CN101660086A - 一种轻质、高性能孪晶诱导塑性钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轻质、高性能孪晶诱导塑性钢，其化学组成：C0.30％～0.80％，Si≤0.4％，Mn 15％～25％，Al≤0.05％，P 0.04％～0.16％，Re 0.10％～0.30％，N 0.01％～0.02％，余量为Fe。其制备方法：1)采用真空冶炼、出钢温度1450～1550℃；2)将铸锭热轧，开轧温度1150～700℃，终轧温度≥550℃；冷轧压下量40％～80％；3)600～1000℃退火处理，等温保持0.5～20分钟后5～20℃/s冷却至室温。本发明通过成分设计，控制浇铸，直接热轧，冷轧成形，并结合热处理工艺，获得强塑积大于40000MPa％的高性能TWIP钢。本发明无硅、铝和贵重合金的加入，成本低，纯净度高，可避免热轧坯料缺陷；通过不同的热处理制度获得不同强塑性的TWIP钢，可实现能源和资源的有效利用。

Description

一种轻质、高性能孪晶诱导塑性钢及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，尤其涉及一种具有孪晶诱导塑性的轻质、高强度和冷成形性的薄钢板及其制备方法。

背景技术

环保和节能日益成为汽车工业发展的主导因素，减轻车重成为汽车发展的重要方向，为满足在安全性和舒适度的要求，又会增加汽车附件，引起车重增加。为了解决这些矛盾，满足各方面要求，几十年来，人们不断追求钢材强度和延展性的平衡，在车体部件采用高强度和超高强度钢板已经成为现代汽车用钢的发展趋势，用高强度钢(HSS)来替代软钢，先后开发了车体用DP钢和TRIP钢，用于汽车保险杠、底盘，结构件及加强件，车门、罩壳等。但仍需一种具有轻质、高成形性和高吸收能的材料以更好的实现降低能耗、减轻温室效应和满足高碰撞安全性的要求。高锰奥氏体合金钢将可能成为新一代高延展性、高强度和高吸收能汽车用钢的代表。

长期以来具有高强度的奥氏体钢已为人们所公知，例如包含锰(11％～14％)和碳(1.1％～1.4％)作为其主要合金化元素的哈德菲尔(Hadfield)钢。这种钢将高韧性和合理的延展性、高的加工硬化能力、良好的耐磨性相结合。然而，该钢的铸态组织粗大、含有大量的脆性碳化物，其热加工成形性能很差；而且高的加工硬化速率，使其难于机械加工。随着高锰钢生产技术的发展，在Hadfield钢的基础上，发展了以添加高Si、高Al和Ni、V、Ti、Cr等合金元素获得具有奥氏体结构的高锰钢。

公开号为CN 101065503A，名为“具有TWIP性能的高强度钢带或薄钢板以及通过钢带连铸制备它的方法”和公开号为CN 101084073A，名为“由轻型结构钢生产热轧带材的方法”的两项专利，公开了采用钢带连铸(DSC)工艺结合热轧、冷轧制备出复合添加高硅、高铝及Ni、Cr、V、Ti和Nb等合金元素的TWIP钢。但铝是一种铁素体稳定化元素，具有提高层错能(SFE)、降低奥氏体稳定性的作用，将破坏由于应变诱导孪晶效应所产生的高强度和高塑性，因此，铝的添加对奥氏体稳定性的影响，必须通过锰或其它奥氏体稳定化元素(如Ni等)来补偿，这将提高钢的成本；同时铝的易氧化又使冶炼和浇铸中夹杂物的控制难度加大，降低钢质纯净度，对强塑性产生不利影响。当硅的加入量过多时，会使铸造材料产生较多的复合脱氧产物，恶化其铸态性能；并且在热轧带材表面出现粘性的氧化硅，降低涂镀性。含有高硅、高铝的孪晶诱导塑性钢其热加工性很差，热轧往往会出现严重的边裂，降低材料的利用率。Ni、Cr等合金元素的加入虽在一定程度上可以改善材料加工和部分力学性能，但其生产的经济性却大大降低。

在公开号为CN 101111622A，名为“具有高的强度和可成形性的奥氏体钢，制造所述钢的方法及其应用”的专利中，为使冷轧薄板达到性能要求，需要采用长达4小时以上的分批退火，既增加能源消耗、提高生产成本，又大大降低了生产效率、延长产品生产周期。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中所存在的不足，提供一种能够以经济方式制造的具有高强度和良好成形性的孪晶诱导塑性钢。

本发明是这样实现的：该轻质、高性能孪晶诱导塑性钢的化学组成以重量百分比计为：C 0.30％～0.80％，Si≤0.4％，Mn 15％～25％，Al≤0.05％，P 0.04％～0.16％，Re 0.10％～0.30％，N 0.01％～0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明孪晶诱导塑性钢的显微组织以奥氏体为主，其体积分数≥80％，其余为马氏体及铁素体。

与传统的哈德菲尔(Hadfield)钢相比，本发明极大地降低了碳含量，以抑制ε-马氏体的形成，在保证奥氏体具有高稳定性的同时，减少脆性相和/或析出物的产生倾向，有效改善钢的可焊性。

本发明利用适量的Mn来降低层错能和临界转变温度，提高奥氏体的稳定性；无需添加Si、Al，可提高钢板表面质量、可焊接和可镀性；适量的N和少量的P有助于提高强度和奥氏体的稳定性。

本发明孪晶诱导塑性钢的制备方法包括以下工艺步骤：1)采用真空冶炼、出钢温度控制在1450～1550℃，浇注成锭料，以获得具有大量等轴晶结构的铸态组织；2)将具有上述成分的铸锭热轧，开轧温度控制在1150～700℃，终轧温度为≥550℃，轧后钢板空冷或水淬；再经40％～80％的压下量，冷轧成厚度为0.5mm～3.0mm的钢板；3)在600～1000℃的静态炉中对冷轧带材进行退火处理，等温保持0.5～20分钟，然后以5～20℃/s冷却/或水淬冷至室温。

本发明钢经过如上热处理后，可获得具有连续屈服、低屈强比的TWIP钢，其抗拉强度可以达到700～1200MPa或以上，断裂延伸率达到30％～60％或以上，加工硬化指数n达到0.3～0.49。

本发明通过特殊的成分设计、控制浇铸工艺，改善铸态组织，实现高锰钢的直接热轧、冷轧成形，并结合适当的热处理工艺，得到原始组织为稳定奥氏体的钢板，利用在塑性变形中形成大量层错和形变孪晶，即发生TWIP效应，延缓颈缩的产生，得到较大的均匀延伸；而合金元素的固溶强化和形变孪晶组织的细晶强化则使材料具有高强度，从而获得强塑积大于40000MPa％的综合性能优良的TWIP钢。

本发明的有益效果是：

1.通过控制钢液静置时间、出钢温度，有效减少了复合脱氧产物的形成；加入适量的Re元素，阻止柱状晶发展、提高钢液的流动性和润湿性、改善夹杂物形态；合理控制浇铸工艺，降低成分偏析并获得具有等轴细晶结构的铸态组织，改善其热加工塑性，避免了高锰钢变形能力差而导致的加工断裂问题。

2.在优选的成分下，材料可以在较宽泛的温度区间获得具有高稳定性的奥氏体结构，对热轧温度控制范围加大，有利于TWIP效应的发挥。

3.与现有技术CN 101065503A专利相比，无硅、铝和贵重合金的加入，降低了材料成本；降低非金属夹杂物产生和聚集、提高钢质纯净度；铸锭直接热轧成形，组织致密度高，且热轧工艺控制宽泛，防止高硅、铝含量对热加工塑性的影响，有效避免热轧坯料缺陷的产生。

4.与现有技术CN 101111622A专利相比，无需长时间退火，且通过不同热处理温度可获得不同强塑性的TWIP钢，满足不同构件的使用要求，实现了能源和资源的有效利用。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步的描述。

本发明实施例轻质、高性能孪晶诱导塑性钢的制备工艺包括：真空冶炼(浇铸温度1450～1550℃)、铸锭、1150～700℃热轧、终轧温度≥550℃、轧后空冷或水冷，再以40％～80％压下量冷轧至一定厚度，最后经过600～1000℃的热处理，即得到不同级别的高性能孪晶诱导塑性钢。

实施例1

本发明实施例1所用具有良好成形性能的高强度孪晶诱导塑性钢板的化学组成见表1。其制备工艺过程如下：

将具有上述组成的钢锭经热轧、43％压下率的冷轧，制成厚度为2.4mm的钢板；在热处理炉内将钢板加热到600～900℃，等温600～1200s，随后以10～20℃/s冷却至室温，即得到具有良好强塑性和高成形性的TWIP钢板。

经检测，热处理后钢板的显微组织相对量为：奥氏体80％～90％，马氏体0～10％，余量为铁素体。热处理后钢板的各项力学性能值见表2。由表2可见，采用本发明方法得到的具有良好成形性能的高强度TWIP钢板的抗拉强度最高达到880MPa，其延伸率达到59％，n值达到0.39，其TWIP效应相对弱些。采用本成分和生产工艺可以满足700MPa(或以上)钢级结构件的使用要求。

实施例2

本发明实施例2所用具有良好成形性能的高强度孪晶诱导塑性钢板的化学组成见表1。其制备工艺过程如下：

将具有上述组成的钢锭经热轧、57％压下率冷轧成厚度为1.9mm的钢板；在热处理炉内将钢板加热到700～900℃，等温600～1200s，随后以10～15℃/s冷却至室温，即得到具有良好强塑性和高成形性的TWIP钢板。

经检测，热处理后钢板的显微组织相对量为：奥氏体90％～100％，马氏体+铁素体0～10％。热处理后钢板的各项力学性能值见表2。由表2可见，采用本发明方法可以获得具有强烈TWIP效应的高强度孪晶诱导塑性钢板，并且具备良好的成形性能，其抗拉强度最高达到1100MPa，其延伸率最大为62.5％，n值达到0.495。

实施例3

本发明实施例3所用具有良好成形性能的高强度孪晶诱导塑性钢板的化学组成见表1。其制备工艺过程如下：

将具有上述组成的钢锭经热轧、50％压下率冷轧成厚度为2.0mm的钢板；在热处理炉内将钢板加热到600～900℃，等温600～1200s，随后以5～20℃/s冷却至室温，即得到具有良好强塑性和高成形性的TWIP钢板。

经检测，热处理后钢板的显微组织相对量为：奥氏体85％～95％，马氏体+铁素体5％～15％。热处理后钢板的各项力学性能值见表2。由表2可见，采用本发明方法得到的具有良好成形性能的高强度TWIP钢板的抗拉强度最高达到990MPa，其延伸率达到60％，n值达到0.46。采用本成分和生产工艺可以满足900MPa(或以上)钢级结构件的使用要求。

实施例4

本发明实施例4所用具有良好成形性能的高强度孪晶诱导塑性钢板的化学组成见表1。其制备工艺过程如下：

将具有上述组成的钢锭经热轧、65％压下率冷轧成厚度为1.2mm的钢板；在热处理炉内将钢板加热到600～1000℃，等温300～600s，随后水淬冷却至室温，即得到具有良好强塑性和高成形性的TWIP钢板。

经检测，热处理后钢板的显微组织相对量为：奥氏体95％～100％，马氏体+铁素体0～5％。热处理后钢板的各项力学性能值见表2。由表2可见，采用本发明方法可得到具有良好成形性能的高强度TWIP钢板，当抗拉强度达到1100MPa时，其延伸率达到35％以上，相应的n值达到0.40，具有较低的屈强比(0.47)和较强的TWIP效应。

实施例5

本发明实施例5所用具有良好成形性能的高强度孪晶诱导塑性钢板的化学组成见表1。其制备工艺过程如下：

将具有上述组成的钢锭经热轧、40％压下率冷轧成厚度为2.0mm的钢板；在热处理炉内将钢板加热到600～900℃，等温600～1200s，随后水淬冷却至室温，即得到具有良好强塑性和高成形性的TWIP钢板。

经检测，热处理后钢板的显微组织相对量为：奥氏体的体积分数为80％或以上，马氏体+铁素体0～20％。热处理后钢板的各项力学性能值见表2。由表2可见，采用本发明方法得到的具有良好成形性能的高强度TWIP钢板的抗拉强度最高达到1200MPa，其延伸率达到30％以上，可以满足1000MPa(或以上)超高强度级别结构件的冲压要求。

试验表明，采用本发明方法制备的TWIP钢，通过成分和热处理工艺调整可以具有非常宽泛、优良的性能区间，其高强度(抗拉强度为700～1200MPa)、高的均匀延伸率(30％～60％)、高加工硬化性(n≥0.4)、低屈强比(＜0.5)和高冲击吸收能，保证了材料可以满足不同部位构件的成形和使用要求，成为新一代汽车结构用钢的优选钢种。

表1本发明实施例TWIP钢的成分(wt％)

实施例	C	Si	Mn	Al	P	S	N	Re
									1	0.40	0.21	20.4	0.036	0.06	0.002	0.016	0.17
2	0.47	0.018	20.93	0.005	0.0084	0.0057	0.0096	0.10
									3	0.55	0.17	23.46	0.022	0.045	0.0033	0.012	0.20
4	0.60	0.30	22.26	0.047	0.11	0.0054	0.0054	0.09
									5	0.71	0.40	8.06	0.019	0.071	0.0030	0.0157	0.24

表2本发明实施例TWIP钢板热处理后的力学性能

Claims (3)

1.一种轻质、高性能孪晶诱导塑性钢，其特征在于该钢的化学组成以重量百分比计为：C 0.30％～0.80％，Si≤0.4％，Mn 15％～25％，Al≤0.05％，P 0.04％～0.16％，Re 0.10％～0.30％，N 0.01％～0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的孪晶诱导塑性钢，其特征在于该钢的显微组织以奥氏体为主，其体积分数≥80％，其余为马氏体及铁素体。

3.一种权利要求1或2所述的孪晶诱导塑性钢的制备方法，其特征在于具有以下工艺步骤：

1)采用真空冶炼、出钢温度控制在1450～1550℃，浇注成锭料；

2)将铸锭热轧，开轧温度1150～700℃，终轧温度≥550℃，轧后钢板空冷或水淬；再经40％～80％的压下量，冷轧成厚度为0.5mm～3.0mm的钢板；

3)在600～1000℃的静态炉中对冷轧带材进行退火处理，等温保持0.5～20分钟，然后以5～20℃/s冷却/或水淬冷至室温。