为0.6％至1.9％。

碳是奥氏体稳定元素，其可以改善均匀延伸率，并且可以有利于提高强度和可加工硬化性。

当碳含量小于0.6％时，可能难以在室温下形成稳定的奥氏体，从而可能存在难以确保足够的强度和可加工硬化性的问题。

当碳含量超过1.9％时，可能析出大量碳化物，使得均匀延伸率可能降低，并且因此可能难以确保优异的延伸率。而且，耐磨性可能降低，并且可能发生早期破裂。

为了改善耐磨性，可以优选地增加碳含量。然而，即使通过热处理防止了碳化物的析出，碳的固溶可能存在限制，并且可能存在钢材的性能劣化的风险。因此，优选的是将碳的上限含量限制为1.9％。

更优选的碳含量可以为0.7％至1.7％。

锰(mn)：12％至22％

可以优选地将锰含量限制为12％至22％。

锰是可以稳定奥氏体的重要元素，并且可以改善均匀延伸率。

可以优选地包含12％或更高的锰以获得作为本公开的钢材中的主要组织的奥氏体。

当锰的含量小于12％时，奥氏体的稳定性可能降低，使得在制造过程中的轧制过程期间可能形成马氏体组织，并且因此，可能无法确保足够的奥氏体组织，使得可能难以确保足够的均匀延伸率。

当锰含量超过22％时，制造成本可能大大增加，由于锰的过量添加可能降低耐腐蚀性，并且在制造过程中的加热期间可能很大程度地发生内部氧化，使得可能会发生表面品质劣化的问题。

铜(cu)：5％或更少(不包括0％)

可以优选地将铜(cu)的含量限制为5％或更低。

铜可以具有显著较低的碳化物固溶度，并且可以缓慢地分散在奥氏体中，使得铜可以集中在通过奥氏体成核的碳化物界面上。因此，铜可能干扰碳的分散，使得铜可以有效地减缓碳化物的生长，因此可以具有防止碳化物形成的效果。在本公开中，为了获得这样的效果，可以添加铜，并且为了获得防止碳化物的效果，铜的优选含量可以为0.05％或更高。

铜还可以改善钢材的耐腐蚀性。当铜含量超过5％时，钢的热压加工性可能降低。因此，可以优选地将铜的上限含量限制为5％。

更优选的铜含量可以为4％或更少。

铬(cr)：5％或更少(不包括0％)

可以优选地将铬(cr)的含量限制为5％或更低。

当添加适当含量的铬时，铬可以是在奥氏体中的溶质并且可以增加钢材的强度。

铬也是可以改善钢材的耐腐蚀性的元素。但是，铬可能通过在奥氏体晶界上形成碳化物而降低韧性。

因此，可以优选地考虑与碳和其他待添加元素的关系来确定本公开中要添加的铬的含量。可以优选地将铬的上限含量限制为5％以防止碳化物的形成。

当铬的含量超过5％时，可能难以有效地防止在奥氏体晶界上形成铬基碳化物，并且因此，冲击韧性可能降低。

更优选的铬含量可以为4％或更低。

铝(al)：0.5％或更少(不包括0％)和硅(si)：1.0％或更少(不包括0％)

铝(al)和硅(si)是可以在炼钢过程期间作为脱氧剂添加的元素。本公开的钢材可以包含在如上限定的上述组成范围内的铝(al)和硅(si)。

磷(p)：0.1％或更少(包括0％)和硫(s)：0.02％或更少(包括0％)

磷(p)和硫(s)是代表性杂质。过量添加磷和硫可能导致品质劣化。因此，可以优选地将磷含量限制为0.1％或更少，并将硫含量限制在0.02％或更少。

本公开的钢材可以包含作为剩余部分的fe和其他不可避免的杂质。

在一般制造过程中，可能不可避免地从原材料或周围环境添加不可避免的杂质，因此可能不排除杂质。

本领域技术人员可能了解杂质，并且因此在本公开中描述可能不提供对杂质的描述。

根据本公开的优选方面的具有优异的耐磨性和韧性的奥氏体钢材可具有以面积分数计包含97％或更高(包括100％)的奥氏体和3％或更低(包括0％)的碳化物的显微组织。

当以面积分数计碳化物的分数超过3％时，碳化物可能析出在奥氏体晶界上，这可能导致晶界破坏，并且钢材的冲击韧性可能大大降低。

因此，可以优选地将以面积分数计碳化物的分数限制为3％或更低。

因此，当以面积分数计碳化物的分数满足3％或更低时，可以确保奥氏体基钢材的优异的强度和延伸率，这是奥氏体基钢材的独特特性，并且可以改善可加工硬化性，使得硬度可以由于材料的加工硬化而增加，由此确保优异的耐磨性。

优选地，奥氏体的晶粒尺寸可以为500μm或更小。

由于钢材的显微组织由以面积分数计3％或更低的碳化物和具有500μm或更小的晶粒尺寸的奥氏体组织形成，因此可以提供具有改善的耐磨性和韧性的钢材。

奥氏体钢材的优选厚度可以是4mm或更高，并且更优选的厚度可以是4mm至50mm。

奥氏体钢材可具有2.0g或更少的磨损量和100j或更高的冲击韧性。

在以下描述中，将描述制造具有优异的耐磨性和韧性的奥氏体钢材的方法。

制造具有优异的耐磨性和韧性的奥氏体钢材的方法可以包括：准备板坯，该板坯以重量％计包含0.6％至1.9％的碳(c)、12％至22％的锰(mn)、5％或更少(不包括0％)的铬(cr)、5％或更少(不包括0％)的铜(cu)、0.5％或更少(不包括0％)的铝(al)、1.0％或更少(不包括0％)的硅(si)、0.1％或更少(包括0％)的磷(p)，0.02％或更少(包括0％)的硫(s)，以及余量的铁和不可避免的杂质；在1050℃或更高下再加热板坯；通过在800℃或更高的精轧温度下热轧经再加热的板坯获得经热轧的钢材；以及进行热处理，在热处理中，在满足以下关系表达式1的热处理温度(t)下将经热轧的钢材保持满足关系表达式2的保持时间(分钟)，并且以10℃/秒或更高的冷却速度将经热轧的钢材水冷至500℃或更低。

[关系表达式1]

530+285[c]+44[cr]＜t＜1446-174[c]-3.9[mn]

(t为热处理温度(℃)，[c]、[cr]和[mn]各自表示各元素的重量％)

[关系表达式2]

t+10<维持时间<t+30

(t：钢板的厚度(mm))

再加热板坯

可以在热轧板坯之前对板坯进行再加热。

在再加热过程中，可以对板坯进行再加热以用于再加热过程中板坯的铸造组织、偏析、固溶和次级相的均匀化。

可能需要将板坯再加热至1050℃或更高以在热轧过程期间确保充分的温度。优选地，可以在1050℃至1250℃下再加热板坯。

当再加热温度低于1050℃时，组织的均匀化可能是不充分的，并且加热炉的温度可能显着降低，使得在热轧过程期间抗变形性可能增大。

当再加热温度超过1250℃时，铸造组织中的偏析区域可能部分熔化，并且表面品质可能劣化。

热轧

可以对经再加热的板坯进行热轧，从而获得经热轧的钢材。

在热轧期间，可以优选地将热压精轧温度限制为800℃或更高，并且可以更优选地将热压精轧温度限制为800℃或更高且为非再结晶温度(tnr)或更低。

本公开的钢材可以不伴随相变，并且可以在随后的热处理过程中进行对碳化物析出的控制。因此，可能不需要精确控制热轧期间的温度。可以仅考虑目标产品尺寸来执行轧制，并且因此，可以解决与温度控制相关的工艺限制。然而，如果在相对低的温度下进行轧制，则轧制载荷可能会显著增加，因此可以优选地在上述温度或更高温度下完成轧制。

通过热轧，可以制造厚度优选地为4mm至50mm的经热轧的钢材。

当经热轧的钢材的厚度为50mm或更大时，可能难以机械切割材料，并且材料可能需要被气割。而且，由于在冷却过程期间表面部分与中心部分之间的冷却偏差，可能发生由碳化物析出程度的差异引起的材料偏差。

热处理过程

可以进行热处理，在热处理中，可以在满足下述关系表达式(1)的热处理温度(t)下将如上获得的经热轧的钢材保持满足关系表达式(2)的保持时间(分钟)，并且可以以10℃/秒或更高的冷却速度将经热轧的钢材水冷至500℃或更低。

[关系表达式1]

530+285[c]+44[cr]＜t＜1446-174[c]-3.9[mn]

(t为热处理温度(℃)，[c]、[cr]和[mn]各自表示各元素的重量％)

[关系表达式2]

t+10<维持时间<t+30

(t为钢板的厚度(mm))

热处理温度(t)：530+285[c]+44[cr]＜t＜1446-174[c]-3.9[mn]

关于热处理温度，经热轧的钢材可以在530+285[c]+44[cr]或更高的温度下加热，其中碳化物可以是活性溶质以减少热处理时间，并且可能需要将经热轧的钢材保持在1446-174[c]-3.9[mn]或更低的温度下，以防止偏析区域由于过度加热而部分熔化。

热处理(分钟)：t+10<保持时间(分钟)<t+30

关于热处理时间，经热轧的钢材可能需要根据钢材的厚度而保持t(钢板的厚度)+10分钟或更长，以确保碳化物充分固溶的时间。当经热轧的钢材保持过长的时间段时，由于晶粒尺寸的粗大化强度会降低，因此，保持时间可以限制为t(钢板厚度)+30分钟或更短。

水冷：10℃/秒或更高的冷却速度，500℃或更低的冷却停止温度

当冷却速度低于10℃/秒时，或当冷却停止温度超过500℃时，碳化物可能析出，使得延伸率可能降低。

快速冷却过程可以有助于确保铸造组织中c和n的高固溶度。因此，可以优选地以10℃/秒或更高的速度将冷却进行至500℃或更低。

更优选的冷却速度可以是15℃/秒或更高，更优选的冷却停止温度可以是450℃或更低。

根据制造根据本公开的另一方面的奥氏体钢材的方法，可以制造具有优异的耐磨性和韧性的奥氏体钢材，该奥氏体钢材具有以面积分数计包含97％或更高(包括100％)的奥氏体和3％或更低(包括0％)的碳化物的显微组织。

优选地，奥氏体的晶粒尺寸可以为500μm或更小。

奥氏体钢材可以具有2.0g或更少的磨损量和100j或更高的冲击韧性。

根据本公开的优选实例实施方案，通过确保均匀且高度稳定的奥氏体相可以提高韧性，通过经由热处理有效地控制碳化物可以克服在轧制过程期间对碳化物控制的限制，并且通过解决对提高韧性的限制可以提高加工效率和品质。因此，可以提供奥氏体钢材，该奥氏体钢材可以在可能发生钢材的大量磨损的油气业中的整个采矿业、运输业、储存业或工业机械领域中有效地应用于需要耐磨性和高韧性的领域中。

发明实施方式

在以下描述中，将更详细地描述本公开的实例实施方案。应当注意，提供实例实施方案是为了更详细地描述本公开，而不是限制本公开的权利范围。可以基于权利要求中记载的主题和从主题合理推断的事项来确定本公开的权利范围。

(实施方案)

在1150℃下对具有如下表1中的组成的板坯进行再加热，并在950℃的热压精轧温度条件下进行热轧，从而制造厚度为12mm的经热轧的钢材。此后，在如下表2中的热处理条件下对经热轧的钢材进行热处理，从而制造经热轧的钢材。

测量如上制造的经热轧的钢材的显微组织、屈服强度、均匀延伸率和冲击韧性，并且结果列于下表3中。

此外，测量经热轧的钢材的耐磨性，并且结果也列于下表3中。关于耐磨性试验，根据astm(美国材料和实验协会)的g65规定进行磨损试验，并测量钢材的磨损量。在表3中，“未进行”表示未进行磨损试验，并且当强度、延伸率和冲击韧性已经劣化时，未进行额外的磨损试验。

此外，观察在热处理之前和之后的发明钢4的显微组织的图像，并且结果列于表1中。

[表1]

[表2]

[表3]

如表1至3中所示，满足本公开的整个组成体系和制造条件的发明钢1至5具有作为优异的耐磨性的2.0g或更少的磨损量，并且确保了100j或更高的冲击韧性。

对于比较钢1，由于碳含量显著较低，因此不能确保足够的强度。因此，磨损量超过作为参考值的2.0g。在比较钢2中，碳化物由于过量添加碳而增加，因此，比较钢2具有低的冲击韧性。

对于比较钢3，由于锰含量不足而未形成稳定的奥氏体相，并且由于形成马氏体，因此比较钢3具有低的冲击韧性。而且，比较钢4由于铬含量过高而具有低的冲击韧性。

比较钢5至10不满足热处理条件范围，使得比较钢5至10由于过量残留物和碳化物析出而具有低的冲击韧性。而且，当过度进行热处理时，由于奥氏体晶粒的粗大化而使强度降低，从而耐磨性降低。

此外，如在示出了在热处理之前和之后的发明钢4的显微组织图像的图1中所表示的，在热处理之前的经热轧的钢材中，碳化物沿奥氏体晶界析出，但在热处理之后，获得了具有足够溶质碳化物的完全奥氏体组织。

尽管已经在上面示出和描述了实例性实施方案，但是本公开的范围不限于此，并且对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的由所附权利要求限定的范围的情况下可以进行修改和改变。