CN109930078A - 一种高强度高塑性热轧中锰钢及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度高塑性热轧中锰钢及制备方法，成分按质量百分比范围为：碳：0.3％～0.4％，锰：4.7％～5.3％，铝：3.2％～3.8％，余量为铁与不可避免的杂质。制备方法包括以下步骤：1)依照合金成分进行配料，制成钢锭，自由锻造制得板坯试样，热轧得到热轧板。2)750℃进行一次淬火冷却至室温；3)700℃进行二次淬火冷却至室温；4)200℃进行回火，冷却至室温。本发明锰含量、淬火温度和回火温度都较低，成分设计合理，工艺简单优化，生产成本低，制得的中锰钢兼具高强度和高塑性的特性。
Description
技术领域
本发明涉及高强钢制备技术领域，具体涉及一种高强度高塑性热轧中锰钢及制备方法。
背景技术
近年来，以减少废气排放和提高燃油使用效率为目标的车身轻量化受到广泛关注。其中一种行之有效方法是使用轻质材料，如Al和Mg及其合金、碳纤维和工程塑料等；但从成本、安全性和成型性能等方面综合考虑，钢铁在汽车、高铁和轮船等交通运输行业中的显著优势和主导地位仍然无可撼动，以“增强增塑”为主要目标的先进高强钢的开发如火如荼。
相比于第一代和第二代先进高强钢而言，在“多相(Multi-phase)、亚稳(Meta-stable)、多尺度(Multi-scale)”的组织调控理论体系下研发的第三代先进高强钢同时具备高强度和高塑性。作为第三代先进高强钢的一员，中锰TRIP钢具有一定强度的同时兼备良好塑性，其强塑积和成本均有较大的优化，是目前研究较热的先进钢种。第三代先进高强钢设计思路主要是进行组织调控，利用相变诱导塑性(TRIP效应)来提高钢材的整体力学性能，钢材内的残余奥氏体含量和稳定性相对第一代先进高强钢有了极大的改善，通过形变时残余奥氏体向马氏体的转变，进而提高钢板的强度和塑性。
目前为止，大部分TRIP钢都采用奥氏体逆转变工艺:初始组织为马氏体，经过长时间的临界区退火后马氏体逆转变为奥氏体，随后空冷或水冷得到室温下稳定的残余奥氏体组织，使材料获得较好的综合力学性能。但是临界区保温时间较长，需要数小时甚至数天，生产效率较低。而且目前的热处理工艺使材料力学性能提升有限，尤其是材料的塑性和韧性。如当Mn为4～7wt.％，C为0.2～0.4wt.％时，热轧中锰钢的强塑积均不超过50GPa·％。
发明专利《一种高强韧低碳含铝中锰形变诱发塑性钢及制备方法》(授权公告号CN107475618B)公开了采用循环淬火工艺可以明显细化原始奥氏体，进而细化淬火得到的马氏体，从而在后续的逆转变过程中生成较为细小的条状奥氏体束，提升材料的综合力学性能。但是该方法锰含量较高(8.5％～9.5％)，循环淬火温度较高(900℃)，临界退火温度也较高为(750℃)，力学性能提升有限，工艺条件要求比较高。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种锰含量、淬火温度和回火温度都较低的高强度高塑性热轧中锰钢及制备方法，本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种高强度高塑性热轧中锰钢，成分按质量百分比范围为：碳：0.3％～0.4％，锰：4.7％～5.3％，铝：3.2％～3.8％，余量为铁与不可避免的杂质。
作为优选，所述成分按质量百分比范围为：碳：0.35％，锰：5％，铝：3.2％，余量为铁与不可避免的杂质。
一种高强度高塑性热轧中锰钢的制备方法，包括以下步骤：
1)依照合金成分进行配料，采用真空熔炼制成钢锭，去除氧化皮后在1200℃均匀化退火2h后进行自由锻造，开锻温度为1200℃，终锻温度为850℃，随后空冷至室温，成型为100mm×30mm的板坯试样；将板坯试样置于1200℃保温2h，然后1150℃开轧，880℃终轧，空冷至室温，得到4mm厚的热轧板。
2)一次淬火，将热轧板置于箱式退火炉加热，升温速率为10±0.5℃/min，温度升至750℃后保温60min；然后从750℃冷却至室温；
3)二次淬火，将热轧板置于箱式退火炉加热，升温速率为10±0.5℃/min，温度升至700℃后保温10-90min，然后从700℃冷却至室温；
4)回火，将热轧板置于箱式退火炉加热，升温速率为10±0.5℃/min，从室温加热到200℃后保温20min，然后从200℃冷却至室温。
作为优选，所述步骤1)中合金成分按质量百分比范围为：碳：0.35％，锰：5％，铝：3.2％，余量为铁与不可避免的杂质。
作为优选，所述步骤3)中二次淬火保温时间为30min或60min。
作为优选，所述步骤2)中冷却方式为水冷。
作为优选，所述步骤3)中冷却方式为水冷或空冷。
作为优选，所述步骤4)中冷却方式为空冷。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.本发明成分设计合理，锰元素含量的降低，可以降低材料的生产成本；
2.本发明工艺简单优化、可行性高，可以提高生产效率。一次淬火温度降低到750℃，二次淬火温度降低到700℃，提高奥氏体的稳定性，使得残余奥氏体得以保留到更高的应变量下，并在更高的应变量下发生TRIP效应，提高材料的力学性能，尤其是材料的塑性和韧性。200℃低温回火处理可以去除残余应力。
3.本发明得到的材料具有优异的综合力学性能：在保持高强度的同时，极大的提高了钢的塑性和韧性，伸长率最高可达85.3％，强塑积最高可达74GPa·％，室温冲击(夏比V型缺口)吸收功最高可达330J，满足第三代先进高强钢的性能要求。
附图说明
图1为本发明实施例1试样a的显微组织图；
图2为本发明实施例2试样b的显微组织图；
图3为本发明实施例3试样c的显微组织图；
图4为本发明实施例4试样d的显微组织图；
图5为本发明实施例5试样e的显微组织图；
图6为本发明实施例6试样f的显微组织图；；
图7为本发明中锰钢的单轴拉伸工程应力-工程应变曲线图；
图8为本发明中锰钢的室温冲击吸收功曲线图；
图9为本发明实施例4试样d的不同温度冲击吸收功曲线图；
表1为本发明中锰钢的合金成分；
表2为一次淬火和二次淬火阶段工艺参数；
表3为不同热处理工艺单轴拉伸力学性能对比。
具体实施方式
表1中锰钢的合金成分
依照表1成分进行合金配料，采用真空熔炼制成钢锭，去除氧化皮后在1200℃均匀化退火2h后进行自由锻造，开锻温度为1200℃，终锻温度为850℃，随后空冷至室温，成型为100mm×30mm的板坯试样；将板坯试样置于1200℃保温2h，然后1150℃开轧，880℃终轧，空冷至室温，得到4mm厚的热轧板。一次淬火和二次淬火阶段工艺参数见表2。
对比例1(试样a)，进行一次淬火，将上述制得的热轧板置于箱式退火炉加热，升温速率为10±0.5℃/min，温度升至750℃后保温60min；然后从750℃冷却至室温，冷却方式为水冷；回火阶段：将热轧板置于箱式退火炉加热，升温速率为10℃/min，从室温加热到200℃后保温20min，然后从200℃冷却至室温，冷却方式为空冷。将试样a作为对比试样。
表2一次淬火和二次淬火阶段工艺参数
实施例1(试样b)，进行一次淬火，将上述制得的热轧板置于箱式退火炉加热，升温速率为10±0.5℃/min，温度升至750℃后保温60min；然后从750℃冷却至室温，冷却方式为水冷；进行二次淬火：将热轧板置于箱式退火炉加热，升温速率为10℃/min，温度升至700℃后保温10min，然后从700℃冷却至室温，冷却方式为水冷；回火阶段：将热轧板置于箱式退火炉加热，升温速率为10℃/min，从室温加热到200℃后保温20min，然后从200℃冷却至室温，冷却方式为空冷。
实施例2(试样c)，进行一次淬火，将上述制得的热轧板置于箱式退火炉加热，升温速率为10±0.5℃/min，温度升至750℃后保温60min；然后从750℃冷却至室温，冷却方式为水冷；进行二次淬火：将热轧板置于箱式退火炉加热，升温速率为10℃/min，温度升至700℃后保温30min，然后从700℃冷却至室温，冷却方式为水冷；回火阶段：将热轧板置于箱式退火炉加热，升温速率为10℃/min，从室温加热到200℃后保温20min，然后从200℃冷却至室温，冷却方式为空冷。
实施例3(试样d)，进行一次淬火，将上述制得的热轧板置于箱式退火炉加热，升温速率为10±0.5℃/min，温度升至750℃后保温60min；然后从750℃冷却至室温，冷却方式为水冷；进行二次淬火：将热轧板置于箱式退火炉加热，升温速率为10℃/min，温度升至700℃后保温60min，然后从700℃冷却至室温，冷却方式为水冷；回火阶段：将热轧板置于箱式退火炉加热，升温速率为10℃/min，从室温加热到200℃后保温20min，然后从200℃冷却至室温，冷却方式为空冷。
实施例4(试样e)，进行一次淬火，将上述制得的热轧板置于箱式退火炉加热，升温速率为10±0.5℃/min，温度升至750℃后保温60min；然后从750℃冷却至室温，冷却方式为水冷；进行二次淬火：将热轧板置于箱式退火炉加热，升温速率为10℃/min，温度升至700℃后保温90min，然后从700℃冷却至室温，冷却方式为水冷；回火阶段：将热轧板置于箱式退火炉加热，升温速率为10℃/min，从室温加热到200℃后保温20min，然后从200℃冷却至室温，冷却方式为空冷。
实施例4(试样f)，进行一次淬火，将上述制得的热轧板置于箱式退火炉加热，升温速率为10±0.5℃/min，温度升至750℃后保温60min；然后从750℃冷却至室温，冷却方式为水冷；进行二次淬火：将热轧板置于箱式退火炉加热，升温速率为10℃/min，温度升至700℃后保温60min，然后从700℃冷却至室温，冷却方式为空冷；回火阶段：将热轧板置于箱式退火炉加热，升温速率为10℃/min，从室温加热到200℃后保温20min，然后从200℃冷却至室温，冷却方式为空冷。
将热处理后的拉伸试样的表面氧化皮打磨掉，加工成标距为50mm，宽为12.5mm的拉伸试件而后在微机控制电液伺服万能试验机进行拉伸试验，试样经过机械研磨和抛光后使用4wt.％的硝酸酒精腐蚀10s，在场发射扫描电镜下观察其形貌。分别对比试样a、b、c、d、e、f的组织和力学性能，观察二次退火及不同冷速对其微观组织及力学性能的影响。
表3不同热处理工艺单轴拉伸力学性能对比
结果及分析
1.一次淬火和二次淬火对微观组织的影响。一次淬火和二次淬火试样SEM显微形貌如图1至图6所示。图中亮白色的部分为残余奥氏体，黑色部分为铁素体。可以明显观察到，二次淬火的引入使得残余奥氏体的形状从一次淬火的块状和条状转变为二次淬火的条状和颗粒状。残余奥氏体的晶粒大小对其稳定性的影响很大，在发生形变时，块状的残余奥氏体容易发生TRIP效应，转化率较高，使得钢材的强度增加。二次淬火的引入使得残余奥氏体从块状转变为颗粒状，提高奥氏体的稳定性，从而可以使得残余奥氏体保留到更高应变量下，提高中锰钢的塑性和韧性，优化整体的力学性能。
一次淬火和二次淬火对力学性能的影响。一次淬火和二次淬火不同热处理工艺的力学性能见表3，相对应的拉伸应力应变曲线如图7。通过对比可以看出二次淬火的引入使得抗拉强度降低，延伸率不断增加，强塑积也逐渐增加。在二次淬火保温60min的条件下，获得抗拉强度为860MPa，延伸率为85.3％，强塑积为74GPa％的优异性能。
2.二次淬火不同保温时间对微观组织的影响。二次淬火试样SEM显微形貌如图2至图5所示。可以明显观察到，随着二次淬火保温时间的增加，条状奥氏体的片层间距不断增加，颗粒状奥氏体不断长大，奥氏体含量增加，从而更有利于力学性能的增加。但是当保温时间为90min时，可以发现出现一部分的马氏体，这说明保温时间的增加使得奥氏体的稳定性降低，从而转变为马氏体，弱化力学性能。
一次淬火和二次淬火对冲击吸收功的影响。一次淬火和二次淬火不同热处理工艺的冲击吸收功见图8，二次淬火保温60min不同温度冲击的冲击吸收功见图9。通过对比可以看出二次淬火的引入使得室温冲击吸收功逐渐增加，在二次淬火保温时间30min时最佳，达到330J。二次淬火保温60min的条件下，冲击吸收功随着测试温度的降低不断下降。
3.二次淬火不同冷却方式对微观组织的影响
二次淬火不同冷却方式试样SEM显微形貌如图4至图6所示。在空冷至室温的条件下，试样f的抗拉强度可以达到835MPa，延伸率达到83.2％，强塑积达到69GPa％。而在水冷至室温的条件下，试样d抗拉强度可以达到860MPa，延伸率达到85.3％，强塑积达到74GPa％。水冷比空冷的冷却速度快，随着冷却速度的增加，残余奥氏体含量相对减少，在室温下残余奥氏体稳定性较高，延迟缩颈的发生，提高了断后延伸率，强塑积随之增加，抗拉强度增大。
结论
(1)二次淬火的引入，使得热轧中锰钢的抗拉强度降低，但提高了材料的延伸率和强塑积，提升了热轧中锰钢的综合力学性能。
(2)二次淬火不同冷却方式对抗拉强度、延伸率和强塑积都有影响，其中水冷可以获得更好的综合力学性能。
(3)二次淬火的引入，使得试样的冲击韧性提高，室温冲击吸收功(夏比V型缺口)最高可达330J。
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 (8)
1.一种高强度高塑性热轧中锰钢，其特征在于成分按质量百分比范围为：碳：0.3％～0.4％，锰：4.7％～5.3％，铝：3.2％～3.8％，余量为铁与不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的一种高强度高塑性热轧中锰钢，其特征在于成分按质量百分比范围为：碳：0.35％，锰：5％，铝：3.2％，余量为铁与不可避免的杂质。
3.一种高强度高塑性热轧中锰钢的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)依照合金成分进行配料，采用真空熔炼制成钢锭，去除氧化皮后在1200℃均匀化退火2h后进行自由锻造，开锻温度为1200℃，终锻温度为850℃，随后空冷至室温，成型为100mm×30mm的板坯试样；将板坯试样置于1200℃保温2h，然后1150℃开轧，880℃终轧，空冷至室温，得到4mm厚的热轧板。
2)一次淬火，将热轧板置于箱式退火炉加热，升温速率为10±0.5℃/min，温度升至750℃后保温60min；然后从750℃冷却至室温；
3)二次淬火，将热轧板置于箱式退火炉加热，升温速率为10±0.5℃/min，温度升至700℃后保温10-90min，然后从700℃冷却至室温；
4)回火，将热轧板置于箱式退火炉加热，升温速率为10±0.5℃/min，从室温加热到200℃后保温20min，然后从200℃冷却至室温。
4.如权利要求3所述的一种高强度高塑性热轧中锰钢的制备方法，其特征在于所述步骤1)中合金成分按质量百分比范围为：碳：0.35％，锰：5％，铝：3.2％，余量为铁与不可避免的杂质。
5.如权利要求3所述的一种高强度高塑性热轧中锰钢的制备方法，其特征在于所述步骤3)中二次淬火保温时间为30min或60min。
6.如权利要求3所述的一种高强度高塑性热轧中锰钢的制备方法，其特征在于所述步骤2)中冷却方式为水冷。
7.如权利要求3所述的一种高强度高塑性热轧中锰钢的制备方法，其特征在于所述步骤3)中冷却方式为水冷或空冷。
8.如权利要求3所述的一种高强度高塑性热轧中锰钢的制备方法，其特征在于所述步骤4)中冷却方式为空冷。
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|---|---|---|---|---|
| CN113549742A (zh) * | 2021-07-23 | 2021-10-26 | 攀钢集团江油长城特殊钢有限公司 | 一种3Cr17NiMo电渣锭的退火方法 |
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