(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-08-14
(54)【発明の名称】中炭素高マンガンバナジウム含有合金構造用の丸鋼材組織の制御方法
(51)【国際特許分類】
B22D 11/124 20060101AFI20240806BHJP
C22C 38/00 20060101ALI20240806BHJP
C21D 8/06 20060101ALI20240806BHJP
C21D 9/00 20060101ALI20240806BHJP
C21D 1/76 20060101ALI20240806BHJP
B22D 11/22 20060101ALI20240806BHJP
B22D 11/115 20060101ALI20240806BHJP
C22C 38/46 20060101ALI20240806BHJP
【FI】
B22D11/124 N
C22C38/00 301Y
C21D8/06 A
C21D9/00 101A
C21D1/76 R
B22D11/22 B
B22D11/115 A
C22C38/46
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024504562
(86)(22)【出願日】2022-04-28
(85)【翻訳文提出日】2024-01-24
(86)【国際出願番号】 CN2022089785
(87)【国際公開番号】W WO2023060877
(87)【国際公開日】2023-04-20
(31)【優先権主張番号】202111197060.3
(32)【優先日】2021-10-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523025469
【氏名又は名称】中天鋼鉄集団有限公司
(71)【出願人】
【識別番号】523025296
【氏名又は名称】常州中天特鋼有限公司
(74)【代理人】
【識別番号】100207561
【氏名又は名称】柳元 八大
(74)【代理人】
【識別番号】100230086
【氏名又は名称】譚 粟元
(72)【発明者】
【氏名】▲ドン▼ 向陽
(72)【発明者】
【氏名】李 仕超
(72)【発明者】
【氏名】謝 有
(72)【発明者】
【氏名】沈 艶
(72)【発明者】
【氏名】林 俊
【テーマコード(参考)】
4E004
4K032
【Fターム(参考)】
4E004MB12
4E004MC02
4E004MC05
4K032AA01
4K032AA05
4K032AA11
4K032AA14
4K032AA16
4K032AA19
4K032AA23
4K032AA27
4K032AA29
4K032AA31
4K032AA36
4K032BA02
4K032CA01
4K032CA02
4K032CA03
4K032CC02
4K032CC03
(57)【要約】
本発明は、冶金の技術分野に属し、具体的には、中炭素高マンガンバナジウム含有合金構造用の丸鋼材組織の制御方法に関する。連続鋳造過程において、低い過熱度で、低い鋳造速度で注湯し、パルス磁気振動凝固均質化技術を用い、大きな電磁撹拌電流でデンドライトを粉砕し、デンドライトの核形成コアを増加させ、等軸晶領域を拡大し、柱状晶領域を減少させることにより、ビレットの偏析を低減し、ここで、晶析装置の電磁撹拌電流を350Aにし、末端の電磁撹拌電流を450Aにする。圧延過程は、高温長時間拡散加熱プロセスを用い、制御圧延・制御冷却プロセスを用いる。生産された中炭素高マンガンバナジウム含有合金構造用の丸鋼材組織は、均一であり、ユーザーによる摩擦溶接加工後の熱影響領域(異常組織)の面積割合が5%以内に減少し、国際先進レベルに達することができる。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
連続鋳造生産、加熱炉による加熱、圧延を含み、具体的なプロセスは、
高温注湯により、ビレット凝固過程でビレット内部に大きな温度勾配が現れ、深刻なデンドライト偏析が発生し、その後の圧延延伸過程で偏析帯組織が現れることを防止するために、溶鋼の過熱度を15~30℃に厳密に制御するステップ(1)と、
連続鋳造過程で鋳造速度を0.60~0.68m/minに制御し、二次冷却比水量を0.18L/Kgに制御し、二次冷却水分配比を35%:40%:25%に設定するステップ(2)と、
晶析装置の電磁撹拌、末端の電磁撹拌を用い、電磁撹拌強度を強化し、ビレットの低倍組織にホワイトバンドが現れないことを保証する前提で電磁撹拌電流を最大限に高め、パルス磁気振動(PMO)凝固均質化技術を用い、異質核形成を促進するステップ(3)と、
高温長時間拡散加熱プロセスを用いて、C、S、P、Mnなどの偏析しやすい元素を拡散し、加熱部Iの温度を900~1050℃にし、加熱部IIの温度を1255~1280℃にし、均熱部の温度を1255~1280℃にし、圧延開始温度を1160~1190℃にし、出鋼時間間隔を240~300Sにし、総加熱時間を420~550minにし、高温部の時間≧180minにするとともに、加熱炉内の空燃比を0.40~0.75に制御するステップ(4)と、
制御圧延・制御冷却プロセスを用いて、低温圧延を実現し、圧延後に強冷却を行い、丸鋼に対してKOCKSを用いるときの温度を850±15℃にし、尻抜け温度を750±15℃にするステップ(5)とを含む、
ことを特徴とする中炭素高マンガンバナジウム含有合金構造用の丸鋼材組織の制御方法。
【請求項2】
ステップ(2)において、連続鋳造速度を0.65m/minにする、
ことを特徴とする請求項1に記載の中炭素高マンガンバナジウム含有合金構造用の丸鋼材組織の制御方法。
【請求項3】
ステップ(3)において、前記晶析装置の電磁撹拌電流を350±5Aにし、周波数を2±0.2Hzにし、末端の電磁撹拌電流を450±5Aにし、周波数を6±0.2Hzにする、
ことを特徴とする請求項1に記載の中炭素高マンガンバナジウム含有合金構造用の丸鋼材組織の制御方法。
【請求項4】
ステップ(3)において、パルス磁気振動電圧を100Vにする、
ことを特徴とする請求項1に記載の中炭素高マンガンバナジウム含有合金構造用の丸鋼材組織の制御方法。
【請求項5】
丸鋼材の元素組成は、質量百分率で、C 0.39~0.46%、Si 0.25~0.45%、Mn 0.90~1.1%、P≦0.013%、S≦0.005%、Ni≦0.20%、Cr 0.10~0.25%、Al 0.014~0.025%、V 0.07~0.11%、Cu≦0.20%、Mo≦0.05%であり、残部がFe及び不可避的不純物である、
ことを特徴とする請求項1に中炭素高マンガンバナジウム含有合金構造用の丸鋼材組織の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、冶金の技術分野に属し、具体的には、中炭素高マンガンバナジウム含有合金構造用の丸鋼材組織の制御方法に関し、具体的には、中炭素高マンガンバナジウム含有合金構造用の丸鋼材組織を低減する連続鋳造及び圧延プロセスに関する。
【背景技術】
【0002】
中炭素高マンガンバナジウム含有合金構造用鋼は、優れた加工及び機械的性能を有するため、建設機械及び自動車部品の製造などの分野に広く適用されているが、当該鋼種は、帯状組織、中心偏析帯などの異常組織が非常に発生しやすい特性を有し、最終的に材料の使用性能に影響を与える。
【0003】
ほとんどの金属材料は、製錬及び注湯後、プロファイルになる前にプレス加工を受ける必要がある。しかしながら、加工後の材料は、変形方向に沿ってパーライト及びフェライトが帯状に分布した組織、すなわち帯状組織を形成しやすく、一般炭素鋼及び合金構造用鋼において、一般的な帯状組織は、圧延方向に沿って形成されたフェライトバンド及びパーライトバンドが互いに積み重なった組織形態である。帯状組織の存在により、金属の機械的性能に異方性が生じ、鋼の塑性及び靭性が大幅に低下し、帯状組織に沿った方向がその垂直方向よりも明らかに優れる。プレス加工時に境界から割れやすい。後続の熱処理を必要とする部品に対して、帯状組織は、少なくとも過度の熱変形を引き起こし、ひどい場合に応力集中、亀裂を引き起こし、材料の耐用年数を大幅に短縮する。
【0004】
合金元素のミクロ偏析は、フェライト-パーライトバンドを形成する最も主な原因であり、ミクロ偏析は、溶鋼の凝固過程における合金元素の選択的結晶化によって引き起こされ、高マンガン鋼において、元素の選択的結晶化作用により、デンドライト間のマンガン元素の濃度が高く、デンドライト内のマンガン元素の濃度が低い。マンガンは、オーステナイト安定化元素であり、Ar3変態温度を低下させることができるため、高マンガン領域(デンドライト間)のAr3変態温度は、低マンガン領域(デンドライト内)のAr3変態温度よりも低い。温度の低下に伴い、フェライトは、デンドライト内に優先的に核を形成し、炭素元素のフェライト中の溶解度は、オーステナイト中の溶解度よりも遥かに低いため、炭素は、デンドライト間に集まる。圧延後、元のデンドライト間領域にパーライトバンドを形成し、デンドライト内のフェライトバンドとデンドライト間に形成されたパーライトバンドとが積層して交錯して帯状組織を形成し、中心に広くて異常なパーライト、ひいてはマルテンサイト偏析帯を形成する。
【0005】
したがって、どのように中炭素高マンガン鋼の帯状組織及び異常な中心偏析帯の問題を低減し、材料の使用性能を向上させるかは、業界の大きな課題になっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明の目的は、中炭素高マンガンバナジウム含有合金構造用の丸鋼のミクロ偏析、帯状組織及び中心偏析帯を低減する生産プロセスを提供し、材料の総合的な機械的性能を効果的に向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の目的は、主に以下の技術手段によって実現される。
【0008】
中炭素高マンガンバナジウム含有合金構造用の丸鋼材組織の制御方法において、プロセスは、成分最適化調整、連続鋳造生産、加熱炉による加熱、圧延を含み、具体的には、以下のステップ(1)~(6)を含む。
【0009】
ステップ(1)では、鋼中にバナジウム、チタン、アルミニウムなどの微細結晶元素と偏析しやすい元素Mn、P、Sとの含有量が多い場合、対応する圧延、鍛造においてフェライト-パーライト帯状組織が現れやすく、また、中心に大きくて異常なパーライト、ひいてはマルテンサイト偏析帯が現れるため、材料の強度が基準の要求を満たす前提で、Mn、Vの含有量を10%低減し、アルミニウムの含有量を30%低減するとともに、元のP≦0.015%をP≦0.013%に調整し、元のS≦0.010%をS≦0.005%に調整し、材料の結晶粒度を元のグレード7~8からグレード6~7に低減する。
【0010】
中炭素高マンガンバナジウム含有合金構造用の丸鋼の元素組成は、質量百分率で、C 0.39~0.46%、Si 0.25~0.45%、Mn 0.90~1.1%、P≦0.013%、S≦0.005%、Ni≦0.20%、Cr 0.10~0.25%、Al 0.014~0.025%、V 0.07~0.11%、Cu≦0.20%、Mo≦0.05%であり、残部がFe及び不可避的不純物である。
【0011】
ステップ(2)では、高温注湯により、ビレット凝固過程でビレット内部に大きな温度勾配が現れ、深刻なデンドライト偏析が発生し、その後の圧延延伸過程で偏析帯組織が現れることを防止するために、溶鋼の過熱度を15~30℃に厳密に制御する。
【0012】
ステップ(3)では、連続鋳造過程において、柱状晶の成長の合理的な抑制、等軸晶領域の割合の拡大、二次デンドライト間隔の縮小のいずれかにより、デンドライト偏析を効果的に制御することができ、これに関連するプロセス手段としては、連続鋳造速度を制御し、低い鋳造速度で注湯し、鋳造速度を0.60~0.68m/min(目標鋳造速度0.65m/min)に設定し、二次冷却比水量を制御し、弱冷却を用い、比水量を0.18L/Kgに制御し、二次冷却水分配比を35%:40%:25%に設定する。
【0013】
ステップ(4)では、連続鋳造生産過程において、いくつかの補助的な技術手段が用いられ、晶析装置の電磁撹拌、末端の電磁撹拌を用い、電磁撹拌強度を強化し、ビレットの低倍組織にホワイトバンド(負偏析)が現れないことを保証する前提で電磁撹拌電流を最大限に高め(晶析装置の電磁撹拌電流を350±5Aにし、周波数を2±0.2Hzにし、末端の電磁撹拌電流を450±5Aにし、周波数を6±0.2Hzにする)、電磁力を利用してデンドライトを粉砕し、デンドライトの核形成コアを増加させ、等軸晶領域を拡大し、パルス磁気振動(PMO)凝固均質化技術を用い、その電圧パラメータを100Vに設定し、異質核形成を促進することにより、凝固組織を微細化する。上記手段により、材料のミクロ偏析を低減する目的を達成することができる。
【0014】
ステップ(5)では、高温長時間拡散加熱プロセスを用いて、Mn、C、S、Pなどの偏析しやすい元素を拡散し、圧延過程で帯状組織が現れることを防止するために、具体的な加熱プロセスパラメータとしては、加熱部Iの温度を900~1050℃にし、加熱IIの温度を1255~1280℃にし、均熱部の温度を1255~1280℃にし、圧延開始温度を1160~1190℃にし、出鋼時間間隔を240~300Sにし、総加熱時間を420~550minにし、高温部の時間≧180minにするとともに、高温長時間加熱により材料の脱炭が基準を超えることを防止するために、加熱炉内の空燃比を0.40~0.75に制御する。
【0015】
ステップ(6)では、制御圧延・制御冷却プロセスを用いて、低温圧延を実現することにより、二相域での圧延を防止し、圧延後に強冷却を行うことにより、パーライトバンド、フェライトバンド及び中心偏析帯が現れることを防止し、具体的な制御圧延・制御冷却プロセスのパラメータとしては、丸鋼に対してKOCKSを用いるときの温度を850±15℃にし、尻抜け温度を750±15℃にし、主に1~7号水タンクを開けて水量の大きさを調整し、圧延速度を調整することにより制御する。
【発明の効果】
【0016】
本発明の有益な効果は、以下のとおりである。中炭素高マンガンバナジウム含有合金構造用鋼について、圧延後の材料にパーライト偏析帯状組織が現れやすく、ユーザーによる摩擦溶接後に偏析帯状領域に大面積の熱影響領域(マルテンサイトバンド)が現れるため、材料が脆くなり、最終的に材料の耐用年数に影響を与えることを考慮すると、本発明は、以下の取り組みを行う。
【0017】
(1)化学成分を最適化調整し(Mn、Vの含有量を10%低減し、アルミニウムの含有量を30%低減するとともに、元のP≦0.015%をP≦0.013%に調整し、元のS≦0.010%をS≦0.005%に調整する)、結晶粒が微細になりすぎて帯状組織が現れることを防止するために、V、Alなどの微細結晶元素の含有量を低減する一方、Mn元素の含有量を適度に低減し、P、Sなどの偏析しやすい有害元素の含有量を低減する。
【0018】
(2)樹枝状晶を破砕し、等軸晶の割合を高め、凝固組織を微細化し、最終的にビレット偏析を低減して、圧延材の偏析及び帯状組織のグレードを低下させるために、連続鋳造生産過程で、溶鋼の過熱度を低下させ、鋳造速度を下げ、晶析装置の電磁撹拌、末端の電磁撹拌を用い、電磁撹拌電流パラメータを最適化設計し、パルス磁気振動(PMO)凝固均質化技術を用いる。
【0019】
(3)圧延過程において、高温拡散加熱プロセスを用い、実質的には、ビレット中の偏析元素C、Mn、P、Sなどが均一に拡散され、その後の冷却再結晶過程でフェライト-パーライト帯状組織及び中心偏析帯が形成されないために、高温かつ長時間の保温過程が必要である。
【0020】
(4)制御圧延・制御冷却プロセスを用い、二相域圧延を避け、低温圧延により、圧延後の冷却を強化し、それにより圧延材の帯状組織を低減する目的を達成する。
【0021】
上記取り組みにより、材料の偏析を効果的に低減し、中心偏析帯幅を効果的に制御し、ユーザーによる中炭素高マンガンバナジウム含有鋼の使用性能を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【
図1】最適化前の丸鋼の中心偏析帯幅組織の写真(中心パーライト偏析帯幅676μm)である。
【
図2】実施例1の丸鋼の中心偏析帯幅組織の写真(中心パーライト偏析帯幅82μm)である。
【
図3】最適化前の丸鋼の低倍写真(中心に明らかな炭素偏析黒心がある)である。
【
図4】実施例1の丸鋼の低倍写真(中心に明らかな黒心がない)である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
以下、具体的な実施例を参照しながら本発明を詳細に説明する。
【0024】
(実施例1)
中炭素高マンガンバナジウム含有鋼F40MnV(C 0.41%、Si 0.31%、Mn 0.95%、P 0.011%、S≦0.003%、Ni 0.01%、Cr 0.15%、Al 0.018%、V 0.08%、Cu 0.04%、Mo 0.005%)(仕様Φ62mm)の生産を例として説明する。
【0025】
生産プロセスは、断面が220mm×260mmのビレットを使用する5機5流円弧状連続鋳造機-ビレット仕上げ-蓄熱式加熱炉による加熱-連続圧延機群による圧延-KOCKS仕上げ圧延機群による圧延-冷却-オフライン仕上げ、梱包入庫という流れを有する。
【0026】
1、連続鋳造生産
低い過熱度で注湯し、溶鋼の過熱度を28℃に制御し、連続鋳造速度を0.65m/minに制御し、二次冷却比水量を0.18L/Kgに制御し、二次冷却水分配比を35%:40%:25%に設定し、晶析装置の電磁撹拌パラメータとしては、電流を350Aに設定し、周波数を2Hzに設定し、末端の電磁撹拌電流を450Aに設定し、周波数を6Hzに設定し、パルス磁気振動(PMO)凝固均質化技術を用い、その電圧パラメータを100Vに設定する。
【0027】
2、ビレット加熱
仕上げ後の断面が220mm×260mmの連続鋳造ビレットを蓄熱式加熱炉内で加熱し、加熱部Iの温度を980℃にし、加熱部IIの温度を1271℃にし、均熱部の温度を1272℃にし、出鋼時間間隔を280Sにし、総加熱時間を515minにし、高温部の時間を236minにし、高温長時間加熱により材料の脱炭が基準を超えることを防止するために、加熱炉内の空燃比を0.51に制御する。
【0028】
3、制御圧延
圧延開始前に、高圧水でビレットのスケールを除去し、高圧水の圧力を18MPaにし、圧延開始温度を1172℃に制御し、水タンクを開け、水量の大きさを調整し、圧延速度を調整することにより、丸鋼に対してKOCKSを用いるときの温度を855℃に制御する。
【0029】
4、制御冷却
6号及び7号水タンクを開け、水量の大きさを調整することにより、丸鋼の尻抜け温度を752℃に制御する。
【0030】
(実施例2)
連続鋳造生産において、溶鋼の過熱度を26℃に制御する。
【0031】
ビレット加熱において、加熱部Iの温度を975℃にし、加熱部IIの温度を1267℃にし、均熱部の温度を1263℃にし、出鋼時間間隔を270Sにし、総加熱時間を510minにし、高温部の時間を237minにする。
【0032】
制御圧延において、圧延開始温度を1169℃にし、丸鋼に対してKOCKSを用いるときの温度を845℃にする。
【0033】
制御冷却において、丸鋼の尻抜け温度を745℃にする。
【0034】
(実施例3)
連続鋳造生産において、溶鋼の過熱度を27℃に制御する。
【0035】
ビレット加熱において、加熱部Iの温度を997℃にし、加熱部IIの温度を1262℃にし、均熱部の温度を1258℃にし、出鋼時間間隔を268Sにし、総加熱時間を507minにし、高温部の時間を223minにする。
【0036】
制御圧延において、圧延開始温度を1175℃にし、丸鋼に対してKOCKSを用いるときの温度を849℃にする。
【0037】
制御冷却において、丸鋼の尻抜け温度を747℃にする。
【0038】
(実施例4)
連続鋳造生産において、溶鋼の過熱度を28℃に制御する。
【0039】
ビレット加熱において、加熱部Iの温度を983℃にし、加熱部IIの温度を1269℃にし、均熱部の温度を1261℃にし、出鋼時間間隔を283Sにし、総加熱時間を542minにし、高温部の時間を243minにする。
【0040】
制御圧延において、圧延開始温度を1165℃にし、丸鋼に対してKOCKSを用いるときの温度を837℃にする。
【0041】
制御冷却において、丸鋼の尻抜け温度を740℃にする。
【0042】
(実施例5)
連続鋳造生産において、溶鋼の過熱度を29℃に制御する。
【0043】
ビレット加熱において、加熱部Iの温度を1021℃にし、加熱部IIの温度を1266℃にし、均熱部の温度を1265℃にし、出鋼時間間隔を264Sにし、総加熱時間を499minにし、高温部の時間を225minにする。
【0044】
制御圧延において、圧延開始温度を1181℃にし、丸鋼に対してKOCKSを用いるときの温度を844℃にする。
【0045】
制御冷却において、丸鋼の尻抜け温度を754℃にする。
【0046】
以上のプロセスを用いてそれぞれ1バッチの丸鋼を製造し、合計5バッチの丸鋼を製造する。
【0047】
(比較例1)
比較例1は、実施例1と比較して、低い過熱度で注湯せず、過熱度を38℃にするという点で相違し、他の操作が実施例と同じである。
【0048】
(比較例2)
比較例2は、実施例1と比較して、低い鋳造速度で注湯せず、鋳造速度を1.0m/minに制御するという点で相違し、他の操作が実施例と同じである。
【0049】
(比較例3)
比較例3は、実施例1と比較して、連続鋳造注湯過程で大きな電磁力で撹拌せず、弱い電磁力で電磁撹拌し、晶析装置の電磁撹拌パラメータとしては、電流を250±5Aに制御し、周波数を2±0.2Hzに制御し、末端の電磁撹拌電流を200±5Aに制御し、周波数を6±0.2Hzに制御するという点で相違し、他の操作が実施例と同じである。
【0050】
(比較例4)
比較例4は、実施例1と比較して、高温拡散加熱プロセスを用いず、加熱部IIの温度を1196℃に制御し、均熱部の温度を1202℃に制御し、総加熱時間を400minに制御し、高温部の時間≧100minに制御するという点で相違し、他の操作が実施例と同じである。
【0051】
(比較例5)
比較例5は、実施例と比較して、制御圧延・制御冷却プロセスを用いず、丸鋼に対してKOCKSを用いるときの温度を885℃に制御し、尻抜け温度を835℃に制御するという点で相違し、他の操作が実施例と同じである。
【0052】
本発明の実施例1~5、比較例1~5の帯状組織、結晶粒度、低倍組織の比較状況を以下の表1に示す。
【0053】
【0054】
表1は、丸鋼の物理化学的性能指標及びユーザーの使用状況の比較状況である(ユーザーが材料に摩擦溶接加工プロセスを用い、中心にパーライトバンドの幅が大きければ、摩擦溶接後に材料に大面積の熱影響領域、すなわち大面積の異常なマルテンサイト帯状組織が現れやすく、それにより材料が脆くなり、塑性及び靭性が低くなり、最終的に材料の耐用年数に影響を与える)。
【0055】
結果から分かるように、成分を合理的に最適化設計し、連続鋳造過程で過熱度、二次冷却比水量、鋳造速度などのパラメータを最適化し、大きな電磁撹拌電流パラメータを用い、圧延加熱過程において高温長時間加熱プロセスを用い、制御圧延・制御冷却プロセスを用いることにより、中炭素高マンガンバナジウム含有合金構造用の丸鋼材組織の検出指標及びユーザーの最終使用性能が国際先進レベルに達することができる。
【0056】
本発明に用いられる原料、装置は、特に説明しない限り、いずれも本分野の常用の原料、装置であり、本発明に用いられる方法は、特に説明しない限り、いずれも本分野の通常の方法である。以上は、本発明の好ましい実施形態に過ぎず、本発明を限定するものではなく、本発明の技術思想に基づいて以上の実施例に対して行った修正は、いずれも本発明の保護範囲に含まれる。
【国際調査報告】