CN102766818A - 一种基于动态碳配分原理的qdp马氏体钢 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金材料领域，具体涉及一种基于动态碳配分原理的QDP马氏体钢。本发明的基于动态碳配分原理的QDP马氏体钢，其特征在于化学成分按重量百分比是：0.15-0.3%C，0.3-0.5%Mn，0.5-1%Cr，0.2-0.6%Mo，0.2-1.5%Si，0.02-1.0%Al，(Si+Al)>1.0%，0.002-0.004%B，0.02-0.05%Ti，S<0.01%，P<0.015%，其马氏体转变开始温度为>350℃，在对其进行淬火处理时，需要控制其在马氏体转变开始温度以下的温度区间的平均冷却速度＜40℃/s。与现有Q&P钢相比，本发明的基于动态碳配分原理的QDP马氏体钢在保持现有Q&P钢优点的基础上，克服了其需要等温碳配分的缺点，从而在大大简化其热处理工艺的同时大大扩展了其应用范围。

Description

一种基于动态碳配分原理的QDP马氏体钢

技术领域

本发明属于冶金材料领域，具体涉及一种基于动态碳配分原理的QDP马氏体钢。

背景技术

Q&P（Quenching and Partitioning）钢是近年研发成功的一种具有高塑性的低碳马氏体钢，其延伸率可以达到13%以上，强塑积接近甚至超过20000MPa%，远高于普通低碳马氏体钢的塑性指标，如22MnB钢，其延伸率只有6%左右，强塑积通常不会超过10000MPa%。Q&P钢的强韧化机理是弥散分布在马氏体基体上的残余奥氏体相在塑性变形过程中被触发转变成马氏体（strain induced martensite），由此产生的局部相变硬化能够延迟颈缩的发生，因此提高了材料的延伸率。通过形变触发马氏体相变使材料延伸率提高的现象称为TRIP（transformation induced plasticity）效应，产生TRIP效应的前提条件是钢中存在一定体积分数的、弥散分布的和在室温下具有足够力学稳定性的残余奥氏体相，而这一残余奥氏体相的量和稳定性是通过其中碳的富集来实现和控制的。

J. Speer等在2003年的Acta Materials 51（材料学报）上发表的“Carbon partitioning into austenite after martensite transformation”（碳在马氏体相变后向奥氏体中的配分）一文中讨论了马氏体转变后碳在残余奥氏体中富集的热力学条件并提出一种Q&P工艺，即将钢奥氏体化后淬火到其马氏体转变开始点（Ms）和终了点（Mf）之间的某一温度，获得一定量的马氏体相，并在此淬火温度或在其与Ms点温度之间的某一温度保温一段时间令马氏体中的过饱和碳富集或配分（partitioning）到残余奥氏体相中，以此控制马氏体基体中残余奥氏体的量及力学稳定性。

尽管钢铁工业界目前已经开发出一系列适用于Q&P工艺的钢种，但是其碳配分过程必须借助一个独立的等温工序才能完成，这在很大程度上限制了Q&P钢的应用范围，比如它无法作为汽车热冲压用钢来使用，因为等温碳配分工序无法在常规的热冲压生产设备上实现。

发明内容

        针对现有Q&P钢种存在的不足，本发明提供一种基于动态碳配分原理的QDP（Quenching and Dynamic Partitioning）马氏体钢，其具有与传统Q&P钢相同的板条马氏体+残余奥氏体相的显微组织和优异的综合力学性能，但是其碳配分是在淬火过程中伴随着马氏体的形成动态完成的（dynamic partitioning），而不是像传统Q&P钢那样必须借助一个独立的等温工序才能完成。

本发明的基于动态碳配分原理的QDP马氏体钢的化学成分按重量百分比是：0.15-0.3%C ，0.3-0.5% Mn ，0.5-1% Cr， 0.2-0.6% Mo，0.2-1.5% Si ，0.02-1.0% Al，(Si+Al) >1.0% ，0.002-0.004% B，0.02-0.05% Ti，S <0.01%，P <0.015%

本发明的基于动态碳配分原理的QDP马氏体钢的马氏体转变开始温度为>350℃。

本发明的基于动态碳配分原理的QDP马氏体钢的制备方法包括奥氏体化和淬火，其特征是在对其进行淬火处理时，其在马氏体转变开始温度以下温度区间的平均冷却速度需要被控制在＜40℃/s的范围内。

本发明的基于动态碳配分原理的QDP马氏体钢中各合金元素的作用及成份设计依据如下：

C：固溶强化及奥氏体稳定化元素，其含量能够影响马氏体相强度、残余奥氏体体积分数及钢的淬透性，在本发明中，碳含量范围所对应的抗拉强度范围为1400 - 1600MPa；

Mn：脱氧、脱硫、固溶强化和奥氏体稳定化元素，能显著提高钢的淬透性及降低Ms点温度，为减小对Ms点温度的影响，在本发明中，Mn含量被限制在0.3-0.6%之间较低的添加水平上；

Cr：固溶强化及碳化物形成元素，能有效提高钢的淬透性，但含量过高会影响钢的塑性和韧性；

Mo：固溶强化及碳化物形成元素，能有效提高钢的淬透性，还能够强化晶界减少磷元素对晶界的弱化作用；

Si：脱氧、固溶强化及碳化物抑制元素，能有效抑制碳化物的生成。为在碳配分过程中完全抑制碳化物的析出，在本发明中Si与另一碳化物抑制元素Al的含量总合要大于1%；

Al：脱氧、细化晶粒及碳化物抑制元素，能有效抑制碳化物的生成。为在碳配分过程中完全抑制碳化物的析出，在本发明中Al与另一碳化物抑制元素Si的含量总合要大于1%；

B：固溶状态的B能够有效提高钢的淬透性，因为其是通过偏聚在奥氏体晶界上发挥作用的，它在钢中的添加量通常很小；

Ti：氮化物和碳化物形成元素，通过形成细小弥散的氮化物细化奥氏体晶粒和对N进行固定，避免BN的生成；

S：杂质元素，形成的MnS夹杂物和其在晶界的偏析会降低钢材的延展性和韧性，因此在本发明中其含量被限制在0.01%以下；

P：碳化物抑制元素，但能偏聚在晶界增加钢的冷脆性，所以在本发明中被认为是有害元素，其含量被限制在0.015%以下；

N：能够与Ti和Al生成氮化物颗粒起到细化奥氏体晶粒的作用，但也能与B反应生成BN使B元素失去提高钢的淬透性的作用，因此在含B钢中要添加一定量的Ti元素将其固定。

为了实现碳配分在淬火过程中伴随着马氏体的形成动态完成这一目的，本发明的QDP马氏体钢具有较高的Ms点温度，因为其亦是动态碳配分的开始温度，温度越高，碳的扩散速率越大，越有利于其在残余奥氏体中的富集，在本发明中，Ms点温度被设定为高于350℃，这是通过控制优化QDP马氏体钢的上述化学成分来实现的。

本发明所提供的Q&DP马氏体钢在淬火过程中在Ms点以下的温度区间的平均冷却速度要小于40℃，以保证动态碳配分可以持续足够长的时间,但过低的冷却速度可能会导致残余奥氏体中析出碳化物，所以QDP马氏体钢需要含有足够浓度的碳化物抑制元素，即Si和Al合金元素的重量百分比之和应该不小于1%。

与现有Q&P钢相比，本发明的基于动态碳配分原理的QDP马氏体钢在保持现有Q&P钢优点的基础上，克服了其需要等温碳配分的缺点，从而在大大简化其热处理工艺的同时还大大扩展了其应用范围。

QDP马氏体钢的动态碳配分特性使其能够与现有的常规热冲压生产设备相适应，成为可能替代目前大量使用的22MnB钢的理想的下一代汽车热冲压用钢，这可以大大提高汽车的安全性，因为QDP马氏体钢的强塑积是22MnB钢的两倍以上，这对汽车工业的发展和技术进步十分重要，而同样重要的是这一切是在无需改变现有热冲压工艺和设备的情况下实现的。

附图说明

图1是本发明实施例1-3的QDP马氏体钢的XRD图谱。

具体实施方式

本发明实施例的QDP马氏体钢试样的制备过程是：按照本发明的QDP马氏体钢的化学成分，采用100kg真空熔炼炉冶炼，获得50kg铸锭，铸锭被自由锻制成厚度为60mm的轧坯，轧坯被加热到1200℃后保温2小时，然后经7道次被热轧成为5mm厚的钢板。从5mm厚钢板上切割出标距为25mm的拉伸试样和20mm x 20mm的XRD试样。

本发明实施例对试样的拉伸试验在SANS-5105万能试验机上进行，XRD试验在日本理学公司生产的 D/max2400型X射线衍射仪上进行，采用旋转Cu靶，扫描角度范围为30~100°，步长为0.02°，工作电流为182mA，工作电压为56kV。图1示出的是下述3个实施例所采用的QDP马氏体钢的XRD图谱。

实施例1

QDP马氏体钢试样的化学成分按重量百分比为0.25%C，1.0%Si，0.3%Mn，0.015%P，0.006%S，0.8%Cr，0.23%Mo，0.02%Ti，0.003%B，0.5%Al，0.003%N。

将QDP马氏体钢试样在盐浴炉中加热到950℃，保温30分钟令其完全奥氏体化后油淬到室温，450℃以下的平均淬火冷却速度为38℃/s。该钢经相变膨胀仪测得的Ms点温度为426℃，从马氏体相变开始到碳原子失去活动性为止的动态碳配分时间约为8-10s，这足以使碳配分充分进行，使马氏体基体中残余奥氏体相的体积分数和力学稳定性得到提高，并最终影响到拉伸试验的结果。

力学性能测试结果表明，该QDP马氏体钢经油淬后的抗拉强度为1610MPa，延伸率为13.5%，强塑积为21800MPa%，达到标准Q&P钢的力学性能指标。

XRD结果表明油淬后该QDP马氏体钢中残余奥氏体的体积分数为12%，明显高于现有热冲压钢所能获得的残余奥氏体量，表明该QDP马氏体钢所表现出的优异的塑性指标来自于其较高含量的残余奥氏体相的贡献。

实施例2

QDP马氏体钢试样的化学成分按重量百分比为0.19%C，1.46%Si，0.55%Mn，0.01%P，0.005%S，0.95%Cr，0.46%Mo，0.027%Ti，0.0021%B，0.025%Al，0.0028%N。

将QDP马氏体钢试样在盐浴炉中加热到950℃，保温30分钟令其完全奥氏体化后油淬到室温，450℃以下的平均淬火冷却速度为38℃/s。该钢经相变膨胀仪测得的Ms点温度为450℃。

力学性能测试结果表明，该QDP马氏体钢油淬后的抗拉强度为1540MPa，延伸率为13.3%，断面收缩率为53%，强塑积为20500MPa%，达到标准Q&P钢的力学性能指标。

XRD结果表明油淬后该QDP马氏体钢中残余奥氏体体积分数为10%，明显高于现有热冲压钢所能获得的残余奥氏体量，表明该QDP马氏体钢所表现出的优异的塑性指标来自于其较高含量的残余奥氏体相的贡献。

实施例3

QDP马氏体钢试样的化学成分按重量百分比为0.15%C，1.5%Si，0.3%Mn，0.009%P，0.004%S，0.32%Cr，0.30%Mo，0.03%Ti，0.002%B，0.03%Al，0.003%N。

将QDP钢马氏体试样在盐浴炉中加热到950℃，保温30分钟令其完全奥氏体化后水淬到室温，450℃以下的平均淬火冷却速度为38℃/s。该钢经相变膨胀仪测得的Ms点温度为460℃。

力学性能测试结果表明，该QDP马氏体钢油淬后后抗拉强度为1420MPa，延伸率为16%，强塑积为22700MPa%，达到标准Q&P钢的力学性能指标。

XRD结果表明油淬后该QDP马氏体钢中的残余奥氏体体积分数为9%，明显高于现有热冲压钢所能获得的残余奥氏体量，表明该Q&DP马氏体钢所表现出的优异的塑性指标来自于其较高含量的残余奥氏体相的贡献。

需要强调的是，上面给出的具体实施例仅为方便阐述本发明之工作原理。实施者可以应用本发明之工作原理对上述具体实施例进行多种多样的修改和细节完善。但所有如此产生的实施例变种都属于本发明的具体体现，因此亦被包含在本发明之权利要求书中所要求的权利范围内。

Claims (2)

1.一种基于动态碳配分原理的QDP马氏体钢，其特征在于其化学成分按重量百分比是：0.15-0.3%C ，0.3-0.5% Mn ，0.5-1% Cr， 0.2-0.6% Mo，0.2-1.5% Si ，0.02-1.0% Al，(Si+Al) >1.0% ，0.002-0.004% B，0.02-0.05% Ti，S <0.01%，P <0.015%；其马氏体转变开始温度>350℃。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态碳配分原理的QDP马氏体钢的制备方法，包括奥氏体化和淬火，其特征是在对QDP马氏体钢进行淬火处理时，其在马氏体转变开始温度以下的温度区间的平均冷却速度需要被控制在＜40℃/s的范围内。

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