CN108330406A - 一种高强度高塑性冷轧中锰钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高强度高塑性冷轧中锰钢及其制备方法，成分按质量百分比为：C 0.15～0.25％，Mn8.0～12.0％，Al 1.0～3.0％，S＜0.01％，P＜0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质，抗拉强度1250～1750MPa，伸长率18～51％，强塑积32～66GPa％；制备方法为：(1)冶炼钢水并浇铸；(2)加热至1200±30℃保温后锻造成板坯；(3)空冷后加热至1200±30℃保温，然后进行热轧，空冷；(4)加热至650～700℃，保温后水淬，酸洗后冷轧，相邻两次冷轧之间进行中间退火；(5)在650～750℃保温至少5min，水淬。本发明的高强度高塑性冷轧中锰钢性能优越且区间跨度大，适用范围广，满足汽车不同零部件性能指标。

Description

一种高强度高塑性冷轧中锰钢及其制备方法
技术领域
本发明属于材料加工技术领域，特别涉及一种高强度高塑性冷轧中锰钢及其制备方法。
背景技术
长期以来，钢铁材料在汽车工业中一直占据主导地位，据统计，一辆汽车中，钢材的用量占了总重量的70％；近10年来中国汽车工业发展迅速，特别是自2010年以来，每年汽车产销量稳居全球第一，汽车保有量的增长给能源和环境带来了巨大的压力，面对国际社会的减排承诺，面对国际能源短缺，汽车尾气排放所造成的PM2.5等一系列问题，汽车节能减排刻不容缓；如今，节能、安全、环保作为汽车技术的三大主题，极大地推动了车身轻量化技术的研究和发展。
冷轧是金属在再结晶温度以下的轧制变形工艺，属于塑性变形技术的一种；冷轧的加工温度低，与热轧相比，冷轧能生产出尺寸更精确厚度更均匀的钢板、也可以轧出极薄的带材，并且冷轧后钢表面质量优越，不存在热轧时常出现的麻点和氧化铁皮等缺陷；冷轧的变形程度大，轧后能大大的细化晶粒；不过由于冷轧过程中，连续的冷变形会引起的钢板的强度、硬度上升，韧性、塑性下降，而导致冲压性能恶化，甚至产生脆裂，因此冷轧后如何提高产品的加工性能是一直以来研究的重要方向。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度高塑性冷轧中锰钢及其制备方法，利用冷轧+中间退火制备出具有超细晶组织的钢板，通过热处理工艺调控奥氏体的相比例和稳定性，使材料获得高强塑积，满足汽车不同零部件性能指标。
本发明的高强度高塑性冷轧中锰钢的成分按质量百分比为：C 0.15～0.25％，Mn8.0～12.0％，A1 1.0～3.0％，S＜0.01％，P＜0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质，抗拉强度1250～1750MPa，伸长率18～51％，强塑积32～66GPa％。
上述的高强度高塑性冷轧中锰钢的屈服强度530～1200MPa，屈强比0.34～0.80。
上述的高强度高塑性冷轧中锰钢的厚度为1mm。
上述的高强度高塑性冷轧中锰钢的组织为奥氏体、马氏体和铁素体。
本发明的高强度高塑性冷轧中锰钢的制备方法按以下步骤进行：
1、按上述成分冶炼钢水，然后浇铸制成铸锭；
2、将铸锭加热至1200±30℃，保温1～3h后锻造成板坯，空冷至室温；
3、将空冷后的板坯加热至1200±30℃，保温1～3h，然后进行热轧，热轧开轧温度为1150±20℃，终轧温度为850±20℃，热轧压下率为80～90％，空冷至室温获得热轧板；
4、将热轧板加热至650～700℃，保温0.5～1h，然后水淬至室温，再酸洗去除氧化铁皮，最后进行多道次冷轧，冷轧总压下率为70～80％，制成冷轧板；其中相邻两个道次的冷轧之间进行中间退火，中间退火的温度为650～700℃，时间为0.5～1h；
5、将冷轧板在650～750℃保温至少5min，水淬至室温，制成高强度高塑性冷轧中锰钢。
上述的酸洗是采用盐酸和水按体积比1:3混合制成的酸溶液进行酸洗，其中盐酸的重量浓度为30％。
本发明的方法的原理是：热轧后进行淬火热处理，使热轧板获得大量的残余奥氏体，并去除残余应力，利于后续的冷轧；在相邻两个道次的冷轧之间进行中间退火，使冷轧过程产生的硬相马氏体通过逆相变转化为奥氏体；如果没有中间退火，板材因硬度过高而出现边裂或中间断裂，无法冷轧至所需的厚度；利用冷轧+中间退火的方法，结合适当的热处理工艺，使冷轧板获得不同的奥氏体相比例和稳定性，冷轧后结合适当的退火工艺，可以使晶粒发生回复和再结晶，消除残余应力，提高材料的塑性，使材料获得优异的综合性能，优化中锰钢的奥氏体相比例与稳定性，增强TRIP(transformation induced plasticity)效应，提高综合力学性能，制备出性能区间跨度大的冷轧中锰钢。
本发明的高强度高塑性冷轧中锰钢成分设计合理，在添加C、Mn的基础上，加入适量的Al元素，其中C和Mn元素有利于奥氏体的形成并能提高其稳定性，Al元素的加入可抑制碳化物析出，促使碳元素向奥氏体中扩散，提高奥氏体的稳定性，此外，Al元素可以有效降低中锰钢的密度，实现汽车用钢轻量化。
本发明的高强度高塑性冷轧中锰钢性能优越且区间跨度大，适用范围广，满足汽车不同零部件性能指标。
附图说明
图1为本发明实施例1中冷轧后不同保温温度的热处理工艺图；
图2为本发明实施例2中冷轧后不同保温时间的热处理工艺图；
图3为本发明实施例1中的高强度高塑性冷轧中锰钢进行拉伸实验时拉伸试样示意图，单位mm；
图4为本发明实施例1中的各高强度高塑性冷轧中锰钢的SEM图；图中，(a)为650℃，(b)为700℃，(c)为750℃；
图5为本发明实施例2中的不同高强度高塑性冷轧中锰钢的EBSD图；图中，(a)为1h，(b)为12h；
图6为本发明实施例1的各高强度高塑性冷轧中锰钢的试样拉伸试验前的XRD图；
图7为本发明实施例1的各高强度高塑性冷轧中锰钢的试样拉伸试验后的XRD图；
图8为本发明实施例1的各高强度高塑性冷轧中锰钢的试样拉伸试验前后的奥氏体体积变化图；
图9为本发明实施例2的不同高强度高塑性冷轧中锰钢的试样拉伸试验前的XRD图；
图10为本发明实施例2的不同高强度高塑性冷轧中锰钢的试样拉伸试验后的XRD图；
图11为本发明实施例2的不同高强度高塑性冷轧中锰钢的试样拉伸试验前后的奥氏体体积变化图；
图12为本发明实施例1中不同高强度高塑性冷轧中锰钢的应力-应变曲线图；
图13为本发明实施例2中不同高强度高塑性冷轧中锰钢的应力-应变曲线图。
具体实施方式
本发明实施例中采用的热轧机来自东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(RAL)的Ф450mm热轧机组。
本发明实施例中采用的冷轧机来自东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(RAL)的直拉式四辊可逆冷轧实验轧机。
本发明实施例中进行室温单向拉伸的设备是东北大学金属压力加工实验室MTS美特斯CMT5303系列电子万能试验机。
本发明实施例中观测微观组织的设备为ZEISS ULTRA55场发射扫描电子显微镜，装备电子背散射衍射分析系统(EBSD)。
本发明实施例中残余奥氏体体积分数的测定设备为Smart Lab X射线衍射仪。
本发明实施例中采用的热处理炉是高温炉。
本发明实施例中，将高强度高塑性冷轧中锰钢成品加工成尺寸如图3所示的拉伸试样，用砂纸进行打磨，随后进行拉伸实验，拉伸速度为3mm/min直至拉断，整个过程由计算机程序自动控制。
本发明实施例中，在拉伸试样断口附近切取部分试样，用砂纸磨光，在电解抛光机上抛光，抛光液为900ml酒精与60ml高氯酸的混合液，抛光电压为25V，抛光时间为25s，抛光完成后用酒精进行冲洗，然后用25％的亚硫酸氢钠水溶液对试样进行腐蚀，腐蚀时间为5s，腐蚀完成后用酒精进行冲洗，完成后作为XRD、SEM观测试样。
本发明实施例中的酸洗是采用盐酸和水按体积比1:3混合制成的酸溶液进行酸洗，其中盐酸的重量浓度为30％。
实施例1
按设定成分冶炼钢水，然后浇铸制成40Kg铸锭；钢水成分按质量百分比为：C0.22％，Mn 11.2％，A1 1.95％，S 0.005％，P 0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质；
将铸锭加热至1200±30℃，保温2h后锻造成板坯，空冷至室温；
将空冷后的板坯加热至1200±30℃，保温8h，然后进行8道次热轧，热轧开轧温度为1150±20℃，终轧温度为850±20℃，热轧压下率为90％，空冷至室温获得4mm的热轧板；
将热轧板加热至680℃，保温1.0h，然后水淬至室温，再酸洗去除氧化铁皮，最后进行3道次冷轧，从4mm冷轧至3mm，再冷轧至2mm，最后冷轧至1mm，冷轧总压下率为75％，制成冷轧板；其中相邻两个道次的冷轧之间进行中间退火，中间退火的温度为680℃，时间为1.0h；
将三组相同冷轧板分别在650℃、700℃和750℃保温5min，热处理工艺如图1所示，然后水淬至室温，制成三组高强度高塑性冷轧中锰钢；其抗拉强度分别为1250MPa、158MPa9和1750MPa，伸长率分别为43.3％、25.4％和18.6％，强塑积54.1GPa％、40.4GPa％和32.2GPa％，屈服强度分别为1000MPa、537MPa和1166MPa，屈强比分别为0.80、0.34和0.67，组织为奥氏体、马氏体和铁素体；SEM观测结果如图4所示；拉伸试验前后的XRD测试结果分别如图6和图7所示；拉伸试验前后的奥氏体体积变化曲线如图8所示；应力-应变曲线如图12所示；
由图4可见第一组产品的基体组织是奥氏体，铁素体占比较小且呈颗粒状分布于奥氏体基体中；图6可见拉伸变形前的奥氏体体积分数为72.2％，拉断后的体积分数为26.8％；第三组产品的显微组织主要由马氏体和奥氏体组成；拉伸变形前的奥氏体体积分数为46.5％，拉断后的体积分数为12.5％；
显微组织方面：从图4可以看出，随着退火温度的升高，奥氏体晶粒明显增大；从图6可以看出，拉伸前实验钢中奥氏体含量较高(70～90％)，最高含量达88.8％；拉伸过程中在较大的应力作用下，残余奥氏体向马氏体转变消耗了大量的奥氏体，导致拉伸后奥氏体含量较低(12～27％)；力学性能方面：随着退火温度的增加，强度提升显著，且在超高强度下仍保持较好的塑性；尤其是第二组产品屈强比只有0.34，既满足汽车用钢高强度高塑性的要求，又有利于汽车零部件的加工成形；第三组产品屈服强度1166MPa，抗拉强度1730MPa，超高屈服强度和抗拉强度下，仍保持不错的塑性(18.6％)，材料的可靠性强，适合加工成汽车的安全结构件。
实施例2
方法同实施例1，不同点在于：
将四组冷轧板分别在650℃保温5min、1h、6h和12h，热处理工艺如图2所示，然后水淬至室温，制成四组高强度高塑性冷轧中锰钢；第一组产品性能同实施例1，其他产品的抗拉强度分别为1288MPa、1349MPa和1353MPa，伸长率分别为50.6％、42.1％和40.1％，强塑积分别为65.2GPa％、56.8GPa％和54.3GPa％，屈服强度分别为811MPa、734MPa和709MPa，屈强比分别为0.63、0.54和0.52；第二组产品和第四组产品的EBSD观测结果如图5所示；第一、二和四组的XRD拉伸试验前后的检测结果分别如图9和图10所示，拉伸试验前后的奥氏体体积变化曲线如图11所示；各组产品的应力-应变曲线如图13所示；
显微组织方面：结合图4和图5可见，退火温度为650℃时，随着保温时间从5min增加到12h，奥氏体晶粒明显增大；从图7见，拉伸前实验钢中奥氏体含量较高且变化不大(72～74％)，因此保温时间对于奥氏体含量的影响不大；对比拉伸前后奥氏体含量可知，拉伸过程中发生了TRIP效应，且随着保温时间的延长，TRIP效应越显著，这说明保温时间的延长增大了晶粒尺寸，从而降低了奥氏体的稳定性；力学性能方面：随着退火时间的增加，抗拉强度(1250～1360MPa)和塑性(40～51％)变化幅度不大，兼具高强度和高塑性的优秀综合力学性能(强塑积为54～66GPa％)，但是屈服强度降低(屈强比从0.80降至0.52)；说明可以通过控制退火时间来获得不同的成形性能和综合力学性能，满足汽车不同零部件的性能指标和加工要求。
实施例3
方法同实施例1，不同点在于：
(1)钢水成分按质量百分比为：C 0.21％，Mn 12.0％，A1 2.2％，S 0.008％，P0.006％；
(2)铸锭在1200±30℃保温1h后锻造成板坯；
(3)板坯在1200±30℃保温1.5h，热轧压下率为80％；
(4)热轧板加热至700℃，保温1h，冷轧总压下率为80％，中间退火的温度为700℃，时间为1h；
(5)冷轧板在680℃保温20min，水淬至室温，制成高强度高塑性冷轧中锰钢；其抗拉强度1359MPa，伸长率48.2％，强塑积65.5GPa％，屈服强度683MPa，屈强比0.50。
实施例4
方法同实施例1，不同点在于：
(1)钢水成分按质量百分比为：C 0.25％，Mn 8.5％，A1 1.10％，S 0.004％，P0.005％；
(2)铸锭在1200±30℃保温3h后锻造成板坯；
(3)板坯在1200±30℃保温2.5h，热轧压下率为85％；
(4)热轧板加热至660℃，保温1.0h，冷轧总压下率为73％，中间退火的温度为660℃，时间为0.5h；
(5)冷轧板在650℃保温15min，水淬至室温，制成高强度高塑性冷轧中锰钢；其抗拉强度1285MPa，伸长率42.8％，强塑积55.0GPa％，屈服强度583MPa，屈强比0.45。
实施例5
方法同实施例1，不同点在于：
(1)钢水成分按质量百分比为：C 0.18％，Mn 9.5％，A1 1.56％，S 0.007％，P0.005％；
(2)铸锭在1200±30℃保温2.5h后锻造成板坯；
(3)板坯在1200±30℃保温2h，热轧压下率为88％；
(4)热轧板加热至650℃，保温1.0h，冷轧总压下率为70％，中间退火的温度为670℃，时间为0.5h；
(5)冷轧板在660℃保温10min，水淬至室温，制成高强度高塑性冷轧中锰钢；其抗拉强度1318MPa，伸长率41.4％，强塑积54.6GPa％，屈服强度591MPa，屈强比0.45。

Claims (4)

1.一种高强度高塑性冷轧中锰钢，其特征在于成分按质量百分比为：C 0.15～0.25％，Mn 8.0～12.0％，A1 1.0～3.0％，S＜0.01％，P＜0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质，抗拉强度1250～1750MPa，伸长率18～51％，强塑积32～66GPa％。
2.根据权利要求1所述的一种高强度高塑性冷轧中锰钢，其特征在于其屈服强度530～1200MPa，屈强比0.34～0.80。
3.一种权利要求1所述的高强度高塑性冷轧中锰钢的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1)按上述成分冶炼钢水，然后浇铸制成铸锭；
(2)将铸锭加热至1200±30℃，保温1～3h后锻造成板坯，空冷至室温；
(3)将空冷后的板坯加热至1200±30℃，保温1～3h，然后进行热轧，热轧开轧温度为1150±20℃，终轧温度为850±20℃，热轧压下率为80～90％，空冷至室温获得热轧板；
(4)将热轧板加热至650～700℃，保温1～2h，然后水淬至室温，再酸洗去除氧化铁皮，最后进行多道次冷轧，冷轧总压下率为70～80％，制成冷轧板；其中相邻两个道次的冷轧之间进行中间退火，中间退火的温度为650～700℃，时间为0.5～1h；
(5)将冷轧板在650～750℃保温至少5min，水淬至室温，制成高强度高塑性冷轧中锰钢。
4.根据权利要求3所述的高强度高塑性冷轧中锰钢的制备方法，其特征在于酸洗是采用盐酸和水按体积比1:3混合制成的酸溶液进行酸洗，其中盐酸的重量浓度为30％。
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