CN102643969A

CN102643969A - 一种纳米结构超高强塑性低合金钢及其制备方法

Info

Publication number: CN102643969A
Application number: CN2012101274832A
Authority: CN
Inventors: 武会宾; 梁国俐; 杨善武; 唐荻
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2032-04-26
Also published as: CN102643969B

Abstract

本发明公开了一种纳米结构超高强塑性低合金钢及其制备方法，其制备工艺是将低合金钢进行均热处理后，进行再结晶区和未再结晶区的两阶段控轧，轧制后将坯料进行层流冷却得板条贝氏体后进行等温淬火处理得贝氏体组织，随后进行冷变形处理后，最终回火水冷处理得到超高强塑性低合金钢。此低合金钢的平均晶粒尺寸在50-150nm范围；屈服强度Rel≥1050MPa，抗拉强度Rm≥1150MPa，延伸率A≥10％，其强塑性同步提高；并且该工艺未用到特殊的设备，而是通过控轧控冷淬火冷变形回火工艺在传统机械上实现了低合金钢的细化，所以其适用于工业化生产。

Description

一种纳米结构超高强塑性低合金钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及低合金钢的微观组织控制及超高强塑性材料的制备方法，尤其涉及通过控制轧制技术及热处理技术的相结合得到含有锆、钼、铌、钛低合金钢的纳米级的高性能钢及其制备方法。

背景技术

近年来，人们对生产具有高强度并伴随高韧性的超细晶粒(UFG)钢的兴趣日益浓厚。许多研究室投入了大量精力以期望用最少的合金成本生产出UFG钢。一般来说目前主要有两种方法生产超细晶粒钢，第一种方法是建立在大塑性变形(SPD)基础上，如高压下的扭转应变(HPT)、等通道角压缩(ECAP)、金属粉末机械研磨、多重压缩、积累叠扎(ARB)等。尽管使用这些方法都能获得1μm以下的超细晶粒组织，但是这些过程都需要专用的设备和技术，另外还需要对材料施加足够大的应变(ε≈4)才能形成超细晶粒组织。而且，这些方法绝大部分无法再连续制造工艺过程中实施。第二种方法包括先进的热力学处理。利用替代策略产生超细晶粒显微组织。例如，变形感生晶粒部分可以导致超细晶粒的形成。近年来，S.M.HOSSEINI、Ahamad KERMANPUR等使用传统的轧制设备通过对冷轧马氏体进行退火在低碳钢中获得了超细晶粒。在这种冷轧马氏体-退火方法中马氏体相变位错和冷轧马氏体变形位错之间的相互作用形成了具有大角度取向差的胞状结构，使得能在较小塑性变形量情况下形成超细晶粒组织。但是，目前对在这一过程中胞状结构形成机制尚不明确。同时，超细晶粒钢铁材料的强度对其晶粒尺度很敏感，在退火过程中晶粒的长大直接会导致强度的急剧下降。

60年代以来，材料科技工作者成功地开发了微合金钢的控制轧制技术，特别是在低碳含铌的微合金钢中，通过奥氏体未再结晶区控制轧制可以有效地增加形变奥氏体的晶界、形变带和位错孪晶等晶体缺陷，从而提高铁素体相变的形核率，细化铁素体组织。目前，利用该技术在工业化生产中可将晶粒组织控制在3～5μm，但要进一步提高材料的性能，就需要从材料的化学成分、母相的组织结构，轧制的变形量、温度以及后续的热处理进行多方面的控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种高性能低合金钢，此低合金钢的微观组织为纳米级，具有较高的强度和塑性，并且此低合金钢的制备未用到特殊的设备，只采用了控制轧制工艺，所以此技术适于工业化生产。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种纳米结构超高强塑性低合金钢的制备方法，将低合金钢进行均热处理后，进行再结晶区和未再结晶区的两阶段控轧，再结晶区的轧制累积变形量大于60％，中间坯空冷到980±30℃，再进行未再结晶区轧制，其压缩比保持在5倍以上，轧制后将坯料进行层流冷却得板条贝氏体后进行等温淬火处理得贝氏体组织，随后进行变形量为60-90％冷变形处理后，将坯料进行回火快冷处理得到超高强塑性低合金钢。

本发明中所述的一种纳米结构超高强塑性低合金钢的制备方法包括以下工艺步骤：

(1)对低合金钢坯料加热到1150～1250℃，保温100-300分钟，进行均热处理，使其完全奥氏体化；

(2)对坯料立即进行两阶段控制轧制，即再结晶区轧制和未再结晶区轧制，再结晶区轧制，变形速率大于5s^-1，累积变形量大于60％，中间坯空冷到980±30℃，再进行未再结晶区轧制，使未再结晶区轧制压缩比保持在5倍以上，终轧温度控制在810～830℃范围内；

(3)对钢板进行层流冷却，冷却速度范围控制在15～25℃/s之间，终冷温度控制在350℃～600℃范围内，将层流冷却后的钢板空冷至室温；

(4)将钢板进行等温淬火处理，加热到900-930℃保温10-30分钟，然后在300℃-500℃盐浴炉中等温淬火，时间10-25分钟，而后冷却到室温；

(5)对钢板进行冷变形处理，累计变形量为60-90％；

(6)将冷变形钢进行回火处理，回火温度500℃-700℃，时间10-100分钟，而后水冷得超高强塑性低合金钢。

本发明所述的制备方法，优选方案为，在均热化处理后对坯料进行去鳞处理。

本发明所述的制备方法，优选方案为，所述低合金钢中含有微量的锆、钼、铌、钛。

一种纳米结构超高强塑性低合金钢，通过上述制备方法制得。

本发明所述的纳米结构超高强塑性低合金钢，所述低合金钢的化学成分(以重量百分比计)为C 0.04～0.12％、Si 0.1～0.4％、Mn 1.5～2.0％、P＜0.012％、S＜0.005％、Ti 0.01～0.02％、Mo 0.2～0.5％、Nb 0.05～0.1％，Zr0.008-0.012％，余量为Fe及不可避免的夹杂。

本发明所述的纳米结构超高强塑性低合金钢，所述低合金钢的组织为铁素体，其平均晶粒尺寸为50-150nm。

本发明所述的纳米结构超高强塑性低合金钢，所述低合金钢的性能指标为，屈服强度Rel≥1050MPa，抗拉强度Rm≥1150MPa，延伸率A≥10％。

为实现本发明的上述目的，对以下的技术关键点进行了有效控制。

1)对低合金钢化学成分的控制：通过添加微量锆含量(0.008-0.012wt％)并复合添加钼、铌、钛的低碳铁素体钢板。

2)再结晶区轧制的影响：在再结晶区变形，随变形量的增加，奥氏体再结晶晶粒细化效果明显，并随变形量的逐步加大，再结晶晶粒细化效果逐渐减缓；变形量达到60％左右时，晶粒尺寸基本达到一个近极限状态，再次增加变形量，奥氏体再结晶晶粒细化效果不明显。研究表明，再结晶区轧制，变形速率在大于5s^-1，终轧温度在1050℃左右时，变形量大于60％时，可获得平均尺寸小于25μm的奥氏体晶粒。

3)二次相的有效控制：在1020℃～1080℃中间坯空冷，锆的氧化物第二相析出明显，奥氏体晶界得到了有效钉扎，晶粒稳定性良好，不会发生明显的粗化现象。

4)未再结晶区轧制的影响：980±30℃开始进行未再结晶区轧制，压缩比保持在5倍以上，即可获得宽度小于10μm扁平奥氏体晶粒。当扁平奥氏体晶粒宽度小于10μm时，相变后的板条组织得到有效细化，钢板强塑性能同步提高。

5)轧后冷却阶段：在15℃/s～25℃/s的冷却速度范围内均可以得到贝氏体组织。随着冷却速度的提高，贝氏体开始相变温度相应降低，冷却速度从15℃/s增大至25℃/s，且随着冷却速度的增加，显微组织逐渐由粒状贝氏体向板条贝氏体，且相变组织越加细小。终冷温度设定为350℃～600℃。

本发明与现有技术相比有益效果是：通过对各细晶因素的有效控制，所得到的铁素体低合金钢的平均晶粒尺寸可以控制在50-150nm范围之内，为纳米级组织；最终产品的屈服强度Rel≥1050MPa，抗拉强度Rm≥1150MPa，延伸率A≥10％，其强塑性同步提高；并且该工艺未用到特殊的设备，而是通过控轧控冷淬火冷变形回火工艺在传统机械上实现了低合金钢的细化，所以其适用于工业化生产。

说明书附图

图1为实施例1压扁的原始奥氏体晶粒光学金相照片。

图2为实施例1等温淬火形成的板条状贝氏体组织的SEM照片。

图3为实施例1经过70％冷变形后板条束形貌SEM照片。

图4为实施例1经过550℃回火后超细铁素体SEM照片。

图5为实施例2经过80％冷变形后板条束形貌SEM照片。

图6为实施例2经过500℃回火后超细铁素体SEM照片。

具体实施方式

下面通过优选实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但不应将其理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1：

将化学成分按重量百分数计，C 0.073％、Si 0.25％、Mn 1.6％、P 0.010％、Ti 0.015％、S 0.005％、Mo 0.35％、Nb 0.08％，Zr0.01％余量为Fe及不可避免的夹杂，钢水模铸成锭后，锻造为厚度为80mm的坯料。

把坯料在1200℃均热，保温240分钟后进行去磷处理，再进行两阶段控轧。再结晶区开轧温度是1189℃，变形速率为5s^-1，经多道次轧制后，再结晶区终轧温度为1040℃，变形量为65％，中间坯厚度控制在28mm。未再结晶区轧制开轧温度为980℃，经多道次轧制后，达到最终产品厚度4mm，压缩比为7，终轧温度为820℃。

终轧后层流冷却，冷却速度为23℃/s，终冷温度为450℃。终轧后空冷至室温。

对出炉后的钢板进行等温淬火处理，加热到920℃，保温20分钟，而后在400℃盐浴炉中等温淬火，时间20分钟，生成贝氏体组织。

在平面应变热模拟机上对贝氏体钢板进行冷变形处理，累计变形量为70％，将冷变形钢进行回火处理，回火温度550℃，时间30分钟，水冷，最终得到具有纳米尺度的超细晶粒钢。

对最终产品进行力学试验测试，其屈服强度Rel＝1080MPa，抗拉强度Rm＝1180MPa，延伸率A＝11.2％。如图1所示为压扁的原始奥氏体晶粒，其扁平的晶界宽度大约为5μm，板条组织得到有效细化。图2为400℃盐浴淬火，得到板条宽度小于1μm的贝氏体组织，图3为经过70％冷变形后组织，图4所示为实例1最终产品的SEM观察显示，钢板最终晶粒尺寸为80nm，其为超细铁素体钢。

实施例2：

将实施例1轧制后的钢板在平面应变热模拟机上对其进行冷变形处理，累计变形量为80％，将冷变形钢进行回火处理，回火温度500℃，时间30分钟，快冷，最终得到具有纳米尺度的超细晶粒钢。

对最终产品进行力学试验测试，其屈服强度Rel＝1102MPa，抗拉强度Rm＝1190MPa，延伸率A＝10.5％。图5为经过80％冷变形组织，图6所示为实例2最终产品的SEM观察，钢板最终平均晶粒尺寸为60nm，其为铁素体钢。

实施例3：

将化学成分按重量百分数计，C 0.04％、Si 0.4％、Mn 2.0％、P 0.010％、Ti0.01％、S 0.005％、Mo 0.5％、Nb 0.1％，Zr0.012％余量为Fe及不可避免的夹杂，钢水模铸成锭后，锻造为厚度为80mm的坯料。

把坯料在1150℃均热，保温300分钟后进行去磷处理，再进行两阶段控轧。再结晶区开轧温度是1148℃，变形速率为5s^-1，经多道次轧制后，再结晶区终轧温度为1032℃，变形量为65％，中间坯厚度控制在28mm。未再结晶区轧制开轧温度为950℃，经多道次轧制后，达到最终产品厚度4mm，压缩比为7，终轧温度为810℃。

终轧后层流冷却，冷却速度为15℃/s，终冷温度为600℃。终轧后空冷至室温。

对出炉后的钢板进行等温淬火处理，加热到930℃，保温10分钟，而后在500℃盐浴炉中等温淬火，时间10分钟，生成贝氏体组织。

在平面应变热模拟机上对贝氏体钢板进行冷变形处理，累计变形量为60％，将冷变形钢进行回火处理，回火温度700℃，时间10分钟，水冷，最终得到具有纳米尺度的超细晶粒钢。

对最终产品进行力学试验测试，其屈服强度Rel＝1050MPa，抗拉强度Rm＝1150MPa，延伸率A＝13.2％。钢板最终晶粒尺寸为110nm，其为超细铁素体钢。

实施例4：

将化学成分按重量百分数计，C 0.12％、Si 0.1％、Mn 1.6％、P 0.010％、Ti0.02％、S 0.005％、Mo 0.2％、Nb 0.05％，Zr0.008％余量为Fe及不可避免的夹杂，钢水模铸成锭后，锻造为厚度为80mm的坯料。

把坯料在1250℃均热，保温100分钟后进行去磷处理，再进行两阶段控轧。再结晶区开轧温度是1239℃，变形速率为5s^-1，经多道次轧制后，再结晶区终轧温度为1042℃，变形量为65％，中间坯厚度控制在28mm。未再结晶区轧制开轧温度为950℃，经多道次轧制后，达到最终产品厚度4mm，压缩比为7，终轧温度为825℃。

终轧后层流冷却，冷却速度为25℃/s，终冷温度为350℃。终轧后空冷至室温。

对出炉后的钢板进行等温淬火处理，加热到900℃，保温30分钟，而后在300℃盐浴炉中等温淬火，时间25分钟，生成贝氏体组织。

在平面应变热模拟机上对贝氏体钢板进行冷变形处理，累计变形量为90％，将冷变形钢进行回火处理，回火温度500℃，时间100分钟，水冷，最终得到具有纳米尺度的超细晶粒钢。

对最终产品进行力学试验测试，其屈服强度Rel＝1015MPa，抗拉强度Rm＝1140MPa，延伸率A＝10％。钢板最终晶粒平均尺寸为130nm，其为超细铁素体钢。

Claims

1.一种纳米结构超高强塑性低合金钢的制备方法，其特征在于，将低合金钢进行均热处理后，进行再结晶区和未再结晶区的两阶段控轧，再结晶区的轧制累积变形量大于60％，中间坯空冷到980±30℃，再进行未再结晶区轧制，其累计变形量大于80％，轧制后将坯料进行层流冷却得板条贝氏体后进行等温淬火处理得贝氏体组织，随后进行变形量为60-90％冷变形处理后，将坯料进行回火水冷处理得到超高强塑性低合金钢。

2.根据权利要求1所述的一种纳米结构超高强塑性低合金钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(2)对坯料立即进行两阶段控制轧制，即再结晶区轧制和未再结晶区轧制，再结晶区轧制，变形速率大于5s^-1，累积变形量大于60％，中间坯空冷到980±30℃，再进行未再结晶区轧制，使未再结晶区其累计变形量大于80％，终轧温度控制在810～830℃范围内；

(5)对钢板进行冷变形处理，累计变形量为60-90％；

(6)将冷变形钢进行回火处理，回火温度500℃-700℃，时间10-100分钟，而后水冷，获得超高强塑性低合金钢。

3.根据权利要求1或2所述的一种纳米结构超高强塑性低合金钢的制备方法，其特征在于，在均热化处理后对坯料进行去鳞处理。

4.根据权利要求1或2所述的一种纳米结构超高强塑性低合金钢的制备方法，其特征在于，所述低合金钢中含有微量的锆、钼、铌、钛。

5.一种纳米结构超高强塑性低合金钢，其特征在于，通过权利要求1或2的制备方法制得。

6.根据权利要求5所述的一种纳米结构超高强塑性低合金钢，其特征在于，所述低合金钢的化学成分(以重量百分比计)为C 0.04～0.12％、Si 0.1～0.4％、Mn 1.5～2.0％、P＜0.012％、S≤0.005％、Ti 0.01～0.02％、Mo 0.2～0.5％、Nb 0.05～0.1％，Zr0.008-0.012％，余量为Fe及不可避免的夹杂。

7.根据权利要求5所述的一种纳米结构超高强塑性低合金钢，其特征在于，所述低合金钢的组织为铁素体，其平均晶粒尺寸在50-150nm范围。

8.根据权利要求5所述的一种纳米结构超高强塑性低合金钢，其特征在于，所述低合金钢的性能指标为，屈服强度Rel≥1050MPa，抗拉强度Rm≥1150MPa，延伸率A≥10％。