CN103540843B

CN103540843B - 一种亚晶界强化的高强度含Ti无间隙原子钢及其制备方法

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Publication number: CN103540843B
Application number: CN201310481981.1A
Authority: CN
Inventors: 申勇峰; 徐天帅; 赵宪明; 左良
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2033-10-16
Also published as: CN103540843A

Abstract

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种亚晶界强化的高强度含Ti无间隙原子钢及其制备方法。其化学成分，按重量百分比为：Mn0.12~0.16%，Ti0.08~0.10%，余量为Fe和不可避免杂质；亚晶界强化的高强度含钛无间隙原子钢的抗拉强度为540~710MPa，屈服强度为510~600MPa；其微观结构为等轴铁素体晶粒，晶粒的直径在20~30μm，几何必要位错界面之间的间距是300~500nm，胞状结构的尺寸400~800nm。其制备方法是将金属Fe、金属Mn及金属Ti熔炼、浇注成铸锭，再进行固溶处理，进行热轧，得到热轧板，进行得到薄钢板，对薄钢板进行退火，得到亚晶界强化的高强度含钛无间隙原子钢产品。本发明的原子钢材料具有很高的强度及较好的塑性变形能力，对迅速发展的汽车工业，机械制造业等技术领域的发展具有重要价值。

Description

一种亚晶界强化的高强度含Ti无间隙原子钢及其制备方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种亚晶界强化的高强度含Ti无间隙原子钢及其制备方法。

背景技术

钢是所有金属中用途最广泛的一种材料，在航空、核能、舰船、石化等工业领域广泛应用，钢材的性能与人们的生活安全密切相关。目前，汽车工业用钢的开发主要致力于提高钢的强度并保持其成形性。研发质量轻、耐冲击的运输工具体系的新设计理念要求开发强度高及能量吸收能力优良、比质量轻的材料。提高强度可以减轻汽车的重量（满足节能环保需求），而提高塑性则可满足复杂车型设计及提高驾乘安全性能的需求。但由于我国钢铁企业对一些汽车用高附加值钢材产品生产能力不足，尤其是用量最大的车用板材长期依赖进口，对于急缺的汽车高档冷轧薄板等产品来说，目前 60％以上依靠进口。为打破进口汽车板长期高价位垄断国内市场的局面，国内以宝钢、武钢为代表的钢铁企业正在加大汽车用无间隙原子（IF）钢板的生产和研发力度。我国具有l 500 mm以上宽带热连轧机和冷连轧机设备条件的宝钢、武钢、鞍钢和本钢都在新建或改造中完成了冶炼高纯净钢所需的配套设备，今后几年这四大钢公司将使中国汽车板生产的硬件条件达到世界先进水平。

减重、节能是现代汽车的主要发展趋势，汽车自重减少1%，能耗可降低0.6～1.0%。而汽车用钢板减薄是汽车减重的主要途径。汽车用深冲板的主要需求是成型性好、耐腐蚀能力强、表面光洁、强度高和厚度小。近年来，汽车用钢板高强度化成为一种趋势。以IF钢为代表的超低碳深冲钢是目前冲压性能最优异的钢板，称为第三代深冲板，汽车制造业是 IF 钢钢板的最大用户之一。IF钢的技术特征主要反映在在优良的成形性能上。即高的塑性应变比，值、高的均匀延伸率、低的屈服强度、低的屈服伸长，以满足用于冲制复杂的汽车覆盖件的需求。同时，为避免在制造和使用中产生凹陷，要求钢板具有较高的抗拉强度和适当的烘烤硬化性与加工硬化能力。

IF钢的研究与使用历史悠久，其起源最早可追溯列1960年，日本的一位薄板研究员在一个偶然的机会成功地开发了这种特殊的具有良好的加工硬化性能的钢种。近年来，IF钢在理论研究和实际应用方面日益得到重视，但在实践中发现，IF钢虽然具有良好的深冲性能，但是其较低的屈服强度及抗拉强度已经无法满足汽车轻量化理念的要求。因为在冲击大、应力高的情况下, IF钢的低强度并不具备汽车抗撞击性能所要求的高能量吸收能力。而且，由于IF钢的屈服强度低，初次使用时易于变形，并且其较低的强度也势必导致较大的比重量，不利于汽车轻量化、低能耗的发展理念。

目前，普通的IF钢屈服强度约为100MPa，抗拉强度270MPa；在微合金化后屈服强度和抗拉强度可以分别提高另为150MPa、320MPa （景财年，王作成，韩福涛，张文平，衣彦宏，铁素体区热轧Ti-IF钢的组织和性能，特殊钢，卷2，23-25（2006）；李贺杰，赵劲松，韩静涛，刘均贤，IF钢(无间隙原子钢)的发展、应用及展望，唐山学院学报，卷21， 3-6（2007））。然而，实践表明，汽车用钢最理想的屈服强度值应该在400~700MPa之间（O. Bouaziz, S. Allain, C.P. Scott, High manganese austenitic twinning induced plasticity steels: A review of the microstructure properties relationships. Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. Vol.15，141-152(2011)）。因此，如何通过适当的成分及加工工艺设计，通过晶界或亚晶界对位错的阻碍钉扎作用，提高IF钢的屈服强度，同时使其具有一定的塑性变形能力，降低初次使用时的变形量而进一步提高IF钢耐冲击性、能量吸收能力而使其成为新一代车体材料，成为材料研究工作者的新课题及研究热点之一。

在工程应用上，为了强化材料采用细化晶粒法，即利用大量晶界限制或钉轧位错运动来提高材料的强度，可由著名的Hall-Petch关系（）来描述。人们已经从各种金属及合金中观察到高强度，大多数金属材料的屈服强度和硬度值随晶粒尺寸的减小表现出增加的趋势，很好地遵从 Hall-Petch 关系。然而，大量科研实践已经证明，当晶粒尺寸减小到纳米尺度时，钢材的屈服强度和硬度值出现了非线性特征，因此需要寻找新的材料强化方法。

普通粗晶体钢（晶粒尺寸约为100 mm）在室温下拉伸的屈服强度（s_y）仅为90 MPa，超细晶微合金钢（Fe-0.8C，晶粒尺寸约为6 mm）在室温下拉伸，其屈服强度 s_y 310 MPa（Bramfitt B.L., Marder A.R., Metallurgical and Petroleum Engineers, 191-198 (1973)）。普通IF钢在微合金化后屈服强度和抗拉强度可以分别提高另为150MPa和320MPa （景财年，王作成，韩福涛，张文平，衣彦宏，铁素体区热轧Ti-IF钢的组织和性能，特殊钢，卷2，23-25（2006）），但是，其较低的强度无法满足汽车工业对抗冲击性能及低的比质量的要求。

德国科学家Rana等人（R. Rana, W. Bleck, S.B. Singh, O.N. Mohanty., Development of high strength interstitial free steel by copper precipitation hardening，Materials Letters, Vol. 61, 2919-2922(2007)）通过真空熔炼-热轧—时效处理方法制备的IF钢，其屈服强度为～456MPa，抗拉强度~566MPa，然而，由于该方法需要添加1.16%的金属元素Cu，必然导致IF钢的成本增加，不利于市场竞争。

土耳其、美国及德国科学家合作（O. Saray, G. Purcek, I. Karaman, T. Neindorf, H.J. Maier, Equal-channel angular sheet extrusion of interstitial-free (IF) steel: Microstructural evolution and mechanical properties，Mater. Sci. Eng. A, Vol.528, 6573-6583(2011)），采用真空熔炼-热轧-等通道挤压技术制备的Ti-IF钢，屈服强度为 459MPa，抗拉强度463MPa，但是加工成本较高，而且，所采用的技术制备得到的样品尺寸只能满足实验室研究使用，无法进行工业推广。

发明内容

针对现有IF钢在综合性能上存在的上述缺陷，本发明提供一种亚晶界强化的高强度含钛无间隙原子钢及其制备方法，通过冷轧及退火过程中形成的几何必要位错界面及易发生位错界面等亚结构来细化晶粒，使材料产生与Hall-Petch效应相似的强化作用，制成具有高强度的Ti-IF钢。

本发明的亚晶界强化的高强度含钛无间隙原子钢的化学成分，按重量百分比为：Mn0.12~0.16%，Ti0.08~0.10%，余量为Fe和不可避免杂质；亚晶界强化的高强度含钛无间隙原子钢的抗拉强度为540~710 MPa，屈服强度为510~600MPa；其微观结构为等轴铁素体晶粒，晶粒的直径在20~30μm，几何必要位错界面之间的间距是300~500nm，胞状结构的尺寸400~800nm。

制备上述亚晶界强化的高强度含钛无间隙原子钢的方法按照以下步骤进行：

（1）按照重量百分比，Mn0.12~0.16%，Ti0.08~0.10%，余量为Fe，将金属Fe、金属Mn及金属Ti置于熔炼炉中，在保护气体条件下进行熔炼，然后浇注成铸锭；

（2）将铸锭加热至1040~1060℃保温1~1.5h进行固溶处理，于840~860℃进行热轧，变形量为63~72%，控制终轧温度为750~770℃，得到厚度为5±0.2mm 的热轧板；

（3）将所得的热轧板空冷至室温，控制轧制速度0.2~0.3m/s进行冷轧，冷轧总压下率为25~75%，得到薄钢板；

（4）对薄钢板进行退火，退火温度选为500~600℃，保温30~60分钟，最后使钢板在空气中冷却至室温，得到亚晶界强化的高强度含钛无间隙原子钢产品。

所述的保护气体选用氩气。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

本发明是通过控制成分、热轧温度、卷取温度、冷轧量、退火温度和退火时间等因素，在适当的加工条件下通过塑性变形及不完全再结晶，形成大量亚微米尺度的几何必要位错界面及偶发位错界面亚结构，这些亚结构将晶粒内部细分为几百个纳米的胞状结构，使金属得到强化；

这是利用金属在变形过程中因为大量塑性变形而产生的高密度位错，在适当条件下（不完全再结晶）使位错重排而形成大量的几何必要位错界，从而是材料中的界面增加的特点，使材料在塑性变形的同时因为大量晶界对位错的阻碍作用而使其强度增加，与通过晶粒细化导致材料强化具有相同的效果，从而使材料同时具有高强度及一定的塑性变形能力。

本发明的得到的高强度含钛IF钢产品的晶粒内部存在的亚结构，包括几何必要位错界面和偶发位错界面。其中，取向相同的几何必要位错界面互相平行；偶发位错界面去向随机，可以穿过几何必要位错界面。两种亚结构将晶粒内部细分为尺度为亚微米的胞状结构（几百个纳米）。具有很高的室温拉伸强度，远高于用传统方法制备的相当晶粒尺寸的IF钢样品的屈服强度；产品应用性极强，在再加工过程中产生大量亚微米量级的位错胞状亚结构，此类结构对位错运动有一定的阻碍作用，同时具有较强的吸收位错大能力，使得材料具有很高的强度及较好的塑性变形能力，对迅速发展的汽车工业，机械制造业等技术领域的发展具有重要价值；

本发明的制备方法简单，有利于工业化生产，只需改进工艺条件，控制适当的热处理及冷却参数即可获得。

附图说明

图1 为本发明实施例1制备的具有高强度含钛无间隙原子钢钢板的微观组织形貌图；

图2 为本发明实施例3制备的具有高强度含钛无间隙原子钢钢板的微观组织形貌图；

图3为本发明具有高强度含钛无间隙原子钢的强化原理示意图；

其中的粗线表示通过轧制形成的几何必要位错界面，细线表示通过轧制及退火新形成的易发生位错界面；

图4为本发明具有高强度含钛无间隙原子钢钢板在室温条件下，单向拉伸的真应力-真应变曲线图；

其中1为实施例1的产品数据，2 为实施例2的产品数据，3 为实施例3的产品数据。

具体实施方式

本发明实施例中采用的热轧设备为Φ450 双辊单向异步轧机。

本发明实施例中采用的冷轧设备为Φ160×180双辊轧机。

本发明实施例中冷轧后采用的保温设备为SX2-12-10型箱式电阻炉。

本发明实施例中采用的熔炼设备为真空感应炉。

本发明实施例中采用的金属Fe、金属Mn、金属Ti的重量纯度均≥99.9%。

本发明实施例中将冶炼的物料置于真空度≤100Pa，再通入氩气至常压进行保护。

实施例1

本实施例的亚晶界强化的高强度含钛无间隙原子钢的化学成分，按重量百分比为：Mn 0.14%，Ti 0.10%，余量为Fe和不可避免杂质。

（1）按照重量百分比，Mn0.14%，Ti0.10%，余量为Fe，将金属Fe、金属Mn及金属Ti置于熔炼炉中，在保护气体条件下进行熔炼，然后浇注成铸锭；

铸锭中各杂质成分按重量百分比为Ni0.01%，Cu0.04%，Si0.176%，Al0.002%， Nb0.019%，V0.075%，Co0.019%，P0.018%，B0.004%，W0.028%，N0.002%，S0.007%；

（2）将铸锭加热至1040℃保温1h进行固溶处理，于840℃进行热轧，变形量为63%，控制终轧温度为750℃，得到厚度为5.2mm 的热轧板；

（3）将所得的热轧板空冷至室温，控制轧制速度0.2m/s进行冷轧，冷轧总压下率为75%，得到薄钢板；

（4）对薄钢板进行退火，退火温度选为500℃，保温60分钟，最后使钢板在空气中冷却至室温，得到亚晶界强化的高强度含钛无间隙原子钢产品，钢板厚度为1.25mm，其抗拉强度700 MPa，屈服强度600MPa，拉伸延展性13%；其微观结构为铁素体晶粒，晶粒的直径在20~30μm，相互平行的几何必要位错界面之间的间距为300nm，胞状结构的尺寸~400nm，微观组织形貌如图1所示，微观组织特征示意图如图3所示，单向拉伸的真应力-真应变曲线如图4所示（曲线1），从曲线中可以看出其应力变化完全满足工业汽车用钢要求。

普通粗晶体微合金钢（晶粒尺寸约为100 mm）在室温下拉伸，其屈服强度在90 MPa；超细晶微合金钢（晶粒尺寸约为6 mm）在室温下拉伸，其屈服强度310 MPa，抗拉强度为630MPa；具有高强度Ti-IF（含钛原子钢）钢板材料比超细晶微合金钢晶粒尺寸大3~5倍，但屈服强度及抗拉强度值皆显著提高；具有高强度Ti-IF钢板材料与普通粗晶钢相比，屈服强度和抗拉强度都提高了近7倍。

实施例2

本实施例的亚晶界强化的高强度含钛无间隙原子钢的化学成分，按重量百分比为：Mn 0.16%，Ti 0.09%，余量为Fe和不可避免杂质。

（1）按照重量百分比，Mn0.16%，Ti0.09%，余量为Fe，将金属Fe、金属Mn及金属Ti置于熔炼炉中，在保护气体条件下进行熔炼，然后浇注成铸锭；

铸锭中杂质成分按重量百分比为Ni0.02%，Cu0.03%，Si0.176%，Al0.003%， Nb0.021%，V0.079%，Co0.014%，P0.015%，B0.003%，W0.026%，N0.003%，S0.006%；

（2）将铸锭加热至1050℃保温1.2h进行固溶处理，于850℃进行热轧，变形量为70%，控制终轧温度为760℃，得到厚度为5mm 的热轧板；

（3）将所得的热轧板空冷至室温，控制轧制速度0.3m/s进行冷轧，冷轧总压下率为50%，得到薄钢板；

（4）对薄钢板进行退火，退火温度选为550℃，保温45分钟，最后使钢板在空气中冷却至室温，得到亚晶界强化的高强度含钛无间隙原子钢产品，其抗拉强度640 MPa，屈服强度540MPa，拉伸延展性11%；其微观结构为铁素体晶粒，晶粒的直径在20~30μm，相互平行的几何必要位错界面之间的间距为350nm，胞状结构的尺寸~500nm，微其单向拉伸的真应力-真应变曲线如图4所示（曲线2），从曲线中可以看出其应力变化完全满足工业汽车用钢要求。

采用真空熔炼-热轧-等通道挤压技术制备的Ti-IF钢，屈服强度为 459MPa，抗拉强度463MPa，但是加工成本较高，而且，所采用的技术制备得到的样品尺寸只能满足实验室研究使用，无法进行工业推广，其综合性能与具有高强度Ti-IF钢板材料相比有显著差距。

实施例3

本实施例的亚晶界强化的高强度含钛无间隙原子钢的化学成分，按重量百分比为：Mn 0.12%，Ti 0.08%，余量为Fe和不可避免杂质。

（1）按照重量百分比，Mn0.12%，Ti0.08%，余量为Fe，将金属Fe、金属Mn及金属Ti置于熔炼炉中，在保护气体条件下进行熔炼，然后浇注成铸锭；

铸锭中杂质成分按重量百分比为Ni0.03%，Cu0.03%，Si0.16%，Al0.004%， Nb0.027%，V0.065%，Co0.013%，P0.018%，B0.008%，W0.029%，N0.002%，S0.007%；

（2）将铸锭加热至1060℃保温1.5h进行固溶处理，于860℃进行热轧，变形量为72%，控制终轧温度为770℃，得到厚度为4.8mm 的热轧板；

（3）将所得的热轧板空冷至室温，控制轧制速度0.25m/s进行冷轧，冷轧总压下率为25%，得到薄钢板；

（4）对薄钢板进行退火，退火温度选为600℃，保温30分钟，最后使钢板在空气中冷却至室温，得到亚晶界强化的高强度含钛无间隙原子钢产品，其抗拉强度540 MPa，屈服强度510MPa，拉伸延展性7.5%；其微观结构为铁素体晶粒，晶粒的直径在20~30μm，相互平行的几何必要位错界面之间的间距为500nm，胞状结构的尺寸~800nm，其微观组织形貌如图2所示，微观组织特征示意图如图3所示，单向拉伸的真应力-真应变曲线如图4所示（曲线3），从曲线中可以看出其应力变化完全满足工业汽车用钢要求。

普通IF钢在微合金化后屈服强度和抗拉强度分别提高另为150MPa和320MPa，显然，在对强度、耐磨性能要求较高的领域，具有亚结构细化晶粒作用的高强度Ti-IF钢板材料仍然具有独特的优势。

Claims

1.一种亚晶界强化的高强度含钛无间隙原子钢的制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：

（4）对薄钢板进行退火，退火温度选为500~600℃，保温30~60分钟，最后使钢板在空气中冷却至室温，得到亚晶界强化的高强度含钛无间隙原子钢产品；其化学成分，按重量百分比为：Mn0.12~0.16%，Ti0.08~0.10%，余量为Fe和不可避免杂质；亚晶界强化的高强度含钛无间隙原子钢的抗拉强度为540~710 MPa，屈服强度为510~600MPa；其微观结构为等轴铁素体晶粒，晶粒的直径在20~30μm，几何必要位错界面之间的间距是300~500nm，胞状结构的尺寸400~800nm。

2.根据权利要求1所述的亚晶界强化的高强度含钛无间隙原子钢的制备方法，其特征在于所述的保护气体选用氩气。