CN103045950B

CN103045950B - 一种低合金高强韧性复相钢及其热处理方法

Info

Publication number: CN103045950B
Application number: CN201210581738.2A
Authority: CN
Inventors: 刘和平; 孙虎儿; 刘斌; 李志勇; 孙凤儿
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2032-12-28
Also published as: CN103045950A

Abstract

本发明公开一种低合金高强韧性复相钢，其包含的组分及重量百分比含量为：C：0.40-0.90%，Si：0.5-2.0%，Mn：0.5-3.0%，Cr：0.5-4.0%，Al：2.0-5.0%，S：≤0.01%，P：≤0.01%，其余为Fe。本发明还公开了其制备方法：首先将钢迅速加热到850~1000℃等温2~30min，使工件充分奥氏体化；然后快速淬火到-20~50℃，以获得部分过饱和马氏体和未发生马氏体相变的奥氏体；再将上述工件在300~600℃等温5~600min进行碳分配；最后淬火到室温获得复相钢。本发明工艺简单，增加了钢强度，又保证了良好的韧性，且低合金化成本低廉，工业应用前景广阔。

Description

一种低合金高强韧性复相钢及其热处理方法

技术领域

本发明涉及一种材料技术领域的合金钢及其热处理方法，具体地说是一种低合金超高强韧性复相钢及其热处理方法。

背景技术

先进高强度钢是上个世纪 70 年代逐渐发展起来的新型钢种。其强化手段与传统高强度钢有明显不同，传统高强度钢主要是通过固溶强化、相变强化、弥散强化和细晶强化等手段提高钢的强度从而达到所需性能，而先进高强度钢则在传统强化手段的基础上充分发挥了相变强化的作用，同时配合以适当的热处理工艺手段，获得含有马氏体、贝氏体、铁素体和残余奥氏体的两相或更多相的复相组织，使得各相组织充分发挥自身特点，而各自的缺点或不足则由于其它相的存在而被削弱或消除，从而达到提高钢材综合性能的目的。近年研究开发的具有代表性的先进高强钢包括马氏体（M）钢、双相（DP）钢、相变诱发塑性（TRIP）钢、无碳化物贝氏体/马氏体复相（CFB/M）钢，孪晶诱发塑性（TWIP）钢及纳米贝氏体（B）钢等。

传统的淬火和回火工艺被用于生产含马氏体组织的高强度钢。淬火形成的马氏体可提高钢的强度，回火消除内应力，并使马氏体内析出碳化物和残余奥氏体分解，以调整钢的塑韧性。一些研究工作揭示：淬火过程中，在某种条件下会发生碳由马氏体向奥氏体分配，使得马氏体条间的残余奥氏体因增碳而得到稳定化，并使钢中最终的残余奥氏体量得以增加，由此有可能提高钢件的强韧性综合性能。在这些工作的启发下，开发出意在使碳由马氏体分配至残余奥氏体，以稳定残余奥氏体，提高钢的塑韧性的新工艺。这一新工艺被称为淬火和碳再分配(Q&P——Quenching and Partitioning)工艺，引起了国际上的关注。

在传统的淬火-回火的工艺中，回火马氏体形成时，渗碳体的形成消耗了部分碳，同时发生残余奥氏体分解；而Q&P工艺却有意地抑制了碳化物的析出，并使残余奥氏体稳定而不被分解。Q&P处理工艺过程为：首先对钢进行奥氏体化，即在Ac3（亚共析钢）以上保温(完全奥氏体化)或在Ac1（过共析钢）~Ac3之间保温（部分奥氏体化)，然后淬火至马氏体转变开始温度(Ms)与终结温度(Mf)之间的某一温度；再在高于Ms的一定温度保温，进行碳的分配处理，最后冷却至室温。残余奥氏体最终的含量及其含碳量决定于淬火温度和分配温度及时间。申请号为200810033295.7的中国专利公开了通过淬火碳分配，即Q&P工艺，获得马氏体、残余奥氏体、纳米贝氏体三相复合组织。

微合金化元素由于可以有效地抑制晶粒的长大并产生析出强化作用在工业中高强钢（特别是热轧高强钢）的生产中被大量使用。检索中还发现，徐祖耀院士在International Heat Treatment and Surface Engineering, 2008, 2 (2), 64-68.上发表“Quenching-partitioning- tempering (Q-P-T)process for ultra-high strength steel”一文, 充分利用 Nb、V 和 Ti 等微合金元素形成碳化物后的晶粒细化和析出强化作用对Q&P 工艺进行了改进，提出了一种新型的热处理工艺，即淬火-分配-回火（Quenching-Partitioning-Tempering，Q-P-T）工艺，该工艺在碳分配过程之后再引入一个回火过程，使得马氏体基体上析出复杂的微合金碳化物，利用的是碳化物析出强化来提高钢的强度，最后获得了马氏体、残余奥氏体和碳化物的复相组织，进一步增加了钢件的强度。同时，在不影响钢件焊接性能的情况下，小幅提高钢件的碳浓度，以弥补微合金碳化物生成而造成的碳元素消耗，保证充足的碳元素由马氏体中扩散至未转变奥氏体中并在室温下获得足够多的残余奥氏体。

然而，随着汽车工业的发展，对先进高强钢的强度和韧性提出了越来越高的要求。上述技术将淬火温度控制在较高温度范围，都在Ms和Mf之间，且保温时间也较短，以秒为单位计数，不适合工业化大生产，不适合较大尺寸产品生产中保证工艺稳定性与组织均匀性。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种满足大规模生产的低合金超高强韧性复相钢及其热处理方法，该方法通过新的合金与相变设计实现在回火过程中发生碳分配，将淬火温度控制在室温，该技术可在大批量生产的条件下得到合格产品，生产中保证了工艺稳定性与组织均匀性，增加钢的强度的同时又保证其具有良好的韧性，而且低合金化成本低廉

本发明提供了一种低合金超高强韧性复相钢，其特征在于：包括下列重量百分比的原料：

C：0.40-0.90%，

Si：0.5-2.0%，

Mn：0.5-3.0%，

Cr：0.5-4.0%，

Al：2.0-5.0%，

S：≤0.01%，

P：≤0.01%，

其余为Fe。

上述组成更优选的方案为：低合金超高强韧性复相钢包括下列重量百分比的原料：

C：0.45%，

Si：0.90%，

Mn：1.80%，

Cr：2.3%，

Al：3.0%，

S：0.0015%，

P：0.0066%，

其余为Fe。

本发明还提供了上述低合金超高强韧性复相钢的热处理方法，包括奥氏体化、初次淬火、回火碳分配、二次淬火工艺步骤，其特征在于：所述初次淬火工艺中的淬火温度为-20~50℃。

上述热处理方法包括以下步骤：

第一步，首先将钢迅速加热到850~1000℃等温2~30min，使工件充分奥氏体化；

第二步，然后将工件快速淬火到 -20~50℃，以获得部分的过饱和马氏体和未发生马氏体相变的奥氏体；

第三步，再将上述处理后的工件在回火温度300~600℃等温5~600min进行碳分配，使碳由马氏体向残余奥氏体分配，此时马氏体中的碳含量下降，奥氏体中的碳含量升高，从而使残余奥氏体富碳且能够稳定至室温；

第四步，最后再淬火到室温，在室温获得稳定马氏体和残余奥氏体的复相钢。

上述热处理方法优选的工艺步骤为：

第一步，首先将钢迅速加热到850~900℃等温5min，使工件充分奥氏体化；

第二步，然后将工件快速淬火到20℃，以获得部分的过饱和马氏体和未发生马氏体相变的奥氏体；

第三步，再将上述处理后的工件在300~400℃等温5~10min进行碳分配，使碳由马氏体向残余奥氏体分配，此时马氏体中的碳含量下降，奥氏体中的碳含量升高，从而使残余奥氏体富碳且能够稳定至室温；

上述方案中，所述钢选取含有高密度位错的细板条马氏体。

本发明采用新的合金与相变设计：Cr 和Al的加入可增加临界区退火时奥氏体中的碳含量而降低该奥氏体的Ms温度至较低温度甚至低于室温。

本发明提出了先进热处理工艺：淬火回火&碳分配（QT&P）。该热处理工艺中，钢件先经奥氏体化后淬火至Ms~Mf之间的某一温度，即形成一定数量的马氏体和残余奥氏体；再在Ms以上某一温度进行回火一段时间，并使碳由马氏体向残余奥氏体分配，此时马氏体中的碳含量下降，奥氏体中的碳含量升高，从而使残余奥氏体富碳且能够稳定至室温，最后获得由马氏体和残余奥氏体组成的复合组织，以获得较高的强度和韧性，即良好的综合力学性能。

本发明中，为了保证钢的高强度，其基体组织选择马氏体组织，该马氏体组织应该以含有高密度位错的细板条马氏体为主，经QT&P热处理后，马氏体板条间存在有残余奥氏体薄膜，最终获得含有位错型马氏体和残余奥氏体的双相复合组织。所制备钢的韧性得到了较大提高且保持了较高的强度：其高强度来源于马氏体和复合组织的细晶强化与位错强化，良好的塑性来源于组织中存在适量的残余奥氏体和初始淬火马氏体组织的软化。

本发明回火碳分配的时间长，适合大批量工业生产。现有工艺碳分配时间短，只能适合生产小批次或实验室产品，如果是大批量生产的产品则碳不能充分分配。

本发明根据Ms温度、淬火温度T可以通过下式计算淬火过程中马氏体转变量：

计算公式：

式中，V_m是马氏体转变量，Ms是马氏体转变开始温度，T是实际淬火温度。

本发明的有益效果：

（1）通过新的合金与相变设计实现在回火过程中发生碳分配，将淬火温度控制在室温，该技术可在大批量生产的条件下得到合格产品，生产中保证了工艺稳定性与组织均匀性；

（2）本发明工艺简单，最终获得含有位错型马氏体和残余奥氏体的双相复合组织，所制备钢的韧性得到了较大提高且保持了较高的强度：其高强度来源于马氏体和复合组织的细晶强化与位错强化，良好的塑性来源于组织中存在适量的残余奥氏体和初始淬火马氏体组织的软化；

（3）低合金化成本低廉，尤其适于大规模生产，工业应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明实施例1所获得的高强韧性钢的显微组织照片。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1

本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.40%，Si：0.90%，Mn：1.80%，Cr：2.3%，Al：2.0%，S：0.0015%，P：0.0066%，其余为Fe。

热处理步骤为：

（1）将钢以15℃/s的速度加热到奥氏体化温度900℃并保温5min，使工件充分奥氏体化；

（2）然后将工件淬火到室温20℃，以获得部分的过饱和马氏体和未发生马氏体相变的奥氏体；

（3）然后在300℃进行火，并等温5min进行碳分配，使碳由马氏体向残余奥氏体分配，使残余奥氏体富碳且能够稳定至室温；

（4）最后将工件淬火到室温，在室温获得稳定马氏体和残余奥氏体的复相钢。

根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第 1部分：室温试验方法》检验所得复相钢产品，拉伸实验在Zwick T1-FR020TN A50标准拉伸实验机上进行。经测试，钢的抗拉强度Rm为1436MPa，屈服强度Rp_0.2为753MPa，总延伸率为11.9%。

根据本实施例得到的产品测得的显微组织照片见图1。

实施例2

本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.49%，Si：1.90%，Mn：0.80%，Cr：3.0%，Al：4.9%，S：0.0016%，P：0.0075%，其余为Fe。

热处理步骤为：

（1）将钢以15℃/s的速度加热到奥氏体化温度850℃并保温5min，使工件充分奥氏体化；

（3）然后在350℃进行回火，并等温10min进行碳分配，使碳由马氏体向残余奥氏体分配，使残余奥氏体富碳且能够稳定至室温；

经测试，钢的抗拉强度Rm为1423MPa，屈服强度Rp_0.2为802MPa，总延伸率为13.5%。

实施例3

本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.65%，Si：1.20%，Mn：2. 0%，Cr：4.0%，Al：3.0%，S：0.0015%，P：0.0066%，其余为Fe。

热处理步骤为：

（2）然后将工件淬火到-20℃，以获得部分的过饱和马氏体和未发生马氏体相变的奥氏体；

（3）然后在300℃进行回火，并等温30min进行碳分配，使碳由马氏体向残余奥氏体分配，使残余奥氏体富碳且能够稳定至室温；

经测试，钢的抗拉强度Rm为1522MPa，屈服强度Rp_0.2为931MPa，总延伸率为12.4%。

实施例4

本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.68%，Si：0.90%，Mn：1.80%，Cr：1.3%，Al：4.0%，S：0.0012%，P：0.0069%，其余为Fe。

热处理步骤为：

（3）然后在600℃进行回火，并等温5min进行碳分配，使碳由马氏体向残余奥氏体分配，使残余奥氏体富碳且能够稳定至室温；

经测试，钢的抗拉强度Rm为1535MPa，屈服强度Rp_0.2为993MPa，总延伸率为13.9%。

实施例5

本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.88%，Si：0.92%，Mn：2.2%，Cr：2.3%，Al：4.3%，S：0.0011%，P：0.0075%，其余为Fe。

热处理步骤为：

（1）将钢以15℃/s的速度加热到奥氏体化温度950℃并保温5min，使工件充分奥氏体化；

（2）然后将工件淬火到50℃，以获得部分的过饱和马氏体和未发生马氏体相变的奥氏体；

（3）然后在300℃进行回火，并等温25min进行碳分配，使碳由马氏体向残余奥氏体分配，使残余奥氏体富碳且能够稳定至室温；

经测试，钢的抗拉强度Rm为1936MPa，屈服强度Rp_0.2为1553MPa，总延伸率为10.9%。

实施例6

本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.90%，Si：1.59%，Mn：2.0%，Cr：2.8%，Al：5.0%，S：0.0016%，P：0.0075%，其余为Fe。

热处理步骤为：

（2）然后将工件淬火到20℃，以获得部分的过饱和马氏体和未发生马氏体相变的奥氏体；

（3）然后在450℃进行回火，并等温60min进行碳分配，使碳由马氏体向残余奥氏体分配，使残余奥氏体富碳且能够稳定至室温；

经测试，钢的抗拉强度Rm为1894MPa，屈服强度Rp_0.2为1435MPa，总延伸率为11.2%。

上面对本发明的实施例作详细说明，是在以本发明技术方案为前提下进行实施。本发明的上述实施例还可以做出各种变化，即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。

Claims

1.一种低合金超高强韧性复相钢，其特征在于：包括下列重量百分比的原料：

C：0.40-0.90%，

Si：0.5-2.0%，

Mn：0.5-3.0%，

Cr：0.5-4.0%，

Al：2.0-5.0%，

S：≤0.01%，

P：≤0.01%，

其余为Fe；

经奥氏体化、初次淬火、回火碳分配、二次淬火工艺步骤制成，所述初次淬火工艺中的淬火温度为-20~20℃。

2.根据权利要求1所述的低合金超高强韧性复相钢，其特征在于：包括下列重量百分比的原料：

C：0.45%，

Si：0.90%，

Mn：1.80%，

Cr：2.3%，

Al：3.0%，

S：0.0015%，

P：0.0066%，

其余为Fe。

3.一种权利要求1或2所述的低合金超高强韧性复相钢的热处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

第二步，然后将工件快速淬火到 -20~20℃，以获得部分的过饱和马氏体和未发生马氏体相变的奥氏体；

第三步，再将上述处理后的工件在300~600℃等温5~600min进行碳分配，使碳由马氏体向残余奥氏体分配，此时马氏体中的碳含量下降，奥氏体中的碳含量升高，从而使残余奥氏体富碳且能够稳定至室温；

4.根据权利要求3所述的低合金超高强韧性复相钢的热处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

5.根据权利要求3所述的低合金超高强韧性复相钢的热处理方法，其特征在于：所述钢选取含有高密度位错的细板条马氏体。