CN109868345B - 一种具有多形貌多尺度奥氏体组织的高强塑积冷轧中锰trip钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有多形貌多尺度奥氏体组织的高强塑积冷轧中锰TRIP钢的制备方法，包括：S1:冶炼及锻造：熔炼得到成分为C：0.15‑0.20％、Mn:7‑9％、Al:1.0‑1.8％、Ce:0.03‑0.08％、P<0.008％、S<0.008％，余量为Fe及杂质的钢锭；加热至1200℃保温1.5‑3h后锻造成30‑40mm的钢坯，终锻温度不低于850℃，锻后空冷；S2:热轧：将钢坯加热1200～1250℃保温1.5‑2.5h后经多道次轧制成钢板，空冷；S3:两相区退火：将钢板在660‑690℃退火40～70min后空冷，并酸洗；S4:小变形量冷轧：对钢板冷轧，总压下量控制在40‑55％；S5:退火及低温回火：将钢板加热至660‑690℃保温6‑12min退火，后空冷，再于180‑230℃回火15‑25min。本发明制备的冷轧中锰TRIP钢抗拉强度大于1250MPa，屈服强度920‑1060MPa，强塑积>65GPa·％，接近或优于第二代TWIP钢。
Description
技术领域
本发明涉及高强塑积冷轧中锰TRIP钢技术领域，尤其是一种具有多形貌多尺度奥氏体组织的高强塑积冷轧中锰TRIP钢的制备工艺。
背景技术
随着汽车工业对安全性、节能和环保要求的不断提高，具有高撞击能量吸收能力(即高强度、高塑性，也被称为“高强塑积”)的材料已成为汽车用钢必然趋势。在第一代汽车用钢的基础上人们开发了第二代汽车用TWIP钢，其强塑积可高达65GPa·％，然而TWIP钢的合金成分一般大于20wt％以上，且其抗拉强度很少能超过1000MPa等级，此外，由于TWIP钢使用大量的合金元素导致其铸造等工艺性能较差，从而限制其应用。中锰TRIP钢的合金元素添加量接近第一代汽车用钢而强塑积有望达到TWIP钢的水平成为第三代汽车用钢典型代表，近年来被国内外汽车界和学者们广泛关注。目前从文献调研来看，中锰TRIP钢强塑积主要介于25-45GPa·％，距TWIP钢的高强塑积水平(最高达65GPa·％)仍有较大差距。因此，有些学者在中锰钢中增加碳或铝含量，在较大范围内起到了提高中锰TRIP钢强塑积的作用。然而，过高的碳含量会对钢板的焊接性能不利；而过高的铝含量将使中锰钢在浇注过程中容易堵塞水口，不利于连铸生产，且其整体添加的合金元素含量较高，无形中提高了成本。因此，如何添加较少合金元素而制备出强塑积大于50GPa·％中锰TRIP钢成为当今该领域科研人员追求的目标。
卢柯院士最新研究成果表明材料具有多尺度、非均匀、多层次耦合的微观组织结构，可以有效解决金属材料强度与塑性倒置关系这一难题。即通过一定技术或手段制备出具有梯度结构材料使材料在时间和空间上发挥其效用，能够更有效抵御材料的时效，并成功应用于纯铜等材料上。利用此理念制备多尺度多形貌的奥氏体组织，使其具有梯度稳定性并在形变过程中逐步有效发挥相变增塑效应的中锰TRIP钢目前仍是空白。
由此可见，虽然中锰TRIP钢具备一定的高强度与较好的塑性，然而，其强塑积与第二代汽车钢板仍有较大差距，严重阻碍了汽车进一步轻量化的进程。而如何在碳、铝含量不高的情况下，进一步提高中锰TRIP钢的强度和塑性，使其达到甚至优于TWIP钢水平，是当今该领域科研人员所亟待解决的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种具有多形貌多尺度奥氏体组织的高强塑积冷轧中锰TRIP钢的制备方法，通过添加微合金元素、并结合特定的冷轧工艺，使制备的中锰TRIP钢中微观组织具有不同形貌、不同尺寸(由不同尺寸级配的晶粒组成)的奥氏体存在，使材料具有一定的奥氏体梯度稳定性，在C、Al含量均较低的情况下表现出高强度和高塑性，为第三代汽车用钢开发提供技术方案。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种具有多形貌多尺度奥氏体组织的高强塑积冷轧中锰TRIP钢的制备方法，包括以下步骤：
S1:冶炼及锻造：将合金材料熔炼制成钢锭，其成分按照重量百分比为：C：0.15-0.20％、Mn:7-9％、Al:1.0-1.8％、Ce:0.03-0.08％、P<0.008％、S<0.008％，余量为Fe及不可避免的杂质；将钢锭加热至1200-1250℃保温1.5-3h后进行锻造，终锻温度不低于850℃，随后空冷至室温，最终锻造成厚度为30-40mm的钢坯；
S2:热轧：将钢坯加热1200～1250℃保温1.5-2.5h后进行多道次轧制厚度至3-5mm的钢板，热轧结束后空冷至室温；
S3:两相区退火：将热轧后的钢板在660-690℃退火40min～70min后空冷至室温，并对钢板进行酸洗；
S4:小变形量冷轧：用冷轧机对钢板进行冷轧，总压下量控制在40-55％之间；
S5:退火及低温回火：将冷轧钢板加热至660-690℃，保温6-12min进行退火后空冷至室温，随后在180-230℃下回火15-25min后空冷至室温。
根据本发明的一个较佳实施例，步骤S1中，所述钢锭的组分为：C：0.15-0.20％、Mn:8％、Al:1.5％、Ce:0.03-0.08％、P<0.008％、S<0.008％，余量为Fe及不可避免的杂质。
根据本发明的一个较佳实施例，步骤S1中，在制得钢锭后，去掉冒口并车掉氧化皮；然后将钢锭加热至1200℃并保温2h后进行锻造，制得钢坯。
根据本发明的一个较佳实施例，步骤S2中，将钢坯加热1200℃保温1.5-2h后进行6-8道次的轧制，得到厚度至3-5mm的钢板，终轧温度不低于850℃，热轧结束后空冷至室温。
根据本发明的一个较佳实施例，步骤S3中，将热轧后的钢板在660-690℃退火1h后空冷至室温，对退火态热轧钢板用质量分数为10％的盐酸水溶液对钢板进行酸洗。
根据本发明的一个较佳实施例，步骤S4中使用两辊冷轧机进行冷轧，控制冷轧的总压下量为42.5％-45％。
根据本发明的一个较佳实施例，步骤S5中，对冷轧后的钢板以2-4℃/s的升温速率升至660-690℃，保温10min进行退火后空冷至室温，随后在200℃下回火20min后空冷至室温。
本发明还提供一种由上述制备方法制得的用作汽车用钢的高强塑积冷轧中锰TRIP钢。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
(1)本发明的制备方法最主要的创新之处在于，热轧后进行退火处理，且控制冷轧的变形量不超过55％，目的是在退火前保留一定量的残余奥氏体，其含量约为10-15％，而在退火过程中由于逆转变形成的奥氏体与原残留奥氏体晶粒形核与长大时间不同(残余奥氏体不经历形核)，且退火过程中C、Mn元素在不同相之间的配分速率与时间亦有所不同，最终形成多形貌多尺度的奥氏体与铁素体组织。此外，为了不使残余奥氏体在退火过程中异常长大，在钢中添加微合金元素Ce，稀土Ce元素具有细化晶粒并提高钢质纯净度、增强钢中奥氏体整体稳定性的作用，因此借助Ce的添加达到防止残余奥氏体异常长大而影响钢的性能，最终在中锰TRIP钢中形成具有不同形貌、不同尺寸(由不同尺寸级配的晶粒组成)的奥氏体组织(与目前文献中报道的等轴晶粒有所不同)，使制备出的中锰TRIP钢中奥氏体组织存在一定的稳定性梯度，进而在变形过程中在较大的应变范围内发生TRIP效应，表现出高强度和高塑性。
此外，微量合金元素Ce在退火过程中极易分布在晶界、位错等缺陷部位，对钢中C、Mn元素的扩散起到调节作用，在一定程度上对奥氏体形核、长大起到调节作用，进而在一定程度上促进了多种不同尺寸、形貌、不同稳定性奥氏体的形成。
(2)本发明方法制备的中锰TRIP钢，其C含量和Al含量都较低，C不超过0.20wt％，Al为1.50wt％左右，锰含量适中7-9wt％，钢板具有优异的焊接性，且制造工艺性能较好。
(3)根据EBSD分析与TEM微观组织分析结果，本发明制备的中锰TRIP钢制备过程中除了添加微量Ce作为重要调节手段之外，并配合小变形量冷轧+两相区快速退火工艺，制备出含有多形貌、多尺寸的具有一定梯度稳定性奥氏体组织的冷轧中锰TRIP钢，其中奥氏体的微观组织形貌有块状、条状、片状及小颗粒状。
目前，热轧态中锰TRIP钢的微观组织形貌一般多为条状或片状，而冷轧态中锰TIRP钢多为等轴晶粒状，且晶粒尺寸较为均一、奥氏体中C、Mn含量较均匀，在形变过程中发生TRIP效应较为集中，故而难以形成超高强度与高塑性。本发明的冷轧中锰TRIP钢中奥氏体形貌有块状、条状、片状及小颗粒状，与目前文献中报道的等轴晶粒不同，表现出超高强度与高塑性。
(4)根据XRD分析结果，本发明制备得到的中锰TRIP钢中奥氏体含量大于40％，在拉伸过程中由于具有一定梯度稳定性，逐步发生TRIP效应，产生高强度高塑性。
经检测，按照本发明制备方法制得的冷轧中锰TRIP钢，力学性能满足抗拉强度大于1250MPa，屈服强度920-1060MPa，延伸率50-56％，强塑积>65GPa·％。
附图说明
图1为本发明实施例1的冷轧中锰TRIP钢奥氏体含量的XRD测试结果。
图2为本发明实施例1的冷轧中锰TRIP钢EBSD相图(黑色为奥氏体，浅灰色为铁素体)。
图3A为本发明实施例1的冷轧中锰TRIP钢TEM组织形貌。其中γ为不同形貌和不同尺寸的奥氏体。图3B为本发明实施例1的冷轧中锰TRIP钢中奥氏体衍射斑点。
图4为本发明实施例1的冷轧中锰TRIP钢的XRD测试结果。
图5为本发明实施例1-3的冷轧中锰TRIP钢工程应力应变曲线。
图6为对比例1的未添加稀土Ce冷轧中锰TRIP钢的工程应力应变曲线。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施例和对比例，对本发明的特点和优异进一步详细描述。需说明的是，以下有关组分均是质量百分数。
实施例1
(1)合金材料组成为C:0.2wt％，Al:1.5wt％，Mn:8％，Ce:0.04wt％,余量为Fe，经真空熔炼制成钢锭，去掉冒口并车掉氧化皮。钢锭在1200℃保温2h后进行锻造，终锻温度不低于850℃，随后空冷至室温，最终锻造成钢坯试样，钢坯厚度30mm。
(2)将钢坯加热1200℃保温1.5h后进行多道次轧制厚度至4mm，终轧温度不低于850℃。
(3)将热轧钢板在680℃退火1h后空冷至室温，对退火态热轧钢板进行酸洗。
(4)随后在两辊冷轧机进行冷轧，最后冷轧成厚度为2.2mm的冷轧钢板，总压下量为45％。
对此时得到的冷轧钢板进行XRD分析，其结果参见图1所示，冷轧钢板中含有约10％的残余奥氏体。
(5)将冷轧钢板以3℃/s升温速率加热至680℃，保温10min后空冷至室温，随后在200℃下回火20min后空冷至室温，制得冷轧中锰TRIP钢。
(6)测试冷轧中锰TRIP钢的抗拉强度1270MPa，屈服强度1060MPa，延伸率54.5％，强塑积高达69.2GPa·％，优于第二代TWIP钢性能。
对本实施例1所制备的冷轧中锰TRIP钢进行工程应力应变测试，测试结果如图5所示的曲线图。
对最终制备的冷轧并退火回火的中锰TRIP钢进行EBSD和TEM微观组织分析，其结果分别参见图2及图3A所示：本实施例制备的冷轧中锰TRIP钢中奥氏体的微观组织形貌有块状、条状、片状及小颗粒状等多尺寸、多形貌特征，明显不同于目前冷轧态中锰TIRP钢的等轴晶粒状微观组织。
对最终制备的冷轧中锰TRIP钢进行XRD分析，结果图4所示：本实施例制备的冷轧中锰TRIP钢中奥氏体含量为42％。这一部分奥氏体的存在，使在拉伸过程中由于具有一定梯度稳定性，逐步发生TRIP效应，产生高强度高塑性。
实施例2
(1)合金材料组成为C:0.15wt％，Al:1.5wt％，Mn:8％,Ce:0.08wt％,余量为Fe，经真空熔炼制成钢锭，去掉冒口并车掉氧化皮。钢锭在1200℃保温2h后进行锻造，终锻温度不低于850℃，随后空冷至室温，最终锻造成钢坯试样，钢坯厚度40mm。
(2)将钢坯加热1200℃保温1.5h后进行多道次轧制厚度至5mm，终轧温度不低于850℃。
(3)将热轧钢板在680℃退火1h后空冷至室温，对退火态热轧钢板进行酸洗。
(4)随后在两辊冷轧机进行冷轧，最后冷轧成厚度为2.8mm的冷轧钢板，总压下量为44％。对此时得到的冷轧钢板进行XRD分析，冷轧钢板中含有约10％的残余奥氏体。
(5)将冷轧钢板以3℃/s升温速率加热至680℃，保温10min后空冷至室温，随后在200℃下回火20min后空冷至室温，制得冷轧中锰TRIP钢。
(6)测试冷轧中锰TRIP钢的抗拉强度1195MPa，屈服强度1033MPa，延伸率53.2％，强塑积高达63.6GPa·％，优于第二代TWIP钢性能。
实施例3
(1)合金材料组成为C:0.18wt％，Al:1.5wt％，Mn:8％,Ce:0.03wt％,余量为Fe，经真空熔炼制成钢锭，去掉冒口并车掉氧化皮。钢锭在1200℃保温2h后进行锻造，终锻温度不低于850℃，随后空冷至室温，最终锻造成钢坯试样，钢坯厚度30mm。
(2)将钢坯加热1200℃保温1.5h后进行多道次轧制厚度至4mm，终轧温度不低于850℃。
(3)将热轧钢板在680℃退火1h后空冷至室温，对退火态热轧钢板进行酸洗。
(4)随后在两辊冷轧机进行冷轧，最后冷轧成厚度为2.3mm的冷轧钢板，总压下量为42.5％。对此时得到的冷轧钢板进行XRD分析，冷轧钢板中含有约10％的残余奥氏体。
(5)将冷轧钢板以3℃/s升温速率加热至680℃，保温10min后空冷至室温，随后在200℃下回火20min后空冷至室温，制得冷轧中锰TRIP钢。
(6)测试冷轧中锰TRIP钢的抗拉强度1160MPa，屈服强度919MPa，延伸率49.2％，强塑积高达57.1GPa·％，强塑积接近第二代TWIP钢。
由上述实施例1-3证明，本发明制备的冷轧中锰TRIP钢的力学性能满足抗拉强度大于1250MPa，延伸率50-56％，强塑积>65GPa·％，强塑积接近甚至超过第二代TWIP钢。
对比例1
对比例1是在实施例1的基础上，合金中不含微量元素Ce，即合金组成为C:0.2wt％，Al:1.5wt％，Mn:8％，余量为Fe。其余操作条件和步骤均参见实施例1。
对上述对比例1所制备的冷轧中锰TRIP钢进行工程应力应变测试，测试结果如图6所示的曲线图，其抗压拉伸强度为1060MPa，强塑积仅为40.2GPa·％。
经上述比较可知，通过添加微合金元素Ce，确能增强钢中奥氏体整体稳定性，对钢中C、Mn元素的扩散起到调节作用，在一定程度上对奥氏体形核、长大起到调节作用，进而在一定程度上促进了多种不同尺寸、形貌、不同稳定性奥氏体的形成，使制备出的中锰TRIP钢兼具高强度和高塑性。因此，本发明是通过调节合金组分、添加微合金元素Ce，同时配合控制小变形量的冷轧处理，来实现本发明目的。更优选地，结合两相区快速退火+低温回火工艺，更利于制备得到多尺度、多形貌的微观组织，使制备出的中锰TRIP钢中微观组织存在一定的稳定性梯度，进而表现出高强度和高塑性。
Claims (8)
1.一种具有多形貌多尺度奥氏体组织的高强塑积冷轧中锰TRIP钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:冶炼及锻造：将合金材料熔炼制成钢锭，其成分按照重量百分比为：C：0.15-0.20％、Mn:7-9％、Al:1.0-1.8％、Ce:0.03-0.08％、P<0.008％、S<0.008％，余量为Fe及不可避免的杂质；将钢锭加热至1200-1250℃保温1.5-3h后进行锻造，终锻温度不低于850℃，随后空冷至室温，最终锻造成厚度为30-40mm的钢坯；
S2:热轧：将钢坯加热1200～1250℃保温1.5-2.5h后进行多道次轧制厚度至3-5mm的钢板，热轧结束后空冷至室温；
S3:两相区退火：将热轧后的钢板在660-690℃退火40min～70min后空冷至室温，并对钢板进行酸洗；
S4:小变形量冷轧：用冷轧机对钢板进行冷轧，总压下量控制在40-55％之间；
S5:退火及低温回火：将冷轧钢板加热至660-690℃，保温6-12min进行退火后空冷至室温，随后在180-230℃下回火15-25min后空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述钢锭的组分为：C：0.15-0.20％、Mn:8％、Al:1.5％、Ce:0.03-0.08％、P<0.008％、S<0.008％，余量为Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，在制得钢锭后，去掉冒口并车掉氧化皮；然后将钢锭加热至1200℃并保温2h后进行锻造，制得钢坯。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，将钢坯加热1200℃保温1.5-2h后进行6-8道次的轧制，得到厚度至3-5mm的钢板，终轧温度不低于850℃，热轧结束后空冷至室温。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，将热轧后的钢板在660-690℃退火1h后空冷至室温，对退火态热轧钢板用质量分数为10％的盐酸水溶液对钢板进行酸洗。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S4中使用两辊冷轧机进行冷轧，控制冷轧的总压下量为42.5％-45％。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S5中，对冷轧后的钢板以2-4℃/s的升温速率升至660-690℃，保温10min进行退火后空冷至室温，随后在200℃下回火20min后空冷至室温。
8.一种作为汽车用钢的高强塑积冷轧中锰TRIP钢，其是采用权利要求1-7任一项所述的制备方法制备。
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