CN111041178A - 一种循环轧制高强高韧双相钢制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种循环轧制高强高韧双相钢制备方法，涉及金属材料加工技术领域，包括以下步骤：步骤1、初轧制：对原料进行高温初轧后水冷至室温，得到初轧钢板；步骤2：大变形循环轧制，具体包括如下步骤：步骤2.1：预处理：将所述初轧钢板加热至Ac3‑(10～100)℃，并进行保温；步骤2.2：对经过所述步骤2.1的所述初轧钢板进行循环轧制，每道次轧制前，均需要将待轧制的钢板加热至Ac3‑(10～100)℃并保温后再进行轧制，所述循环轧制中的每道次轧制的压下量为40％至50％，所述循环轧制的总压下量为70％至95％；步骤2.3：将轧制完成的钢板水冷至室温。本发明工艺简单，易于工业规模化应用，生产效率高，产品制造成本低，制备的钢板组织细化均匀，具高强度和优良韧性。

Description

一种循环轧制高强高韧双相钢制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料加工技术领域，尤其涉及一种循环轧制高强高韧双相钢制备方法。
背景技术
对于金属结构材料而言，实践和研究结果表明，随着材料强度的逐渐提升，材料的韧性和延展性往往会随之降低，这大大限制了超高强度金属材料在工程上的应用，因此材料的强韧化一直是结构材料研究的重点和难点。晶粒细化是同时提升材料强度和韧性最有效的方法，同时还可以改善材料的加工成型性能，因此如何在现有技术的基础上得到超细晶甚至纳米晶组织是提高材料综合力学性能的重要研究方向。
剧烈塑性变形(Severe Plastic deformation，SPD)作为一种新兴的塑性变形方法，可以在变形过程中引入大量的位错和大角度晶界等缺陷，提供了大量的晶粒形核位置，从而有效细化晶粒，且获得完整大尺寸试样，通过在变形过程中微观组织的控制，可以同时获得具有高强度与大塑性的块体超细晶/纳米晶材料。其最具代表性的工艺包括：高压扭转(High pressure and torsion，HPT)、等径角挤压变形(Equal channel angularpressing，ECAP)、累积叠轧(Accumulative Roll Bonding，ARB)等。大变形轧制作为SPD的代表工艺之一，有着多道次累积变形量大，操作简单，加工工件尺寸要求低等特点，是一种高效方便的晶粒细化方法。专利文献CN109136755A介绍了一种高强度钢板的生产方法，该钢板碳的质量百分比含量小于0.6％，是一种低碳低合金钢，该专利通过热轧结合冷轧，制备出汽车用高强度钢。专利文献CN108265169B介绍了一种高强度钢的处理工艺，通过冷轧结合连续退火，制备出成分均匀的双相钢。
大变形轧制能够有效地细化晶粒，但是其组织往往呈现沿轧制方向的条带状结构，从而导致材料存在较强的各向异性，同时经过强烈塑性变形，材料内部存在较大的内应力，这些因素都会对材料的性能产生不利的影响。作为一种传统的材料加工工艺，热处理能够有效地调整材料的强度和塑性，同时调控材料的组织结构，消除内应力。钢的处理工艺包括正火、退火、淬火、回火，不同的热处理工艺能够对钢的综合力学性能进行不同维度和程度的优化。一般的热处理工艺往往导致晶粒长大，循环热处理却能够通过反复的相变过程使晶粒得到细化。循环热处理工艺一般是指将钢快速加热到Ac3以上温度进行短时奥氏体化处理，然后快速淬火至室温，并进行多次重复。在循环热处理过程中，每进行一次循环热处理，奥氏体晶粒便得到一定程度的细化，经过多次循环热处理后形成细小或超细奥氏体晶粒，在淬火过程中相变转化为超细马氏体组织。专利文献CN106755774A介绍了一种低碳低合金钢的热处理方法，通过采用高温淬火与两次临界热处理的热处理工艺方案，克服了传统高强钢制备技术的局限性，获得了理想的有“多相、亚稳、多尺度析出”的显微组织结构的高强钢。经过强烈塑性变形之后再进行热处理，能够获得具有超高强度高韧性的超细晶钢，但是其加工工艺流程较为繁琐，加工成本较高，对工厂的场地和设备要求较高。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种生产工艺简单，易于工业规模化应用，生产效率高，产品制造成本低的制备高强高韧双相钢的方法，该方法可将循环热轧制和热处理调控相变组织两种方式相结合，将热处理过程融合到轧制过程中，制备出细化均匀、兼具高强度和优良韧性的钢板组织。
发明内容
鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何通过改进传统的大变形中温轧制工艺，将轧制工艺和循环热处理工艺相结合，以开发一种生产工艺简单，易于工业规模化应用，生产效率高的高强度高韧性双相钢的制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种循环轧制高强高韧双相钢制备方法，包括以下步骤：
步骤1、初轧制：对原料进行初轧，开轧温度为Ac3+(200～400)℃，所述Ac3为所述原料的完全奥氏体化温度，具体包括如下步骤：
步骤1.1：将所述原料加热至Ac3+(200～400)℃，并进行保温，得到预轧料；
步骤1.2：对所述预轧料进行轧制；
步骤1.3：水冷至室温，得到初轧钢板；
步骤2：大变形循环轧制，具体包括如下步骤：
步骤2.1：预处理：将所述初轧钢板加热至Ac3-(10～100)℃，并进行保温；
步骤2.2：对经过所述步骤2.1的所述初轧钢板进行循环轧制，每道次轧制前，均需要将待轧制的钢板加热至Ac3-(10～100)℃并保温后再进行轧制，所述循环轧制中的每道次轧制的压下量为40％至50％，所述循环轧制的总压下量为70％至95％；
步骤2.3：将轧制完成的钢板水冷至室温。
进一步地，所述步骤1.1中的保温的时间大于等于2小时且小于等于6小时。
进一步地，所述步骤1.2中的轧制若为多道次轧制，则开轧温度为Ac3+(300～400)℃，终轧温度为Ac3+(100～200)℃。
进一步地，所述步骤1.3中所述初轧钢板的最终厚度不大于100mm，所述初轧钢板相对于所述预轧料的最终压下量不小于50％。
进一步地，所述步骤2.1中的保温的时间大于等于1小时且小于等于2小时。
进一步地，所述步骤2.2中的保温的时间为t，所述t按下式确定：
t＝d1/2×min/mm1/2+t0×min，
其中，d为当前待轧制钢板的厚度，单位为mm，取值范围为d∈(1,100)；t0为常数，取值范围为t0∈[1,10]。
进一步地，所述步骤2.2中的所述循环轧制的轧制道数大于等于2且小于等于6。
优选地，所述步骤2.2中的所述循环轧制为淬火循环轧制，所述步骤2.2具体包括如下步骤：
步骤2.2.1：所述步骤2.1保温结束后，进行第一道次的轧制；轧制完成后水冷至室温；
步骤2.2.2：将待轧制的钢板加热至Ac3-(10～100)℃并保温，保温时间为所述t，保温结束后立刻进行下一道次的轧制；
步骤2.2.3：如果所述循环轧制已完成，则转所述步骤2.3，否则，将待轧制的钢板水冷至室温，转步骤2.2.2。
优选地，所述步骤2.2中的所述循环轧制为等温循环轧制，所述步骤2.2具体包括如下步骤：
步骤2.2.5：所述步骤2.1保温结束后，进行第一道次的轧制；
步骤2.2.6：将待轧制的钢板加热至Ac3-(10～100)℃并保温，保温时间为所述t，保温结束后，进行下一道次的轧制；
步骤2.2.7：如果所述循环轧制未完成则转所述步骤2.2.6，否则转步骤2.2.8或所述步骤2.3；
步骤2.2.8：将轧制完成的钢板加热至Ac3-(10～100)℃并保温，保温时间为所述t，保温结束后，转所述步骤2.3。
进一步地，所述步骤1中的所述原料为碳的质量百分比含量为0.10％～0.40％的铁素体-马氏体双相钢。
本发明在大变形中温轧制的基础上，通过将大变形轧制和循环热处理有机结合，从而优化金属材料加工工艺；所述步骤1将原料加热至奥氏体再结晶区，可以消除铸造过程中产生的成分偏析，使铸态的柱状晶组织转化为等轴晶组织，并通过轧制细化晶粒，提升合金钢的轧制性能；所述步骤2.1可以防止保温温度过高，在保温过程中发生脱碳，导致合金钢铸锭成分不均匀，导致最终产品中马氏体过饱和碳浓度降低强度下降；所述步骤2.2可以保证每道次轧制的样品轧制温度相同，同时将轧制和热处理动态结合，通过塑性变形和回复再结晶细化晶粒，获得均匀的双相组织；所述步骤2.2中设置的保温时间可以避免加热施加过长导致晶粒过度长大，同时防止加热时间过短导致材料温度不均匀，未加热到指定温度；所述步骤2.2.1和所述步骤2.2.3可以使钢中的奥氏体淬火为马氏体组织，提高材料的力学性能，同时防止温度降低导致奥氏体中析出铁素体，导致材料性能降低。
与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：
1、本发明公开的方法，能够高效地细化晶粒，通过不断地引入大角度晶界等缺陷提供形核位置，同时抑制晶粒的生长过程从而获得均匀细小的晶粒组织，使材料获得良好的组织和力学性能，通过本发明公开的方法制备的钢板组织细化均匀，具高强度和优良韧性。
2、本发明公开的方法将传统的轧制工艺和热处理工艺有机的结合，使材料的工艺流程得到优化，该方法生产工艺简单，易于工业规模化应用，生产效率高，产品制造成本低。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为本发明一个较佳实施例的淬火循环轧制工艺示意图；
图2为本发明一个较佳实施例的等温循环轧制工艺示意图；
图3为本发明一个较佳实施例的低碳低合金双相钢经淬火循环轧制后金相组织图；
图4为本发明一个较佳实施例的低碳低合金双相钢经终轧后淬火的等温循环轧制后金相组织图；
图5为本发明一个较佳实施例的低碳低合金双相钢经终轧后保温的等温循环轧制后金相组织图；
图6为本发明一个较佳实施例的低碳低合金双相钢经大变形循环轧制后拉伸曲线图。
其中：1-加热，2-保温，3-水冷，s1-终轧后保温的等温循环轧制后的拉伸曲线，s2-终轧后淬火的等温循环轧制后的拉伸曲线，s3-淬火循环轧制后的拉伸曲线，T-保温温度，t1-预处理保温时间，t-单道次轧制保温时间，n-循环轧制的轧制道数。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
本发明公开了的循环轧制高强高韧双相钢制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、初轧制：对原料进行初轧，开轧温度为Ac3+(200～400)℃，Ac3为原料的完全奥氏体化温度，原料为碳的质量百分比含量为0.10％～0.40％的铁素体-马氏体双相钢，具体包括如下步骤：
步骤1.1：将原料加热至Ac3+(200～400)℃，并进行保温，保温的时间大于等于2小时且小于等于6小时，得到预轧料；
步骤1.2：对预轧料进行轧制，如果轧制需要进行多道次轧制，则开轧温度为Ac3+(300～400)℃，终轧温度为Ac3+(100～200)℃；
步骤1.3：水冷至室温，得到初轧钢板，初轧钢板的最终厚度不大于100mm，初轧钢板相对于预轧料的最终压下量不小于50％，；
步骤2：大变形循环轧制，具体包括如下步骤：
步骤2.1：预处理：将初轧钢板加热至Ac3-(10～100)℃，并进行保温，保温的时间大于等于1小时且小于等于2小时；
步骤2.2：对经过步骤2.1的初轧钢板进行循环轧制，每道次轧制前，均需要将待轧制的钢板加热至Ac3-(10～100)℃并保温后再进行轧制，保温的时间为t，t按下式确定：
t＝d1/2×min/mm1/2+t0×min，
其中，d为当前待轧制钢板的厚度，单位为mm，取值范围为d∈(1,100)；t0为常数，取值范围为t0∈[1,10]；
循环轧制中的每道次轧制的压下量为40％至50％，循环轧制的总压下量为70％至95％；循环轧制的轧制道数n大于等于2且小于等于6；
步骤2.3：将轧制完成的钢板水冷至室温。
如图1所示，本方法中步骤2.2的一个优选实施方式如下：
步骤2.2中的循环轧制为淬火循环轧制，步骤2.2具体包括如下步骤：
步骤2.2.1：步骤2.1保温结束后，进行第一道次的轧制；轧制完成后水冷至室温；
步骤2.2.2：将待轧制的钢板加热至Ac3-(10～100)℃并保温，保温时间为t，保温结束后立刻进行下一道次的轧制；
步骤2.2.3：如果循环轧制已完成，则转步骤2.3，否则，将待轧制的钢板水冷至室温，转步骤2.2.2。
如图2所示，本方法中步骤2.2的另一个优选实施方式如下：
优选地，步骤2.2中的循环轧制为等温循环轧制，步骤2.2具体包括如下步骤：
步骤2.2.5：步骤2.1保温结束后，进行第一道次的轧制；
步骤2.2.6：将待轧制的钢板加热至Ac3-(10～100)℃并保温，保温时间为t，保温结束后，进行下一道次的轧制；
步骤2.2.7：如果循环轧制未完成则转步骤2.2.6，否则转步骤2.2.8或步骤2.3；
步骤2.2.8：将轧制完成的钢板加热至Ac3-(10～100)℃并保温，保温时间为t，保温结束后，转步骤2.3。
本发明以碳的质量百分比含量为0.14％的低合金双相钢板材为原料，其Ac3温度为931℃且厚度为10mm的情形，分不同实施例，进一步具体公开本发明的方法如下，可以理解的是，本发明并不限于以下各实施例。
实施例1
以低碳低合金双相钢作为实验材料，采用循环轧制高强高韧双相钢制备方法制备双相钢板，其具体步骤如下所示：步骤1：初轧制：将准备好的原材料铸锭加热至1250℃，保温4h后进行高温轧制，材料最终压下量为60％，最终厚度为4mm，轧制结束后将材料水冷至室温；步骤2：大变形循环轧制：采用淬火循环轧制的方法，将步骤1所得热轧后的材料加热至900℃保温1h，取出后进行一道次轧制，轧制完成后立刻水冷至室温，随后将材料加热至900℃保温5min，进行第二道次轧制，总计轧制2次，最后一道次轧制完成后水冷至室温，钢板最终厚度为1.03mm。由光学显微镜拍摄的低碳低合金双相钢材料经淬火循环轧制后金相组织照片，如图3所示。双相钢组织由铁素体和马氏体组成，其中白色组织为铁素体，棕红色组织为马氏体。铁素体体积分数为29.8％，呈网状分布在马氏体岛的边界处，少量分布于马氏体岛内部，网状铁素体呈现出不明显的横向条带状。经硬度测试和室温拉伸测试，测得双相钢的硬度为363.88HV，抗拉强度为1364MPa，延伸率为10.4％。如图6所示，曲线s3为所测材料的拉伸曲线。
实施例2
以低碳低合金双相钢作为实验材料，采用循环轧制高强高韧双相钢制备方法制备双相钢板，其具体步骤如下所示：步骤1：初轧制：将准备好的原材料铸锭加热至1250℃，保温4h后进行高温轧制，材料最终压下量为60％，最终厚度为4mm，轧制结束后将材料水冷至室温；步骤2：大变形循环轧制：采用等温循环轧制的方法，将步骤1所得热轧后的材料加热至900℃保温1h，取出后进行一道次轧制，轧制完成后立刻将材料加热至900℃，保温5min，进行第二道次轧制，总计轧制2次，最后一道次轧制完成后水冷至室温，钢板最终厚度为1.08mm。由光学显微镜拍摄的低碳低合金双相钢材料经终轧后淬火的等温循环轧制后金相组织照片，如图4所示。双相钢组织由铁素体和马氏体组成，其中白色组织为铁素体，棕红色组织为马氏体。铁素体体积分数为32.9％，呈网状分布在马氏体岛的边界处，网状铁素体呈现出明显的横向条带状，横向铁素体明显多于纵向分布的铁素体。经硬度测试和室温拉伸测试，测得双相钢的硬度为360.30HV，抗拉强度为1363MPa，延伸率为8.5％。如图6所示，曲线s2为所测材料的拉伸曲线。
实施例3
以低碳低合金双相钢作为实验材料，采用循环轧制高强高韧双相钢制备方法制备双相钢板，其具体步骤如下所示：步骤1：初轧制：将准备好的原材料铸锭加热至1250℃，保温4h后进行高温轧制，材料最终压下量为60％，最终厚度为4mm，轧制结束后将材料水冷至室温；步骤2：大变形循环轧制：采用等温循环轧制的方法，将步骤1所得热轧后的材料加热至900℃保温1h，取出后进行一道次轧制，轧制完成后立刻将材料加热至900℃，保温5min，进行第二道次轧制，总计轧制2次，最后一道次轧制完成后将材料加热至900℃，保温5min，保温结束后将钢板水冷至室温，钢板最终厚度为0.96mm。由光学显微镜拍摄的低碳低合金双相钢材料经终轧后保温的等温循环轧制后金相组织照片，如图5所示。双相钢组织由铁素体和马氏体组成，其中白色组织为铁素体，棕红色组织为马氏体。铁素体体积分数为21.3％，呈岛状分布在马氏体原始奥氏体晶界处，岛状铁素体无条带状组织。经硬度测试和室温拉伸测试，测得双相钢的硬度为385.24HV，抗拉强度为1588MPa，延伸率为8.2％。如图6所示，曲线s1为所测材料的拉伸曲线。
实施例4
以低碳低合金双相钢作为实验材料，采用循环轧制高强高韧双相钢制备方法制备双相钢板，其具体步骤如下所示：步骤1：初轧制：将准备好的原材料铸锭加热至1250℃，保温4h后进行高温轧制，材料最终压下量为60％，最终厚度为4mm，轧制结束后将材料水冷至室温；步骤2：大变形循环轧制：采用淬火循环轧制的方法，将步骤1所得热轧后的材料加热至870℃保温1h，取出后进行一道次轧制，轧制完成后立刻水冷至室温，随后将材料加热至870℃保温5min，进行第二道次轧制，总计轧制2次，最后一道次轧制完成后水冷至室温，钢板最终厚度为1.12mm。
实施例5
以低碳低合金双相钢作为实验材料，采用循环轧制高强高韧双相钢制备方法制备双相钢板，其具体步骤如下所示：步骤1：初轧制：将准备好的原材料铸锭加热至1250℃，保温4h后进行高温轧制，材料最终压下量为60％，最终厚度为4mm，轧制结束后将材料水冷至室温；步骤2：大变形循环轧制：采用等温循环轧制的方法，将步骤1得热轧后的材料加热至870℃保温1h，取出后进行一道次轧制，轧制完成后立刻将材料加热至870℃，保温5min，进行第二道次轧制，总计轧制2次，最后一道次轧制完成后水冷至室温，钢板最终厚度为1.14mm。
实施例6
以低碳低合金双相钢作为实验材料，采用循环轧制高强高韧双相钢制备方法制备双相钢板，其具体步骤如下所示：步骤1：初轧制：将准备好的原材料铸锭加热至1250℃，保温4h后进行高温轧制，材料最终压下量为60％，最终厚度为4mm，轧制结束后将材料水冷至室温；步骤2：大变形循环轧制：采用等温循环轧制的方法，将步骤1所得热轧后的材料加热至870℃保温1h，取出后进行一道次轧制，轧制完成后立刻将材料加热至870℃，保温5min，进行第二道次轧制，总计轧制2次，最后一道次轧制完成后将材料加热至900℃，保温5min，保温结束后将钢板水冷至室温，钢板最终厚度为1.09mm。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种循环轧制高强高韧双相钢制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、初轧制：对原料进行初轧，开轧温度为Ac3+(200～400)℃，所述Ac3为所述原料的完全奥氏体化温度，具体包括如下步骤：
步骤1.1：将所述原料加热至Ac3+(200～400)℃，并进行保温，得到预轧料；
步骤1.2：对所述预轧料进行轧制；
步骤1.3：水冷至室温，得到初轧钢板；
步骤2：大变形循环轧制，具体包括如下步骤：
步骤2.1：预处理：将所述初轧钢板加热至Ac3-(10～100)℃，并进行保温；
步骤2.2：对经过所述步骤2.1的所述初轧钢板进行循环轧制，每道次轧制前，均需要将待轧制的钢板加热至Ac3-(10～100)℃并保温后再进行轧制，所述循环轧制中的每道次轧制的压下量为40％至50％，所述循环轧制的总压下量为70％至95％；
步骤2.3：将轧制完成的钢板水冷至室温。
2.如权利要求1所述的循环轧制高强高韧双相钢制备方法，其特征在于，所述步骤1.1中的保温的时间大于等于2小时且小于等于6小时。
3.如权利要求2所述的循环轧制高强高韧双相钢制备方法，其特征在于，所述步骤1.2中的轧制若为多道次轧制，则开轧温度为Ac3+(300～400)℃，终轧温度为Ac3+(100～200)℃。
4.如权利要求3所述的循环轧制高强高韧双相钢制备方法，其特征在于，所述步骤1.3中所述初轧钢板的最终厚度不大于100mm，所述初轧钢板相对于所述预轧料的最终压下量不小于50％。
5.如权利要求4所述的循环轧制高强高韧双相钢制备方法，其特征在于，所述步骤2.1中的保温的时间大于等于1小时且小于等于2小时。
6.如权利要求5所述的循环轧制高强高韧双相钢制备方法，其特征在于，所述步骤2.2中的保温的时间为t，所述t按下式确定：
t＝d1/2×min/mm1/2+t0×min，
其中，d为当前待轧制钢板的厚度，单位为mm，取值范围为d∈(1,100)；t0为常数，取值范围为t0∈[1,10]。
7.如权利要求6所述的循环轧制高强高韧双相钢制备方法，其特征在于，所述步骤2.2中的所述循环轧制的轧制道数大于等于2且小于等于6。
8.如权利要求7所述的循环轧制高强高韧双相钢制备方法，其特征在于，所述步骤2.2中的所述循环轧制为淬火循环轧制，所述步骤2.2具体包括如下步骤：
步骤2.2.1：所述步骤2.1保温结束后，进行第一道次的轧制；轧制完成后水冷至室温；
步骤2.2.2：将待轧制的钢板加热至Ac3-(10～100)℃并保温，保温时间为所述t，保温结束后立刻进行下一道次的轧制；
步骤2.2.3：如果所述循环轧制已完成，则转所述步骤2.3，否则，将待轧制的钢板水冷至室温，转步骤2.2.2。
9.如权利要求7所述的循环轧制高强高韧双相钢制备方法，其特征在于，所述步骤2.2中的所述循环轧制为等温循环轧制，所述步骤2.2具体包括如下步骤：
步骤2.2.5：所述步骤2.1保温结束后，进行第一道次的轧制；
步骤2.2.6：将待轧制的钢板加热至Ac3-(10～100)℃并保温，保温时间为所述t，保温结束后，进行下一道次的轧制；
步骤2.2.7：如果所述循环轧制未完成则转所述步骤2.2.6，否则转步骤2.2.8或所述步骤2.3；
步骤2.2.8：将轧制完成的钢板加热至Ac3-(10～100)℃并保温，保温时间为所述t，保温结束后，转所述步骤2.3。
10.如权利要求1至9任一所述的循环轧制高强高韧双相钢制备方法，其特征在于，所述步骤1中的所述原料为碳的质量百分比含量为0.10％～0.40％的铁素体-马氏体双相钢。
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