CN103160680A - 一种制备30GPa%级复相钢的Q&PB热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种制备30GPa·%级超高强度复相钢的Q&PB热处理工艺，属于金属热处理领域。该方法以低碳硅锰系成分钢的冷硬板为原材料，Q&PB热处理方法包括以下几个步骤：首先将钢板加热到高于A_c3温度并保温2min，然后淬火到T₁温度，该温度位于M_s和M_f之间；接着将试样放入T₂温度保温30～600s，T₂温度高于M_s温度；最后淬火到室温。实验证明，本发明方法制备的低碳硅锰系钢具有很高的强度和伸长率，强塑积达到30GPa·%以上。

Description

一种制备30GPa%级复相钢的Q PB热处理工艺

本发明属于金属材料热处理领域，是一种经济型30GPa·%级超高强度复相钢的热处理工艺。 

背景技术

随着人们对汽车安全和环保意识的增强，开发“环境友好型汽车”是汽车工业的发展趋势。要想同时实现安全性能的提高和节能减排，需要增加超高强度汽车用钢在车身上的应用比例。研究表明通过采用超高强度汽车用钢使车身重量每减轻10%，可节省3%～7%的燃油。第一代汽车用高强钢主要是DP钢、TRIP钢、马氏体钢等，组织以铁素体和马氏体为主，强度可达1000MPa，但伸长率一般不高于20%，强塑积在20GPa%以下；以奥氏体钢和TWIP钢为代表的第二代汽车用钢具有50～90%的超高伸长率和1000MPa左右的抗拉强度，强塑积在60GPa%左右，组织以奥氏体为主，但是第二代汽车用钢中添加了大量的Cr、Ni、Mn等元素，高的生产成本限制了第二代汽车用钢的广泛应用；因此具有马氏体和奥氏体双相组织，并且强塑积在30～40GPa%范围的经济型第三代汽车用钢的开发具有重要实际意义。 

在2003年Speer等人提出了可得到奥氏体和马氏体双相组织的Q&P热处理工艺，将奥氏体组织淬火到Ms和Mf之间的温度得到马氏体和残余奥氏体的组织，并在不高于Ms的温度配分使碳元素从马氏体扩散到奥氏体，增加奥氏体稳定性，从而在室温条件下得到马氏体和奥氏体的双相组织。 

发明内容

本发明的目的是以低碳硅锰系成分为基础，通过提出一种新型的热处理工艺——Q&PB（Quenching and Partitioning in Bainite zone,淬火及贝氏体区配分）热处理工艺得到强塑积在30GPa·%以上的第三代汽车用钢。 

30G Pa·%超高强度复相汽车用钢中各元素的质量百分比为：C：0.15～0.3%，Si：1.5～2.0%，Mn：1.5～2.5%，另外可添加少量的不高于0.3wt%的Mo及不高于0.08wt.%的Nb元素，其余为Fe和不可避免的杂质。 

将上述成分的铸坯锻造成厚度为50mm的坯料进行热轧，首先将坯料加热到1200℃保温1～2h后进行两阶段轧制，开轧温度和终轧温度分别为1150℃和870℃，热轧板厚度为4mm，热轧完成后水冷到600～630℃放入箱式加热炉随炉冷却模拟卷取过程，保温30min后随炉冷却至室温。 

热轧板经过酸洗去除表面氧化铁皮，在充足润滑条件下冷轧至1.8～1.9mm厚，在得到的冷硬板上制备板状试样，进行Q&PB热处理。 

该生产方法的具体步骤如下：（1）将冷硬板样品加热到850℃并保温1～2min，得到完全奥氏体化组织；（2）将温度均匀的高温试样淬火到270℃并在该温度保温5s，使部分奥氏体发生马氏体相变，得到富碳的马氏体和贫碳的残余奥氏体组织；（3）然后将试样快速升温到高于Ms温度的400℃并保温60～600s，使碳元素从富碳马氏体扩散到残余奥氏体中，完成奥氏体的富碳过程，同时在奥氏体中不可避免的出现少量的贝氏体铁素体，贝氏体铁素体的出现会使该位置的碳元素扩散到周围的奥氏体中，增加奥氏体的富碳来源；（4）最后将试样淬火到室温，得到马氏体基体、残余奥氏体和少量贝氏体的三相组织。 

本发明设计的热处理工艺的特征在于：采用高于理论计算得到的淬火温度，根据淬火温度与马氏体量的关系V_m=1-exp[-0.011(M_s-T_q)],其中Vm是马氏体量，M_s、T_q分别是马氏体开始转变温度和淬火温度；淬火后得到的残余奥氏体量V_γ=1-V_m=exp[-0.011(M_s-T_q)]；发明中采用高于理论计算淬火温度可以得到较多的奥氏体量，通常认为该情况下没有足够的碳元素使所有奥氏体稳定到室温，在配分温度选取高于M_s的400℃时，通过贝氏体相变增加了碳元素的来源，可以弥补初始马氏体较少造成的碳元素不足。 

本发明在低碳硅锰系成分的基础上，通过采用Q&PB热处理工艺，得到了马氏体、奥氏体和少量贝氏体的三相组织，马氏体和贝氏体提供强度，残余奥氏体则在变形过程中发生相变诱导塑性效应提高钢种的伸长率。 

本发明得到残余奥氏体体积分数约分别为7.8%和8.9%，相同成分钢种采用传统Q&P工艺得到的残余奥氏体体积分数约为5.0～6.0%，Q&PB工艺有利于得到更多的残余奥氏体。 

两种不同成分实验钢通过本发明的Q&PB热处理工艺得到的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为：350～500MPa、1045～1265MPa和21～35%，强塑积为25.6～36.7GPa%。 

附图说明

图1为本发明实施例的力学性能曲线； 

          图2为实施例的SEM组织照片；

          图3为实施例1保温60s得到的残余奥氏体形貌和分布；

          图4为实施例2保温600s得到的残余奥氏体形貌和分布。                  

具体实施方式

实施例1： 

冷硬板各成分的质量分数：C：0.23%，Si：1.53%，Mn：2.07%，P：0.010%，Al：0.03%，S：0.004%，其余是Fe和不可避免的杂质，根据经验公式得到其马氏体开始转变温度和最佳淬火温度分别为368℃和230℃。Q&PB热处理工艺为：将试样加热到850℃保温1～2min，淬火到270℃保温5s，根据淬火温度与马氏体量的关系V_m=1-exp[-0.011(M_s-T_q)]计算得到该淬火温度得到的马氏体含量为66%，奥氏体含量为34%。然后升温到400℃保温60s和120s，最终淬火到室温，得到的室温组织中包括马氏体、残余奥氏体和贝氏体，如图1所示。力学性能检测结果为配分60s试样的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为：447MPa、1265MPa和25%，强塑积为31.6GPa%；配分120s试样的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为：498MPa、1219MPa和21%，强塑积为25.6GPa%。采用EBSD测得配分60s得到试样中残余奥氏体含量为7.8%。

实施例2： 

冷硬板各成分的质量分数：C：0.26%，Si：1.61%，Mn：2.1%，P：0.013%，Al：0.03%，S：0.006%，Mo：0.21%，Nb：0.059%，其余是Fe和不可避免的杂质，根据经验公式得到其马氏体开始转变温度和最佳淬火温度分别为354℃和234℃。Q&PB热处理工艺为：将试样加热到850℃保温1～2min，淬火到270℃保温5s，根据淬火温度与马氏体量的关系V_m=1-exp[-0.011(M_s-T_q)]计算得到该淬火温度得到的马氏体含量为60.3%，奥氏体含量为39.7%。然后升温到400℃保温420s和600s，最终淬火到室温，得到的室温组织中包括马氏体、残余奥氏体和贝氏体，如图1所示。力学性能检测结果为配分420s试样的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为：362MPa、1092MPa和31%，强塑积为33.9GPa%；配分600s试样的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为：347MPa、1047MPa和35%，强塑积为36.6GPa%。采用EBSD测得配分600s得到试样中残余奥氏体含量为8.9%。

Claims (4)

1.一种制备30GPa·%级复相钢的Q&PB热处理工艺，其特征是钢成分为低碳硅锰系，锰的质量百分比低于2.5%，热处理工艺包括以下几个步骤：

1)将经热轧、冷轧后的冷硬板加热到奥氏体区，使之完全奥氏体化，然后水淬到250～300℃，该温度位于马氏体开始转变温度和转变结束温度之间，保温1～15s得到马氏体和残余奥氏体的双相组织；

2)将双相组织的试样快速升温某一温度进行配分，该温度高于马氏体的开始转变温度，低于450℃，在该温度保温30～600s，使碳元素从马氏体扩散到残余奥氏体中，同时发生少量的残余奥氏体向贝氏体的相变；

3)完成配分扩散的试样水淬到室温，得到马氏体基体、残余奥氏体和微量贝氏体的三相组织；

所述方法的各元素成分质量百分比特征为：C：0.15～0.3%，Si：1.5～2.0%，Mn：1.5～2.5%，另外可添加少量的不高于0.3wt%的Mo及不高于0.08wt.%的Nb元素，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：热处理的奥氏体化温度830～860℃，该温度通过热膨胀实验和Thermo-Calc热力学软件计算得出，并且在现有连续退火生产线可以实现，配分温度高于热膨胀实验和经验公式Ms=539-423w（C）-30.4w（Mn）-7.5w（Si）+30w（Al）得到的Ms温度，低于450℃，其中w（X）为X元素的质量分数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：Q&PB工艺的配分时间高于残余奥氏体发生贝氏体相变的孕育时间，发生贝氏体相变所需的孕育时间根据钢种的连续冷却相变曲线可得到。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的热轧、冷轧步骤如下：

将上述成分的铸坯锻造成厚度为50mm的坯料进行热轧，首先将坯料加热到1200℃保温1～2h后进行两阶段轧制，开轧温度和终轧温度分别为1150℃和870℃，热轧板厚度为4mm，热轧完成后水冷到600～630℃放入箱式加热炉随炉冷却模拟卷取过程，保温30min后随炉冷却至室温；

热轧板经过酸洗去除表面氧化铁皮，在充足润滑条件下冷轧至1.8～1.9mm厚，在得到的冷硬板上制备板状试样，进行Q&PB热处理。

Images