CN107475618B - 一种高强韧低碳含铝中锰形变诱发塑性钢及制备方法 - Google Patents

一种高强韧低碳含铝中锰形变诱发塑性钢及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强韧低碳含铝中锰形变诱发塑性钢及其制备方法，成分按质量百分比范围为：碳：0.15%~0.22%，锰：8.5%~9.5%，铝：3%~3.5%，余量为铁与不可避免的杂质。制备方法包括以下步骤：1）合金熔炼，采用真空感应熔炼炉进行冶炼，在氩气保护下浇注成柱状钢锭；2）锻造，柱状钢锭去氧化皮后在1250℃均匀化退火2h后进行锻造，最终成型为100mm×30mm的板坯试样；3）一次淬火或多次循环淬火；4）临界退火，将淬火后的试样放入电阻炉内进行退火。本发明成分设计合理，工艺简单优化，材料兼具高强度和高塑性的特性。

Description

一种高强韧低碳含铝中锰形变诱发塑性钢及制备方法
技术领域
本发明涉及高强钢制备技术领域，具体涉及一种高强韧低碳含铝中锰形变诱发塑性钢及制备方法。
背景技术
金属材料具有高强度且兼具高塑性一直是合金设计者追求的目标，然而，传统金属材料在提升其强度的同时会显著地降低材料的塑性，很难满足实际工况中材料的使用要求。形变诱发塑性(Transformation Induced Plasticity,TRIP)钢是目前研究较为热点的先进高强度钢种，其主要利用组织中大量不同稳定性等级的亚稳态奥氏体组织形变过程中诱发马氏体相变，提高材料强度；同时相变过程中应力集中释放及在分布，可明显地改善材料的塑性。因此，对于形变诱发塑性钢，室温下获得不同状态(包括晶粒尺寸，形貌和分布)的奥氏体组织，充分利用细晶强化和形变强化，是实现材料增强增塑的关键。
目前大部分中锰TRIP钢均采用奥氏体逆转变工艺，以马氏体组织为初始状态，在临界区退火过程逆转变为奥氏体，室温下可残留含量较多奥氏体组织，从而保证材料具有较好的综合力学性能。但由于无铝中锰钢两相区温度较低，一般需要耗费较长的退火时间，需要数小时甚至数天，生产效率较低。另外，临界区形成的奥氏体组织状态受原始材料的组织状态影响较大，特别是原始奥氏体晶粒尺寸。一般情况，原始奥氏体晶粒越细小，初始态马氏体越细小，临界区形成的逆转变奥氏体晶粒越细小。控制初始马氏体组织状态，成为奥氏体逆转变工艺过程中不可避免的问题。
如何通过成分设计和工艺优化，实现经济型、实用型先进高强度钢的研发和生产，是本领域研究人员致力追求的方向。从热处理工艺调控而不借助其他机械变形细化晶粒手段，进一步改善材料的组织状态和综合力学性能，特别是冲击性能，目前还鲜有报道。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种成分设计合理，工艺简单优化的高强韧低碳含铝中锰形变诱发塑性钢及制备方法，本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种高强韧低碳含铝中锰形变诱发塑性钢，成分按质量百分比范围为：碳：0.15％～0.22％，锰：8.5％～9.5％，铝：3％～3.5％，余量为铁与不可避免的杂质。
作为优选，成分按质量百分比范围为：碳：0.18％，锰：9％，铝：3.4％，余量为铁与不可避免的杂质。
一种高强韧低碳含铝中锰形变诱发塑性钢的制备方法，包括以下步骤：
1)合金熔炼，依照权利要求1所述成分进行合金配料，采用真空感应熔炼炉进行冶炼，精炼真空脱气后，在氩气保护下浇注成柱状钢锭；
2)锻造，柱状钢锭去氧化皮后在1250℃均匀化退火2h后进行锻造，开锻温度为1250℃，终锻温度为850℃，随后空冷至室温，最终成型为100mm×30mm的板坯试样；
3)一次淬火，将试样置于电阻炉内，通电加热，升温速率为8～12℃/min；升温至900℃后保温30min，随后取出试样淬至水中；
4)临界退火，将淬火后的试样放入电阻炉内，试样随炉加热至750℃，升温速率为8～12℃/min，温度升温至750℃后保温60min，然后随炉冷却至室温。
作为优选，所述步骤3)和步骤4)之间还包括二次淬火，将电阻炉加热至900℃后，将试样放入炉中，当温度升至900℃时开始计时10min，随后取出试样淬至水中。
作为优选，所述二次淬火和步骤4)之间还包括三次淬火，将电阻炉加热至900℃后，将试样放入炉中，当温度升至900℃时开始计时3min，随后取出试样淬至水中。
作为优选，所述步骤1)中，真空感应熔炼炉进行冶炼时，首先将真空度抽至0.1Pa，充入体积百分比为99.99％的氩气使真空度达到0.04～0.07Pa后开始送电，逐渐加热升温至1700℃，保温20～30min，确保原料完全熔清。
作为优选，所述步骤1)中，所述浇注温度为：1400～1500℃。
作为优选，所述步骤1)中，所述真空感应熔炼炉为50KG中频真空感应熔炼炉。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
成分中加入适量Al元素可明显地提升两相区温度范围，使得临界退火可选取在较高的温度下进行，较高的温度可满足C和Mn元素快速的扩散，有利室温下获得成分均匀和含量较多的奥氏体组织。另外，采用循环淬火+奥氏体逆转变工艺，较传统中锰钢奥氏体逆转变热处理工艺，可明显细化逆转前马氏体组织，进而细化逆转变形成的条状奥氏体团束，奥氏体团束可从20μm～30μm细化至5μm～15μm。细晶强化和相变强化作用可明显提升材料的综合力学性能，强塑积和冲击吸收功分别从30.78GPa·％和182J，提升至41.53GPa·％和221J，优异的综合力学性能可满足当前报道的第三代高强度钢的要求。
附图说明
图1为本发明实施例一制得的中锰形变诱发塑性钢的显微组织；
图2为本发明实施例二制得的中锰形变诱发塑性钢的显微组织；
图3为本发明实施例三制得的中锰形变诱发塑性钢的显微组织；
表1为本发明中锰形变诱发塑性钢化学成分；
表2为本发明中锰形变诱发塑性钢力学性能。其中，ART表示一次淬火+临界退火工艺，CQ2-ART表示一次淬火+二次淬火+临界退火工艺，CQ3-ART表示一次淬火+二次淬火+三次淬火+临界退火工艺。
具体实施方式
成分设计如表1所示。
材料制备过程如下。
依照表1所述设计成分进行合金配料，采用中频真空感应熔炼炉进行冶炼，精炼真空脱气后，在氩气保护下浇注成柱状钢锭。将柱状钢锭去氧化皮后采取自由锻造。铸态钢锭在1250℃均匀化退火2h后进行锻造，开锻温度为1250℃，终锻温度为850℃，随后冷却至室温，最终成型为100mm(宽)×30mm(厚)的板坯试样。
将锻造态材料进行热处理组织调控，主要采用循环淬火+奥氏体逆转变工艺，如图1所示。具体工艺参数为：在临界退火前，采用循环淬火处理，即通过一次或多次快速奥氏体化，快速淬火，循环往复。一次奥氏体化温度为900℃保温30min，二次和三次奥氏化保温为900℃，保温时间分别为10min和3min。临界退火过程中，两相区保温温度为750℃，保温时间为60min，随炉冷却至室温。
本发明的一次或多次循环淬火具体实施步骤如下：一次淬火，将试样置于电阻炉内，通电加热，升温速率为8～12℃/min；升温至900℃后保温30min，随后取出试样快速淬至水中，淬火过程中保证水量充足且试样不断摆动以保证其均匀淬透；二次淬火，将电阻炉加热至900℃后，将试样放入炉中，当温度升至保温稳定值900℃)时开始计时10min，随后取出试样快速淬至水中，淬火过程中保证水量充足且试样不断摆动以保证其均匀淬透；三次淬火，将电阻炉加热至900℃后，将试样放入炉中，当温度升至保温稳定值(900±3℃)时开始计时3min，随后取出试样快速淬至水中，淬火过程中保证水量充足且试样不断摆动以保证其均匀淬透。
最后进行临界退火，将淬火后的试样放入电阻炉内，试样随炉加热至750℃，升温速率为8～12℃/min，温度稳定值为750℃，保温60min，然后随炉冷却至室温。
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述：
实施例1
成分按质量百分比范围为：碳(C)：0.15％，锰(Mn)：8.5％，铝(Al)：3.5％，余量为铁与不可避免的杂质。材料制备过程如下：1)合金熔炼，依照成分进行合金配料，采用50KG中频真空感应熔炼炉进行冶炼，首先将真空度抽至0.1Pa，充入体积百分比为99.99％的氩气使真空度达到0.04～0.07Pa后开始送电，逐渐加热升温至1700℃，保温20～30min，确保原料完全熔清。精炼真空脱气后，在氩气保护下浇注成柱状钢锭，浇注温度为：1400～1500℃；2)锻造，柱状钢锭去氧化皮后在1250℃均匀化退火2h后进行锻造，开锻温度为1250℃，终锻温度为850℃，随后空冷至室温，最终成型为100mm×30mm的板坯试样；3)一次淬火，将试样置于电阻炉内，通电加热，升温速率为8～12℃/min；升温至900℃后保温30min，随后取出试样快速淬至水中，淬火过程中保证水量充足且工件需要不断摆动以保证其均匀淬透；4)临界退火，将淬火后的试样放入电阻炉内，试样随炉加热至750℃，升温速率为8～12℃/min，温度升温至750℃后保温60min，然后随炉冷却至室温。
实施例2
成分按质量百分比范围为：碳：0.18％，锰：9％，铝：3.4％，余量为铁与不可避免的杂质。材料制备过程如下：1)合金熔炼，依照成分进行合金配料，采用50KG中频真空感应熔炼炉进行冶炼，首先将真空度抽至0.1Pa，充入体积百分比为99.99％的氩气使真空度达到0.04～0.07Pa后开始送电，逐渐加热升温至1700℃，保温20～30min，确保原料完全熔清。精炼真空脱气后，在氩气保护下浇注成柱状钢锭，浇注温度为：1400～1500℃；2)锻造，柱状钢锭去氧化皮后在1250℃均匀化退火2h后进行锻造，开锻温度为1250℃，终锻温度为850℃，随后空冷至室温，最终成型为100mm×30mm的板坯试样；3)一次淬火，将试样置于电阻炉内，通电加热，升温速率为8～12℃/min；升温至900℃后保温30min，随后取出试样快速淬至水中，淬火过程中保证水量充足且工件需要不断摆动以保证其均匀淬透；4)二次淬火，将电阻炉加热至900℃后，将试样放入炉中，当温度升至900℃时开始计时10min，随后取出试样淬至水中；5)临界退火，将淬火后的试样放入电阻炉内，试样随炉加热至750℃，升温速率为8～12℃/min，温度升温至750℃后保温60min，然后随炉冷却至室温。
实施例3
成分按质量百分比范围为：碳(C)：0.22％，锰(Mn)：9.5％，铝(Al)：3％，余量为铁与不可避免的杂质。材料制备过程如下：1)合金熔炼，依照成分进行合金配料，采用50KG中频真空感应熔炼炉进行冶炼，首先将真空度抽至0.1Pa，充入体积百分比为99.99％的氩气使真空度达到0.04～0.07Pa后开始送电，逐渐加热升温至1700℃，保温20～30min，确保原料完全熔清。精炼真空脱气后，在氩气保护下浇注成柱状钢锭，浇注温度为：1400～1500℃；2)锻造，柱状钢锭去氧化皮后在1250℃均匀化退火2h后进行锻造，开锻温度为1250℃，终锻温度为850℃，随后空冷至室温，最终成型为100mm×30mm的板坯试样；3)一次淬火，将试样置于电阻炉内，通电加热，升温速率为8～12℃/min；升温至900℃后保温30min，随后取出试样快速淬至水中，淬火过程中保证水量充足且工件需要不断摆动以保证其均匀淬透；4)二次淬火，将电阻炉加热至900℃后，将试样放入炉中，当温度升至900℃时开始计时10min，随后取出试样淬至水中；5)三次淬火，将电阻炉加热至900℃后，将试样放入炉中，当温度升至900℃时开始计时3min，随后取出试样淬至水中。6)临界退火，将淬火后的试样放入电阻炉内，试样随炉加热至750℃，升温速率为8～12℃/min，温度升温至750℃后保温60min，然后随炉冷却至室温。
经力学性能测定，不同工艺参数材料力学性能如表2所示。
经组织表征，材料室温下组织为铁素体(包括delta-铁素体和临界铁素体)和细小条状逆转变奥氏体组成的多相组织，如图1～3所示。成分中较多Al含量，使得组织中存在20％～30％的delta-铁素体，作为软相可保证材料获得较好的塑性及韧性。实施例二试样，较传统临界退火处理，逆转变形成的奥氏体-铁素体束明显细化，其中奥氏体板条长度细化至2～10μm。基于细化的层状奥氏体+铁素体复相组织，本发明材料兼具高强度和高塑性的特性。
表1
表2
本发明合理的成分设计，优化了热处理的临界退火时间；合适的热处理技术，明显改善了组织的晶粒尺寸。设计成分简单、工艺技术经济实用，可适用于高强高塑中锰钢的实际生产。
本发明并不仅限于上述实施方式，不能以此限定本发明的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，都应解释为属于本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (6)

1.一种高强韧低碳含铝中锰形变诱发塑性钢的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）合金熔炼，依照成分进行合金配料，成分按质量百分比范围为：碳0.15%~0.22%，锰8.5%~9.5%，铝3%~3.5%，余量为铁与不可避免的杂质，采用真空感应熔炼炉进行冶炼，精炼真空脱气后，在氩气保护下浇注成柱状钢锭；
2）锻造，柱状钢锭去氧化皮后在1250℃均匀化退火2h后进行锻造，开锻温度为1250℃，终锻温度为850℃，随后空冷至室温，最终成型为100mm×30mm的板坯试样；
3）一次淬火，将试样置于电阻炉内，通电加热，升温速率为8~12℃/min；升温至900℃后保温30min，随后取出试样淬至水中；
4）二次淬火，将电阻炉加热至900℃后，将试样放入炉中，当温度升至900℃时开始计时10min，随后取出试样淬至水中；
5）临界退火，将淬火后的试样放入电阻炉内，试样随炉加热至750℃，升温速率为8~12℃/min，温度升温至750℃后保温60min，然后随炉冷却至室温。
2.如权利要求1所述的一种高强韧低碳含铝中锰形变诱发塑性钢的制备方法，其特征在于所述成分按质量百分比范围为：碳0.18%，锰9%，铝3.4%，余量为铁与不可避免的杂质。
3.如权利要求1或2所述的一种高强韧低碳含铝中锰形变诱发塑性钢的制备方法，其特征在于所述二次淬火和步骤5）之间还包括三次淬火，将电阻炉加热至900℃后，将试样放入炉中，当温度升至900℃时开始计时3min，随后取出试样淬至水中。
4.如权利要求1或2所述的一种高强韧低碳含铝中锰形变诱发塑性钢的制备方法，其特征在于所述步骤1）中，真空感应熔炼炉进行冶炼时，首先将真空度抽至0.1Pa，充入体积百分比为99.99%的氩气使真空度达到0.04~0.07Pa后开始送电，逐渐加热升温至1700℃，保温20~30min，确保原料完全熔清。
5.如权利要求1或2所述的一种高强韧低碳含铝中锰形变诱发塑性钢的制备方法，其特征在于所述步骤1）中，所述浇注温度为：1400~1500℃。
6.如权利要求1或2所述的一种高强韧低碳含铝中锰形变诱发塑性钢的制备方法，其特征在于所述步骤1）中，所述真空感应熔炼炉为50kg 中频真空感应熔炼炉。
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