CN105861933B - 一种纳米/超细的中锰trip钢板及其温轧制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种纳米/超细的中锰TRIP钢板及其温轧制备方法，属于超高强度钢技术领域。其化学成分及其含量是：C为0.17～0.25wt.％，Si为0.00～0.50wt.％，Mn为5.00～7.00wt.％，Al为1.00～1.50wt.％，N为0.014～0.03wt.％，Nb为0.00～0.06wt.％，Mo为0.00～0.25wt.％，余量为Fe及不可避免的杂质。其制备方法包括熔炼、锻造、热轧、温轧，制得纳米/超细的中锰TRIP钢板，将制得的钢板进行热处理，得到纳米/超细的中锰TRIP热处理钢板。该方法采用“温轧工艺”代替生产锰钢的典型工艺流程，工艺简单、生产周期短、板型易控制。制得的钢板，具有纳米/超细结构，且强度高、性能优良，满足汽车产业节约资源、降低能耗、轻量化和提高碰撞安全性的目标要求。

Description

一种纳米/超细的中锰TRIP钢板及其温轧制备方法
技术领域
本发明属于超高强度钢技术领域，具体涉及一种纳米/超细的中锰TRIP钢板及其温轧制备方法。
背景技术
轻量化技术是汽车工业实现节能减排目标的主攻方向，为了减轻车重和提高安全性，汽车用钢板的高强度或超高强度化已成为一种趋势。第一代汽车用先进高强钢(Advanced High Strength Steel，AHSS)是以铁素体为基体的多相显微组织，伴随着强度水平的显著提高，这类钢的塑性、韧性和加工硬化能力等通常会降低，其强塑积低于25.00GPa％。第二代汽车用AHSS钢是以奥氏体为主的显微组织，兼具高强度和高塑性，其强塑积高于50.00GPa％，但该类钢中锰含量过高(通常＞18.00wt.％)，使得生产成本大大增加，且恶化了冶炼工艺性能。而第三代汽车用AHSS钢主要着眼于：在无添加太多合金元素的条件下，使钢的强度和韧性超过第一代AHSS钢，或将第二代AHSS钢的合金含量降低。近年来，许多学者围绕着中锰钢(3.00wt.％＜Mn含量＜10.00wt.％)开展了广泛的研究工作。
典型中锰钢的化学成分含有0.10～0.40wt.％C，通过碳元素的配分可调控残余奥氏体的热稳定性和机械稳定性，但过高的C造成浇注时的成分偏析，导致焊接性能变差。Si增加了钢中残余奥氏体的体积分数，然而过高的Si会降低表面质量，也会影响材料的焊接、表层涂覆和热镀锌性能。Mn是奥氏体的形成元素，可使渗碳体开始析出的温度降低，推迟了珠光体转变，促进了残余奥氏体的形成，但过高的Mn不仅增加生产成本，还会恶化冶炼工艺性能。Al抑制了高温退火时残余奥氏体含量，提高临界区退火温度，并加快再结晶，然而过高Al的添加降低了钢的屈服和抗拉强度，并使钢的强塑积有所下降。另外，随着先进高强度钢板在汽车上的广泛应用，对其延迟断裂行为的评估尤为重要，而Mo/Nb的复合添加具有改善Mn和Al元素的宏观偏析、提高奥氏体的热及机械稳定性以及改善中锰钢的延迟断裂抗力等效果。
目前，生产中锰钢的典型工艺流程主要为“热轧、冷轧和临界区退火”相结合技术。然而，这对高强度甚至超高强度水平的中锰钢生产技术和实际应用提出了很大的挑战，主要体现在：(1)与常规的低碳微合金HSLA(High Strength Low Alloy)和双相DP(Dualphase)钢相比，TRIP(Transformation-induced Plasticity)钢板的瞬时弹性模量较大，导致钢板冷轧过程中的回弹过大；(2)采用传统冷冲压成形工艺制备超高强度(～1500MPa)汽车结构件时，零件回弹严重、尺寸精度差以及成形模具寿命短等。因此，这种常规的三阶段生产工艺复杂、生产周期较长、板型控制难度大、且不利于工业化生产。
发明内容
本发明旨在克服上述技术缺陷，提供一种纳米/超细的中锰TRIP钢板及其温轧制备方法，该方法采用“温轧工艺(Warm Rolling，WR)”代替生产锰钢的典型工艺流程(热轧、冷轧和临界区退火)，工艺简单、生产周期短、板型易控制，Mo-Nb复合微合金化，使得制备的纳米/超细的中锰TRIP钢板，强度高、且综合性能优良，满足汽车产业节约资源、降低能耗、轻量化和提高碰撞安全性的目标要求。
本发明的一种纳米/超细的中锰TRIP钢板，其化学成分及其含量是：C为0.17～0.25wt.％，Si为0.00～0.50wt.％，Mn为5.00～7.00wt.％，Al为1.00～1.50wt.％，N为0.014～0.03wt.％，Nb为0.00～0.06wt.％，Mo为0.00～0.25wt.％，余量为Fe及不可避免的杂质，其中，纳米/超细中锰TRIP钢板厚度为1.5～2.5mm。
本发明的纳米/超细的中锰TRIP钢板，其抗拉强度为1480～1821MPa，屈服强度为780～1410MPa，延伸率为11～25％，强塑积为20031～37000MPa·％。
本发明的一种纳米/超细的中锰TRIP钢板的温轧制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：按纳米/超细的中锰TRIP钢板的化学成分及组成配料，在1600～1700℃温度熔炼，浇铸得到圆锭；
(2)锻造：将圆锭加热至1150～1250℃，保温1～2h，锻造，空冷至室温，切削得到方锭；
(3)热轧：将切削后的方锭加热至1100～1200℃后，保温0.5～1.5h后，热轧，得到热轧板材，总变形量为80～90％；
(4)温轧：将热轧板材，加热至850～950℃，保温15～30min后，在650～800℃进行温轧，总变形量为58.3～75.0％，然后空冷至室温，制得纳米/超细的中锰TRIP钢板。
其中，
所述(1)中，熔炼采用真空感应熔炼炉。
所述(2)中，方锭的厚度为30～40mm。
所述(3)中，热轧采用二辊热轧机，进行6～8道次热轧，得到4～8mm厚的热轧板材。
所述(4)中，进行4～6道次温轧，得到1.5～2.5mm厚的纳米/超细的中锰TRIP钢板。
所述的纳米/超细的中锰TRIP钢板，经过(1)熔炼、(2)锻造、(3)热轧、(4)温轧后，再将纳米/超细的中锰TRIP钢板进行(5)热处理工艺：将纳米/超细的中锰TRIP钢板加热至650～725℃，保温15～30min，然后使温度降至室温，制得纳米/超细的中锰TRIP热处理钢板，其中650～725℃为钢板的临界热处理区。
本发明的纳米/超细的中锰TRIP热处理钢板，其抗拉强度为1253～1300MPa，屈服强度为665～1100MPa，延伸率为25～36％，强塑积为31875～45900MPa·％。
所述(5)热处理工艺中，降温方式可以采用空冷或淬火。
本发明可制备出超高强度双相结构的显微组织是超细晶(＜200nm)的铁素体基体和弥散分布的纳米奥氏体(＜100nm)。残余奥氏体的体积分数占较大的比例(10～40％)。超细结构的铁素体基体，具有较高的强度和良好的塑性；纳米结构的奥氏体弥散分布在铁素体基体之间，在一定的外力作用下会发生相变诱发塑性，即TRIP效应，导致钢的强度和塑性显著提高。
本发明的一种纳米/超细的中锰TRIP钢板及其温轧制备方法，与现有技术相比，具有如下优点：
(1)采用Mo-Nb复合微合金化路线，具有改善Mn和Al元素的宏观偏析、提高奥氏体的热及机械稳定性以及改善中锰钢的延迟断裂抗力等作用，其中，微合金元素Nb可有效控制TRIP钢的奥氏体化、再结晶、晶粒长大以及元素迁移，还影响奥氏体向铁素体转变及残余奥氏体的体积分数和稳定性，这些均有利于TRIP钢获得优良的力学性能；微合金元素Mo是强烈稳定奥氏体元素，同时具有重要的固溶强化作用。此外Nb-Mo复合微合金化钢具有较大的沉淀强化增量。
(2)采用温轧工艺代替传统的热轧、冷轧和临界热处理等三阶段生产工艺，具有制备工艺简单且生产周期短。
(3)将本发明钢代替B钢应用于温成形中，可以大幅度降低热冲压温度，减少制造成本，且钢表面不易氧化，改善了热成形钢的表面质量。
(4)本发明钢对温成形性后的冷却速率敏感性不强，可采用空冷或缓冷代替水淬，从而有助于减少零件回弹和提高其尺寸精度。
(5)与热成形B钢相比，本发明钢在不损失强度的前提下使热或温成形钢的拉伸塑性从6％提高至25％以上。
(6)本发明通过控制制备工艺和材料成分，可以得到不同级别强度和塑性的材料。
(7)将本发明钢应用于温成形中，热处理时间较短(15min甚至数分钟内完成)，确保了温成形工序的连续性。
因此，本发明具有工艺简单、成形温度低和生产周期短的特点，且所制备的钢板性能优良，表面质量好，可代替热形性B钢广泛应用于汽车的前、后保险杠骨架以及A柱、B柱等关键部位，以改善车身的抗碰撞能力和整体安全性，对推动汽车新一代汽车在轻量化、节能减排和提高安全性能等方面具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例1中制备的纳米/超细的中锰TRIP钢板的SEM组织图；
图2为本发明实施例1中制备的纳米/超细的中锰TRIP钢板的XRD图；
图3为本发明实施例3中制备的纳米/超细的中锰TRIP钢板的SEM组织图；
图4为本发明实施例3中制备的纳米/超细的中锰TRIP钢板的XRD图；
图5为本发明实施例5中制备的纳米/超细的中锰TRIP钢板的表面质量宏观图；
图6为本发明实施例5中制备的纳米/超细的中锰TRIP钢板的光学组织图；
图7为本发明实施例6中制备的纳米/超细的中锰TRIP热处理钢板的光学组织图；
图8为本发明实施例9中制备的纳米/超细的中锰TRIP钢板的表面质量宏观图；
图9为本发明实施例11中制备的纳米/超细的中锰TRIP钢板的表面质量宏观图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对本发明保护范围的限制。
实施例1
一种纳米/超细的中锰TRIP钢板，其化学成分及其含量是：C为0.20wt.％，Si为0.05wt.％，Mn为5.59wt.％，Al为1.22wt.％，N为0.014wt.％，Nb为0.06wt.％，Mo为0.22wt.％，余量为Fe及不可避免的杂质。
纳米/超细的中锰TRIP钢板的温轧制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：按纳米/超细的中锰TRIP钢板的化学成分及组成配料，加入到真空感应熔炼炉中，在1650℃温度熔炼，浇铸得到50kg圆锭；
(2)锻造：将50kg圆锭，在1150℃，保温2h，锻造，空冷至室温，得到100mm×100mm方锭，将方锭切成30mm×100mm×100mm；
(3)热轧：将切好的方锭加热至1200℃后，保温0.5h后，在二辊热轧机上进行6道次热轧，得到6mm厚的热轧板材，总变形量为80％；
(4)温轧：将6mm厚的热轧板材，加热至850℃，保温30min，在700℃进行4道次温轧，得到2.0mm厚的钢板，总变形量为66.7％，然后空冷至室温，制得纳米/超细的中锰TRIP钢板。
本实施例制备的纳米/超细的中锰TRIP钢板，其抗拉强度为1620MPa，屈服强度为780MPa，延伸率为17.6％，强塑积为28512MPa·％。本实施例制备的纳米/超细的中锰TRIP钢板，其SEM组织图见图1，其XRD图见图2。
实施例2
一种纳米/超细的中锰TRIP钢板，经过同实施例1相同的熔炼、锻造、热轧、温轧步骤后，再将纳米/超细的中锰TRIP钢板进行热处理，加热至650℃，保温30min，然后空冷至室温，制得纳米/超细的中锰TRIP热处理钢板，其力学性能参数为：抗拉强度为1275MPa，屈服强度为1005MPa，延伸率为25％，强塑积为31875MPa·％。
实施例3
一种纳米/超细的中锰TRIP钢板，其化学成分及其含量是：C为0.25wt.％，Si为0.50wt.％，Mn为5.00wt.％，Al为1.00wt.％，N为0.03wt.％，Nb为0.06wt.％，Mo为0.25wt.％，余量为Fe及不可避免的杂质。
纳米/超细的中锰TRIP钢板的温轧制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：按纳米/超细的中锰TRIP钢板的化学成分及组成配料，加入到真空感应熔炼炉中，在1600℃温度熔炼，浇铸得到50kg圆锭；
(2)锻造：将50kg圆锭，在1250℃，保温1h，锻造，空冷至室温，得到100mm×100mm方锭，将方锭切成40mm×100mm×100mm；
(3)热轧：将切好的方锭加热至1100℃后，保温1.5h后，在二辊热轧机上进行6道次热轧，得到8mm厚的热轧板材，总变形量为80％；
(4)温轧：将8mm厚的热轧板材，加热至950℃，保温15min，在650℃进行4道次温轧，得到2.0mm厚的钢板，总变形量为75.0％，然后空冷至室温，制得纳米/超细的中锰TRIP钢板，其力学性能参数为：抗拉强度为1480MPa，屈服强度为980MPa，延伸率为25％，强塑积为37000MPa·％。本实施例制备的纳米/超细的中锰TRIP钢板，其SEM组织图见图3，其XRD图见图4。
实施例4
一种纳米/超细的中锰TRIP钢板，经过同实施例3相同的熔炼、锻造、热轧、温轧步骤后，再将纳米/超细的中锰TRIP钢板进行热处理，加热至650℃，保温30min，然后空冷至室温，制得纳米/超细的中锰TRIP热处理钢板，其力学性能参数为：抗拉强度为1275MPa，屈服强度为1050MPa，延伸率为36％，强塑积为45900MPa·％。
实施例5
一种纳米/超细的中锰TRIP钢板，其化学成分及其含量是：C为0.17wt.％，Si为0.00wt.％，Mn为7.00wt.％，Al为1.50wt.％，N为0.014wt.％，Nb为0.06wt.％，Mo为0.22wt.％，余量为Fe及不可避免的杂质。
纳米/超细的中锰TRIP钢板的温轧制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：按纳米/超细的中锰TRIP钢板的化学成分及组成配料，加入到真空感应熔炼炉中，在1700℃温度熔炼，浇铸得到50kg圆锭；
(2)锻造：将50kg圆锭，在1200℃，保温1.5h，锻造，空冷至室温，得到100mm×100mm方锭，将方锭切成40mm×100mm×100mm；
(3)热轧：将切好的方锭加热至1150℃后，保温1h后，在二辊热轧机上进行8道次热轧，得到4mm厚的热轧板材，总变形量为90％；
(4)温轧：将4mm厚的热轧板材，加热至900℃，保温20min，在800℃进行6道次温轧，然后空冷至室温，总变形量为62.5％，得到1.5mm厚的纳米/超细的中锰TRIP钢板。本实施例制备的纳米/超细的中锰TRIP钢板，其力学性能参数为：抗拉强度为1720MPa，屈服强度为1410MPa，延伸率为14％，强塑积为24080MPa·％。本实施例制备的纳米/超细的中锰TRIP钢板，其钢板表面质量的宏观照片见图5，其光学显微组织图见图6。
实施例6
一种纳米/超细的中锰TRIP钢板，经过同实施例3相同的熔炼、锻造、热轧、温轧步骤后，再将纳米/超细的中锰TRIP钢板进行热处理，加热至700℃，保温15min，然后空冷至室温，制得纳米/超细的中锰TRIP热处理钢板，其力学性能参数为：抗拉强度为1300MPa，屈服强度为809MPa，延伸率为32％，强塑积为41600MPa·％，其钢板的光学显微组织图见图7。
实施例7
一种纳米/超细的中锰TRIP钢板，经过同实施例3相同的熔炼、锻造、热轧、温轧步骤后，再将纳米/超细的中锰TRIP钢板进行热处理，加热至725℃，保温15min，然后空冷至室温，制得纳米/超细的中锰TRIP热处理钢板，其力学性能参数为：抗拉强度为1253MPa，屈服强度为833MPa，延伸率为31.5％，强塑积为39469.5MPa·％。
实施例8
一种纳米/超细的中锰TRIP钢板，经过同实施例3相同的熔炼、锻造、热轧、温轧步骤后，再将纳米/超细的中锰TRIP钢板进行热处理，加热至725℃，保温15min，然后淬火至室温，制得纳米/超细的中锰TRIP热处理钢板，其力学性能参数为：抗拉强度为1287MPa，屈服强度为665MPa，延伸率为25.5％，强塑积为32818.5MPa·％。
实施例9
一种纳米/超细的中锰TRIP钢板，其化学成分及其含量是：C为0.19％，Si为0.04wt.％，Mn为5.56wt.％，Al为1.21wt.％，N为0.028wt.％，余量为Fe及不可避免的杂质。
纳米/超细的中锰TRIP钢板的温轧制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：按纳米/超细的中锰TRIP钢板的化学成分及组成配料，加入到真空感应熔炼炉中，在1650℃温度熔炼，浇铸得到50kg圆锭；
(2)锻造：将50kg圆锭，在1150℃，保温2h，锻造，空冷至室温，得到100mm×100mm方锭，将方锭切成30mm×100mm×100mm；
(3)热轧：将切好的方锭加热至1150℃后，保温1h后，在二辊热轧机上进行6道次热轧，得到6mm厚的热轧板材，总变形量为80％；
(4)温轧：将6mm厚的热轧板材，加热至850℃，保温30min，在800℃进行4道次温轧，得到2.1mm厚的钢板，总变形量为65％，然后空冷至室温，制得纳米/超细的中锰TRIP钢板。
本实施例制备的纳米/超细的中锰TRIP钢板的抗拉强度为1821MPa，屈服强度为1283MPa，延伸率为11％，强塑积为20031MPa·％；本实施例制备的纳米/超细的中锰TRIP钢板的表面质量的宏观照片见图8。
实施例10
一种纳米/超细的中锰TRIP钢板，经过同实施例9相同的熔炼、锻造、热轧、温轧步骤后，再将纳米/超细的中锰TRIP钢板进行热处理，加热至700℃，保温15min，然后空冷至室温，制得纳米/超细的中锰TRIP热处理钢板，其抗拉强度为1292MPa，屈服强度为1100MPa，延伸率为34％，强塑积为43928MPa·％。
实施例11
一种纳米/超细的中锰TRIP钢板，其化学成分及其含量是：C为0.20wt.％，Si为0.05wt.％，Mn为5.84wt.％，Al为1.09wt.％，N为0.02wt.％，Nb为0.05wt.％，余量为Fe及不可避免的杂质。
纳米/超细的中锰TRIP钢板的温轧制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：按纳米/超细的中锰TRIP钢板的化学成分及组成配料，加入到真空感应熔炼炉中，在1650℃温度熔炼，浇铸得到50kg圆锭；
(2)锻造：将50kg圆锭，在1150℃，保温2h，锻造，空冷至室温，得到100mm×100mm方锭，将方锭切成30mm×100mm×100mm；
(3)热轧：将切好的方锭加热至1200℃后，保温1.5h后，在二辊热轧机上进行6道次热轧，得到6mm厚的热轧板材，总变形量为80％；
(4)温轧：将6mm厚的热轧板材，加热至850℃，保温30min，在800℃进行4道次温轧，得到2.5mm厚的钢板，总变形量为58.3％，然后空冷至室温，制得纳米/超细的中锰TRIP钢板。
本实施例制备的纳米/超细的中锰TRIP钢板的抗拉强度为1810MPa，屈服强度为1058MPa，延伸率为12.5％，强塑积为22625MPa·％；本实施例制备的纳米/超细的中锰TRIP钢板的表面质量的宏观照片见图9。
实施例12
一种纳米/超细的中锰TRIP钢板，经过同实施例11相同的熔炼、锻造、热轧、温轧步骤后，再将纳米/超细的中锰TRIP钢板进行热处理，加热至700℃，保温15min，然后空冷至室温，制得纳米/超细的中锰TRIP热处理钢板，其抗拉强度为1280MPa，屈服强度为793.5MPa，延伸率为28.7％，强塑积为36736MPa·％。

Claims (8)

1.一种纳米/超细的中锰TRIP钢板的温轧制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)熔炼：按纳米/超细的中锰TRIP钢板的化学成分及组成配料，在1600~1700℃温度熔炼，浇铸得到圆锭；
其中，所述的纳米/超细的中锰TRIP钢板的化学成分及其含量是：C为0.17~0.25wt.%，Si为0.00~0.50wt.%，Mn为5.00~7.00wt.%，Al为1.00~1.50wt.%，N为0.014~0.03wt.%，Nb为0.00~0.06wt.%，Mo为0.00~0.25wt.%，余量为Fe及不可避免的杂质；
(2)锻造：将圆锭加热至1150~1250℃，保温1~2h，锻造，空冷至室温，切削得到方锭；
(3)热轧：将切削后的方锭加热至1100~1200℃后，保温0.5~1.5h后，热轧，得到热轧板材，总变形量为80~90%；
(4)温轧：将热轧板材，加热至850~950℃，保温15~30min后，在650~800℃进行温轧，总变形量为58.3~75.0%，然后空冷至室温，制得纳米/超细的中锰TRIP钢板；
制备的纳米/超细中锰TRIP钢板厚度为1.5~2.5mm，其抗拉强度为1480~1821MPa，屈服强度为780~1410MPa，延伸率为11~25%，强塑积为20031~37000MPa·%。
2.如权利要求1所述的纳米/超细的中锰TRIP钢板的温轧制备方法，其特征在于，所述(1)中，熔炼采用真空感应熔炼炉。
3.如权利要求1所述的纳米/超细的中锰TRIP钢板的温轧制备方法，其特征在于，所述(2)中，方锭的厚度为30~40mm。
4.如权利要求1所述的纳米/超细的中锰TRIP钢板的温轧制备方法，其特征在于，所述(3)中，热轧采用二辊热轧机，进行6~8道次热轧，得到4~8mm厚的热轧板材。
5.如权利要求1所述的纳米/超细的中锰TRIP钢板的温轧制备方法，其特征在于，所述(4)中，进行4~6道次温轧，得到1.5~2.5mm厚的纳米/超细的中锰TRIP钢板。
6.如权利要求1所述的纳米/超细的中锰TRIP钢板的温轧制备方法，其特征在于，所述的纳米/超细的中锰TRIP钢板，经过(1)熔炼、(2)锻造、(3)热轧、(4)温轧后，再将纳米/超细的中锰TRIP钢板进行(5)热处理工艺：将纳米/超细的中锰TRIP钢板加热至650~725℃，保温15~30min，然后使温度降至室温，制得纳米/超细的中锰TRIP热处理钢板。
7.如权利要求6所述的纳米/超细的中锰TRIP钢板的温轧制备方法，其特征在于，所述的纳米/超细的中锰TRIP热处理钢板，其抗拉强度为1253~1300MPa，屈服强度为665~1100MPa，延伸率为25~36%，强塑积为31875~45900MPa·%。
8.如权利要求6所述的纳米/超细的中锰TRIP钢板的温轧制备方法，其特征在于，所述(5)热处理工艺中，降温方式采用空冷或淬火。
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