一种用于超低温的高强韧高锰钢及其热处理工艺制造技术

本发明专利技术提供一种用于超低温的高强韧高锰钢，由以下质量百分比的元素组成：C：0.3‑0.6%；Si：0.02‑0.1%；Mn：20.0‑26.0%；Al：0.5‑2.5%；Nb：0.05‑0.3%；P：≤0.010%；S：≤0.002%；N：0.004‑0.010%；O：0.0005‑0.002%；余量为Fe。本发明专利技术还进一步提供一种用于超低温的高强韧高锰钢的热处理工艺。本发明专利技术提供的一种用于超低温的高强韧高锰钢及其热处理工艺，通过冷轧+低温时效+高温再结晶的热处理工艺，制备获得用于超低温的高强韧高锰钢，具有良好的强度和优异的塑性，并且其具有良好的焊接性，成本较低，热处理工艺较为简易。

High toughness and high manganese steel for ultra-low temperature and its heat treatment process

The invention provides a high strength and toughness high manganese steel for ultra-low temperature, which is composed of the following elements: C: 0.3 0.6%; Si: 0.02 0.1%; Mn: 20.0 26.0%; Al: 0.5 2.5%; Nb: 0.05 0.3%; P: < 0.010%; S 0.002%; N: 0.004 0.01%; O: 0.0005 2%; remainder. The invention further provides a heat treatment process for ultra-high temperature and high toughness and high manganese steel. The invention provides a high strength and toughness high manganese steel for ultra-low temperature and a heat treatment process thereof. The high strength and toughness high manganese steel for ultra-low temperature is prepared by a heat treatment process of cold rolling, low temperature aging and high temperature recrystallization, which has good strength and excellent plasticity, good weldability, low cost and heat treatment. The process is relatively simple.

【技术实现步骤摘要】
一种用于超低温的高强韧高锰钢及其热处理工艺
本专利技术属于低温用钢的
，涉及一种用于超低温的高强韧高锰钢及其热处理工艺。
技术介绍
随着全球海洋钻井平台、海底油气输送与油气储运等装备制造的快速发展,高强高韧性低温用钢，特别是在海洋环境下使用的低温海工用钢的需求量显著上升。目前，广泛应用于超低温的钢铁材料主要为富Ni铁素体型低温钢和奥氏体型低温钢。以海洋平台用钢为例,自升式钻井平台中高强韧钢占55-60％,半潜式钻井平台中占90-98％,其中平台用的桩腿、悬臂梁及升级齿条机构等要求在保证强度级别(460-690MPa)的同时兼顾优异的低温冲击韧性(-80℃冲击功&gt;100J)。Ni系铁素体低温钢和奥氏体不锈钢虽然性能良好，但价格昂贵，而且Ni元素对低温钢的低温韧性影响很大，含量越高影响越大。因此，高锰系奥氏体型低温钢逐渐发展成为最具有实用性与经济性的低温结构材料，虽然Mn对于降低韧性-脆性转变温度是非常有效的，通过提高低温钢中的Mn/C比，可显著提高钢的韧性。但是单相奥氏体型低温钢的屈服极限较低，无法达到理想的强度水平，综合强韧性较差。因此，有必要对高锰系低温钢的强韧化进一步研究与探讨。为保证高锰系低温钢具有优异的强度，需引入多种强化机制，如细晶强化与析出强化；为了使析出强化不破坏低温钢的塑性，则析出相尺寸需为纳米级别，可利用添加Al、Nb等元素形成各种类型的纳米碳化物颗粒如κ碳化物和MC型碳化物。同时，在晶粒细化的基础上需能保证奥氏体在低温变形下仍能产生孪晶诱发塑性(TWIP)效应，一般通过控制奥氏体内部的元素含量和晶粒尺寸，才能控制其层错能(SFE)及变形机制。如当Mn含量过高，奥氏体层错能很高，低温变形机制为位错滑移，不能产生孪晶；而当Mn含量很低的时候，奥氏体低温下易发生马氏体相变，界面处容易诱导为裂纹，因此层错能需要严格控制。同时，晶粒细化能显著抑制孪晶的产生，提高稳定性。因此，通过上述组织需求进行高锰系低温钢合金成分设计，同时提出一种新型的热处理工艺，制备一种高强韧性高锰系超低温用钢。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种用于超低温的高强韧高锰钢及其热处理工艺，利用低温时效和高温再结晶处理获得有效的晶粒细化及双晶分布的奥氏体和纳米析出相的复合组织，用于解决现有锰系低温钢强度较低及整体强韧性较差的问题，并能够制造用于超低温环境下使用的结构钢材。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术第一方面提供一种用于超低温的高强韧高锰钢，由以下质量百分比的元素组成：C(碳)：0.3-0.6％；Si(硅)：0.02-0.1％；Mn(锰)：20.0-26.0％；Al(铝)：0.5-2.5％；Nb(铌)：0.05-0.3％；P(磷)：≤0.010％；S(硫)：≤0.002％；N(氮)：0.004-0.010％；O(氧)：0.0005-0.002％；余量为Fe(铁)。优选地，所述一种用于超低温的高强韧高锰钢，元素组成任选以下其一：1)一种用于超低温的高强韧高锰钢，由以下质量百分比的元素组成：C：0.3-0.4％；Si：0.02-0.05％；Mn：25.0-26.0％；Al：1.5-2.5％；Nb：0.06-0.3％；P：≤0.010％；S：≤0.002％；N：0.004-0.010％；O：0.0005-0.002％；余量为Fe。2)一种用于超低温的高强韧高锰钢，由以下质量百分比的元素组成：C：0.4-0.5％；Si：0.02-0.1％；Mn：23.0-25.0％；Al：0.5-2.5％；Nb：0.06-0.25％；P：≤0.010％；S：≤0.002％；N：0.004-0.010％；O：0.0005-0.002％；余量为Fe。3)一种用于超低温的高强韧高锰钢，由以下质量百分比的元素组成：C：0.4-0.6％；Si：0.05-0.1％；Mn：22.5-24.0％；Al：0.5-1.5％；Nb：0.06-0.25％；P：≤0.010％；S：≤0.002％；N：0.004-0.010％；O：0.0005-0.002％；余量为Fe。更优选地，所述一种用于超低温的高强韧高锰钢，由以下质量百分比的元素组成：C：0.4-0.5％；Si：0.02-0.05％；Mn：23.5-24.5％；Al：1.5-2.5％；Nb：0.06-0.15％；P：≤0.010％；S：≤0.002％；N：0.004-0.010％；O：0.0005-0.002％；余量为Fe。本专利技术中高强韧高锰钢的元素组成，其中，碳既能显著提高低温钢的强度，又能提高奥氏体的稳定性，而且是有效的碳化物形成元素。锰元素能够有效降低韧性-脆性转变温度，通过提高低温钢中的Mn/C比，可显著提高钢的韧性。此外，在低温钢中加入适量的铝等元素，可有效提高奥氏体的层错能，以及形成类似κ碳化物的纳米颗粒，同时添加微量Nb元素可形成富铌的MC碳化物，可大幅度提高强度的同时保证其低温韧性。同时，对于锰系低温钢，在冶炼过程中最重要的是控制S、P、N和O等杂质元素的含量，抑制夹杂物如MnS的形成，这是提高低温钢低温韧性的重要手段。本专利技术第二方面提供一种用于超低温的高强韧高锰钢的热处理工艺，包括以下步骤：A)按配比取各元素组分混合后铸成钢锭，将钢锭在1150-1250℃进行加热并保温≥2h后，再由初轧温度1045-1055℃至终轧温度745-755℃进行多步热轧后空冷；B)将空冷后的钢锭进行热处理，先进行冷轧处理后获得冷轧板，再将冷轧板在450-550℃温度区间进行低温时效析出2-4h后水淬至室温，最后进行高温再结晶后再次水淬至室温，即得于超低温的高强韧高锰钢。优选地，步骤A)中，所述加热的温度为1200℃。优选地，步骤A)中，所述初轧温度为1050℃，所述终轧温度为750℃。优选地，步骤A)中，所述多步热轧包括以下步骤：第一步：热轧温度：1045-1055℃，保温时间：165-175分钟；第二步：热轧温度：975-985℃，保温时间：115-125分钟；第三步：热轧温度：845-855℃，保温时间：85-95分钟；第四步：热轧温度：825-835℃，保温时间：65-75分钟；第五步：热轧温度：805-815℃，保温时间：45-55分钟；第六步：热轧温度：775-785℃，保温时间：35-45分钟；第七步：热轧温度：765-775℃，保温时间：27-37分钟；第八步：终轧温度：745-755℃，保温时间：20-30分钟。更优选地，所述多步热轧包括以下步骤：第一步：热轧温度：1050℃，保温时间：170分钟；第二步：热轧温度：980℃，保温时间：120分钟；第三步：热轧温度：850℃，保温时间：90分钟；第四步：热轧温度：830℃，保温时间：70分钟；第五步：热轧温度：810℃，保温时间：50分钟；第六步：热轧温度：780℃，保温时间：40分钟；第七步：热轧温度：770℃，保温时间：32分钟；第八步：终轧温度：750℃，保温时间：25分钟。优选地，步骤A)中，所述多步热轧的每次压下率保持在20-30％。所述压下率是指轧制和锻压时常用表示相对变形的压下率表示变形程度。当多步轧制压下率尽量维持在一个稳定范围内时，轧制效果较好。优选地，步骤B)中，所述热处理的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于超低温的高强韧高锰钢，由以下质量百分比的元素组成：C：0.3‑0.6％；Si：0.02‑0.1％；Mn：20.0‑26.0％；Al：0.5‑2.5％；Nb：0.05‑0.3％；P：≤0.010％；S：≤0.002％；N：0.004‑0.010％；O：0.0005‑0.002％；余量为Fe。

【技术特征摘要】
1.一种用于超低温的高强韧高锰钢，由以下质量百分比的元素组成：C：0.3-0.6％；Si：0.02-0.1％；Mn：20.0-26.0％；Al：0.5-2.5％；Nb：0.05-0.3％；P：≤0.010％；S：≤0.002％；N：0.004-0.010％；O：0.0005-0.002％；余量为Fe。2.根据权利要求1所述的一种用于超低温的高强韧高锰钢，其特征在于，元素组成任选以下其一：1)一种用于超低温的高强韧高锰钢，由以下质量百分比的元素组成：C：0.3-0.4％；Si：0.02-0.05％；Mn：25.0-26.0％；Al：1.5-2.5％；Nb：0.06-0.3％；P：≤0.010％；S：≤0.002％；N：0.004-0.010％；O：0.0005-0.002％；余量为Fe；2)一种用于超低温的高强韧高锰钢，由以下质量百分比的元素组成：C：0.4-0.5％；Si：0.02-0.1％；Mn：23.0-25.0％；Al：0.5-2.5％；Nb：0.06-0.25％；P：≤0.010％；S：≤0.002％；N：0.004-0.010％；O：0.0005-0.002％；余量为Fe；3)一种用于超低温的高强韧高锰钢，由以下质量百分比的元素组成：C：0.4-0.6％；Si：0.05-0.1％；Mn：22.5-24.0％；Al：0.5-1.5％；Nb：0.06-0.25％；P：≤0.010％；S：≤0.002％；N：0.004-0.010％；O：0.0005-0.002％；余量为Fe。3.根据权利要求1-2任一所述的一种用于超低温的高强韧高锰钢的热处理工艺，包括以下步骤：A)按配比取各元素组分混合后铸成钢锭，将钢锭在1150-1250℃进行加热并保温≥2h后，再由初轧温度1045-1055℃至终轧温度745-755℃进行多步热轧后空冷；B)将空冷后的钢锭进行热处理，先进行冷轧处理后获得冷轧板，再将冷轧板在450-550...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，金学军，黎雨，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31