CN104404367B - 一种高强度高塑性冷轧低碳钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高强度高塑性冷轧低碳钢及其制备方法，属于冶金技术领域，成分按重量百分比含C 0.15~0.20%，Si 1.3~1.5%，Mn 1.3~1.5%，A1 0.15~0.2%，Nb 0~0.05%，余量为Fe及不可避免杂质，强塑积30~31GPa%；制备方法为：（1）冶炼并浇铸制成钢锭；（2）加热至1200±10℃，保温至少2h，然后锻造成型；（3）加热至1200±10℃，保温至少2h，然后进行热轧获得热轧板；（4）酸洗后冷轧制成冷轧板；（5）去除油污，加热至910±10℃保温3~5min，水冷至室温；（6）置于熔盐盐浴中保温，置于混合盐浴中淬火，置于混合盐浴中保温，水冷。本发明的高强度高塑性冷轧低碳钢强度高，塑性好，合金元素总含量低，且轧后热处理工艺较简单。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种高强度高塑性冷轧低碳钢及其制备方法。
背景技术
由于汽车行业节能、环保和安全性的要求不断提高，许多机构致力于开发新一代轻质高强汽车用钢。强塑积是衡量汽车用钢性能的一个重要指标。第一代汽车用钢强塑积较低（≤20GPa%）；第二代汽车用钢则由于合金含量过高而导致成本过高，且工艺性能较差；因为存在这些不利条件使这两代汽车用钢在使用上存在隐患或受到限制。近年来，许多学者加大了对Q-P钢（低碳硅-锰系）的研究，此类钢由于强塑积较高（≥20GPa%）且合金元素总含量较低而被认定为理想的新一代汽车用钢。
典型的低碳硅锰系Q-P钢含有1.5%左右的锰，主要因为锰是奥氏体稳定元素，可以提高奥氏体稳定性，进而提高室温下钢中残余奥氏体含量；硅的含量在1.0~2.0%，硅的存在有利于抑制配分阶段（Partitioning）渗碳体的析出，从而提高奥氏体的碳含量，但硅含量过高会降低Q-P钢的表面质量和焊接性能。使钢板在热镀锌时锌层的湿润性变差，从而减弱了锌层和基板之间的结合能力。铝的作用与硅类似，且铝的添加不会恶化镀覆性能，因此铝可以作为硅的替代元素。微合金元素Nb的加入对晶粒细化、强化基体起着显著的作用，使工艺控制变得较容易，能够在韧性不明显下降的情况下进一步增加钢的强度。
生产Q-P钢典型的工艺路线主要分为热轧和冷轧热处理两种。近十年来，国内外学者的研究领域主要集中在冷轧Q-P钢的轧后热处理。常规的冷轧Q-P钢的热处理工艺分为三步：（1）完全奥氏体化退火；（2）淬火至马氏体转变开始温度（Ms）和结束温度（Mf）之间的某一温度，得到一定量的马氏体和未转变的奥氏体；（3）在淬火终点温度（或高于此温度）进行配分，使马氏体中的过饱和碳向奥氏体扩散，使残余奥氏体富碳稳定；但通常这种工艺得到的Q-P钢其强度非常高，但是塑性很差（≤15%），因此对于低碳硅锰系Q-P钢，其强塑积最高只能达到25GPa%，其性能还有待提高。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种高强度高塑性冷轧低碳钢及其制备方法，通过合理设计成分，经热轧-空冷-冷轧后，在Q-P处理之前添加完全奥氏体化淬火，制成高强度且高塑性的冷轧低碳钢。
本发明的高强度高塑性冷轧低碳钢的成分按重量百分比含C 0.15~0.20%，Si 1.3~1.5%，Mn 1.3~1.5%，A1 0.15~0.2%，Nb 0~0.05%，余量为Fe及不可避免杂质，屈服强度730~750MPa，抗拉强度990~1020MPa，强塑积30~31GPa%，延伸率30~31%。
上述的高强度高塑性冷轧低碳钢的组织为铁素体、板条马氏体以及残余奥氏体。
本发明的高强度高塑性冷轧低碳钢的制备方法按以下步骤进行：
1、冶炼并浇铸制成钢锭，其成分按重量百分比含C 0.15~0.20%，Si 1.3~1.5%，Mn 1.3~1.5%，Al 0.15~0.2%，Nb 0~0.05%，余量为Fe及不可避免杂质；
2、将钢锭加热至1200±10℃，保温至少2h，然后在950~1050℃范围内锻造成型获得钢坯；
3、将钢坯加热至1200±10℃，保温至少2h，然后进行热轧，开轧温度1150±10℃，终轧温度≥900℃，总压下率为70~90%，再空冷至室温，获得热轧板；
4、将热轧板酸洗去除氧化铁皮，然后进行冷轧，总压下率为60~80%，制成冷轧板；
5、去除冷轧板表面油污，然后加热至910±10℃保温3~5min，水冷至室温，完成淬火；
6、将淬火后的冷轧板置于850±10℃的熔盐盐浴中保温3~5min，然后置于220±10℃的混合盐浴中淬火至220±10℃，再置于400±10℃的混合盐浴中保温500~600s，取出后水冷至室温，获得高强度高塑性冷轧低碳钢。
上述方法中，酸洗是用重量浓度10%的盐酸溶液进行酸洗。
上述方法中的熔盐盐浴使用的熔盐为NaCl熔盐；混合盐浴使用的熔盐为KNO3-NaNO2混合熔盐，KNO3的重量含量为45% ，NaNO2的重量含量为55%。
上述方法中的去除冷轧板表面油污是先用丙酮进行清洗去除油污，然后用乙醇清洗表面，至冷轧板表面风干后备用。
本发明的方法在Q-P处理之前添加完全奥氏体化淬火，主要是为了使Q-P处理前的实验钢为全马氏体基体，由于马氏体板条的尺寸较小，且内部的缺陷结构多，在后来的临界区（850±10℃）退火中，缺陷位置有利于奥氏体形核，使奥氏体晶粒的尺寸明显减少；同时，新形成的奥氏体和铁素体晶粒能够遗传马氏体板条的形状。在Q-P处理后，得到尺寸更加细小的薄膜状残余奥氏体和更细的板条马氏体。由于残余奥氏体的稳定性和它的尺寸有关，尺寸越小，残余奥氏体的稳定性越高，能够有更多的残余奥氏体保留至室温。
本发明的高强度高塑性冷轧低碳（Pre-quenching and Quenching-Partitioning，Q&Q-P）钢强度高，塑性好，合金元素总含量低，且轧后热处理工艺较简单，是新一代的理想汽车用钢。
附图说明
图1 本发明实施例1中的热处理工艺流程示意图；
图2 本发明实施例中的高强度高塑性冷轧低碳钢进行你试验时制作的拉伸试样图；单位mm；
图3 本发明实施例1中高强度高塑性冷轧低碳钢及传统技术制备的同成分冷轧钢的扫描组织图，图中黑色组织为铁素体，白亮色组织为板条马氏体；图中（a）为传统技术制备的同成分冷轧钢，（b）为高强度高塑性冷轧低碳钢；
图4 本发明实施例中高强度高塑性冷轧低碳钢及传统技术制备的同成分冷轧钢的透射组织图；其中（a）、（b）为传统技术制备的同成分冷轧钢，（c）、（d）、（e）、（f）为高强度高塑性冷轧低碳钢；
图5 本发明实施例1中高强度高塑性冷轧低碳钢及传统技术制备的同成分冷轧钢的衍射图谱；图中Q-P为传统技术制备的同成分冷轧钢，Q&Q-P为高强度高塑性冷轧低碳钢。
具体实施方式
本发明实施例中进行组织观察采用的设备为德国蔡司的ULTRA-55型场发射扫描电子显微镜和荷兰飞利浦电子光学公司的TECNAI-Q2-20型透射电子显微镜。
本发明实施例中采用的轧机是东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室自行设计的φ450mm的热轧机组，最大轧制力为4000kN，轧制速度为0~1.5m/s，主电机功率为400kW。
本发明实施例中轧制表面温度的测量采用日本产ICON手提式红外测温仪，高温仪测温范围为600~3000℃，低温仪测温范围为-50~1000℃。
本发明实施例中轧后热处理采用是箱式电阻炉，额定功率为8kW，额定电压380V，额定温度1350℃。
本发明实施例中采用的盐浴炉为井式盐浴炉，额定功率为7.5kW，额定电压380V，额定温度为1200℃。
本发明实施例中盐浴采用的熔盐为氯化钠NaCl（临界区退火高温炉用）和55%亚硝酸钠NaNO2+45%硝酸钾KNO3（淬火炉和配分炉用）。
本发明实施例中，根据GB/T 228-2002“金属材料 室温拉伸试验方法”将热处理后的实验钢加工成拉伸试样，尺寸如图2所示，设定拉伸速度3mm/min，拉伸前先固定好电子引伸计，拉伸过程由计算机程序自动控制；沿轧制方向切取试样，将切下的试样用砂纸进行磨光；然后在电解抛光机上抛光，抛光液为40mL高氯酸、600mL酒精和20mL蒸馏水的混合溶液，抛光电压为30V，抛光时间28s；试样在腐蚀之前先将试样表面用无水乙醇冲洗，防止抛光磨料和杂质残留于试样表面；之后用吹风机吹干，随后进行腐蚀。
本发明实施例中，采用的腐蚀剂为4%的硝酸酒精，然后用场发射扫描仪和透射电镜观察产品的组织。
本发明实施例中的酸洗是用重量浓度10%的盐酸溶液进行酸洗。
实施例1
冶炼并浇铸制成钢锭，其成分按重量百分比含C 0.15%，Si 1.3%，Mn 1.5%，Al 0.18%，Nb
0.05%，余量为Fe及不可避免杂质；
将钢锭加热至1200±10℃，保温2h，然后在950~1050℃范围内锻造成型获得钢坯；
将钢坯加热至1200±10℃，保温2h，然后进行热轧，开轧温度1150±10℃，终轧温度900℃，总压下率为70%，再空冷至室温，获得热轧板；
将热轧板酸洗去除氧化铁皮，然后进行冷轧，总压下率为80%，制成冷轧板；
去除冷轧板表面油污，然后加热至910±10℃保温3min，水冷至室温，完成淬火；
将淬火后的冷轧板置于850±10℃的熔盐盐浴中保温3min，然后置于220±10℃的混合盐浴中淬火至220±10℃，再置于400±10℃的混合盐浴中保温500s，取出后水冷至室温，获得高强度高塑性冷轧低碳钢；其屈服强度730 MPa，抗拉强度1020MPa，强塑积30.6 GPa%，延伸率30%；组织为铁素体、板条马氏体以及残余奥氏体；组织扫描结果如图3（b）所示；透视扫描结果如图4（c）所示；
按上述成分制备冷轧板，然后采用传统技术制备Q-P低碳冷轧钢，其屈服强度700MPa，抗拉强度940MPa，延伸率20%；组织扫描结果如图3（a）所示；透视扫描结果如图4（a）所示。
实施例2
冶炼并浇铸制成钢锭，其成分按重量百分比含C 0.16%，Si 1.4%，Mn 1.4%，Al 0.16%，余量为Fe及不可避免杂质；
将钢锭加热至1200±10℃，保温2.5h，然后在950~1050℃范围内锻造成型获得钢坯；
将钢坯加热至1200±10℃，保温3h，然后进行热轧，开轧温度1150±10℃，终轧温度930℃，总压下率为75%，再空冷至室温，获得热轧板；
将热轧板酸洗去除氧化铁皮，然后进行冷轧，总压下率为75%，制成冷轧板；
去除冷轧板表面油污，然后加热至910±10℃保温3min，水冷至室温，完成淬火；
将淬火后的冷轧板置于850±10℃的熔盐盐浴中保温3min，然后置于220±10℃的混合盐浴中淬火至220±10℃，再置于400±10℃的混合盐浴中保温500s，取出后水冷至室温，获得高强度高塑性冷轧低碳钢；其屈服强度750 MPa，抗拉强度990MPa，强塑积30.7GPa%，延伸率31%；组织为铁素体、板条马氏体以及残余奥氏体；透视扫描结果如图4（d）所示；
按上述成分制备冷轧板，然后采用传统技术制备Q-P低碳冷轧钢，其屈服强度690MPa，抗拉强度935MPa，延伸率20%；透视扫描结果如图4（b）所示。
实施例3
冶炼并浇铸制成钢锭，其成分按重量百分比含C 0.18%，Si 1.5%，Mn 1.4%，Al 0.2%，Nb
0.03%，余量为Fe及不可避免杂质；
将钢锭加热至1200±10℃，保温3h，然后在950~1050℃范围内锻造成型获得钢坯；
将钢坯加热至1200±10℃，保温3h，然后进行热轧，开轧温度1150±10℃，终轧温度920℃，总压下率为80%，再空冷至室温，获得热轧板；
将热轧板酸洗去除氧化铁皮，然后进行冷轧，总压下率为70%，制成冷轧板；
去除冷轧板表面油污，然后加热至910±10℃保温4min，水冷至室温，完成淬火；
将淬火后的冷轧板置于850±10℃的熔盐盐浴中保温4min，然后置于220±10℃的混合盐浴中淬火至220±10℃，再置于400±10℃的混合盐浴中保温550s，取出后水冷至室温，获得高强度高塑性冷轧低碳钢；其屈服强度740 MPa，抗拉强度1010 MPa，强塑积30.3GPa%，延伸率30%；组织为铁素体、板条马氏体以及残余奥氏体；透视扫描结果如图4（e）所示。
实施例4
冶炼并浇铸制成钢锭，其成分按重量百分比含C 0.19%，Si 1.4%，Mn 1.3%，Al 0.17%，Nb
0.02%，余量为Fe及不可避免杂质；
将钢锭加热至1200±10℃，保温2h，然后在950~1050℃范围内锻造成型获得钢坯；
将钢坯加热至1200±10℃，保温2.5h，然后进行热轧，开轧温度1150±10℃，终轧温度910℃，总压下率为85%，再空冷至室温，获得热轧板；
将热轧板酸洗去除氧化铁皮，然后进行冷轧，总压下率为65%，制成冷轧板；
去除冷轧板表面油污，然后加热至910±10℃保温5min，水冷至室温，完成淬火；
将淬火后的冷轧板置于850±10℃的熔盐盐浴中保温5min，然后置于220±10℃的混合盐浴中淬火至220±10℃，再置于400±10℃的混合盐浴中保温600s，取出后水冷至室温，获得高强度高塑性冷轧低碳钢；其屈服强度735MPa，抗拉强度1015MPa，强塑积31.5GPa%，延伸率31%；组织为铁素体、板条马氏体以及残余奥氏体；透视扫描结果如图4（f）所示。
实施例5
冶炼并浇铸制成钢锭，其成分按重量百分比含C 0.20%，Si 1.3%，Mn 1.3%，Al 0.15%，Nb
0.01%，余量为Fe及不可避免杂质；
将钢锭加热至1200±10℃，保温2.5h，然后在950~1050℃范围内锻造成型获得钢坯；
将钢坯加热至1200±10℃，保温2h，然后进行热轧，开轧温度1150±10℃，终轧温度900℃，总压下率为90%，再空冷至室温，获得热轧板；
将热轧板酸洗去除氧化铁皮，然后进行冷轧，总压下率为60%，制成冷轧板；
去除冷轧板表面油污，然后加热至910±10℃保温3min，水冷至室温，完成淬火；
将淬火后的冷轧板置于850±10℃的熔盐盐浴中保温3min，然后置于220±10℃的混合盐浴中淬火至220±10℃，再置于400±10℃的混合盐浴中保温500s，取出后水冷至室温，获得高强度高塑性冷轧低碳钢；其屈服强度745MPa，抗拉强度1000 MPa，强塑积31GPa%，延伸率31%；组织为铁素体、板条马氏体以及残余奥氏体。
Claims (1)
1.一种高强度高塑性冷轧低碳钢的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：
（1）冶炼并浇铸制成钢锭，其成分按重量百分比含C
0.15~0.20%，Si 1.3~1.5%，Mn 1.3~1.5%，Al 0.15~0.2%，Nb 0~0.05%，余量为Fe及不可避免杂质；
（2）将钢锭加热至1200±10℃，保温至少2h，然后在950~1050℃范围内锻造成型获得钢坯；
（3）将钢坯加热至1200±10℃，保温至少2h，然后进行热轧，开轧温度1150±10℃，终轧温度≥900℃，总压下率为70~90%，再空冷至室温，获得热轧板；
（4）将热轧板酸洗去除氧化铁皮，然后进行冷轧，总压下率为60~80%，制成冷轧板；
（5）去除冷轧板表面油污，然后加热至910±10℃保温3~5min，水冷至室温，完成淬火；
（6）将淬火后的冷轧板置于850±10℃的熔盐盐浴中保温3~5min，然后置于220±10℃的混合盐浴中淬火至220±10℃，再置于400±10℃的混合盐浴中保温500~600s，取出后水冷至室温，获得高强度高塑性冷轧低碳钢；其中熔盐盐浴使用的熔盐为NaCl熔盐；混合盐浴使用的熔盐为KNO3-NaNO2混合熔盐，KNO3的重量含量为45%，NaNO2的重量含量为55%；高强度高塑性冷轧低碳钢屈服强度730~750 MPa，抗拉强度990~1020 MPa，强塑积30~31GPa%，延伸率30~31%；组织为铁素体、板条马氏体以及残余奥氏体。
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