CN101568660A - 复合钢及热处理该复合钢的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及复合钢及一种热处理该复合钢的方法。本发明提供了含有约0至0.5重量％的碳、约15至35重量％的锰、约0至3重量％的选自钴、钛、铝和钨中的至少一种、约0至10重量％的选自铬、铜、钼、镍、铌、硅和钒中的至少一种、不可避免的杂质及余量的铁的复合钢。所述复合钢含有残余奥氏体和HCP马氏体。奥氏体可在室温残留。马氏体片的大小相对细小。因此，复合钢的耐久性和强度可得以改进。

Description

复合钢及热处理该复合钢的方法
技术领域
本发明涉及复合钢及热处理该复合钢的方法。更具体而言，本发明涉及通过将室温残余奥氏体和相对细小的HCP马氏体片混合以提高耐久性和强度而形成的复合钢，以及热处理该复合钢的方法。
背景技术
相变诱导塑性(TRIP)钢为一种典型的使用室温残余奥氏体的钢。
TRIP钢可通过使凝固于基体的碳由于铁素体和贝氏体在低碳区相转变为残余奥氏体而富集从而形成室温稳定的残余奥氏体的方法获得。
根据一种最近的淬火和配分(partitioning)方法，通过在淬火过程之后于马氏体转变开始温度(Ms)和转变终了温度(Mf)之间的预定温度保持两次而产生的马氏体中的碳，转移至残余奥氏体中，从而使碳在室温稳定地富集。由此可生产出具有优良强度和优良耐久性的钢复合材料。
但是，在此情况下，为加速碳的运动需要在相对较高的温度而非在室温下进行配分。因此，需要能够对钢复合材料加热并保温的装置。此外，由于需要预定的钢复合材料的加热和保温时间，生产率可能受限。由此，可能会增加产品生产所需的成本。
含有残余奥氏体的钢可通过使用包括大量镍(Ni)或铬(Cr)的合金钢在室温生产。但是，在上述方法中为在室温得到残余奥氏体需要添加相对昂贵的元素，从而使成本相对较高。
发明内容
本发明的一些实施方案提供含有室温残余奥氏体并且由于马氏体片的尺寸相对细小而具有改进的耐久性和强度的复合钢。该复合钢可通过限制除锰(Mn)之外还有其他的组分并通过利用马氏体反向转变来降低马氏体转变开始温度而得到。
本发明的一些实施方案提供一种热处理该复合钢的方法。
根据本发明的一些实施方案，复合钢含有约0至约0.5重量％的碳、约15至35重量％的锰、约0至约3重量％的选自钴、钛、铝和钨中的至少一种、约0至约10重量％的选自铬、铜、钼、镍、铌、硅和钒中的至少一种、不可避免的杂质，及余量的铁。
所述复合钢可含有残余奥氏体和HCP马氏体。该复合钢可满足由式1表示的MS值。式1为“MS＝260-330C+2Al+7Co-14Cr-13Cu-19Mn-15-5Mo-4Nb-13Ni-7Si+3Ti-4V”。MS值可在约50至120的范围内。碳、锰、硅、镍、磷和硫的重量百分比可分别为约0.30、20.50、0.18、0.02、0.003和0.0017，并且该MS值可为约53.44。
根据本发明的一些实施方案，提供一种热处理复合钢的方法。在该方法中，对复合钢进行热轧过程从而形成一个钢构件，所述复合钢含有约0至约0.5重量％的碳、约15至35重量％的锰、约0至约3重量％的选自钴、钛、铝和钨中的至少一种、约0至约10重量％的选自铬、铜、钼、镍、铌、硅和钒中的至少一种、不可避免的杂质，及余量的铁。通过加热该钢构件然后对经加热的钢构件淬火而进行第一淬火过程，从而使该钢构件具有马氏体。通过加热已经第一淬火过程的钢构件然后对该经加热的钢构件淬火而进行第二淬火过程，用于细化反向转变的奥氏体晶粒。将已经第二淬火过程的钢构件进行快速冷却。
该方法还可包括，在已经第二淬火过程的钢构件快速冷却之后，保持该钢构件处于室温。用于形成该钢构件的复合钢可包括残余奥氏体和HCP马氏体。
该复合钢满足由式1表示的MS值。式1为“MS＝260-330C+2Al+7Co-14Cr-13Cu-19Mn-15-5Mo-4Nb-13Ni-7Si+3Ti-4V”。MS值可在约50至约120的范围内。碳、锰、硅、镍、磷和硫的重量百分比可分别为约0.30、20.50、0.18、0.02、0.003和0.0017，并且MS值可为约53.44。
在第二淬火过程中，可将已经第一淬火过程的钢构件在约奥氏体反向转变开始温度(As)和约800℃之间的温度加热。
已经第二淬火过程的钢构件可使用温度低于约25℃的冷却剂进行快速冷却。
根据本发明的实施方案，奥氏体可在室温下残留。马氏体片的尺寸相对细小。由此复合钢的耐久性和强度可得以改进。
附图说明
图1示出了本发明的一个示例性实施方案中复合钢的最终微结构；
图2示出了对照实施例1中复合钢的最终微结构；
图3示出了对照实施例2中复合钢的最终微结构；和
图4示出了对照实施例3中复合钢的最终微结构。
具体实施方式
下文将参照附图对本发明进行更充分的描述，其中对本发明的示例性实施方案进行了说明。但是，本发明可以不同的形式体现并且不应被理解为仅限于文中所述的实施方案。更确切地，提供这些实施方案以使公开内容充分且完整，并且这些实施方案将充分地将本发明范围传达给本领域的技术人员。
应理解的是，当将一个元件或层称作“位于”、“连接至”和/或“偶连至”另一个元件或层上时，该元件或层可直接地位于、连接至和/或偶连至该另一个元件或层，或者可存在插入元件或插入层。相反，当一个元件被称作“直接位于”、“直接连接至”和/或“直接偶连至”另一个元件或层时，则不存在插入元件或插入层。
还应理解的是，虽然术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述多个元素、组分、区域、层和/或部分，然而这些元素、组分、区域、层和/或部分不应受限于这些术语。更确切地，这些术语的使用仅为便于区分一个元素、组分、区域、层和/或部分同另一个元素、组分、区域、层和/或部分。例如，可将第一元素、组分、区域、层和/或部分称为第二元素、组分、区域、层和/或部分而不偏离本发明的教导。
有关空间的术语，例如“在下方”、“在下面”、“较低”、“在上面”、“上部”等可用于描述一个元件和/或特征同另一个或另一些元件和/或特征的关系，例如图中所示的关系。应理解的是，有关空间的术语旨在囊括除图中所示方位之外的装置在使用和/或运行中的不同方位。例如，当将图中装置翻转时，则描述为在其他元件或特征的下面和/或下方的元件将位于所述其他元件或特征的上面。所述装置可定位为另外的方式(旋转90度或其他方式)并且本文所用的有关空间的描述词进行相应解释。
本文所用术语的目的仅是为描述具体实施方案，并不意欲限制本发明。除非文中另有清楚指明，所用单数术语“一”、“一个”和“该”意欲也包括复数形式。还应理解的是，术语“包括”和“含有”指明存在所述特征、整数、步骤、操作、元素和/或组分，但不排除一种或多种其他的特征、整数、步骤、操作、元素、组分和/或其组合的存在和/或补入。
本文所用表述“至少一个”、“一个或多个”和“和/或”为既可结合实施又可分开实施的开放型表述。例如，表述“A、B和C中的至少一个”“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”、“A、B或C中的一个或多个”及“A、B和/或C”中的每一个均包括以下含义：单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起，及A、B和C三个全部一起。此外，除非将这些表述与术语“选自......中”结合而明确表示相反情况，这些表述为开放型。例如，表述“A、B和C中的至少一个”也可包括第四个元素，而表述“选自A、B和C中的至少一个”则不包括第四个元素。
本文所用表述“或”不为“排除性的或者”，除非其与词语“任何一个”结合使用。例如，表述“A、B或C”包括单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起，及A、B和C三个全部一起，而表述“A、B或C中的任何一个”意指单独的A、单独的B和单独的C中的一个，而不意指A和B一起、A和C一起、B和C一起，及A、B和C三个全部一起中的任何一个。
除非另有限定，本文所用的所有术语(包括技术术语和科学术语)可具有与本领域普通技术人员常规理解相同的含义。还应理解的是，术语例如通常使用的词典中定义的那些术语，应解释为具有与其在本说明书和相关技术中的含义相一致的含义，并且不应解释为理想化的意义和/或过于刻板的意义，除非文中清楚地如是定义。
本发明的实施方案可参照横断面示图进行描述，所述图为本发明理想化实施方案的示意图。就此而言，由于例如生产技术和/或公差，可预计示图中的图形会存在变化。因此，本发明的实施方案不应解释为限于本文图解区域的具体形状，而应包括由例如生产造成的形状的偏差。例如，图示为矩形的区域可具有圆化或弧形特征。因此，图中所示区域本质上为示意性的，并不意欲限制本发明的范围。相同的参考编号在全篇中指相同的元件。
根据本发明的一个示例性实施方案，复合钢可包括碳(C)、锰(Mn)、钴(Co)、钛(Ti)、铝(Al)、钨(W)、钼(Mo)、镍(Ni)、铌(Nb)、硅(Si)、钒(V)、不可避免的杂质(例如合金组分)，以及余量的铁(Fe)。
更具体地，所述复合钢可含有约0至约0.5重量％的碳、约15至35重量％的锰、约0至约3重量％的钴(Co)、钛(Ti)、铝(Al)和钨(W)中的至少一种、约0至约10重量％的铬(Cr)、铜(Cu)、钼(Mo)、镍(Ni)、铌(Nb)、硅(Si)和钒(V)中的至少一种、不可避免的杂质，及余量的铁(Fe)。
复合钢可满足由该复合钢中所含组分的重量百分比确定的MS值。该MS值可由下式1表示。
MS＝260-330C+2Al+7Co-14Cr-13Cu-19Mn-15-5Mo-4Nb-13Ni-7Si+3Ti-4V                      (式1)
式1为参照锰(Mn)的影响通过改变Ishida教授提出的马氏体产生温度公式而推出。
马氏体转变开始温度(Ms)受奥氏体晶粒大小及组成的影响。在奥氏体晶粒尺寸变小的情况下，马氏体转变开始温度降低。由于奥氏体晶粒尺寸减小而产生的母相强化效应，钢中发生马氏体转变时产生剪切形变所需的能量增加。因此，为补充能量，需要另外施加驱动力。这就是为何奥氏体晶粒尺寸变小时马氏体转变开始温度降低的原因。
在本发明的一个示例性实施方案中，式1包括复合钢中所含组分。
在本发明的一个示例性实施方案中，由于在实际马氏体转变开始温度相对于式1变差约10-40℃的状态下的马氏体反向转变，为通过细化奥氏体晶粒得到适宜量的HCP残余奥氏体，复合钢中所含组分应控制为使MS值在约50至约120的范围内。
当MS值为约0至约50时，可能无法得到足够量的马氏体。因此，钢的强度可能变小。
另一方面，当MS值大于约120时，即使实际的马氏体转变开始温度(Ms)由于奥氏体晶粒的细化而降低，室温残余奥氏体的量仍可能变小。因此，可能无法得到耐久性的充分提高。
碳(C)的量可在约0至约0.5重量％的范围内。当碳的量超过约0.5重量％时，即使调节其他合金元素的量，仍可无法获得本发明的复合钢。
此外，当碳量相对较大时，堆垛层错能可能会增加。因此，热处理之后可产生BCT马氏体而不是HCP马氏体。
锰(Mn)的量可超过约15重量％。在此情况下，可在室温得到HCP马氏体。
此外，锰的量优选不超过约35重量％。
即，HCP马氏体为一种亚稳相。因此，HCP马氏体可通过应力转变为BCC或BCT结构，由此HCP马氏体可改进耐久性。在锰(Mn)的量不少于约15重量％的情况下，考虑到晶粒的细化，HCP马氏体可能不能充分地形成，从而使耐久性的增加较小。
上述数值由Fe-Mn-C合金和Fe-Mn-C-(少量的Ni或Cr)合金的实验结果估计得出。
下文描述了为何Cr、Cu、Mo、Ni、Nb、Si和V量的总和不超过约10重量％的原因。
同含有合金组分例如镍(Ni)或铬(Cr)的合金钢相比，马氏体转变开始温度(Ms)高于室温。因此，为在室温获得含奥氏体和马氏体的复合钢，添加一种合金元素来降低马氏体转变开始温度(Ms)。即，在使用大量合金元素的情况下，可达到本发明提出的MS值的范围，并且可在室温获得残余奥氏体。但是，可能无法获得复合钢，包括残余奥氏体和HCP马氏体复合钢。
此外，上述合金元素相对较昂贵。因此，在使用大量合金元素的情况下，可能额外地降低了经济效益。
下文将参照本发明的一个示例性实施方案描述关于复合钢的热处理方法。
在本发明的一个示例性实施方案中，在室温通过使用残余奥氏体和HCP马氏体复合钢来形成钢水。使用钢水通过连续铸造过程形成扁钢锭。将该扁钢锭在熔炉中加热然后进行热轧过程。由此可形成钢板。
在本发明的一个示例性实施方案中，可选择性地实施冷轧过程、热处理过程和薄板成形过程，从而形成具有预定形成的产品。
将钢放入熔炉达预定时间。其后，通过使用冷却介质例如冷却水和冷却油使钢快速冷却。通过上述过程得到马氏体。然后将已经上述过程的钢在约奥氏体反向转变开始温度(As)至约800℃的温度淬火。在淬火和快速冷却之后进行上述反向转变，从而通过马氏体状态的反向转变实现反向转变的奥氏体晶粒的细化。
在马氏体内部包含许多薄片边界和电势。由于包括大量与亚晶界对应的核供应源，因此反向转变过程中，晶粒尺寸变小。
此外，当反向转变发生时，淬火温度保持在约反向转变开始温度(As)和约800℃之间，以便得到反向转变的奥氏体。在保持淬火温度的情况下，淬火过程中细小晶粒无法生长，从而可保持细小的晶粒尺寸。
如上所述，使用冷却剂例如温度低于约25℃室温的冰水对反向转变钢进行淬火。然后保持反向转变钢处于室温。通过上述过程可得到适宜量的HCP马氏体。此外，通过上述过程残余奥氏体可在室温保持。淬火过程中使用的冷却剂的温度可根据所需的强度高低来调节。此处，当强度增加时，延伸率可能减小。因此，可考虑最终产品的特性来调节冷却剂温度。
下文中，对本发明的一个示例性实施方案进行更充分的描述。
使室温下含有残余奥氏体和HCP马氏体的复合钢溶解，然后进行铸造过程。该复合钢具有满足式1的组分范围。然后实施热轧过程从而形成钢板。
使用该热轧钢板生产宽度约100mm、长度约230mm且厚度约1mm的试样。然后将该试样在约950℃温度的淬火热处理熔炉中保持约10分钟。其后，通过将试样浸入冷却剂例如冷却油中而快速冷却试样。
通过快速冷却得到马氏体后，将试样在约奥氏体反向转变开始温度(As)和约800℃之间的温度再次进行淬火。此外，由于奥氏体反向转变开始温度(As)受钢的组成、加热速度等影响，因此采用实际测量的奥氏体反向转变开始温度(As)对试样进行淬火。
为便于同对照实施例进行比较，将本发明示例性实施方案的试样保持在约780℃的温度，然后再次对试样淬火20分钟。
表1示出了实施例和对照实施例的化学组成及所述实施例和对照实施例的MS值。
(表1)
Figure A20078004795200111
通过上述过程形成的钢在含有冰和盐的冷却水中进行淬火。在室温下测定该钢的微结构，并通过抗张实验测量物理性能。结果示于图1和2及表2中。
图1示出了本发明的一个示例性实施方案的复合钢的最终微结构。图2至4示出了对照实施例1至3的复合钢的最终微结构。
此外，实施例和对照实施例1至3的复合钢的抗张实验结果和所述复合钢的微结构示于表2中。
(表2)
  抗张强度TS(MPa)   延伸率T-E1(％)   微结构
 实施例   802   38.5   残余奥氏体+HCP马氏体
 对照实施例1   2045   0.7   BCT马氏体(片)
 对照实施例2   660   16.8   奥氏体
 对照实施例3   742   22.9   残余奥氏体+BCT马氏体(条板状)
下文中，参照图1和2及表2对实施例和对照实施例1至3的复合钢之间的差异进行描述。
热处理之后对照实施例1的强度由于相对较多的碳组分而相对较大。但是，对照实施例1的复合钢较脆，这是因为在热处理之后室温下该复合钢包括BCT结构的马氏体单相。因此，对照实施例1的复合钢具有相对较低的延伸率和相对较差的耐久性。
室温下对照实施例2的复合钢包括通过使用大量镍(Ni)而得到的奥氏体。但是，在此情况下，微结构包括奥氏体单相，并且由于添加了相对较多的镍而凝固强化效应相对较大。因此，对照实施例2的复合钢与其他奥氏体单相相比具有相对更高的强度。但是，对照实施例2的复合钢与马氏体复合相相比强度较低。
此外，当向对照实施例2的复合钢施加应力时，与实施例和对照实施例3的复合钢相比——它们通过将残余奥氏体应力有机转变成马氏体而具有改进的延伸率，延伸率不大。
通过适宜地选择组成，室温时对照实施例3的复合钢具有所希望的含奥氏体和马氏体的复合相。
此外，对照实施例3的复合钢的强度和延伸率相乘计算得到的值优于对照实施例1和2的值。
但是，在锰(Mn)含量小于本发明组成范围的情况下，或当所包含的除锰之外的其他合金元素也超出本发明的范围的情况下，室温存在的马氏体为BCC(或BCT)马氏体，并且残余奥氏体和BCC(或BCT)马氏体的复合结构与本发明示例性实施方案的残余奥氏体和HCP马氏体的复合结构相比，延伸率相对较低。
当对本发明的一个示例性实施方案的HCP马氏体施加应力时，该HCP马氏体转变为BCC或BCT马氏体。因此，本发明的示例性实施方案可达到相对较高的延伸率和相对较高的耐久性。但是，对照实施例3最初是由BCC(或BCT)马氏体形成的，因此对照实施例3无法达到本发明示例性实施方案的效果。
参照图1，本发明的一个示例性实施方案的复合钢的微结构包括极细小的薄片状马氏体和奥氏体。因此，由于上述细小结构，本发明示例性实施方案的复合钢可具有相对较高的强度。
此外，当施加应力时，晶粒中的相界面、马氏体片中的可变界面(variant boundary)、马氏体片中的双界面，和马氏体片中的堆垛层错界面可移动，从而可吸收来自该应力的能量。因此，可增加延伸率。
根据本发明的实施方案，奥氏体可以在室温下保持。马氏体片的尺寸相对较细小。因此，可改进复合钢的耐久性和强度。
前述内容是对本发明的示例说明而不应解释为对本发明的限制。虽然对本发明的一些实施方案进行了描述，但是本领域技术人员能容易地认识到，可对所述实施方案进行多种改进而实质上并不偏离本发明的新的教导内容和优点。相应地，所有所述改进均意欲包括在权利要求书所限定的本发明范围内。因此，应理解的是，前述内容是对本发明的示例说明，不应解释为限于所公开的具体实施方案，并且，对所公开实施方案的改进以及其他实施方案也都意欲包括在所附权利要求书的范围内。本发明通过以下权利要求书及其中所包括的各权利要求的等同方式来限定。

Claims (11)

1.一种复合钢，包括：
约0至约0.5重量％的碳；
约15至35重量％的锰；
约0至约3重量％的选自钴、钛、铝和钨中的至少一种；
约0至约10重量％的选自铬、铜、钼、镍、铌、硅和钒中的至少一种；
不可避免的杂质；及
余量的铁。
2.权利要求1的复合钢，其中所述复合钢包含残余奥氏体和HCP马氏体。
3.权利要求1的复合钢，其中所述复合钢满足由下式1表示的MS值为约50至约120：
MS＝260-330C+2Al+7Co-14Cr-13Cu-19Mn-15-5Mo-4Nb-13Ni-7Si+3Ti-4V        (式1)。
4.权利要求3的复合钢，其中碳、锰、硅、镍、磷和硫的重量百分比分别为约0.30、20.50、0.18、0.02、0.003和0.0017，并且MS值为约53.44。
5.一种热处理复合钢的方法，该方法包括：
对复合钢实施热轧过程从而形成一个钢构件，其中所述复合钢含有约0至约0.5重量％的碳、约15至35重量％的锰、约0至约3重量％的选自钴、钛、铝和钨中的至少一种、约0至约10重量％的选自铬、铜、钼、镍、铌、硅和钒中的至少一种、不可避免的杂质，及余量的铁；
通过加热该钢构件然后对该经加热的钢构件淬火而进行第一淬火过程，从而使该钢构件具有马氏体；
通过加热已经第一淬火过程的钢构件然后对该经加热的钢构件淬火而进行第二淬火过程，用于细化反向转变的奥氏体晶粒；和
将已经第二淬火过程的钢构件进行快速冷却。
6.权利要求5的方法，其中在对已经第二淬火过程的钢构件快速冷却之后，将该钢构件保持在室温。
7.权利要求5的方法，其中用于形成钢构件的复合钢包含残余奥氏体和HCP马氏体。
8.权利要求5的方法，其中复合钢满足由下式1表示的MS值为约50至约120：
MS＝260-330C+2Al+7Co-14Cr-13Cu-19Mn-15-5Mo-4Nb-13Ni-7Si+3Ti-4V        (式1)。
9.权利要求8的方法，其中碳、锰、硅、镍、磷和硫的重量百分比分别为约0.30、20.50、0.18、0.02、0.003和0.0017，并且MS值为约53.44。
10.权利要求5的方法，其中在第二淬火过程中，将已经第一淬火过程的钢构件在约奥氏体反向转变开始温度(As)和约800℃之间的温度加热。
11.权利要求5的方法，其中对已经第二淬火过程的钢构件使用低于约25℃温度的冷却剂快速冷却。
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