CN110484833A - 一种高铬低锰奥氏体钢及其制备方法 - Google Patents

一种高铬低锰奥氏体钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高铬低锰奥氏体钢，其特征在于：化学成分包括：以质量百分比计，C：0.12‑0.8％，Cr：7.0‑18.0％、Mn：2.0‑15.0％，Al：0.001‑3.0％，Si：0.01‑2.0％，N：0.002‑0.3％，P≤0.02％，S≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质，其中，C、N、Cr、Mn的重量百分比满足下式：502‑810×[C]‑1230×[N]‑13×[Mn]‑12×[Cr]≤‑40。本发明可以通过合理设计高Cr奥氏体钢的成分配合特定的制备工艺，特别是退火工艺，来获得了不同强度和塑性的组合，从而获取所需性能的钢板。

Description

一种高铬低锰奥氏体钢及其制备方法
技术领域
本发明属于汽车用钢和结构用钢技术领域，具体涉及一种高铬低锰奥氏体钢及其制备方法。
背景技术
具高强塑积的高锰TWIP钢目前在全世界范围内得到了广泛关注和研究。为了提高奥氏体的稳定性和层错能，高锰钢中的Mn含量普遍在18％以上。实验数据和理论计算均已表明，Mn是天然的晶界脆化元素，在拉坯和轧制过程中，由于板坯边角部位的温度较低，较低温度下Mn元素朝晶界偏聚的趋势较大(偏聚能较大)，这样就进一步脆化了晶界，从而使得高Mn钢的浇铸和轧制过程都容易出现问题，容易产生裂纹。因此，高锰钢中如此高的Mn含量使得其工业化生产存在较大困难。如何降低高锰钢的生产困难、提高综合性能成为亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明为了降低生产高锰钢的困难，提供了一种高铬低锰奥氏体钢及其制备方法。
本发明在化学成分上通过以Cr代Mn来降低基体的Mn含量，形成高Cr低Mn的奥氏体组织，从而给工业化生产带来便利。Cr元素并不明显地脆化晶界；虽然Cr不是扩大奥氏体相区元素，但Cr能降低奥氏体的Ms点，也能起到稳定奥氏体的作用。故为了规避过高的Mn含量给生产带来的困难，本发明采取以Cr代Mn的方法来达到稳定奥氏体的目的。
本发明第一方面提供了一种高铬低锰奥氏体钢，化学成分包括：以质量百分比计，C：0.12-0.8％，Cr：7.0-18.0％、Mn：2.0-15.0％，Al：0.001-3.0％，Si：0.01-2.0％，N：0.002-0.3％，P≤0.02％，S≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质；其中，C、N、Cr、Mn的重量百分比满足下式：
502-810×[C]-1230×[N]-13×[Mn]-12×[Cr]≤-40；
式中，[C]为C的重量百分比；
[N]为N的重量百分比；
[Mn]为Mn的重量百分比；
[Cr]为Cr的重量百分比。
优选的，上述高铬低锰奥氏体钢中，其化学成分还包括：以质量百分比计，Ni：0-2.0％，Mo：0-0.6％，Cu：0-2.0％，B：0-0.005％，Nb：0-0.15％，Ti：0-0.3％，V：0-0.7％，Zr：0-0.2％，稀土元素：0-0.005％，Ca：0-0.03％中的一种或几种。
从上述化学组份可以看出，本发明提供的高铬低锰奥氏体钢的成分体系为C(N)-Cr-Mn-Al(Si)系，其中的C(或N)、Cr和Mn是用来稳定奥氏体的，Al或Si用以抑制退火过程中碳化物的析出。钢中加N则需要增加Si来抑制析出物，而不能增加Al，以免大量的析出AlN夹杂。
可以看到，本发明提供的高铬低锰奥氏体钢的化学成分看起来与200系不锈钢(CrMn系不锈钢)相似，但两者的成分设计有本质不同。200系不锈钢的典型成分是0.1C-10Mn-13Cr-1Ni-1Cu-0.2N，加N的目的主要是为了减轻析出物对Cr的消耗(因为C容易形成Cr23C6或Cr3C型析出物，而N主要形成Cr2N型析出物)；加Ni和Cu主要是为了保证耐蚀性。高铬低锰奥氏体钢不特别强调耐蚀性，故Ni和Cu不是必需元素，且Cr元素的含量并不要求不低于13％；此外，高Cr奥氏体钢中的C含量可以比0.1％更高，然后依靠Al或Si来抑制碳化物的析出；最后，在不增加N的前提下，高铬低锰奥氏体钢中可通过加Al来调节奥氏体的层错能，利于力学性能的提高。
具体的，本发明提供的高铬低锰奥氏体钢的合金成分具有如下特点：
碳C：主要的奥氏体化元素和间隙固溶强化元素，含量至关重要。含量偏低的话会导致亚稳奥氏体含量不足；含量过高的话一方面会造成焊接性能降低。碳含量应控制在0.12-0.8％。
铬Cr：主要的固溶强化元素，同时能提高基体的淬透性并降低奥氏体的Ms点。铬含量应控制在0.8-8.0％。
锰Mn：主要的奥氏体化元素，同时具有提高淬透性的作用，含量至关重要。含量过高的话会脆化基体。Mn含量控制在2-15％。
铝Al：除了脱氧和细化晶粒外，铝元素也可以抑制卷取和退火过程中碳化物的析出。此外，铝也可以增加亚稳奥氏体的层错能，合理的铝含量可以使亚稳奥氏体的层错能处于能同时产生TWIP效应和TRIP效应的区间，从而达到提高基体强塑积的目的。本发明选择将铝含量控制在0.01-3.0％。
硅Si：硅元素能够抑制卷取和退火过程中碳化物的析出，也能扩大两相区，同时硅固溶于铁素体可以提高铁素体强度。但硅元素过高会导致热轧表面红锈缺陷增加，降低成品表面质量。因此硅的添加量应视使用场合而定，本发明采用硅含量为0.01-2.0％。
氮N：氮是奥氏体相区扩大元素，可以提高亚稳奥氏体的稳定性。还能与Al、Ti、Nb、V、Zr等形成化合物，细化晶粒；但氮的加入量较大的话，就可能与这些合金元素形成大尺寸的夹杂了。本发明中N的添加量在0.002-0.3％。
磷P：在钢液凝固时形成微观偏析，随后在加热时易朝晶界偏聚，使钢的脆性加大。故P含量应控制在0.02％以下。
硫S：不可避免的不纯物，形成MnS夹杂和在晶界偏聚会恶化钢的韧性，并使氢致延迟断裂敏感性增加。故S含量应控制在0.02％以下。
镍Ni：镍元素能增加奥氏体稳定性，同时也能有效地提高基体的韧性和耐蚀性能。镍含量视使用场合而定，本发明采用镍含量为0-2.0％。
钼Mo：有效地提高钢的淬透性和强化晶界，还能抑制微合金碳化物的粗化。析出的含Mo碳化物粒子有利于提高材料的抗氢致裂纹能力，含量超过0.8％后上述作用效果接近饱和，且成本高。本发明采用钼含量为0-0.6％。
铜Cu：通过析出ε-Cu实现强化，此外与也能提高基体的耐蚀性。本发明中铜的添加范围为0-2.0％。
硼B：显著提高钢的淬透性和净化晶界，含量高于0.005％后作用增加不明显。故硼含量添加范围为0-0.005％。
铌Nb：易与碳氮原子在奥氏体温度区间形成细小析出物，能起到细化晶粒的作用，同时固溶铌可以提高奥氏体的未再结晶温度。析出的含Nb碳化物粒子有利于提高材料的抗氢致裂纹能力。铌的添加量控制在0-0.15％。
钛Ti：一种强碳氮化物形成元素。在板坯加热温度区间可以形成氮化钛来细化奥氏体晶粒。钛的添加量控制在0-0.3％。
钒V：以细小的碳氮化物形式存在时，具强烈的析出强化作用。在高强钢中通常也用作氢陷阱来提高钢材的抗氢致延迟断裂性能。本发明中钒的添加量控制在0-0.7％。
锆Zr：强碳化物形成元素之一，能起到细晶强化和析出强化的作用。本发明中锆的添加量控制在0-0.2％。
稀土RE：起脱氧和脱硫作用，使夹杂物变性，提高钢的塑韧性。含量高于0.05％时作用增加不明显，故稀土的添加量控制在0-0.05％。
钙Ca：脱氧和脱硫，使夹杂物变性。其添加量一般与硫的比例为3:1，钙的添加量为0-0.03％。
更加优选的，上述高铬低锰奥氏体钢中，化学成分优选为：以质量百分比计，C：0.20-0.65％，Cr：14.0-15.0％，Mn：2.0-9.0％，Al：0.001-2.0％，Si：0.1-1.5％，N：0.002-0.3％，P≤0.02％，S≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质。
进一步优选的，上述高铬低锰奥氏体钢中，以质量百分比计，C含量优选为0.40-0.65％，Mn含量优选为2.0-8.0％。
进一步优选的，上述高铬低锰奥氏体钢中，以质量百分比计，Al含量优选0.005-1.5％。
进一步优选的，上述高铬低锰奥氏体钢中，以质量百分比计，Si含量0.2-1.2％。
进一步优选的，上述高铬低锰奥氏体钢中，以质量百分比计，P≤0.015％，S≤0.01％。
优选的，所述高铬低锰奥氏体钢钢板的微观组织含有体积百分比30～50％的细小的逆转变奥氏体。
本发明第二方面提供了上述高铬低锰奥氏体钢的制备方法，步骤包括：
S1、连铸生产铸坯或模铸生产铸锭；
S2、铸坯或铸锭的热轧或热连轧：
所述热连轧包括：铸坯或铸锭经1100～1250℃加热，然后粗轧、热连轧；
所述热轧包括：铸坯或铸锭经1100～1250℃加热，进行多道次轧制；
S3、对热轧钢板进行直接退火，或冷轧后再退火；
所述直接退火包括：采用控制冷却工艺对热轧钢板进行冷却，然后卷曲并冷却至室温；然后将钢板加热、保温后冷却至室温。
所述冷轧后再退火包括：将热轧钢板酸洗后冷轧，所述冷轧压下量为10-85％，然后进行连续退火或镀锌处理。
优选的，步骤S1中，采用转炉、电炉或感应炉冶炼进行钢的冶炼，然后连铸生产铸坯或模铸生产铸锭。
优选的，步骤S2中，所得热轧钢板的基体组织含有体积百分比90％以上的奥氏体。
更加优选的，步骤S2中，所述热连轧包括：铸坯或铸锭经1100～1250℃加热，多道次粗轧至厚度30～50mm，再由精轧机组进行5～7道次连轧；
所述热轧包括：铸坯或铸锭经1100～1250℃加热，保温1.5～2.5h后热轧，
更加优选的，所述热轧和热连轧的终轧温度可根据后续工艺要求来确定，具体的，在本发明的一个实施例中提供了一种较优的热轧工艺条件，所述热轧的终轧温度≥860℃，终轧厚度为2～4mm，轧后钢板冷却至500～600℃保温0.8～1.5h，冷却至室温。
优选的，步骤S3中，对热轧钢板进行冷轧退火；由于热轧后的基体组织以奥氏体为主，故不需软化退火便可直接进行冷轧，进行所述冷轧后钢板的基体组织为形变马氏体和残留奥氏体为主的组织，包括体积百分比20-70％的形变马氏体和30-80％的残留奥氏体(马氏体和奥氏体的含量依冷轧压下来而变化)；进行所述退火使形变马氏体发生逆相变转变为细小的逆转变奥氏体，且残留奥氏体发生回复或再结晶。
更加优选的，步骤S3中，所述冷轧退火包括：将热轧钢板酸洗后冷轧，所述冷轧压下量为30-70％，然后进行连续退火，所述连续退火的均热段温度800～870℃，缓冷段温度730～790℃，快冷段温度270～290℃。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明提供的一种高铬低锰奥氏体钢，化学成分上通过以Cr代Mn来降低基体的Mn含量，形成高Cr低Mn的奥氏体组织，从而给工业化生产带来便利，进一步配合其它合金元素对性能进行调整和提高，从而在生产难度不大的前提下获得综合力学性能较高的高铬低锰奥氏体钢。
(2)本发明提供的高铬低锰奥氏体钢的生产工艺可根据需求进行选择和调整，在对符合化学组份要求的铸坯热轧后，可冷却退火或冷轧退火，最终获得符合强度、延伸率等要求的高性能钢板。本发明能够通过合理设计高Cr奥氏体钢的成分和退火工艺，来降低生产难度并获得不同强度和塑性的组合。
附图说明
附图1为本发明高铬低锰奥氏体钢冷轧退火后的组织。
附图2为本发明冷轧退火后的高铬低锰奥氏体钢的典型拉伸曲线。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。例如，本发明中所述室温指10～35℃的室内温度。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
下面将结合多个具体实施例对本发明的高铬低锰奥氏体钢及其制备方法进行详细说明。本发明实施例中主要是针对汽车用冷轧钢板的开发来确定的具体化学组份以及工艺条件，但本发明的思路同样适用于中厚板、型材和棒线材。
实施例1
本实施例提供了高铬低锰奥氏体钢及其制备方法，步骤包括：
(1)钢的冶炼：本实施例由实验室真空感应炉冶炼，浇铸成50kg的方锭。本实施例共冶炼5炉钢，分别编号为1～5，各号钢对应的化学成分见表1，表1中元素对应的含量为质量百分比含量，各号钢中除了包含表中1对应的元素，其余为Fe及不可避免的杂质。
表1 1～5号钢的化学成分表(单位：wt％)
(2)热轧
将钢锭在1100-1250℃加热，保温2h左右后开始热轧。终轧厚度为3mm，终轧温度不低于860℃。轧后将钢板冷至500-600℃时立即放入500-600℃的箱式加热炉中，保温1h后炉冷至室温，以模拟卷取过程。
(3)冷轧退火
钢板热轧后进行酸洗去磷和室温下冷轧，本实施例中1-7#钢的冷轧压下量均为50％。冷轧后钢板裁切至合适尺寸，在连退模拟机上模拟连续退火过程，连续退火的具体工艺参数及不同工艺所得冷轧板的力学性能如表2所示。其中，1号高铬低锰奥氏体钢冷轧退火后的组织如附图1所示，典型拉伸曲线如附图2所示。
表2经不同连续退火工艺处理后热轧钢板的力学性能
实施例2
本实施例提供了一种高铬低锰奥氏体钢及其制备方法，步骤包括：
(1)钢的冶炼：本实施例由转炉冶炼，所得钢的化学成分为：以质量百分比计，C：0.45％，Cr：14.2％，Mn：2.5％，Al：0.01％，Si：0.5％，N：0.02％，P：0.015％，S：0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质。然后连铸生产铸坯。
(2)铸坯热连轧
铸坯经1200℃加热，由粗轧机进行三道次轧制，轧到40mm厚度后，由精轧机组进行6道次连轧，终轧温度880℃，所得热轧钢板基体组织以奥氏体为主。
(3)冷轧退火
钢板热轧后进行酸洗去磷，室温下冷轧，冷轧压下量为75％，冷轧后得到形变马氏体+部分残留奥氏体为主的组织，冷轧后钢板裁切至合适尺寸，然后进行连续退火，均热段840℃，缓冷段760℃，快冷段280℃，在退火过程中形变马氏体发生逆相变转变为细小的逆转变奥氏体，残留奥氏体则发生回复或再结晶，得到冷轧钢板，其力学性能余实施例1基本一致。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种高铬低锰奥氏体钢，其特征在于：化学成分包括：以质量百分比计，C：0.12-0.8％，Cr：7.0-18.0％、Mn：2.0-15.0％，Al：0.001-3.0％，Si：0.01-2.0％，N：0.002-0.3％，P≤0.02％，S≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质；其中，C、N、Cr、Mn的重量百分比满足下式：
502-810×[C]-1230×[N]-13×[Mn]-12×[Cr]≤-40；
式中，[C]为C的重量百分比；
[N]为N的重量百分比；
[Mn]为Mn的重量百分比；
[Cr]为Cr的重量百分比。
2.如权利要求1所述的高铬低锰奥氏体钢，其特征在于：化学成分还包括：以质量百分比计，Ni：0-2.0％，Mo：0-0.6％，Cu：0-2.0％，B：0-0.005％，Nb：0-0.15％，Ti：0-0.3％，V：0-0.7％，Zr：0-0.2％，稀土元素：0-0.005％，Ca：0-0.03％中的一种或几种。
3.如权利要求1或2所述的高铬低锰奥氏体钢，其特征在于：化学成分包括：以质量百分比计，C：0.20-0.65％，Cr：14.0-15.0％，Mn：2.0-9.0％，Al：0.001-2.0％，Si：0.1-1.5％，N：0.002-0.3％，P≤0.02％，S≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质。
4.权利要求1所述的高铬低锰奥氏体钢的制备方法，步骤包括：
S1、连铸生产铸坯或模铸生产铸锭；
S2、铸坯或铸锭的热轧或热连轧：
所述热连轧包括：铸坯或铸锭经1100～1250℃加热，然后粗轧、热连轧，然后在规定温度范围内卷取；
所述热轧包括：铸坯或铸锭经1100～1250℃加热，进行多道次轧制，轧制到所需厚度后冷却至室温；
S3、对热轧钢板进行直接退火，或冷轧后再退火；
所述直接退火包括：将热轧钢板加热、保温一定时间后冷却至室温；
所述冷轧后再退火包括：将热轧钢板酸洗后冷轧，所述冷轧压下量为10-85％，然后进行连续退火或镀锌处理。
5.如权利要求4所述的高铬低锰奥氏体钢的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所得热轧钢板的基体组织含有体积百分比90％以上的奥氏体。
6.如权利要求4所述的高铬低锰奥氏体钢的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述热连轧包括：铸坯或铸锭经1100～1250℃加热，多道次粗轧至厚度30～50mm，再由精轧机组进行5～7道次连轧；
所述热轧包括：铸坯或铸锭经1100～1250℃加热，保温1.5～2.5h后热轧，所述热轧的终轧温度≥860℃，终轧厚度为2～4mm，轧后钢板冷却至500～600℃保温0.8～1.5h，冷却至室温。
7.如权利要求4所述的高铬低锰奥氏体钢的制备方法，其特征在于：步骤S3中，对热轧钢板进行冷轧退火；进行所述冷轧后钢板的基体组织包括20-70％的形变马氏体和30-80％的残留奥氏体；进行所述退火使形变马氏体发生逆相变转变为细小的逆转变奥氏体，且残留奥氏体发生回复或再结晶。
8.如权利要求4或7所述的高铬低锰奥氏体钢的制备方法，其特征在于：步骤S3中，所述冷轧退火包括：将热轧钢板酸洗后冷轧，所述冷轧压下量为30-70％，然后进行连续退火，所述连续退火的均热段温度750～900℃，退火时间10s-10min。
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CN1659300A (zh) * 2000-09-19 2005-08-24 蒂森克鲁伯尼罗斯塔有限公司 主要由猛奥氏体构成的钢带或薄钢板的制备方法
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