CN106435364A

CN106435364A - 一种低碳微合金超细晶钢及其制造方法

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Publication number: CN106435364A
Application number: CN201610987086.0A
Authority: CN
Inventors: 蔡庆伍; 程磊; 宁榛; 金鹏
Original assignee: DESIGN RESEARCH INSTITUTE UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY BEIJING; University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: DESIGN RESEARCH INSTITUTE UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY BEIJING; University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2016-11-01
Filing date: 2016-11-01
Publication date: 2017-02-22

Abstract

一种低碳微合金化超细晶钢及其制造方法，属于微合金化超细晶钢生产领域。细化机制主要为应变诱导析出强化的连续动态再结晶细化过程，最终可实现铁素体组织均匀超细化至2μm以下。化学组分以重量百分比计为C 0.06~0.12%，Si 0.17~0.21%，Mn 1.40~1.55%，Ti 0.05~0.15%，Al 0.03~0.08%，N≤0.015%，S≤0.005%，P≤0.010%，M 0.2~0.4%，余量为Fe和不可避免的杂质，其中M为纯Mo，或Mo同0.05~0.1Nb、0.05~0.2V的混合。所述发明中轧制采用控轧控冷的两阶段轧制工艺，分别用来促进奥氏体中的应变诱导析出和连续动态再结晶过程。所述发明实现了超细晶钢的轧制生产，利于生产效率的提高和生产成本的下降，其组织细化程度可达亚微米级，且综合力学性能良好。

Description

一种低碳微合金超细晶钢及其制造方法

技术领域

本发明属于微合金超细晶钢生产领域，提供一种采用低碳微合金化以及应变诱导析出加强的连续动态再结晶细化工艺，实现均匀超细铁素体组织的轧制生产，并给出工艺特征及相关的制造方法。

背景技术

大塑性变形作为生产超细晶组织的主要方法，具有以下几个主要的生产工艺：等径角挤压（ECAP），叠轧（ARB），高压扭转（HPT）以及多向锻造（MDF），然而受制于其低效复杂的工艺特征，上述技术均不利于工业化大批量生产。此外，传统冷轧或温轧加退火工艺，尽管可以得到良好的晶粒细化效果，但是由于其高能耗的特点，不符合目前提出的绿色发展战略，也不适宜推广。经过对低碳微合金钢相变过程的进一步研究和认识，人们基于传统轧制的控轧控冷工艺，提出了应变诱导铁素体相变过程（DIFT），并将其应用于超细晶生产。近些年来该技术得到了长足的发展且晶粒细化可达2μm以下。然而由于DIFT受制于其相变过程中短时短程扩散的特点，想要进行进一步的晶粒细化将更为困难。此外由于DIFT过程中奥氏体的不完全转变，常在最终组织中夹杂马氏体、珠光体和粗大铁素体等组织，影响了超细铁素体组织的均匀性。因此开发一种能够实现工业化生产均匀超细铁素体组织的轧制工艺是相关研究人员不断追求的目标。

近些年来，随着对温轧过程组织的进一步研究，人们发现了塑性大变形中铁素体晶粒的连续动态再结晶过程（cDRX）。该过程以变形过程中形成的亚界面分割原始晶粒为特点，加之动态回复过程，可以在高密度的亚结构组织中获得超细晶粒，晶粒尺度可达亚微米级甚至纳米级。另外通过对连续再结晶过程影响因素的研究，发现基体中的纳米析出物通过增加组织内部亚界面相互接触的概率，可以有效促进cDRX的进行。基于此，本专利对具有纳米析出特征的低碳低合金钢轧制工艺进行改进，得到一种通过应变诱导析出加强的连续动态再结晶细化工艺。相较于DIFT等工艺，本发明更加节能，更利于工业大批量生产。且由于其细化原理更趋近于机械细化过程，不涉及合金元素的长程扩散，因此在均匀超细铁素体晶粒细化方面具有更大的发展前景。

中国专利公开号为 CN 102828109 的专利文献，公开了一种亚稳态相变增塑的超细晶高强塑积钢，虽然力学性能优异，但是由于其碳及锰含量相对较高，组织已不是单相铁素体组织，且细化机理与本发明完全不同。

中国专利公开号为 CN 105274302 的专利文献，公开了一种晶粒高均匀度的微合金超细晶热轧钢板及其制备方法。虽然其工艺中也涉及奥氏体应变诱导析出过程，但是其具体细化原理为利用析出物增加相变过程中的非均匀形核位置来促进形核，进而促进晶粒细化。该细化过程实为应变诱导铁素体相变(DIFT)。与此同时，受该工艺不完全转变的特点，其室温组织难以达到全铁素体组织。

中国专利公开号为 CN 103388109的专利文献，公开了一种500MPa级超细晶工程机械用钢及制造方法，其轧制过程主要为奥氏体未再结晶区轧制促进晶粒细化的传统控轧控冷工艺。该工艺通过提高相变前奥氏体组织内部的亚结构密度，进而提高相变过程中非均匀形核率的方式进行晶粒细化。因为晶粒细化完全受扩散机制控制，细化效果有限且存在组织不均匀的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服目前超细晶生产工艺在生产效率及晶粒细化程度方面的不足，利用轧制过程，开发一种实现铁素体均匀超细化的新钢种及新工艺。该工艺利用奥氏体未再结晶区轧制过程中的纳米级应变诱导析出物，促进后续温轧过程中铁素体的连续动态再结晶，进而实现晶粒的均匀超细化。

本发明低碳微合金超细晶钢的化学组分以重量百分比计为：C 0.06~0.12%，Si0.17~0.21%，Mn 1.40~1.55%，Ti 0.05~0.15%，Al 0.03~0.08%，N ≤0.015%，S ≤0.005%，P≤0.010%，M 0.2~0.4%，余量为Fe和不可避免的杂质，其中M为纯Mo，或Mo同0.05~0.1Nb、0.05~0.2V的混合。

上述低碳微合金超细晶钢制备工艺包括依次进行的冶炼、铸造、加热、控轧控冷、轧后保温；

所述加热工序中加热温度为1200~1250℃，加热时间为60~120min；

所述控轧控冷工序采用两阶段控制轧制，其中粗轧开轧温度850~1150℃，终轧温度850~930℃，且终轧道次压下率在30%~50%；精轧开轧温度600~650℃，终轧温度580~650℃,且每道次压下率大于60%。粗轧后中间坯待温过程根据板厚采用不同冷却方式，粗轧后板厚≥20mm，采用层流冷却方式，冷却速率控制在13~18℃/s，且冷后精轧前需待温5~10s,促进钢板温度均匀；若板厚<20mm，采用空冷方式。

所述冶炼和铸造工序包括铁水脱硫、转炉顶底吹炼、将满足化学成分要求的钢水浇铸成板坯。

所述控轧控冷工艺后，需对轧件进行保温，保温温度550~650℃，保温时间30~60min，保温后空冷至室温。

所述低碳微合金超细晶钢最终得到的组织为平均晶粒小于2μm的连续动态再结晶晶粒，晶粒内部含有大量亚结构以及纳米级析出物，且纳米析出物质量分数占到总析出量的70%以上。

本发明充分利用应变诱导析出物的促进作用，主要表现在两方面，其一为通过应变诱导析出物对奥氏体中合金元素的消耗，提高了其Ar₃温度，促进了铁素体在相对较高温度下的转变，即促进高温铁素体的形成。另一方面，由于连续动态再结晶不涉及合金元素扩散，纳米级析出物可以抑制后续温轧过程中亚界面的扩展，增加了其相互间接触概率进而细化晶粒。此外，高温铁素体的形成以及轧后保温促进了回复过程，提高了晶粒间的取向差角，促进了超细晶粒的形成。

本发明生产的低碳低合金超细晶钢简化了生产工艺、节约了能源、降低了成本，且力学性能优异。常温屈服强度Rel≥750Mpa，抗拉强度Rm≥800MPa，断后伸长率≥15％，焊接性能良好。

附图说明

图1是实施例1的金相组织图。

图2是实施例2的晶粒平均直径统计图。

图3是实施例3的细化晶粒以及纳米析出相的透射电镜图（TEM）。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

低碳微合金化超细晶钢的生产工艺为：包括冶炼浇铸、加热、控轧控冷和轧后保温过程。其中冶炼工序为：采用转炉炼钢，顶底复合吹炼深脱碳，RH真空处理脱碳并进行合金化；浇铸工序为：真空脱碳后将满足化学成分要求的钢水浇铸成30~100mm厚板坯；加热工序为：采用上述铸坯进行轧前装炉加热，加热温度为1200~1250℃，加热时间为60~120min。

所述控轧控冷工序采用两阶段控制轧制，其中粗轧开轧温度850~1150℃，终轧温度850~930℃，且终轧道次压下率在30%~50%；精轧开轧温度600~650℃，终轧温度600~650℃，且每道次压下率≥60%。粗轧后中间坯待温过程根据板厚采用不同冷却方式，粗轧后板厚≥20mm，采用层流冷却方式，冷却速率控制在13~18℃/s，且冷后精轧前需待温5~10s，促进钢板温度均匀；若板厚<20mm，采用空冷方式。所述轧后保温工艺，保温温度550~650℃，保温时间30~60min，保温后空冷至室温。

实施例1

本实施例的微合金钢是由以下重量百分比的组分制备而成：C 0.06%，Si 0.17%，Mn1.4%，Ti 0.08%，Mo 0.23%，V 0.05%，Al 0.039%，N 0.009%，S 0.003%，P 0.007%，余量为Fe和不可避免的杂质。按以上成分冶炼浇铸成80mm厚板坯，将板坯送入加热炉，加热温度1200℃，加热时间60min。粗轧开轧温度1150℃，终轧温度865℃，粗轧后轧后板厚30mm；粗轧后控冷工艺采用层流冷却，冷速17℃/s；精轧开轧温度620℃，单道次轧制且压下率为0.63，精轧后板厚11mm。随后600℃保温30min后空冷至室温。

图1是本实施例的金相组织图，由图可知钢板的金相组织为超细化的均匀多边形铁素体，平均晶粒直径为1.1μm。产品的Rel=763MPa，Rm=821MPa，伸长率A=17.4%，综合力学性能及焊接性能良好。

实施例2

本实施例的锅炉用钢是由以下重量百分比的组分制备而成：C 0.11%，Si 0.21%，Mn1.48%，Ti 0.11%，Mo 0.31%，Al 0.041%，N 0.005%，S 0.0028%，P 0.0054%，余量为Fe和不可避免的杂质。按以上成分冶炼并浇铸成40mm厚板坯，将板坯送入加热炉，加热温度1230℃，加热时间120min。粗轧开轧温度850℃，单道次轧制，轧后板厚25mm；粗轧后控冷工艺采用层流冷却，冷速15℃/s；精轧开轧温度650℃，终轧温度610℃，精轧后板厚4mm。随后600℃保温45min后空冷至室温。

图2是本实施例的晶粒尺寸分布图，由图可知晶粒效果显著，亚微米级晶粒数目可达80%以上，平均晶粒大小为0.8μm。产品的Rel=850MPa，Rm=890MPa，伸长率A=15%，力学性能优异。

实施例3

本实施例的锅炉用钢是由以下重量百分比的组分制备而成：C 0.08%，Si 0.21%，Mn1.55%，Ti 0.09%，Mo 0.16%，Nb 0.08，N 0.012%，S 0.004%，P 0.006%，余量为Fe和不可避免的杂质。按以上成分冶炼并浇铸成60mm厚板坯，将板坯送入加热炉，加热温度1230℃，加热时间120min。粗轧开轧温度1200℃，终轧温度915℃，粗轧后板厚12mm；粗轧后控制冷却为空冷；精轧开轧温度600℃，终轧温度587℃，精轧后板厚2mm。随后于600℃保温60min后空冷至室温。

图3是本实施例的细化晶粒的TEM图，平均晶粒细化到1.4μm，图中很明显可以看到大量的纳米级析出相存在。产品的R_el=794MPa，R_m=886MPa，伸长率A=18.9%。

Claims

1.一种低碳微合金超细晶钢，其特征在于，低碳微合金超细晶钢的化学组分以重量百分比计为：C 0.06~0.12%，Si 0.17~0.21%，Mn 1.40~1.55%，Ti 0.05~0.15%，Al 0.03~0.08%，N ≤0.015%，S ≤0.005%，P ≤0.010%，M 0.2~0.4%，余量为Fe和不可避免的杂质，其中M为纯Mo，或Mo同Nb 0.05~0.1%、V 0.05~0.2%的混合。

2.权利要求1所述低碳微合金超细晶钢的制造方法，包括依次进行的冶炼、铸造、加热、控轧控冷、轧后保温，其特征在于，所述加热工序中加热温度为1200~1250℃，加热时间为60~120min；所述控轧控冷工序采用两阶段控制轧制，其中粗轧开轧温度850~1150℃，终轧温度850~930℃，且终轧道次压下率在30%~50%；精轧开轧温度600~650℃，终轧温度580~650℃,且每道次压下率大于60%。

3.如权利要求2所述的低碳微合金超细晶钢的制造方法，其特征在于，粗轧后中间坯待温过程根据板厚采用不同冷却方式，粗轧后板厚≥20mm，采用层流冷却方式，冷却速率控制在13~18℃/s，且冷后精轧前需待温5~10s，促进钢板温度均匀；若板厚<20mm，采用空冷方式。

4.如权利要求2所述的低碳微合金超细晶钢的制造方法，其特征在于，所述控轧控冷工艺后，需对轧件进行保温，保温温度550~650℃，保温时间30~60min，保温后空冷至室温。

5.权利要求1或2所述低碳微合金超细晶钢，其特征在于，最终得到的组织为平均晶粒小于2μm的连续动态再结晶晶粒，晶粒内部含有大量亚结构以及纳米级析出物，且纳米析出物质量分数占到总析出量的70%以上。