高强度奥氏体基高锰钢材及其制造方法
阅读说明：本技术 高强度奥氏体基高锰钢材及其制造方法 (High-strength austenite-based high-manganese steel material and manufacturing method thereof ) 是由 李云海 韩台教 姜相德 金成圭 金龙进 于 2018-12-20 设计创作，主要内容包括：根据本发明优选的一方面,提供一种高强度奥氏体基高锰钢材及其制造方法,按重量％计,包含锰(Mn)：20～23％,碳(C)：0.3～0.5％,硅(Si)：0.05～0.50％,磷(P)：0.03％以下(不包含0％),硫(S)：0.005％以下(不包含0％),铝(Al)：0.050％以下(不包含0％),铬(Cr)：2.5％以下(包含0％),硼(B)：0.0005～0.01％,氮(N)：0.03％以下(不包含0％),剩余量的Fe及其他不可避免的杂质,由下述关系式1表示的堆垛层错能(SFE)为3.05mJ/m<Sup>2</Sup>以上,微细组织包含面积分数为95％以上(包含100％)的奥氏体,并且在奥氏体再结晶晶粒内包含面积分数为6％以上的应变晶界。[关系式1]SFE(mJ/m<Sup>2</Sup>)＝-24.2+0.950*Mn+39.0*C-2.53*Si-5.50*Al-0.765*Cr[这里,Mn、C、Cr、Si、Al是指各成分含量的重量％]。(According to a preferred aspect of the present invention, there is provided a high-strength austenite-based high-manganese steel material including, in wt%, manganese (Mn): 20-23%, carbon (C): 0.3 to 0.5%, silicon (Si): 0.05 to 0.50%, phosphorus (P):0.03% or less (0% excluded), sulfur (S): 0.005% or less (0% is excluded), aluminum (Al): 0.050% or less (excluding 0%), chromium (Cr): 2.5% or less (including 0%), boron (B): 0.0005-0.01%, nitrogen (N): 0.03% or less (not including 0%), and the balance of Fe and other unavoidable impurities, wherein the Stacking Fault Energy (SFE) represented by the following relational expression 1 is 3.05mJ/m 2 As described above, the microstructure includes austenite with an area fraction of 95% or more (including 100%), and strain boundaries with an area fraction of 6% or more are included in austenite recrystallization grains. [ relational expression 1]]SFE(mJ/m 2 ) -24.2+0.950 Mn + 39.0C-2.53 Si-5.50 Al-0.765 Cr [ where Mn, C, Cr, Si, Al refer to the weight% of each component content]。)
技术领域
本发明涉及奥氏体基高锰(Mn)钢材及其制造方法，更具体而言，涉及一种强度及柔性优异的奥氏体基高锰钢材及其制造方法。
背景技术
奥氏体基高锰(Mn)钢的特征在于，通过调节作为增加奥氏体相稳定性的元素的锰和碳的含量，奥氏体相在常温或极低温下也稳定，因此具有高韧性。通过利用奥氏体相的特性，用于需要高非磁性特性的变压器结构物等多样的用途。
最近，开发了一种如上所述的非磁性钢材通过添加大量的锰(Mn)和碳(C)而使奥氏体稳定化的非磁性特性优异的钢材。
奥氏体相作为顺磁性物质，导磁率低并且非磁性特性比铁氧体优异。
但是，就以奥氏体为主体的高锰钢而言，由于即使在低温下也具有柔性破坏的特性，因此具有低温韧性优异的优点，但由于固有的晶体结构，面心立方结构，强度尤其是屈服强度低，因此在设计结构物时，通过减少钢板的设计厚度来降低成本是有限度的。
为了提高强度，通过添加合金元素来进行固溶强化、通过添加析出物形成元素来进行析出硬化、通过精轧温度控制来进行平整(pancaking)轧制等，但存在各种问题，例如由于添加合金元素导致经济成本增加、由于析出物在奥氏体内的高固溶限度的限制等而限制了析出物生成、在通过精轧温度控制进行平整轧制时由于强度增加而导致冲击韧性降低等，因此，迫切需要通过经济有效的方法来开发保持伸长率的同时具有高强度的奥氏体钢材。
[现有技术文献]
(专利文献1)大韩民国公开专利公报第2009-0043508号
发明内容
要解决的技术课题
本发明优选的一个方面旨在提供一种强度及柔性优异的奥氏体基高锰钢材。
本发明优选的另一方面旨在提供一种强度及柔性优异的奥氏体基高锰钢材的制造方法。
解决技术问题的手段
根据本发明优选的一方面，提供一种高强度奥氏体基高锰钢材，其中，按重量％计，包含锰(Mn)：20～23％，碳(C)：0.3～0.5％，硅(Si)：0.05～0.50％，磷(P)：0.03％以下(不包含0％)，硫(S)：0.005％以下(不包含0％)，铝(Al)：0.050％以下(不包含0％)，铬(Cr)：2.5％以下(包含0％)，硼(B)：0.0005～0.01％，氮(N)：0.03％以下(不包含0％)，剩余量的Fe及其他不可避免的杂质，由下述关系式1表示的堆垛层错能(SFE)为3.05mJ/m2以上，包含微细组织的面积分数为95％以上(包含100％)的奥氏体，并且在奥氏体再结晶晶粒内包含面积分数为6％以上的应变晶界。
[关系式1]
SFE(mJ/m2)＝-24.2+0.950*Mn+39.0*C-2.53*Si-5.50*Al-0.765*Cr
[这里，Mn、C、Cr、Si、Al是指各成分含量的重量％]
根据本发明优选的另一方面，提供一种高强度奥氏体基高锰钢材的制造方法，包含准备钢坯的步骤，按重量％计，包含锰(Mn)：20～23％，碳(C)：0.3～0.5％，硅(Si)：0.05～0.50％，磷(P)：0.03％以下(不包含0％)，硫(S)：0.005％以下(不包含0％)，铝(Al)：0.050％以下(不包含0％)，铬(Cr)：2.5％以下(包含0％)，硼(B)：0.0005～0.01％，氮(N)：0.03％以下(不包含0％)，剩余量的Fe及其他不可避免的杂质，由下述关系式1表示的堆垛层错能(SFE)为3.05mJ/m2以上；
[关系式1]
SFE(mJ/m2)＝-24.2+0.950*Mn+39.0*C-2.53*Si-5.50*Al-0.765*Cr
[这里，Mn、C、Cr、Si、Al是指各成分含量的重量％]
钢坯再加热步骤，在1050～1300℃温度下再加热所述钢坯；
热轧步骤，通过对所述再加热的钢坯进行热轧获得热轧钢材；以及
冷却步骤，冷却热轧钢材，
在所述冷却步骤期间或所述冷却步骤之后，进行以下步骤：对于热轧钢材，在25～180℃的温度下以0.1～10％的低压下率弱轧，并在180～600℃的温度下以0.1～20％的低压下率进行弱轧。
所述弱轧步骤前的所述热轧钢材的奥氏体的平均晶粒度可以是5μm以上。
发明效果
根据本发明优选的一方面，可以提供一种奥氏体基高锰钢材及其制造方法，具有均匀的奥氏体相并且通过增加晶粒内部晶界的分数，具有优异的强度及柔性。
附图说明
图1是示出根据弱压下量的整个晶界密度变化的曲线图。
图2是示出弱压下后奥氏体再结晶晶粒内的应变晶界分数的变化的曲线图。
图3是示出实施例的发明例2的弱压下后在奥氏体再结晶晶粒内形成应变晶界的图像和其晶界的取向差分布(Misorientation profile)。
具体实施方式
下面，对本发明的优选实施形式进行说明。
然而，提供本发明的实施例以向本领域技术人员更充分地说明本发明。
本发明的范围并非仅限定于以下说明的实施例，而本发明的实施例可以以各种不同的方式修改。
附加地，在整个说明书中，某个部分“包含”某一构成要素是指，除非有与其相反的特别说明，否则还可以包含其他构成要素，而非排除包含其他构成要素。
下面，对本发明优选的一方面的高强度奥氏体基高锰钢材进行说明。
根据本发明优选的一方面的高强度奥氏体基高锰钢材，按重量％计，包含锰(Mn)：20～23％，碳(C)：0.3～0.5％，硅(Si)：0.05～0.50％，磷(P)：0.03％以下(不包含0％)，硫(S)：0.005％以下(不包含0％)，铝(A1)：0.050％以下(不包含0％)，铬(Cr)：2.5％以下(包含0％)，硼(B)：0.0005～0.01％，氮(N)：0.03％以下(不包含0％)，剩余量的Fe及其他不可避免的杂质，由下述关系式1表示的堆垛层错能(SFE)为3.05mJ/m2以上，包含微细组织面积分数为95％以上(包含100％)的奥氏体，并且在奥氏体再结晶晶粒内包含面积分数为6％以上的应变晶界。
[关系式1]
SFE(mJ/m2)＝-24.2+0.950*Mn+39.0*C-2.53*Si-5.50*Al-0.765*Cr
[这里，Mn、C、Cr、Si、A1是指各成分含量的重量％]
首先，对钢材的成分及成分范围进行说明。
锰(Mn)：20～23％
所述锰的含量优选限制为20～23％。所述锰是起稳定化奥氏体的作用的元素。在极低温下，可包含20％以上的所述锰以稳定化奥氏体相。当所述锰的含量小于20％时，就碳含量低的钢材而言，形成亚稳态相的ε-马氏体，通过在极低温下的应变诱导相变，可以容易地相变为α′-马氏体，从而可以降低钢材的韧性。另外，就为了确保钢材的韧性而增加碳的含量的钢材而言，由于碳化物的析出，钢材的物性有可能急剧下降。当所述锰的含量超过23％时，钢材的经济性可能会因制造成本增加而下降。
碳(C)：0.3～0.5％
所述碳的含量优选限制为0.3～0.5％。所述碳是稳定化奥氏体并且增加钢材的强度的元素。所述碳可以起降低Ms和Md的作用，该Ms和Md是通过冷却工程或者加工的奥氏体、ε-马氏体或α′-马氏体的相变点。当所述碳的含量小于0.3％时，由于奥氏体的稳定性不足，在极低温下无法获取稳定的奥氏体，并且通过外部应力容易地应变诱导相变为ε-马氏体或α′-马氏体，从而可以减少钢材的韧性及强度。当所述碳的含量超过0.5％时，由于碳化物的析出，钢材的韧性有可能急剧劣化并且钢材的强度过高，从而可以降低钢材的加工性。因此，本发明的所述碳的含量优选限制为0.3～0.5％，更优选为0.3～0.43％。
硅(Si)：0.05～0.5％
Si是如Al作为脱氧剂不可缺少的添加微量的元素。当过量添加Si时，在晶界形成氧化物以降低高温柔性并且引起裂纹等，有可能降低表面质量。但是，由于需要过量的成本以减少钢中Si的添加量，因此优选将下限限制为0.05％。由于氧化性高于Al，因此当添加量超过0.5％时，通过形成氧化物形成裂纹等，因此降低了表面质量，从而将Si含量优选限制为0.05～0.5％。
铬(Cr)：2.5％以下(包含0％)
铬稳定化奥氏体至适当的添加量范围，提高在低温下的冲击韧性，并且在奥氏体中使用起增加钢材的强度的作用。另外，铬也是提高钢材的耐蚀性的元素。然而，铬是碳化物元素，尤其，也是在奥氏体晶界形成碳化物以减少低温冲击的元素。因此，铬的含量优选考虑碳和其他添加在一起的元素之间的关系来决定，考虑到是高价的元素，其含量优选限制为2.5％以下(包含0％)。铬的含量更优选为0～2％，铬的含量进一步优选为0.001～2％。
硼(B)：0.0005～0.01％
所述硼的含量优选限制为0.0005～0.01％。所述硼是强化奥氏体晶界的晶界强化元素。即使添加少量所述硼，也可以通过强化奥氏体晶界来减少在高温下的钢材的裂纹敏感性。当所述硼的含量小于0.0005％时，奥氏体晶界强化效果小，因此可能对表面质量提高没有显着的贡献。当所述硼的含量超过0.01％时，在奥氏体的晶界发生晶界离析，由此，可以增加在高温下的钢材的裂纹敏感性，从而可以降低钢材的表面质量。硼的含量更优选为0.0005～0.006％，硼的含量进一步优选为0.001～0.006％。
铝(Al)：0.050％以下(不包含0％)
所述铝的含量优选限制为0.050％以下(不包含0％)。所述铝作为脱氧剂添加。所述铝可以与C或N反应并生成析出物，由于所述析出物使热加工性降低，所述铝的含量优选限制为0.050％以下(不包含0％)。铝的含量更优选为0.005～0.05％。
S：0.005％以下(不包含0％)
为了夹杂物的控制，需要将S控制在0.005％以下。当S的量超过0.005％时，发生热脆性的问题。
P：0.03％以下(不包含0％)
P是容易发生离析的元素，促进铸造时的裂纹。为了防止这种情况，需要控制在0.03％以下。如果P的量超过0.03％，则铸造性可能恶化，因此其上限为0.03％。
N：0.03％以下(不包含0％)
N通过与Ti结合而形成Ti氮化物，当N含量超过0.03％时，不能与Ti结合的游离N引起时效硬化显著抑制母质韧性，另外，由于表现出有害的特性，如在钢坯及钢板表面引起裂纹且抑制表面质量等，因此其上限为0.03％。
本发明的钢材包含剩余量的铁(Fe)及其他不可避免的杂质。在普通的钢铁制造过程中，来自原材料或周围环境的意料之外的杂质不可避免地混入，并且这不能排除。由于只要是通常的钢铁制造过程的技术人员都已知其杂质，所有内容在本发明中未提及。
根据本发明优选的一方面，下述关系式(1)表示的高强度奥氏体基高锰钢材的堆垛层错能(SFE)为3.05mJ/m2。
[关系式1]
SFE(mJ/m2)＝-24.2+0.950*Mn+39.0*C-2.53*Si-5.50*Al-0.765*Cr
[这里，Mn、C、Cr、Si、Al是指各成分含量的重量％]
当堆垛层错能(SFE)小于3.05mJ/m2时，有可能产生ε-马氏体和α′-马氏体，尤其，当产生α′-马氏体时导磁率急剧增加。随着堆垛层错能(SFE)增加，奥氏体稳定性增加，因此不限制其上限，但是如果超过17.02mJ/m2，则成分效率不高，因此其上限优选限制为17.02mJ/m2。
根据本发明优选的一方面的高强度奥氏体基高锰钢材包含面积分数为95％以上(包含100％)的奥氏体，奥氏体再结晶晶粒内包含面积分数为6％以上的应变晶界。
作为顺磁性物质，导磁率低并且非磁性特性比铁氧体优异的奥氏体是确保非磁性特性必不可少的微细组织。
当所述奥氏体的面积分数小于95％时，有可能难以确保非磁性特性。
当所述钢材的奥氏体再结晶晶粒内的应变晶界的面积分数小于6％时，强化效果不全，而在6％以上时强度急剧增加。所述应变晶界的面积分数可以是6～95％。
这里，应变晶界是指通过在弱轧时赋予的变形而形成的晶界。
所述微细组织可以以5％以下(包含0％)的面积分数包含夹杂物和ε马氏体中的一种或两种。
当所述夹杂物和ε马氏体中的一种或两种的面积分数超过5％时，则在奥氏体的晶界中析出导致晶界破断，并且可能减少钢材的韧性和柔性。
所述夹杂物可包含在奥氏体的晶界中。
所述夹杂物可以是碳化物。
下面，对本发明优选的另一方面的高强度奥氏体基高锰钢材的制造方法进行说明。
根据本发明优选的另一方面的高强度奥氏体基高锰钢材的制造方法，包含准备钢坯的步骤，按重量％计，包含锰(Mn)：20～23％，碳(C)：0.3～0.5％，硅(Si)：0.05～0.50％，磷(P)：0.03％以下(不包含0％)，硫(S)：0.005％以下(不包含0％)，铝(A1)：0.050％以下(不包含0％)，铬(Cr)：2.5％以下(包含0％)，硼(B)：0.0005～0.01％，氮(N)：0.03％以下(不包含0％)，剩余量的Fe及其他不可避免的杂质，由下述关系式1表示的堆垛层错能(SFE)为3.05mJ/m2以上；
[关系式1]
SFE(mJ/m2)＝-24.2+0.950*Mn+39.0*C-2.53*Si-5.50*Al-0.765*Cr
[这里，Mn、C、Cr、Si、Al是指各成分含量的重量％]
钢坯再加热步骤，在1050～1300℃的温度下再加热所述钢坯；
热轧步骤，通过对所述再加热的钢坯进行热轧获得热轧钢材；以及
冷却步骤，冷却热轧钢材，
在所述冷却步骤期间或所述冷却步骤之后，进行以下步骤：对于热轧钢材，在25～180℃的温度下以0.1～10％的低压下率弱轧，并在180～600℃的温度下以0.1～20％的低压下率进行弱轧。
钢坯再加热步骤
在加热炉中在1050～1300℃的温度下再加热具有钢构成的所述钢坯以热轧。此时，当再加热温度太低而低于1050℃时，存在轧制时荷重大的问题且合金成分也不能充分使用。另一方面，当再加热温度过高时，由于晶粒过度生长存在强度降低的问题，并且再加热超过钢材的固相线温度，有可能损害钢材的热轧性，因此将再加热温度的上限优选限制为1300℃。
热轧步骤
通过热轧所述再加热的钢坯来获取热轧钢材。热轧步骤可包括粗轧工程和精轧工程。此时，热精轧温度优选限制为800～1050℃。当热精轧温度低于800℃时，轧制荷重大，而当超过1050℃时，由于晶粒粗大地生长并且不能获取目标的强度，因此，其上限优选限制为1050℃。
冷却步骤
冷却在热轧步骤中获取的热轧钢材。
热精轧后，热轧钢材的冷却优选以足以抑制形成晶界碳化物的冷却速度实施。冷却速度可以是1～100℃/s。当冷却速度小于1℃/s时，不足以避免形成碳化物，在冷却过程中碳化物在晶界析出，并且由于钢材的过早破断而导致柔性减少和耐磨性的劣化成为问题，因此冷却速度越快越有利，并且如果在加速冷却的范围内，则不必特别限制所述冷却速度的上限。然而，在正常的加速冷却的情况下，考虑到冷却速度难以超过100℃/s，可以将其上限限制为100℃/s。
当冷却热轧钢材时，冷却停止温度优选限制为600℃以下。即使快速冷却，如果在高温下停止冷却，碳化物也会产生并生长。
弱轧步骤
在所述冷却步骤期间或所述冷却步骤之后，进行以下步骤：对于热轧钢材，在25～180℃的温度下以0.1～10％的低压下率弱轧，并在180～600℃的温度下以0.1～20％的低压下率进行弱轧。
所述弱轧步骤前的所述热轧钢材的奥氏体的平均晶粒度可以是5μm以上。由于当晶粒度大幅增加时，钢材的强度有可能降低，因此所述奥氏体的晶粒度为5～150μm。
当所述弱轧温度低于25℃时，有可能相变为ε-马氏体或α′-马氏体，而当超过600℃时，存在用于强度提高的效率性降低的问题。
当所述弱压下率低于0.1％时，存在强度提高低的问题，当在25～180℃的温度下超过10％或在180～600℃的温度下超过20％时，存在伸长率降低的问题。
根据本发明优选的另一方面的高强度奥氏体基高锰钢材的制造方法，可以制造包含面积分数为95％以上(包含100％)的奥氏体，并且具有在奥氏体再结晶晶粒内包含面积分数为6％以上的微细组织的高强度奥氏体基高锰钢材。
下面，将通过实施例更详细地说明本发明。然而，应注意，后述的实施例仅旨在具体化本发明示例，而不旨在限制本发明的权利范围。这是因为本发明的权利范围是由权利要求书中记载的事项和由此合理推断的事项来决定。
(实施例)
在1200℃的温度下再加热满足下述表l的成分、成分范围及堆垛层错能(SFE)的钢坯后，以表2的热精轧温度条件进行热轧，制造具有下述表2的厚度的热轧钢材后，以20℃/s的冷却速度冷却至300℃的温度。
所述冷却后，以下述表3的条件进行弱轧。
如上所述制造的热轧钢板(钢材)的整个晶界密度，测量在晶内因变形而新形成的应变晶界分数(晶内晶界分数)、屈服强度(YS)、拉伸强度(TS)、伸长率(E1)及导磁率，在下述表3示出其结果。
在下述表1中，SFE表示堆垛层错能，是通过下述关系式1获得的值。
[关系式1]
SFE(mJ/m2)＝-24.2+0.950*Mn+39.0*C-2.53*Si-5.50*Al-0.765*Cr
(这里，Mn、C、Cr、Si、Al是指各成分含量的重量％)
一方面，图1示出了对于发明例和比较例，根据弱压下量的整个晶界密度变化，图2示出了弱压下后奥氏体再结晶晶粒内的应变晶界分数的变化。
另外，图3示出了发明例2的弱压下后在奥氏体再结晶晶粒内形成应变晶界的图像和其晶界的取向差分布(Misorientation profile)。
【表1】
区分
C
Si
Mn
Cr
P
S
Al
B
N
SFE(mJ/m2)
发明例1
0.40
0.156
21.51
1.99
0.0178
0.0022
0.035
0.0024
0.0113
9.72
发明例2
0.40
0.156
21.51
1.99
0.0178
0.0022
0.035
0.0024
0.0113
9.72
发明例3
0.40
0.156
21.51
1.99
0.0178
0.0022
0.035
0.0024
0.0113
9.72
发明例4
0.40
0.156
21.51
1.99
0.0178
0.0022
0.035
0.0024
0.0113
9.72
发明例5
0.40
0.156
21.51
1.99
0.0178
0.0022
0.035
0.0024
0.0113
9.72
发明例6
0.40
0.156
21.51
1.99
0.0178
0.0022
0.035
0.0024
0.0113
9.72
发明例7
0.40
0.156
21.51
1.99
0.0178
0.0022
0.035
0.0024
0.0113
9.72
发明例8
0.40
0.156
21.51
1.99
0.0178
0.0022
0.035
0.0024
0.0113
9.72
发明例9
0.40
0.156
21.51
1.99
0.0178
0.0022
0.035
0.0024
0.0113
9.72
发明例10
0.40
0.156
21.51
1.99
0.0178
0.0022
0.035
0.0024
0.0113
9.72
发明例11
0.40
0.156
21.51
1.99
0.0178
0.0022
0.035
0.0024
0.0113
9.72
发明例12
0.40
0.156
21.51
1.99
0.0178
0.0022
0.035
0.0024
0.0113
9.72
比较例1
0.40
0.156
21.51
1.99
0.0178
0.0022
0.035
0.0024
0.0113
9.72
比较例2
0.39
0.206
22.30
2.20
0.0198
0.0011
0.022
0.0028
0.0127
9.87
比较例3
0.39
0.206
22.30
2.20
0.0198
0.0011
0.022
0.0028
0.0127
9.87
比较例4
0.40
0.156
21.51
1.99
0.0178
0.0022
0.035
0.0024
0.0113
9.72
发明例13
0.40
0.156
21.51
1.99
0.0178
0.0022
0.035
0.0024
0.0113
9.72
发明例14
0.40
0.156
21.51
1.99
0.0178
0.0022
0.035
0.0024
0.0113
9.72
【表2】
区纾
加热炉温度(℃)
提取温度(℃)
精轧温度(℃)
最终厚度(mm)
发明例1
1195
1201
921
9
发明例2
1195
1201
921
9
发明例3
1195
1201
921
9
发明例4
1195
1201
921
9
发明例5
1195
1201
921
9
发明例6
1195
1201
921
9
发明例7
1195
1201
921
9
发明例8
1195
1201
921
9
发明例9
1195
1201
921
9
发明例10
1195
1201
921
9
发明例11
1195
1201
921
9
发明例12
1195
1201
921
9
比较例1
1195
1201
921
9
比较例2
1170
1120
899
20
比较例3
11与0
1110
888
20
比较例4
1195
1201
921
9
发明例13
1195
1201
921
9
发明例14
1195
1201
921
9
【表3】
如所述表1至表3及图1和图2所示，可以看出，作为使用符合本发明的成分、成分范围及满足堆垛层错能(SFE)的钢坯以符合本发明的制造条件(热轧，冷却，弱压下条件)制造的热轧钢材的发明例(1-14)不仅具有符合本发明晶内晶界分数，与脱离本发明的弱压下条件的比较例(1-4)相比，屈服强度(YS)、拉伸强度(TS)及伸长率(El)优异。
一方面，如图3所示，当弱压下本发明的弱压下条件时(发明例2)，可知在奥氏体再结晶晶粒内形成大量的应变晶界。
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