CN108330402A - 一种Nb-Mo合金高强高塑性冷轧中锰钢及其制备方法 - Google Patents

一种Nb-Mo合金高强高塑性冷轧中锰钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种Nb‑Mo合金高强高塑性冷轧中锰钢及其制备方法，属于第三代高强高塑性冷轧钢技术领域。钢的化学成分按质量百分数计为：C 0.10～0.15，Mn 4.0～5.0，Al 0.5～1.0，Si 0～0.10，Nb 0～0.05，Mo 0～0.20，余量为Fe及不可避免的杂质。其制备方法依次是冶炼锻造、热轧退火、酸洗、冷轧和轧后热处理。本方法的钢生产工艺简单，钢轧后热处理工艺较为简单易控，适用于钢铁企业常规化、批量化生产。本发明的钢成品厚1.5～2.5mm，具有超细结构，且钢强度高，塑性好，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，是理想的第三代汽车用钢。

Description

一种Nb-Mo合金高强高塑性冷轧中锰钢及其制备方法
技术领域
本发明属于第三代高强高塑性冷轧钢技术领域，具体地说是涉及一种Nb-Mo合金高强高塑性冷轧中锰钢及其制备方法。
背景技术
现代汽车工业的主要发展方向是节能减排和提高碰撞的安全性，美国率先提出了具有高强度高塑的第三代汽车用先进高强度钢(AHSS)这一概念，作为未来汽车用钢的发展方向。第一代先进高强钢的强塑积为10～20GPa·％，第二代先进高强钢强塑积可达50～70GPa·％，但主要以昂贵的合金元素为代价换取优越的力学性能，导致其成本过高，冶炼连铸工艺、冶金生产困难及可涂镀性能差等问题。近几年，国内外材料和冶金学者积极开发第三代汽车用钢，主要包括中锰钢，其成本与第一代AHSS汽车用钢接近，而性能接近甚至超过第二代AHSS汽车用钢。第三代AHSS汽车用钢中Mn的质量分数为3％～11％，第三代先进高强度钢的强塑积可达30GPa·％以上，既降低了生产成本，又提高了汽车用钢的力学性能，具有突出的竞争优势和广阔的发展前景。近年来，许多学者围绕着中锰钢进行了很多研究。
目前，生产中锰钢的典型工艺流程主要为“热轧、冷轧和临界退火”相结合技术。近年来，学者的研究领域主要集中在中锰TRIP钢的逆相变退火(ART)热处理工艺。对于中锰TRIP钢，为了获得尽可能多奥氏体，通常先把冷轧钢板完全奥氏体化，然后在两相区长时间保温，在马氏体逆相变阶段一般需要较长的退火时间(少则几小时多则几天)，这对于生产中的节能减排是不利的，因此有必要寻找更节能快捷的热处理工艺。中国专利申请号为201310681656.X，公开了一种高强度高塑性冷轧中锰钢及其制备方法，钢中含有0.15％～0.20％C+8.0％～11％Mn+3.0％～4.0％Al+0～0.04％Nb，该钢中添加了大量的Mn、Al合金元素，其中Al为3.0％～4.0％，Al含量很高，容易造成连铸过程中中间包水口堵塞和连铸裂纹，存在一系列安全隐患，不利于工业生产。中国专利申请号201610455155.3，公开了一种超高强度塑性积的冷轧中锰钢及其制备方法，钢中含有0.25％～0.35％C+7.0％～9.5％Mn+2％～2.9％Al，该钢通过铸坯热轧、热轧退火、冷轧成板材，然后进行三种生产线较长时间的热处理，得到较多的残余奥氏体组织，但工艺较为繁琐，退火时间过长，不利于实际工业生产，增加了能耗，虽得到强塑积超过60GPa·％的钢板，但实用性不强。中国专利申请号为201710030097.3，介绍了一种超快速加热工艺生产高强塑积中锰冷轧钢板的方法，钢中含有0.2％～0.4％C+6.0％～9.0％Mn+2％～3％Al，该钢通过铸坯热轧、热轧退火、冷轧成板材，然后对冷轧钢板进行磁感应通道或者电阻加热，以100～500℃/s速率快速加热至700～750℃，最后不经历保温或极短的保温时间立即冷却，制得高强塑积中锰冷轧钢板，但这需要专门的设备。
综上所述，前述公开的冷轧中锰钢抗拉强度为900～1300MPa，延伸率50％～70％，但其添加了较多的Mn、Al等合金元素，主要以合金元素为代价换取优越的力学性能，导致成本较高，冶炼连铸工艺、冶金生产困难及可涂镀性能差。
发明内容
本发明的目的是旨在克服现有的技术缺陷，而提供一种工艺简单、生产率高的Nb-Mo合金高强高塑性冷轧中锰钢及其制备方法，所制备的Nb-Mo合金高强高塑性冷轧中锰钢成本较低且具有高的抗拉强度、优秀的伸长率、优异的强塑积和高加工硬化率。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种Nb-Mo合金高强高塑性冷轧中锰钢，所述钢的化学成分按质量百分数计为：C 0.10～0.15，Mn 4.0～5.0，Al 0.5～1.0，Si 0～0.10，Nb 0～0.05，Mo 0～0.20，余量为Fe及不可避免的杂质，钢板成品厚度为1.5～2.5mm。
本发明还提供上述Nb-Mo合金高强高塑性冷轧中锰钢的制备方法，依次包括冶炼锻造、热轧退火、酸洗、冷轧和轧后热处理，按以下步骤进行：
⑴、熔炼及锻造：将所述钢的化学成分按质量百分数计为：C 0.10～0.15，Mn 4.0～5.0，Al 0.5～1.0，Si 0～0.10，Nb 0～0.05，Mo 0～0.20，余量为Fe及杂质；加入到真空感应熔炼炉中，在1650～1200℃温度熔炼，浇铸得到15kg钢锭；将钢锭加热至1200℃，保温2h，锻造成截面尺寸30mm×30mm的方坯；
⑵、热轧：将钢坯放入高温炉内从室温加热到1200℃，保温2h，开轧温度1100～1150℃，终轧温度850～900℃，经过4～6道次，累计变形量为80％～90％，热轧成厚度为3～6mm的薄板，随后空冷到室温；
⑶、热轧后热处理：所述的热轧板退火温度为770～800℃，在加热炉中保温0.5～1.5h后，快速水冷至室温；将淬火后的钢板在200℃回火，回火时间15～20min，空冷至室温；
⑷、酸洗：用砂纸磨去表面铁皮并用1:3的盐酸和水对热轧处理后的钢板进行酸洗，至其表面光滑无杂质，涂上防止其表面氧化的机油类液体；
⑸、冷轧：将处理后光滑的热轧板在冷轧机上冷轧至所需板材最终厚度的冷轧板，冷轧累计变形量为30％～70％；
⑹、冷轧后热处理：所述的冷轧板退火温度为600～750℃，在加热炉中保温20～30min后，水冷至室温，淬火后回火温度为200℃，保温时间5～15min，空冷至室温，制成钢板厚度为1.5～2.5mm的成品。
所述制备的Nb-Mo合金高强高塑性冷轧中锰钢板，其抗拉强度为878～1373MPa，屈服强度为659～1150MPa，总延伸率为20％～40％，强塑积为21.8～41GPa·％。
本发明选择的钢的成分中：
碳(C)：是钢中最经济最有效的固溶强化元素，同时是重要的稳定奥氏体的元素。一般来说，钢的碳含量越高，其残余奥氏体含量越多，形变时TRIP效应越显著，进而提高了强度、塑性和加工硬化性。但是碳含量过高时可能引起浇铸时的成分偏析缺陷，同时也会使焊接性能变差。因此本发明中选择的C为0.10％～0.15％。
锰(Mn)：其作用主要是开启钢的奥氏体相区，使先共析铁素体析出线向右移，具有稳定奥氏体的作用，使奥氏体相变温度降低，推迟珠光体的形成，有利于最终显微组织中残余奥氏体含量的增加。但Mn含量过高会使奥氏体过于稳定，不利于钢的TRIP效应，且提高Mn含量会加重其偏析，且在扩散退火时难以实现成分均匀化。本发明中选择的Mn为4.0％～5.0％。
硅(Si)：Si是重要的铁素体形成元素，也是非碳化物形成元素，能显著增加铁素体中碳原子的活度，促进残余奥氏体的形成并提高其稳定性。但硅含量过高会降低TRIP钢的表面质量和焊接性能，所以本发明中Si含量设计为Si≤0.10％。
铝(Al)：Al的主要影响逆相变退火时碳和锰在基体中的分布状态，同时也影响残余奥氏体的层错能和力学性能，可以起到细化晶粒的作用，却不影响钢表面质量，可以部分代替硅。同时，铝合金化可以显著缩短钢的热处理时间，加快其再结晶过程。但过高的铝含量会导致连铸过程水口堵塞和连铸裂纹等问题，本发明中选择的Al为0.5％～1.0％。
钼(Mo)：微合金元素Mo能提高钢材的淬透性，影响奥氏体向铁素体的转变动力学，钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。本发明中Mo含量设计为Mo≤0.20％。
铌(Nb)：溶质Nb元素主要在铁素体和奥氏体晶界富集，溶质Nb的拖曳作用可抑制铁素体长大，Nb元素不仅在晶内析出NbC颗粒阻碍位错的运动，提高强度，也在奥氏体，铁素体晶界偏析，推迟奥氏体向铁素体的相变。因此微合金Nb的加入对晶粒细化、强化基体起到显著的作用，使工艺控制变得较为容易，能够在韧性不明显变化的情况下进一步增加钢的强度。所以本发明中Nb含量设计为Nb≤0.05％。
本发明的冷轧中锰钢及其制备方法与现有的技术相比具有的优点是：
①、本发明钢的化学成分简单，采用质量百分数低于6％合金元素的设计，提高钢的强度与塑性，适用于制作汽车车身结构件中的车柱、顶梁、横梁等部件，保证汽车的安全性。成分中添加微合金元素Nb，一方面通过析出强化提高钢强度，另一方面高温下钉扎奥氏体晶界，阻止奥氏体粗化，有利于轧后获得细小、均匀组织，提高钢强度和低温韧性，同时有利于焊接性能提高。
②、本发明钢的生产工艺采用两阶段淬火+回火工艺，第Ⅰ阶段热轧后冷轧前淬火+回火的热处理工艺，为的是改变热轧钢的组织，增加奥氏体相比例，提高材料的塑性，减小冷轧时的变形抗力，避免冷轧过程中钢板的开裂。第Ⅱ阶段冷轧前淬火+回火的热处理工艺，进一步细化组织，产生形变带，增加相变形核点，有利于得到细小组织，本发明钢的热处理时间较短，操作较为简便，而且能获得优越的力学性能。
③、本发明的钢的力学性能优良，抗拉强度878～1373MPa，屈服强度为659～1150MPa，总延伸率为20％～40％，强塑积为21.8～41GPa·％。
附图说明
图1为本发明Nb-Mo合金高强高塑性冷轧中锰钢制备方法步骤示意图。
图2为本发明制备的实施例1～6的冷轧中锰钢XRD图谱。
图3为本发明制备的实施例1～6的冷轧中锰钢金相组织图。
图4为本发明实施例3的冷轧中锰钢TEM图。
图5为本发明制备的实施例1～6的冷轧中锰钢SEM组织图。
图6为本发明实施例1～6的冷轧中锰钢应力应变曲线图。
上述图中：BZ表示步骤，BZ⑴～⑵表示步骤⑴～⑵；
HR为热轧、CR为冷轧、AC为空冷、WQ为水冷；
AC1为奥氏体开始形成点温度、AC3为奥氏体化温度；
L1～L6分别表示实施例1～实施例6。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明的Nb-Mo合金高强高塑性冷轧中锰钢及其制备方法作进一步详细的描述，但本发明的实施不限于此。
实施例：本发明的Nb-Mo合金高强高塑性冷轧中锰钢钢的化学成分，表1列出了实施例中各化学元素的质量百分比，A组为实施例1、2钢的成分，B组为实施例3、4钢的成分，C组为实施例5、6钢的成分。
表1 本发明钢的化学成分，按质量％(余量为Fe及其他杂质元素)
组分序号 C Si Mn Al Mo Nb
A 0.10 - 4.0 1.00 0.20 -
B 0.12 0.01 4.73 0.82 0.09 0.03
C 0.15 0.10 5.0 0.50 - 0.05
实施例1～6的冷轧中锰钢采用下述步骤制备：
⑴、熔炼及锻造：采用真空感应熔炼炉在1650～1200℃温度熔炼，控制化学元素的质量百分比如表1所示，浇铸得到15kg钢锭；将钢锭加热至1200℃，保温2h，锻造成截面尺寸30mm×30mm的方坯；
⑵、热轧：将钢坯放入高温炉内从室温加热到1200℃，保温2h，开轧温度1100～1150℃，终轧温度850～900℃，经过6道次，累计变形量为90％，热轧成厚度为3mm的薄板，随后空冷到室温；
⑶、热轧后热处理：所述的热轧板退火温度为770～800℃，在加热炉中保温0.5～1.5h后，快速水冷至室温；将淬火后的钢板在200℃回火，回火时间15～20min，空冷至室温；
⑷、酸洗：用砂纸磨去表面铁皮并用1:3的盐酸和水对热轧处理后的钢板进行酸洗，至其表面光滑无杂质，涂上防止其表面氧化的机油类液体；
⑸、冷轧：将处理后光滑的热轧板在冷轧机上冷轧2.0mm厚度的冷轧板，冷轧累计变形量为70％；
⑹、冷轧后热处理：所述的冷轧板退火温度为600～750℃，在加热炉中保温20～30min后，水冷至室温，淬火后回火温度为200℃，保温时间5～15min，空冷至室温，制成钢板厚度为1.5～2.5mm的成品。
表2列出了实施例1-6的制备方法中的具体工艺参数。
表2 本发明实施例1～6钢的制备方法具体工艺参数
参见图1的工艺步骤示意图。图1中：BZ表示步骤，如BZ⑴～⑵表示步骤⑴～⑵。
从图1中可以看出，本发明钢的制备工艺在熔炼及锻造步骤⑴和热轧步骤⑵后进行一次淬火及回火步骤⑶，然后进行酸洗步骤⑷和冷轧步骤⑸，在冷轧后，进行二次淬火及回火步骤⑹。图中曲线示意性地表示了温度随时间变化的情况。从图1中可看出，一次退火回火步骤⑶和冷轧后退火回火步骤⑹均采用的是两相区退火及低温回火，从而获得了本发明钢中大量的马氏体组织和较多的奥氏体组织。
对上述实施例1～6制备的钢板取样，进行各项性能测试，测得到的相关性能参数列于表3中，表中强塑积为抗拉强度与延伸率的乘积。
表3 本发明钢的性能参数
从表3中可以看出，本发明各实例所述制备的Nb-Mo合金高强高塑性冷轧中锰钢板，其抗拉强度为878～1373MPa，屈服强度为659～1150MPa，总延伸率为20％～40％，强塑积为21.8～41GPa·％。
参见图2，图2为利用XRD对在不同实施例淬火+回火后的残余奥氏体量进行计算，定量分析不同实施例淬火温度对本发明的钢组织的影响。经过热处理后，实施例3得到的奥氏体含量最高(36.4％)，相对应的力学性能最好，强塑积最高。这与图3～图6中的金相、扫描电镜及投射电镜所观察到的组织变化趋势是相对应的。
参见图3～6、表1及表3可知，实施例3与实施例2相比，实施例3由于加入了微合金元素Nb，从而显著地抑制铁素体长大，阻碍位错的运动，提高强度，达到了细化晶粒且能强化基体的作用。实施例3与实施例6相比，实施例6在加入微合金元素Nb的基础上加入了微合金元素Mo，促进了残余奥氏体及马氏体组织的形成，从而提高强度与塑性。
本发明的Nb-Mo合金高强高塑性冷轧中锰钢成分简单，合金元素的总含量低；钢的制备工艺简单，尤其热处理工艺较为简单易控，适用于钢铁企业常规化、批量化生产，具有广阔的应用前景。

Claims (3)

1.一种Nb-Mo合金高强高塑性冷轧中锰钢，其特征在于：所述钢的化学成分按质量百分数计为：C 0.10～0.15，Mn 4.0～5.0，Al 0.5～1.0，Si 0～0.10，Nb 0～0.05，Mo 0～0.20，余量为Fe及不可避免的杂质，钢板成品厚度为1.5～2.5mm。
2.一种权利要求1所述的Nb-Mo合金高强高塑性冷轧中锰钢的制备方法，依次包括冶炼锻造、热轧退火、酸洗、冷轧和轧后热处理，其特征在于，按以下步骤进行：
⑴、熔炼及锻造：将所述钢的化学成分按质量百分数计为：C 0.10～0.15，Mn 4.0～5.0，Al 0.5～1.0，Si 0～0.10，Nb 0～0.05，Mo 0～0.20，余量为Fe及杂质；加入到真空感应熔炼炉中，在1650～1200℃温度熔炼，浇铸得到15kg钢锭；将钢锭加热至1200℃，保温2h，锻造成截面尺寸30mm×30mm的方坯；
⑵、热轧：将钢坯放入高温炉内从室温加热到1200℃，保温2h，开轧温度1100～1150℃，终轧温度850～900℃，经过4-6道次，累计变形量为80％～90％，热轧成厚度为3～6mm的薄板，随后空冷到室温；
⑶、热轧后热处理：所述的热轧板退火温度为770～800℃，在加热炉中保温0.5～1.5h后，快速水冷至室温；将淬火后的钢板在200℃回火，回火时间15～20min，空冷至室温；
⑷、酸洗：用砂纸磨去表面铁皮并用1:3的盐酸和水对热轧处理后的钢板进行酸洗，至其表面光滑无杂质，涂上防止其表面氧化的机油类液体；
⑸、冷轧：将处理后光滑的热轧板在冷轧机上冷轧至所需板材最终厚度的冷轧板，冷轧累计变形量为30％～70％；
⑹、冷轧后热处理：所述的冷轧板退火温度为600～750℃，在加热炉中保温20～30min后，水冷至室温，淬火后回火温度为200℃，保温时间5～15min，空冷至室温，制成钢板厚度为1.5～2.5mm的成品。
3.根据权利要求2所述的Nb-Mo合金高强高塑性冷轧中锰钢板的制备方法，其特征在于：所述制备的Nb-Mo合金高强高塑性冷轧中锰钢板，其抗拉强度为878～1373MPa，屈服强度为659～1150MPa，总延伸率为20％～40％，强塑积为21.8～41GPa·％。
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