具有優(yōu)異的機械加工性及延展性的耐磨奧氏體鋼其生產(chǎn)方法
【專利摘要】提供了具有優(yōu)異的機械加工性及延展性的耐磨奧氏體鋼及其生產(chǎn)方法，所述耐磨奧氏體鋼包含，按重量％計，8％至15％的錳(Mn)，含量滿足23％<33.5C-Mn≤37％的碳(C)，含量滿足1.6C-1.4(％)≤Cu≤5％的銅(Cu)，0.03％至0.1％的硫(S)，0.001％至0.01％的鈣(Ca)和余量的鐵(Fe)及其他不可避免的雜質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明，提供了具有優(yōu)異的機械加工性的奧氏體鋼，其中所述鋼中碳化物的形成被抑制，以阻止所述鋼的劣化，并充分確保了其耐腐蝕性以使所述鋼在腐蝕性環(huán)境中也能夠有長的使用壽命。
【專利說明】具有優(yōu)異的機械加工性及延展性的耐磨奧氏體鋼其生產(chǎn)方 法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開內(nèi)容涉及具有優(yōu)異的機械加工性（machinability)及延展性（ductility) 的耐磨奧氏體鋼及其生產(chǎn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著礦業(yè)、石油、天然氣工業(yè)的發(fā)展，用于礦業(yè)、運輸和煉油應(yīng)用的鋼的磨損成了 需要解決的難題。具體而言，盡管近來油砂確已發(fā)展成為一種非傳統(tǒng)的石油來源，但是由包 含油、碎石和沙子的泥漿所造成的鋼元件的磨損成為增加油砂煉油生產(chǎn)成本的主要因素之 一，因此，日益需要開發(fā)和實現(xiàn)具有高度耐磨性鋼。
[0003] 在采礦行業(yè)，具有高度耐磨性的哈德菲爾德高錳鋼（Hadfield steel)已被廣泛使 用。哈德菲爾德高錳鋼是一種錳含量較高的高強度鋼，并且人們一直在努力改善此類鋼的 耐磨性，通過向鋼中加入大量的碳和錳來增加奧氏體的形成因而提高鋼的耐磨性。然而，由 于哈德菲爾德高錳鋼的碳含量較高，使得在高溫下沿著其奧氏體的晶粒邊界會形成一種網(wǎng) 狀結(jié)構(gòu)的碳化物，并因此使哈德菲爾德高錳鋼的物理特性（尤其是，延展性）顯著變差。
[0004] 為了阻止此類網(wǎng)狀碳化物沉淀的形成，于是提出了一種高錳鋼的制造方法，所述 方法通過將經(jīng)固溶熱處理或熱加工過程后處于高溫狀態(tài)的高錳鋼快速冷卻至室溫而進行。 然而，如果使用這種方法生產(chǎn)相對較厚的鋼板，則通過快速冷卻不足以實現(xiàn)防止碳化物沉 淀的效果。此外，如果進行焊接過程，那么就很難控制焊接過程后的冷卻速率，并因此很難 抑制網(wǎng)狀碳化物沉淀的形成。因此，鋼的物理特性會顯著變差。此外，在對高錳鋼的鋼錠或 鋼坯進行固化期間，不可避免地發(fā)生由于合金元素（如錳或碳）所導(dǎo)致的偏析，并且這種偏 析在后處理過程（如熱軋過程）中會變得更嚴(yán)重。結(jié)果，碳化物沿著最終產(chǎn)品的密集偏析 區(qū)以網(wǎng)狀形式部分沉淀，使得最終產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)不均一，從而導(dǎo)致較差的物理特性。
[0005] 通常，可以增加鋼中的碳含量來提高鋼的耐磨性，可以增加鋼中的錳含量來防止 由碳化物沉淀引起的鋼物理特性的劣化。然而，這種方法增加了合金元素的用量和鋼的制 造成本。此外，與普通的碳鋼相比，錳的加入會降低鋼的耐腐蝕性。因此，這種鋼不能用于 需求耐腐蝕性鋼的領(lǐng)域。
[0006] 此外，由于高加工淬透性（work hardenability)使得奧氏體高猛鋼的機械加工性 較差，從而縮短了切削工具的使用壽命并因此增加了切削工具的成本。此外，由于需要頻繁 更換切削工具而使過程暫停時間增加。最終導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 技術(shù)問題
[0008] 本公開內(nèi)容的一方面通過抑制碳化物的形成可以提供具有改善的機械加工性、延 展性及耐磨性的奧氏體鋼及生產(chǎn)所述奧氏體鋼的方法。
[0009] 然而，本公開內(nèi)容的方面不限于此。其他方面將會在說明書中部分提出，并且從本 說明書將對于本公開內(nèi)容所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員顯而易見。
[0010] 技術(shù)方案
[0011] 依據(jù)本公開內(nèi)容的一方面，具有優(yōu)異的機械加工性及延展性的耐磨奧氏體鋼可包 含，按重量％計，8 %至15 %的錳（Μη)，含量滿足23 %〈33. 5C-Mn < 37 %的碳（C)，含量滿足 1.6C-1.4(% )彡Cu彡5%的銅（Cu)，和余量的鐵（Fe)及不可避免的雜質(zhì)。
[0012] 依據(jù)本公開內(nèi)容的另一方面，具有優(yōu)異的機械加工性及延展性的耐磨奧 氏體鋼的生產(chǎn)方法可包括：將鋼坯再加熱至1050°c至1250°C，所述鋼坯包含，按重 量％計，8 %至15 %的錳（Μη)，含量滿足23 %〈33. 5C-Mn< 37 %的碳（〇,含量滿足 1.6C-1.4(% )彡Cu彡5%的銅（Cu)，和余量的鐵（Fe)及不可避免的雜質(zhì)；在800°C至 1050°C的溫度下對鋼坯進行熱精軋工序以形成鋼板；以及以10°C /s至100°C /s的冷卻速 率將熱軋鋼板冷卻至600°C或更低的溫度。
[0013] 有益效果
[0014] 根據(jù)本公開內(nèi)容，抑制了奧氏體鋼中碳化物的形成，從而防止了奧氏體鋼的劣化， 并充分改善了奧氏體鋼的耐磨性。因此，所述奧氏體鋼甚至是在腐蝕性環(huán)境中也能夠有長 的使用壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是說明本公開內(nèi)容的一個實施方案的錳含量和碳含量之間相互關(guān)系的圖。
[0016] 圖2是本公開內(nèi)容一個實施例中的鋼的微觀結(jié)構(gòu)圖像。
[0017] 圖3是說明本公開內(nèi)容的一個實施例中的硫含量和機械加工性之間相互關(guān)系的 圖。
[0018] 最佳實施方式
[0019] 下文，將根據(jù)本公開內(nèi)容的實施方案詳細描述具有優(yōu)異的機械加工性及延展性的 耐磨奧氏體鋼及所述耐磨奧氏體鋼的生產(chǎn)方法，以便相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以清楚地 理解本公開內(nèi)容實施方案的范圍和精神。
[0020] 發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，如果適當(dāng)調(diào)節(jié)鋼的組成，可使鋼具有高度的耐磨性和機械加工性，且 不會造成由碳化物引起的延展性降低?；谶@些知識，發(fā)明人發(fā)明了耐磨奧氏體鋼及生產(chǎn) 耐磨奧氏體鋼的方法。
[0021] 也就是說，在控制相對于錳含量的碳含量以使碳化物形成最少化的同時，向本公 開內(nèi)容實施方案的鋼中加入錳和碳以提高鋼的耐磨性。此外，向鋼中加入其他元素以進一 步抑制碳化物的生成，并且除了改善鋼的耐磨性外，可因此充分改善鋼的韌性，并且同時調(diào) 節(jié)鋼中的鈣和硫的含量以顯著改善鋼（奧氏體高錳鋼）的機械加工性。
[0022] 依據(jù)本公開內(nèi)容的實施方案，鋼包含，按重量％計，8%至15%的錳（Mn)，含量滿 足23%〈33. 5C-Mn彡37%的碳（〇,含量滿足1. 6C-1. 4(% )彡Cu彡5%的銅（Cu)，和余 量的鐵（Fe)及不可避免的雜質(zhì)。
[0023] 基于以下原因設(shè)定元素含量的數(shù)值范圍。在下面的描述中，除另有說明外，每種元 素的含量均是以重量％的形式給出。
[0024] 錳（Μη):8%至 15%
[0025] 在如本公開內(nèi)容實施方案的鋼中，錳是高錳鋼中穩(wěn)定奧氏體的主要元素。在本公 開內(nèi)容的實施方案中，錳的含量優(yōu)選8%或更多，以便使形成的奧氏體作為鋼的主要微觀結(jié) 構(gòu)。如果錳含量低于8%，則鋼中會形成鐵素體，從而導(dǎo)致奧氏體不能充分形成。另一方面， 如果錳含量高于15%，則會發(fā)生如鋼抗腐蝕性降低、生產(chǎn)過程難度增加以及生產(chǎn)成本增加 的問題。同時，由于抗拉強度的降低，鋼的加工淬透性也會降低。
[0026] 碳（C) :23%〈33. 5C_Mn 彡 37%
[0027] 碳是室溫下形成和穩(wěn)定奧氏體的元素。碳可以增加鋼的強度。具體而言，溶入到鋼 奧氏體中的碳可以增加鋼的加工淬透性，并因此增強鋼的耐磨性。然而，如上所述，如果鋼 中的碳含量不足，則奧氏體的穩(wěn)定性會降低，并且由于馬氏體的形成或奧氏體的低加工淬 透性會導(dǎo)致鋼的耐磨性不足。另一方面，如果鋼中碳含量過多，則很難抑制碳化物的形成。
[0028] 因此，在本公開內(nèi)容的實施方案中，鋼中碳的含量要依據(jù)鋼中其他元素的含量來 確定。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在碳化物的形成中的碳和錳之間的關(guān)系，并在圖1中說明了該關(guān)系。盡 管碳化物由碳形成，但是碳化物的形成不僅僅受碳的影響，還受碳和錳的比例的影響。圖1 顯示了適當(dāng)?shù)奶己肯鄬τ阱i含量的關(guān)系。
[0029] 如果假設(shè)鋼中其他元素的含量在本公開內(nèi)容實施方案的范圍內(nèi)，優(yōu)選將33. 5C_Mn 的值調(diào)節(jié)至37或更低（其中C和Μη是指以重量％計的碳含量和錳含量），以阻止碳化物的 形成。這對應(yīng)于圖1中平行四邊形區(qū)域的右邊界。如果33. 5C-Mn高于37,則碳化物會形 成至劣化鋼的延展性的程度。然而，如果鋼中碳的含量過低（也就是說，如果33. 5C-Mn小 于23)，則鋼的耐磨性不能通過鋼的加工淬透性得以改善。因此，33. 5C-Mn優(yōu)選等于或大于 23。也就是說，碳含量優(yōu)選滿足23〈33. 5C-Mn < 37。
[0030] 銅（Cu) : 1. 6C-1. 4(% )彡 Cu 彡 5%
[0031] 由于銅在碳化物中的低固溶度以及在奧氏體中的低擴散速度，因而銅易于在奧氏 體和碳化物之間的界面處聚集。因此，如果形成細小的碳化物核，則銅可能會圍繞在該細小 的碳化物核周圍，從而阻止碳的額外擴散及碳化物的生長。也就是說，銅可抑制碳化物的形 成和生長。因此，在本公開內(nèi)容的實施方案中，銅被加入到了鋼中。鋼中的銅含量不是獨立 確定的，而是依據(jù)碳化物的形成行為來確定。例如，銅含量被設(shè)定為等于或大于1. 6C-1. 4 重量％，以便有效抑制碳化物的形成。如果鋼中的銅含量低于1. 6C-1. 4重量％，則無法抑 制由碳向碳化物的轉(zhuǎn)化。另外，如果鋼中的銅含量高于5重量％，則鋼的熱加工性會降低。 因此，銅含量的上限可優(yōu)選設(shè)定為5重量％。具體而言，在本公開內(nèi)容的實施方案中，在考 慮為提高耐磨性而加入到鋼中的碳含量時，銅含量優(yōu)選為0.3重量％或更高，更優(yōu)選為2重 量％或更高，以獲得充分抑制碳化物形成的效果。
[0032] 在本公開內(nèi)容的實施方案中，鋼的另一組分是鐵（Fe)。然而，鋼中不可避免地包含 原料或生產(chǎn)環(huán)境中的雜質(zhì)，并且這些雜質(zhì)可能無法從鋼中除去。由于這些雜質(zhì)是本公開內(nèi) 容所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所熟知的，因此本公開內(nèi)容將不給予說明。
[0033] 在本公開內(nèi)容的實施方案中，除上述元素外，鋼中還可包含硫（S)和鈣（Ca)，以提 高鋼的機械加工性。
[0034] 硫（S) :0· 03% 至 0· 1%
[0035] 通常，已知硫與錳同時加入會形成硫化錳，所述硫化錳在切割過程中易于切割和 分離。也就是說，硫已知為提高鋼的機械加工性的元素。硫通過被切割過程所產(chǎn)生的熱量 而熔融，因此減少了切割過程中切口與切割工具之間的摩擦。也就是說，硫可通過潤滑切 割工具的表面而延長切割工具的壽命，減少切割工具的磨損，阻止切屑在切割工具上的積 累。然而，如果鋼中硫含量過多，則鋼的機械性能會因熱加工過程中存在的大量被拉伸的粗 硫化錳而劣化，并且鋼的熱加工性因硫化鐵的生成而劣化。因此，鋼中硫含量的上限優(yōu)選為 0. 1%。如果鋼中的硫含量低于0. 03%，則鋼的機械加工性不會得到改善，因此鋼中硫含量 的下限優(yōu)選為0.03%。
[0036] 鈣（Ca) :0.001% 至 0.01%
[0037] 鈣通常被用來控制硫化錳的生成。由于鈣具有很好的親硫性，所以鈣與硫可形 成硫化鈣，與此同時，鈣可溶于硫化錳中。由于硫化錳可以硫化鈣為晶核并圍繞其進行結(jié) 晶，因而硫化錳在熱加工過程中較少地被拉伸，并保持球形。因此，鋼的機械加工性得到改 善。然而，如果鈣含量高于〇.〇1%，則上述效果是充分的。此外，由于鈣的回收率較低，于 是不得不使用大量的鈣原料，會造成鋼的生產(chǎn)成本增加。另一方面，如果鋼中的鈣含量低于 0. 001 %，則上述效果不明顯。因此，鈣含量的下限優(yōu)選為0. 001 %。
[0038] 在本公開內(nèi)容的實施方案中，除上述元素外，鋼中還包含鉻（Cr)，以進一步改善鋼 的耐腐蝕性。
[0039] 鉻：8 %或更少（不包括0 % )
[0040] 通常，錳會降低鋼的耐腐蝕性。也就是說，在本公開內(nèi)容的實施方案中，鋼中所 包含的上述含量范圍內(nèi)的錳會降低鋼的耐腐蝕性，因此在鋼中加入鉻以提高鋼的耐腐蝕 性。此外，如果加入到鋼中的鉻在一定的數(shù)值范圍內(nèi)，則鋼的強度也會得到改善。然而， 如果鋼中鉻含量高于8重量％，則鋼的生產(chǎn)成本會增加，并且溶于鋼中的碳會沿著晶粒邊 界轉(zhuǎn)化成碳化物，從而降低鋼的延展性，特別是降低鋼對硫化物應(yīng)力開裂（sulfide stress cracking)的抗性。此外，鋼中會形成鐵素體，因而奧氏體無法作為鋼的主要微觀結(jié)構(gòu)而形 成。因此，鉻含量的上限優(yōu)選為8重量％。具體而言，為了最大程度地提高鋼的耐腐蝕性， 鋼中的鉻含量優(yōu)選設(shè)定為2重量％或更高。由于通過加入鉻元素可以改善鋼的耐腐蝕性， 所以這種鋼可用于形成泥楽管道或用作抗酸氣（anti sour gas)材料。
[0041] 具有上述組成的鋼為具有90面積％或更多奧氏體的奧氏體鋼。在后續(xù)的加工過 程中，鋼的奧氏體會顯著硬化，因此鋼具有高度的硬度。在鋼中，除奧氏體外，不可避免地會 形成一些其它微觀結(jié)構(gòu)，如馬氏體、貝氏體、珠光體和鐵素體。在本公開內(nèi)容中，鋼的相的含 量總和被設(shè)定為100%，不考慮沉淀物如碳化物的含量，每種微觀結(jié)構(gòu)的含量表示總和的一 部分。
[0042] 此外，在本公開內(nèi)容的實施方案中，鋼優(yōu)選包含10面積％或更少的碳化物（基 于鋼的總面積計）。由于碳化物會降低鋼的延展性，因而可將鋼中碳化物的含量調(diào)節(jié)至較 低。例如，在本公開內(nèi)容的實施方案中，由于鋼中碳化物的面積分?jǐn)?shù)為10%或更低，因而 當(dāng)這種鋼被用作耐磨鋼時，不會產(chǎn)生由低延展性所造成的問題，如過早斷裂（premature fracture)及沖擊韌性降低。
[0043] 下文中，將描述依據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施方案生產(chǎn)所述耐磨奧氏體鋼的方法。 通過使用相關(guān)領(lǐng)域中普遍已知的制造方法，可以生產(chǎn)所述的鋼，相關(guān)領(lǐng)域的制造方法可包 括常規(guī)的熱軋法，在該方法中將鋼坯再加熱、粗軋和精軋。熱軋法后，通過常規(guī)冷卻方法將 所述鋼冷卻。例如，在本公開內(nèi)容的一個實施方案中，鋼可以按照發(fā)明人提出的如下示例性 方法進行生產(chǎn)。
[0044] 制造包含如下組分的鋼坯：按重量％計，8 %至15 %的錳（Μη)，含量滿足23 % 〈33. 5C-Mn彡37%的碳（〇,含量滿足1.6C-1.4(%)彡Cu彡5%的銅（Cu)，和余量的鐵 (Fe)及不可避免的雜質(zhì)。
[0045] 如上所述，鋼坯還可包含硫（S)和鈣（Ca)。
[0046] 此外，如上所述，鋼坯還可包含鉻（Cr)。
[0047] 鋼坯被再加熱到1050°C至1250°C的溫度。
[0048] 在熱軋過程中，鋼坯（或鋼錠）于再熱爐中再加熱。如果鋼坯被再加熱至低于 1050°C的溫度，則作用于軋鋼機的負荷會顯著增加，并且合金元素不能充分溶入到鋼坯中。 另一方面，如果鋼坯的再加熱溫度過高，則晶粒會過度生長，從而導(dǎo)致鋼坯的強度變低。具 體而言，在本公開內(nèi)容的鋼的上述組成范圍內(nèi)，碳化物會熔融在晶粒邊界中，因此，如果鋼 坯的再加熱溫度等于或高于鋼坯的固相線（solidus line)，則鋼坯的熱軋?zhí)匦詴儾睢Ｒ?此，再加熱溫度的上限被設(shè)定為1250°C。
[0049] 此后，鋼坯在800°C至1050°C的溫度下被精軋成鋼板。
[0050] 如上所述，鋼坯在800°C至1050°C的溫度范圍內(nèi)進行軋制。如果軋制的溫度低于 800°C，則乳制負荷會很大，并且碳化物會沉淀及粗糙地生長。因此，無法獲得所需的延展 性。軋制溫度的上限被設(shè)定為1050°C。
[0051] 通過熱軋形成的鋼板以10°C /s至100°C /s的速度被冷卻至600°C或更低的溫度。
[0052] 精軋后，將鋼板以足夠高的冷卻速率冷卻以抑制晶粒邊界處碳化物的形成。如果 冷卻速率小于l〇°C /s，則不能充分抑制碳化物的形成，從而在冷卻期間碳化物在晶粒邊界 處進行沉淀。這會引起如過早斷裂、延展性降低及耐磨性降低等問題。因此，冷卻速率被調(diào) 節(jié)至很高，且其上限不限于一具體值，只要冷卻速率在加速的冷卻速率范圍內(nèi)即可。然而， 通過常規(guī)的加速冷卻技術(shù)很難將冷卻速率增加到高于l〇〇°C /s的值。
[0053] 盡管鋼板以較高的速度冷卻，但是如果鋼板的冷卻被終止于一個較高溫度，碳化 物會在鋼板中形成并生長。因此，在本公開內(nèi)容的實施方案中，將鋼板冷卻至600°C或更低 的溫度。
[0054] 發(fā)明實施方式
[0055] 下文中，將通過實施例對本公開內(nèi)容的實施方案進行更為具體的描述。然而，實施 例是為了清楚地解釋本公開內(nèi)容的實施方案，而非意欲限制本公開內(nèi)容的精神和范圍。
[0056] 實施例1
[0057] 將含有表1所示元素和組成的鋼坯樣品在表2所示的條件下再加熱、熱軋和冷卻。 然后，如表3所示，測得樣品的特性如微觀結(jié)構(gòu)、伸長率（elongation)、強度和碳化物分?jǐn)?shù)。 在表1中，每種元素的含量以重量％給出。
[0058] 表 1
[0059]

【權(quán)利要求】
1. 具有優(yōu)異的機械加工性及延展性的耐磨奧氏體鋼，所述耐磨奧氏體鋼包含，按 重量％計，8 %至15 %的錳（Μη)，含量滿足23 %〈33. 5C-Mn < 37 %的碳（〇,含量滿足 1. 6C-1. 4(% )彡Cu彡5%的銅（Cu)，和余量的鐵（Fe)及不可避免的雜質(zhì)。
2. 權(quán)利要求1的耐磨奧氏體鋼，其還包含，按重量％計，0.03%至0. 1 %的硫（S)和 0.001%至0.01%的鈣（0&)。
3. 權(quán)利要求1或2的耐磨奧氏體鋼，其還包含8重量％或更少（不包括0重量％ )的 鉻（Cr)。
4. 權(quán)利要求1或2的耐磨奧氏體鋼，其中耐磨奧氏體鋼具有包含90面積％或更多奧氏 體的微觀結(jié)構(gòu)。
5. 權(quán)利要求1或2的耐磨奧氏體鋼，其中耐磨奧氏體鋼包含10面積％或更少的碳化 物。
6. -種具有優(yōu)異的機械加工性和延展性的耐磨奧氏體鋼的生產(chǎn)方法，該方法包括： 將鋼坯再加熱至1050°C至1250°C，所述鋼坯包含，按重量％計，8%至15%的錳（Mn)， 含量滿足23%〈33.5C-Mn彡37%的碳（〇,含量滿足1.6C-1.4(%)彡Cu彡5%的銅（Cu)， 和余量的鐵（Fe)及不可避免的雜質(zhì)； 在800°C至1050°C的溫度下對鋼坯進行熱精軋工序以形成鋼板；以及 將熱軋鋼板以l〇°C /s至100°C /s的冷卻速率冷卻至600°C或更低的溫度。
7. 權(quán)利要求6的方法，其中鋼坯還包含，按重量％計，0.03 %至0. 1 %的硫⑶和 0.001%至0.01%的鈣（0&)。
8. 權(quán)利要求6或7的方法，其中鋼坯還包含8重量％或更少（不包括0重量％ )的鉻 (Cr) 〇
【文檔編號】C22C38/38GK104204262SQ201280070858
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月28日
【發(fā)明者】李淳基, 崔鐘教, 盧熙君, 趙懸寬, 徐仁植, 李學(xué)哲, 樸仁圭, 李弘周 申請人:Posco公司