CN109554622B - 淬火至贝氏体区获得Q&P组织的热轧Fe-Mn-Al-C钢及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钢铁合金材料技术领域,具体涉及一种淬火至贝氏体区获得Q&P组织的热轧Fe‑Mn‑Al‑C钢及制造方法。按重量百分比计,热轧Fe‑Mn‑Al‑C钢的化学成分按重量百分比为:0.22~0.25%C,2.8%~3.2%Mn,1.8~2.2%Al,余量为Fe。通过成分设计,控制相变动力学,实验钢冷却至Ms温度以上,随后缓慢冷却时避免充分的贝氏体相变,获得马氏体/贝氏体为基体的组织。实验钢在控制轧制后在线空冷至500‑550℃,随后炉冷至室温,最终获得少量铁素体、马氏体/贝氏体、残余奥氏体的复相Q&P组织,抗拉强度>1050MPa,延伸率>20%。从而,解决热轧Q&P钢低温淬火不易控制的难题。
Description
技术领域
本发明属于钢铁合金材料技术领域,具体涉及一种淬火至贝氏体区获得Q&P组织的热轧Fe-Mn-Al-C钢及制造方法。
背景技术
随着能源、环境问题的日益突出,“低碳、环保、绿色”已成为时代发展的主题,给汽车工业的发展提出新的要求和挑战。目前,全球各个国家均提出在2020年及以后新的汽车二氧化碳排放指标,迫使汽车行业向新材料和新能源方向不断创新。在汽车用材料方面,轻量化和安全性两个追求的重要指标,先进高强钢的应用可以减薄材料,达到减重并保证保全性的目的,在未来具有可期的发展前景。
淬火-配分(Q&P)钢被誉为第三代最有潜力的汽车用高强钢,其工艺原理主要包括马氏体相变和碳配分过程,最终获得铁素体、马氏体和残余奥氏体组织,展现出良好的强塑性结合,强塑积超过20GPa.%。此外,该钢种具有较低的合金化设计,克服第二代先进高强度钢中的冶炼问题,如TWIP钢,具有较低的合金成本。
当前Q&P钢的研究工艺主要聚焦于冷轧、离线退火工艺,碳配分的实现依赖于在线快速升温和等温保温过程,增加电力消耗和设备占用时间。同时,由于连退线冷却能力的限制,为了保证材料的淬透性,通常进一步增加合金含量,造成研究工艺复杂,合金体系复杂、成本高等问题。近来年,热轧Q&P工艺得到关注,热轧Q&P工艺能实现在线淬火及配分,大幅度的简化传统生产方式。但是现有热轧Q&P研究严重依赖在线快速冷却并且低温淬火控制难,导致板形不良、组织性能不均匀等问题,制约其进一步工业化应用。因此,设计并开发新型热轧Q&P钢和易于控制的制备工艺极为迫切。
发明内容
针对现有热轧Q&P钢研究中存在的不足,本发明目的是提供一种淬火至贝氏体区获得Q&P组织的热轧Fe-Mn-Al-C钢及制造方法,通过成分设计来控制高温贝氏体相变,使得大量大块的未转变奥氏体保留,并在后续冷却中发生马氏体相变和碳配分耦合效应,实现高温冷却(淬火或空冷)获得Q&P组织,解决低温淬火温度难控制的问题。
本发明的技术方案是:
一种淬火至贝氏体区获得Q&P组织的热轧Fe-Mn-Al-C钢,按重量百分比计,化学成分为:0.22~0.25%C,2.8%~3.2%Mn,1.8~2.2%Al,余量为Fe。
所述的淬火至贝氏体区获得Q&P组织的热轧Fe-Mn-Al-C钢的制造方法,按以下步骤进行:
1)冶炼、铸造
按化学成分转炉或电炉冶炼+真空炉精炼,铸造成铸坯或锭;
2)加热、热轧
将铸坯或锭加热至1190~1210℃,保温1~1.5h,粗轧开轧温度在1170~1190℃,粗轧为2~3个道次,累计变形量为50~70%得到中间坯;待中间坯温度降低降至920~930℃时进行4~6道次精轧,终轧温度在880-900℃,累计变形量为75~90%;
3)在线冷却及配分
精轧后的轧件从880~900℃空冷却至500~550℃,随后置于电阻炉内进行随炉冷却至室温。
所述的淬火至贝氏体区获得Q&P组织的热轧Fe-Mn-Al-C钢的制造方法,热轧Fe-Mn-Al-C钢显微组织中,铁素体的体积分数为10~15%、残余奥氏体的体积分数为20~30%,其余为马氏体和贝氏体。
所述的淬火至贝氏体区获得Q&P组织的热轧Fe-Mn-Al-C钢的制造方法,热轧Fe-Mn-Al-C钢的性能指标如下:抗拉强度>1050MPa,断后延伸率>20%,屈服强度为665~680MPa,强塑积为22~24GPa.%。
本发明的设计思路如下:
本发明淬火至贝氏体区获得Q&P组织的热轧Fe-Mn-Al-C钢中各合金元素作用如下:(1)加入适度的C含量0.22~0.25%,起到固溶强化并保证有足够量的碳用于配分,以稳定奥氏体;(2)加入一定含量的Mn2.8%~3.2%,稳定奥氏体并且保证材料优良的淬透性;(3)加入2%的Al抑制缓慢冷却过程中碳化物的形成,并提高材料的Ms温度,保证动态配分的动力。此外,Al的加入还降低材料的密度,并提高热轧板的表面质量。经测量,本发明中Ms温度为370℃。
采用合理的成分设计,增加实验钢淬透性,使得实验钢在冷速下或空冷即可避免铁素体和珠光体相变,可精确控制冷却至贝氏体温度区间。此外,成分设计在满足碳配分的条件下,进一步控制高温贝氏体相变动力学行为,抑制贝氏体铁素体的界面迁移,使得贝氏体铁素体分割后的奥氏体具有较大的尺寸,大块的奥氏体尺寸在3~6μm。该部分大块奥氏体仅边部亚微米范围富集贝氏体铁素体排出的碳,心部保持较低的碳含量,在后续缓慢冷却过程中发生马氏体相变和动态碳配分的耦合效应,从而获得马氏体基体内相变分布的纳米级残余奥氏体。残余奥氏体在变形过程中发生持续的TRIP效应,使得实验钢获得良好的强塑性,抗拉强度>1050MPa,延伸率>20%。
与现有Q&P钢相比,本发明的一种淬火至贝氏体区获得Q&P组织的热轧Fe-Mn-Al-C钢及其制造方法具有显著的优点及有益效果如下:
1、在成分设计上,采用低密度的合金,符合汽车材料轻量化的要求,并且采用以Al替代全部Si的形式可以大幅度改善热轧板表面质量;工艺上以热代冷,省却很多冷轧退火方式的繁杂步骤,并且可以实现精确的高温贝氏体区冷却来制得Q&P组织,克服低温淬火(<Ms)过程中淬火温度不宜控制的问题,避免因温度应力以及冷却不均匀带来的组织性能差异和板形问题。此外,获得组织中RA含量大于20%,区别于传统Q&P研究,使得实验钢均匀延伸率(>15%)和断后延伸率(>20%)均为较高。
2、本发明的淬火至贝氏体区获得Q&P组织的热轧Fe-Mn-Al-C钢及其制造方法中,轧制过程和传统热轧品种一致,并无特殊要求。同时,冷却工艺控制可在钢厂内常规热连轧产线上实现。通常普碳钢冷却在500℃以上时,可实现淬火温度的良好控制,本发明中冷却至贝氏体区时对冷速并无特殊要求,可通过产线设备布置灵活调节其冷却工艺路径,具有工艺普适性的特点。
附图说明
图1是实施例1的热轧钢板的典型金相组织。
图2是实施例1的XRD衍射峰;图中,横坐标2θ代表衍射角(deg),纵坐标Intensity代表相对强度(a.u.)。
具体实施方式
在具体实施过程中,本发明淬火至贝氏体区获得Q&P组织的热轧Fe-Mn-Al-C钢及其制造方法如下:
1)冶炼、铸造
热轧Fe-Mn-Al-C钢的化学成分按重量百分比为:0.22~0.25%C,2.8%~3.2%Mn,1.8~2.2%Al,余量为Fe;按上述成分转炉或电炉冶炼+真空炉精炼,铸造成铸坯或锭;
2)加热、热轧
将钢坯加热至1190~1210℃,保温1~1.5h,粗轧开轧温度在1170~1190℃,粗轧为2~3个道次,累计变形量为55%。待中间坯温度降低降至920~930℃时进行4~6道次精轧,终轧温度在880~900℃左右,累计变形量为78%。
3)在线冷却及配分
精轧后的轧件从880~900℃空冷却至500~550℃,随后置于电阻炉内进行随炉冷却至室温。
下面,通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
本发明实施例中,采用150kg的真空熔炼炉,获得100kg的铸锭,铸锭被锻成截面40×60mm的尺寸。力学性能测试采用的标准为GB/T228.1-2010,拉伸样的标距为25mm,室温下测试,拉伸速率为2mm/min。
实施例1:
本实施例中,淬火至贝氏体区获得Q&P组织的热轧Fe-Mn-Al-C钢成分按重量百分比为:C:0.25%,Mn:2.9%,Al:1.9%,其余为Fe。
通过冶炼锻造后,将钢坯加热至1200℃,保温1.5h后。在1180℃进行第一阶段轧制,然后空冷至930℃进行第二阶段轧制,终轧温度为890℃,空冷至505℃,随后随炉缓慢冷却至室温。
经力学性能检测其性能指标如下:屈服强度680MPa,抗拉强度为1095MPa,断后延伸率为20.4%,强塑积为22.338GPa.%。如图1所示,金相组织由铁素体、马氏体/贝氏体和残余奥氏体组成,铁素体的体积分数为14%,残余奥氏体的体积分数为27.3%,其余为马氏体/贝氏体。如图2所示,从XRD检测可以看出,存在几个明显的奥氏体衍射峰,(200)γ、(220)γ和(311)γ。
实施例2:
本实施例中,淬火至贝氏体区获得Q&P组织的热轧Fe-Mn-Al-C钢成分按重量百分比为:C:0.23%,Mn:3.1%,Al:2.0%,其余为Fe。
通过冶炼锻造后,将钢坯加热至1200℃,保温1.5h后。在1180℃进行第一阶段轧制,然后空冷至925℃进行第二阶段轧制,终轧温度为880℃,空冷至530℃,随后随炉缓慢冷却至室温。
经力学性能检测其性能指标如下:屈服强度670MPa,抗拉强度为1070MPa,断后延伸率为21.2%,强塑积为22.684GPa.%。金相组织由铁素体、马氏体/贝氏体和残余奥氏体组成,铁素体的体积分数为15%,残余奥氏体的体积分数为25.4%,其余为马氏体/贝氏体。
实施例3:
本实施例中,淬火至贝氏体区获得Q&P组织的热轧Fe-Mn-Al-C钢成分按重量百分比为:C:0.24%,Mn:3.0%,Al:2.2%,其余为Fe。
通过冶炼锻造后,将钢坯加热至1210℃,保温1.5h后。在1180℃进行第一阶段轧制,然后空冷至930℃进行第二阶段轧制,终轧温度为890℃,空冷至545℃,随后随炉缓慢冷却至室温。
经力学性能检测其性能指标如下:屈服强度665MPa抗拉强度为1055MPa,断后延伸率为22.1%,强塑积为23.315GPa.%。金相组织由铁素体、马氏体/贝氏体和残余奥氏体组成,铁素体的体积分数为15%,残余奥氏体的体积分数为26.7%,其余为马氏体/贝氏体。
实施例结果表明,本发明提高Mn含量降低马氏体相变对冷速的依赖,实现终冷温度的精确控制。同时,控制高温贝氏体相变动力学,使得大块奥氏体保留并发生马氏体相变和碳配分的耦合效应。加入适量Al抑制碳化物析出并提高Ms温度,保证充分的碳配分动力。实验钢在控制轧制后在线空冷至500~550℃,随后炉冷至室温,最终获得少量铁素体、马氏体/贝氏体、残余奥氏体和马奥岛的复相Q&P组织,抗拉强度>1050MPa,延伸率>20%。从而,解决热轧Q&P钢低温淬火不易控制的难题。
Claims (3)
1.一种淬火至贝氏体区获得Q&P组织的热轧Fe-Mn-Al-C钢,其特征在于,按重量百分比计,化学成分为:0.22~0.25%C,2.8%~3.2%Mn,1.8~2.2%Al,余量为Fe;
所述的淬火至贝氏体区获得Q&P组织的热轧Fe-Mn-Al-C钢的制造方法,按以下步骤进行:
1)冶炼、铸造
按化学成分转炉或电炉冶炼+真空炉精炼,铸造成铸坯或锭;
2)加热、热轧
将铸坯或锭加热至1190~1210℃,保温1~1.5h,粗轧开轧温度在1170~1190℃,粗轧为2~3个道次,累计变形量为50~70%得到中间坯;待中间坯温度降低降至920~930℃时进行4~6道次精轧,终轧温度在880-900℃,累计变形量为75~90%;
3)在线冷却及配分
精轧后的轧件从880~900℃空冷却至500~550℃,随后置于电阻炉内进行随炉冷却至室温。
2.如权利要求1所述的淬火至贝氏体区获得Q&P组织的热轧Fe-Mn-Al-C钢,其特征在于,热轧Fe-Mn-Al-C钢显微组织中,铁素体的体积分数为10~15%、残余奥氏体的体积分数为20~30%,其余为马氏体和贝氏体。
3.如权利要求1所述的淬火至贝氏体区获得Q&P组织的热轧Fe-Mn-Al-C钢,其特征在于,热轧Fe-Mn-Al-C钢的性能指标如下:抗拉强度>1050MPa,断后延伸率>20%,屈服强度为665~680MPa,强塑积为22~24GPa.%。
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