CN104328336A

CN104328336A - 一种亚微米奥氏体强韧化的高强韧薄钢板及其制备方法

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Publication number: CN104328336A
Application number: CN201410617451.XA
Authority: CN
Inventors: 申勇峰; 邱丽娜; 刘沿东; 左良; 孟庆格; 李俊
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd; Northeastern University China
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd; Northeastern University China
Priority date: 2014-11-06
Filing date: 2014-11-06
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2034-11-06
Also published as: JP6038231B2; CN104328336B; JP2016089267A

Abstract

一种亚微米奥氏体强韧化的高强韧薄钢板及其制备方法，属于冶金材料技术领域，亚微米奥氏体强韧化的高强韧薄钢板含C0.19±0.02%，Mn1.5±0.2%，Al1.5±0.1%，Si0.3±0.02%，余量为Fe，抗拉强度为800~1100MPa，屈服强度为450~520MPa，拉伸率为42~53%。制备方法为：（1）冶炼并浇注成铸锭；（2）加热至1150±10℃保温1~3h，然后进行热轧，热轧后冷却至750±10℃，保温0.5~1h，再水冷至常温，获得热轧钢板；（3）进行冷轧，变形量为40~55%，获得的冷轧钢板；（4）以80~120℃/s的速率加热至750~850℃，保温120~180s，然后以80~100℃/s的速率超快速冷却至420±10℃，保温4~6min。本发明制备的薄钢板具有非常高的强度和塑性；只需对现有的工艺条件进行简单改进，控制热处理及冷却等参数即可制成。

Description

一种亚微米奥氏体强韧化的高强韧薄钢板及其制备方法

技术领域

本发明属于冶金材料技术领域，特别涉及一种亚微米奥氏体强韧化的高强韧薄钢板及其制备方法。

背景技术

钢材是一种在航空、核能、舰船、石化等领域用途最广泛的材料；高强度高韧性是钢铁材料的主要发展方向；目前所遇到的主要问题是如何在提高其强度的同时能保持良好的韧性；同时，随着我国环境问题、特别是雾霾威胁日趋加剧，严重影响人们的健康和正常生活；降低能耗、减少污染成为亟需解决的重要问题，通过提高钢铁材料的强度保证车辆撞击安全性能并同时促进汽车轻量化，是降低碳排放的有效措施。

目前汽车制造业用钢中，双相钢的冷加工性能好，有利于降低生产成本，但是抗拉强度最高仅为1000MPa，尚不能完全满足汽车制造业对高强度的需求；而且其塑性仅为TRIP（Transformation induced plasticity-相变诱发塑性）钢的一半，导致其能量吸收能力远低于TRIP钢；马氏体钢的抗拉强度为1200MPa，但是表现为负的应变速率敏感性，而且有限的塑性也限制了其应用；TRIP钢在加工及变形过程中不断出现的由奥氏体转变为马氏体的相变过程，使得合金的强度及塑性同时大幅度提高；大量研究结果表明：TRIP钢具有优异的强塑性以及高能量吸收能力，是汽车轻量化及抗冲击结构材料的理想选择及发展趋势，成为当前汽车用钢研究的一大热点。

目前，我国的汽车用钢技术仍不能完全满足汽车工业发展的需求；汽车用钢主要致力于研究提高钢的强度并保持其成形性，研制质量轻、耐冲击的运输工具体系的新设计理念，要求开发强度高、塑性好及能量吸收能力强，比质量轻的材料，提高强度和塑性能够减轻运输工具的重量，满足复杂车型设计，提高驾乘安全性能的要求。

在工程应用上，为了强化材料采用细化晶粒法，利用大量存在的晶界在限制或钉轧位错运动来提高材料的强度，其原理可由Hall-Petch关系（）来描述，通过测量韦氏硬度估计材料的压缩流变应力（σ_y＝HV/3）；Hall-Petch关系表明材料的韦氏硬度与晶粒尺寸平方根成反比，即 HV = HV₀ + k _H d ^-0.5；晶粒细化到纳米尺度，单位体积中总的晶界面积达到 10^6-–8m²时，通常能够获得较高的强度，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；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（晶粒尺寸约为6 mm）在室温下拉伸，其屈服强度 s _y ~310 MPa。

鞍钢所制备的新型TRIP590（Fe-1.4Mn-0.3Si-0.03Al-0.07C）钢已经在上海汇众及一汽轿车公司得到应用，其晶粒尺寸约为20μm，在室温拉伸时，其屈服强度为450 MPa，抗拉强度为860 MPa（鞍钢新型TRIP590和TRIP780的研制，第七届中国钢铁年会论文集，卷4，137-140（2009））；虽然该方法所制备的材料具有较高的屈服强度及抗拉强度，但是其拉伸率较低，仅为27%。贾书君等人所制备的Fe-1.45Mn-1.22Si-0.03Al-0.12Ni-0.12C TRIP590钢，平均晶粒尺寸约为5.7μm，其屈服强度为430 MPa，抗拉强度约600 MPa，拉伸率23%（两相区退火温度对TRIP590 钢组织和性能的影响，材料热处理学报，卷 34，110-114（2013））；其屈服强度与本发明相近，但抗拉强度及塑性较低，对高强度及高韧性要求较高的应用领域还不能满足要求，而且其较高的Si含量，容易造成工业生产过程中的表面缺陷，使后续镀锌工序出现困难。韩国Huh等人所制备的TRIP590钢（J.Y. Huh, H. Huh, C. S. Lee, Effect of strain rate on plastic anisotropy of advanced high strength steel sheets，J Int. Plast., Vol. 44, 23-46(2013)），抗拉强度可达到850 MPa，但是塑性比较低，拉伸率仅为20%。

发明内容

针对现有TRIP钢材料的综合性能存在的上述不足，本发明提供一种亚微米奥氏体强韧化的高强韧薄钢板及其制备方法，通过快速加热以及控制贝氏体等温转变温度和保温时间，获得细小奥氏体板条和稳定的残余奥氏体组织，防止渗碳体析出，强化金属材料的同时提高韧性。

本发明的亚微米奥氏体强韧化的高强韧薄钢板的成分按重量百分比含C 0.19±0.02%，Mn 1.5±0.2%，Al 1.5±0.1%，Si 0.3±0.02%，余量为Fe和不可避免杂质，厚度为1.5~2.0mm，抗拉强度为800~1100MPa，屈服强度为450~520MPa，拉伸率为42~53%。

上述的亚微米奥氏体强韧化的高强韧薄钢板的微观结构由等轴的晶粒组成，晶粒的粒径在5~20 μm，晶粒中的条形奥氏体占晶粒总面积的15~30%，条形奥氏体的宽度为120~300nm。

本发明的亚微米奥氏体强韧化的高强韧薄钢板的制备方法按以下步骤进行：

1、在保护气体条件下冶炼并浇注成铸锭，其成分按重量百分比含C 0.19±0.02%，Mn 1.5±0.2%，Al 1.5±0.1%，Si 0.3±0.02%，余量为Fe和不可避免杂质；

2、将铸锭加热至1150±10℃保温1~3h，然后进行热轧，开轧温度为1050~1150℃，终轧温度为900~950℃，总压下量为60~75%；热轧完成后以30~60℃/s的速度冷却至750±10℃，保温0.5~1h，再水冷至常温，获得热轧钢板；

3、将热轧钢板进行冷轧，冷轧变形量为40~55%，获得的冷轧钢板厚度为1.5~2.0mm；

4、将冷轧钢板以80~120℃/s的速率加热至750~850℃，保温120~180s，然后以80~100℃/s的速率超快速冷却至420±10℃，保温4~6min，得到亚微米奥氏体强韧化的高强韧薄钢板。

上述方法中，在保护气体条件下冶炼选用的原料为金属铁、金属锰、金属铝和金属硅。

上述方法中冷轧钢板的加热采用的快速加热和保温的设备为电极式盐浴炉；其中加热至750~850℃保温时采用的加热介质为NaCl，降温到420℃保温时采用的加热介质为KNO₃和NaNO₂，KNO₃和NaNO₂的质量比为55:45。

上述的在保护气体条件下冶炼是指将冶炼设备抽真空至真空度≤100Pa，然后通入惰性气体至常压，然后进行冶炼。

本发明的原理是：快速加热条件下，使冷轧钢板获得亚微米尺度的细小奥氏体板条；合理控制冷轧钢板的贝氏体等温转变温度和保温时间，以获得稳定的残余奥氏体组织并防止渗碳体在等温转变过程中析出，使冷轧钢板中形成的奥氏体组织可保留至室温；组织中的Si推迟碳化物的形成，使奥氏体中碳含量增加，易保留至室温，固溶于奥氏体中能够提高钢的强度和硬度；C、Mn、Al 能够抑制奥氏体向马氏体的转变，起到稳定奥氏体的作用；所得到的亚微米尺度的条形奥氏体，在变形过程中逐步转变为马氏体，对位错运动具有方向选择性阻碍作用，使金属得到强化的同时提高了韧性。

本发明具有如下优点：

1．通过熔炼、连续轧制并结合快速冷却技术，设定合理的工艺过程和工艺参数制备出具有亚微米奥氏体板条结构的钢材料，具有非常高的强度和塑性，显著高于用传统方法制备的相似化学成分、晶粒尺寸的钢样品；

2．由于亚微米奥氏体强韧化的高强韧薄钢板具亚微米级的条形奥氏体结构，该组织在变形过程中对位错的阻碍作用具有方向选择性，该组织逐步转变为马氏体，通过相变诱发强塑性，使得该材料具有非常高的抗拉强度、良好的塑性及优越的耐磨性能，这种高强韧的薄钢板对新一代轻量化汽车、造船等新技术领域的发展具有重要价值；

3．只需对现有的工艺条件进行简单改进，控制热处理及冷却等参数即可获得这种高强韧薄钢板。

附图说明

图1为本发明实施例1中的亚微米奥氏体强韧化的高强韧薄钢板透射电子显微照片图；

图2为本发明实施例1中的亚微米奥氏体强韧化的高强韧薄钢板在拉伸变形后的透射电子显微照片图；

图中A为奥氏体，B为马氏体，C为铁素体；

图3为本发明实施例中的亚微米奥氏体强韧化的高强韧薄钢板的真应力-真应变曲线图，图中1为实施例1中的产品，2为实施例2中的产品，3为实施例3中的产品。

具体实施方式

本发明实施例中选用的金属铁按重量百分比含C 0.002~0.008%，Mn 0.1~0.2%，Al 0.05~0.08%，Si 0.03~0.06%，余量为Fe和不可避免杂质。

本发明实施例中选用的金属锰按重量百分比含C 0.07~0.09%，Fe 1.1~2.2%，Si 0.03~0.04%，余量为Mn和不可避免杂质。

本发明实施例中选用的金属铝按重量百分比含Fe 0.1~0.2%，Si 0.02~0.05%，Mn 0.001~0.002%，余量为Al和不可避免杂质。

本发明实施例中选用的金属硅按重量百分比含Fe 0.1~0.3%，Al 0.1~0.3%，余量为Si和不可避免杂质。

本发明实施例中的超快速冷却采用的装置为东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室开发的超快速冷却装置。

本发明实施例中在保护气体条件下冶炼是指将冶炼设备抽真空至真空度≤100Pa，然后通入惰性气体至常压，然后进行冶炼；惰性气体选用氮气或氩气。

本发明实施例中冶炼采用的设备为真空感应炉。

本发明实施例中采用的冷轧设备为Φ450型双辊单向异步轧机。

本发明实施例中冷轧钢板的加热采用的快速加热和保温的设备为电极式盐浴炉；其中加热至750~850℃保温时采用的加热介为NaCl，降温到420℃保温时采用的加热介质为KNO₃和NaNO₂，KNO₃和NaNO₂的质量比为55:45。

本发明实施例中测试薄钢板性能采用的设备为为AG-Xplus100kN型电子万能试验机。

实施例1

选用金属铁、金属锰、金属铝和金属硅作为原料，在保护气体条件下冶炼并浇注成铸锭，其成分按重量百分比含C 0.21%，Mn 1.7%，Al 1.4%，Si 0.3%，余量为Fe和不可避免杂质；

将铸锭加热至1150±10℃保温2h，然后进行4道次热轧，开轧温度为1050℃，终轧温度为900℃，总压下量为75%；热轧完成后以50℃/s的速度冷却至750±10℃，保温0.5h，再水冷至常温，获得热轧钢板；

将热轧钢板在常温下进行冷轧，冷轧变形量为55%，获得的冷轧钢板厚度为1.2mm；

将冷轧钢板以120℃/s的速率加热至820℃，保温120s，然后以90℃/s的速率超快速冷却至420±10℃，保温5min，得到亚微米奥氏体强韧化的高强韧薄钢板，厚度1.2mm，抗拉强度为1100MPa，屈服强度为520MPa，拉伸率为53%；其微观结构由等轴的晶粒组成，晶粒的粒径在5~15 μm，晶粒中的条形奥氏体占晶粒总面积的30%，条形奥氏体的平均宽度为120nm，长度2~3μm；其微观结构的透射电子显微照片如图1所示，在拉伸变形后的透射电子显微照片如图2所示，真应力-真应变曲线如图3所示；

该高强韧薄钢板的屈服强度是普通粗晶体微合金钢（晶粒尺寸约100μm）的6倍，比超细微合金钢（晶粒尺寸约6μm）的屈服强度高~200MPa；拉伸率比新型TRIP590钢拉伸率高26%。

实施例2

选用金属铁、金属锰、金属铝和金属硅作为原料，在保护气体条件下冶炼并浇注成铸锭，其成分按重量百分比含C 0.19%，Mn 1.6%，Al 1.5%，Si 0.32%，余量为Fe和不可避免杂质；

将铸锭加热至1150±10℃保温1h，然后进行6道次热轧，开轧温度为1150℃，终轧温度为950℃，总压下量为60%；热轧完成后以60℃/s的速度冷却至750±10℃，保温0.8h，再水冷至常温，获得热轧钢板；

将热轧钢板在常温下进行冷轧，冷轧变形量为50%，获得的冷轧钢板厚度为1.5mm；

将冷轧钢板以100℃/s的速率加热至850℃，保温180s，然后以100℃/s的速率超快速冷却至420±10℃，保温4min，得到亚微米奥氏体强韧化的高强韧薄钢板，厚度为1.5mm，抗拉强度为1000MPa，屈服强度为470MPa，拉伸率为48%；其微观结构由等轴的晶粒组成，晶粒的粒径在5~20μm，晶粒中的条形奥氏体占晶粒总面积的23%，条形奥氏体的平均宽度为150nm，长度3~5μm；其真应力-真应变曲线如图3所示；

平均晶粒尺寸约为5.7μm 的Fe-1.45Mn-1.22Si-0.03Al-0.12Ni-0.12C TRIP590钢，其屈服强度为430 MPa，抗拉强度约600 MPa，拉伸率23%；其屈服强度与上述产品相近，但抗拉强度及塑性较低，对高强度及高韧性要求较高的应用领域还不能满足要求，而且其较高的Si含量，容易造成工业生产过程中的表面缺陷，导致后续镀锌工序出现困难。

实施例3

选用金属铁、金属锰、金属铝和金属硅作为原料，在保护气体条件下冶炼并浇注成铸锭，其成分按重量百分比含C 0.17%，Mn 1.3%，Al 1.6%，Si 0.28%，余量为Fe和不可避免杂质；

将铸锭加热至1150±10℃保温3h，然后进行6道次热轧，开轧温度为1100℃，终轧温度为930℃，总压下量为70%；热轧完成后以30℃/s的速度冷却至750±10℃，保温1h，再水冷至常温，获得热轧钢板；

将热轧钢板在常温下进行冷轧，冷轧变形量为40%，获得的冷轧钢板厚度为2.0mm；

将冷轧钢板以80℃/s的速率加热至750℃，保温150s，然后以80℃/s的速率超快速冷却至420±10℃，保温6min，得到亚微米奥氏体强韧化的高强韧薄钢板，厚度为2.0mm，抗拉强度为800MPa，屈服强度为450MPa，拉伸率为42%；其微观结构由等轴的晶粒组成，晶粒的粒径在5~10 μm，晶粒中的条形奥氏体占晶粒总面积的15%，条形奥氏体的平均宽度为300nm，长度5~8μm；其真应力-真应变曲线如图3所示；

韩国的TRIP590钢抗拉强度850 MPa，塑性比较低，拉伸率仅为20%；上述方法制备的材料，在对强度、塑性及能量吸收能力要求较高的领域具有明显的优势。

Claims

1.一种亚微米奥氏体强韧化的高强韧薄钢板，其特征在于成分按重量百分比含C 0.19±0.02%，Mn 1.5±0.2%，Al 1.5±0.1%，Si 0.3±0.02%，余量为Fe和不可避免杂质，厚度为1.5~2.0mm，抗拉强度为800~1100MPa，屈服强度为450~520MPa，拉伸率为42~53%。

2.根据权利要求1所述的一种亚微米奥氏体强韧化的高强韧薄钢板，其特征在于亚微米奥氏体强韧化的高强韧薄钢板的微观结构由等轴的晶粒组成，晶粒的粒径在5~20 μm，晶粒中的条形奥氏体占晶粒总面积的15~30%，条形奥氏体的宽度为120~300nm。

3.一种权利要求1所述的亚微米奥氏体强韧化的高强韧薄钢板的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：

（1）在保护气体条件下冶炼并浇注成铸锭，其成分按重量百分比含C 0.19±0.02%，Mn 1.5±0.2%，Al 1.5±0.1%，Si 0.3±0.02%，余量为Fe和不可避免杂质；

（2）将铸锭加热至1150±10℃保温1~3h，然后进行热轧，开轧温度为1050~1150℃，终轧温度为900~950℃，总压下量为60~75%；热轧完成后以30~60℃/s的速度冷却至750±10℃，保温0.5~1h，再水冷至常温，获得热轧钢板；

（3）将热轧钢板进行冷轧，冷轧变形量为40~55%，获得的冷轧钢板厚度为1.5~2.0mm；

（4）将冷轧钢板以80~120℃/s的速率加热至750~850℃，保温120~180s，然后以80~100℃/s的速率超快速冷却至420±10℃，保温4~6min，得到亚微米奥氏体强韧化的高强韧薄钢板。

4.根据权利要求3所述的亚微米奥氏体强韧化的高强韧薄钢板的制备方法，其特征在于在保护气体条件下冶炼选用的原料为金属铁、金属锰、金属铝和金属硅。