CN111041376B - 一种2000MPa级别超高强度TRIP钢的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种2000MPa级别超高强度TRIP钢的制备方法，包括以下步骤，冶炼步骤：按照TRIP钢的化学成分进行冶炼，并浇铸成铸锭，其中，TRIP钢主要含有Fe、C、Mn和Al元素；锻造步骤：先在1150℃～1250℃温度范围内保温2±0.5小时，使组织均匀化，然后将铸锭锻造成板坯，空冷；热轧步骤：将板坯在1120℃～1180℃内进行组织均匀化处理，保温时间为2±0.5小时，然后进行热轧获得热轧板，以空冷方式冷却至室温；温轧步骤：进行第二次组织均匀化处理，将热轧板加热至600℃～650℃并保温2±0.5小时，并在600℃～650℃进行温轧，空冷至室温；冷轧步骤：加热至两相区保温5～6小时，空冷，然后冷轧获得冷轧板；退火处理步骤：将获得的冷轧板在400℃～450℃保温至少5min。

Description

一种2000MPa级别超高强度TRIP钢的制备方法
技术领域
本发明涉及高强度钢技术领域，具体为一种2000MPa级别超高强度TRIP钢的制备方法。
背景技术
进入二十一世纪以来，我国的钢铁制造业面临着越来越严峻的挑战。作为国民经济支柱的中国钢铁产业正阔步进入高质量发展新阶段，钢铁工业发展的重要趋势之一就是提升力学性能以及促进轻量化。在材料方面，钢与铝及镁合金的竞争也日趋激烈，如何提升钢材料的性能并降低生产成本已经成为该产业重点研究的方向。
TRIP钢，即相变诱导塑性钢(Transformation Induced Plasticity Steel)，是通过塑性变形强化和相变诱发塑性设计的一种高强度、高塑性的一种钢种。钢材料残余奥氏体相在外力作用下发生马氏体转变，通过塑性变形它可以松弛局部集中应力。同时，提高了加工硬化率，当加工硬化率速度大于试样截面减小速度时，会推迟颈缩现象的产生，提高了钢材的延伸率，这种效应也被称为TRIP效应。TRIP钢常用于汽车底板、ABC柱和保险杠等防撞部位，随着社会的发展，TRIP钢的性能要求越来越高。
2000MPa级是指抗拉强度≥1900MPa，超高强度TRIP钢的使用可实现装备的轻量化，提高部件的使用寿命等，但是具有一定的韧塑性是超高强度TRIP钢应用的必要条件。近年来2000MPa级钢在防护、耐磨、汽车热成形零部件等领域实现应用，但是在保证力学性能时普遍成本较高以及制造工艺复杂的缺点。
发明内容
鉴于现有技术中所存在的问题，本发明提供了一种2000MPa级别超高强度TRIP钢的制备方法，采用的技术方案是，按照以下步骤进行：
冶炼步骤：按照TRIP钢的化学成分进行冶炼，并浇铸成铸锭，其中，TRIP钢主要含有Fe、C、Mn和Al元素；
锻造步骤：先在1150℃～1250℃温度范围内保温2±0.5小时，使组织均匀化，然后将铸锭锻造成板坯，空冷；
热轧步骤：将板坯在1120℃～1180℃内进行组织均匀化处理，保温时间为2±0.5小时，然后进行热轧获得热轧板，以空冷方式冷却至室温；
温轧步骤：进行第二次组织均匀化处理，将热轧板加热至600℃～650℃并保温2±0.5小时，并在600℃～650℃进行温轧，空冷至室温；
冷轧步骤：加热至两相区保温5～6小时，空冷，然后冷轧获得冷轧板；
退火处理步骤：将获得的冷轧板在400℃～450℃保温至少5min，然后空冷得到2000MPa级别的超高强度TRIP钢。
所述TRIP钢具有以下质量百分比的化学成分，C为0.15％～0.68％，Mn为10％～12.5％，Al为1.5％～2.5％，S为0～0.005％，P为0～0.008％，余量为Fe及不可避免的杂质。
所述冶炼步骤中的冶炼设备为真空感应炉，在真空条件下通过电磁感应原理使熔炼材料获得感应电流，以达到加热目的，炉内温度为1550℃～1650℃。
所述锻造步骤中，锻造后的板坯厚度为18～22mm。
所述热轧步骤中，热轧后的热轧板厚度为5mm，热轧道次为7～8道次，开轧温度为1120℃～1180℃，终轧温度为900℃～950℃。
所述温轧步骤中，温轧后获得温轧板的厚度为2.5mm，温轧道次为3～4道次。
所述冷轧步骤中，冷轧后获得的钢板厚度为1～2mm，压下率为20％～60％，冷轧道次为5～6道次。
本发明中，各化学元素在TRIP钢中的作用分析如下：
C：本发明TRIP钢中的碳含量范围定为0.15％～0.68％，因为碳有利于奥氏体的形成，可提高奥氏体的稳定性，起到固溶强化和析出强化作用，但过多的碳含量会造成在浇铸时成分偏析，并会导致碳化物析出，严重影响所获得的超高强锰钢的力学性能。
Mn：本发明TRIP钢中的锰含量为10％～12.5％，因为锰对奥氏体的稳定性具有极大的影响，可以提高奥氏体的稳定性，起固溶强化作用，并降低奥氏体的相变温度，减小奥氏体变为马氏体的转变速率，随着锰含量的提高，降低马氏体临界转变速率的效果越好。以此同时，奥氏体可以细化钢组织的粒度，本发明所获得的超高强锰钢的组织晶粒细小，以加强细晶强化的作用。但锰含量过高，会造成偏析，加大生产成本。
Al：本发明TRIP钢中的铝含量在1.5％～2.5％之间，因为铝可以有效抑制贝氏体相变时渗碳体的析出，促使碳在奥氏体中的富集，有效增强残余奥氏体的稳定性，增强相变过程时的TRIP效应，延滞裂纹的扩张，提高TRIP钢的拉伸能力。
P、S：硫在钢中以FeS、MnS等硫化物夹质的形式存在，硫化物通常发布在晶界中，当温度达到其熔点时便会熔化，在轧制和锻造时会导致钢热变形时的开裂。磷会严重影响钢的冷变形能力，随着磷含量的增加，其影响会加剧，并出现冷脆现象。因此，本发明中含有微量或者不含硫、磷元素，以提高超高强度TRIP钢的力学性能。
本发明的有益效果如下：本发明优化了TRIP钢的化学组分，C和Mn元素提高了奥氏体的稳定性，减小奥氏体变为马氏体的转变速率。由于Si对TRIP钢板的生产不利，本发明用Al代替了Si元素，以获得优良的拉伸性能。与此同时，本发明的化学组分中不含有Cr、Mo、Ti等贵重合金元素，降低了生产成本。本发明优化了加工工艺，以冷轧方式进行轧制，并结合空冷与两相区退火工艺，最终得到屈服强度为1750MPa～2100MPa，抗拉强度为1900MPa～2150MPa的超高强度TRIP钢，保温时间在5～6小时，提高了钢组织的稳定性，可有效增强奥氏体相变时的TRIP效应。制备出的TRIP钢的力学性能好，具有超高强度的优点。
进一步地，采用真空感应炉冶炼，不需要采用覆盖剂来防止空气中的氮氧元素在高温下与铁锰反应，节约了覆盖剂的使用，可有效降低本发明TRIP钢板的生产成本，并且加热效率高，提高了生产效率。
附图说明
图1为本发明实施例1～4的超高强度TRIP钢的应力-应变曲线图；其中，横坐标Engineering Strain为工程应变，纵坐标Engineering Stress为工程应力(MPa)。
图2为本发明实施例1的超高强度TRIP钢的SEM图
图3为本发明实施例2的超高强度TRIP钢的SEM图；
图4为本发明实施例1的超高强度TRIP钢的XRD图；
图5为本发明实施例2的超高强度TRIP钢的XRD图；
图6为本发明实施例1的超高强度TRIP钢的拉伸断口SEM图；
图7为本发明实施例2的超高强度TRIP钢的拉伸断口SEM图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
TRIP钢的化学成分及质量百分比如下：碳C：0.22％，锰Mn:11.47％,铝Al:1.95％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本实施例的2000MPa级别超高强度TRIP钢的制备方法，按如下步骤进行：
(1)按钢的化学成分加入到真空感应炉中，熔炼炉升温至1550℃～1650℃。然后将冶炼的钢水浇铸成铸锭。
(2)将铸锭在1200℃保温2小时，使组织均匀化，然后将铸锭锻造成板坯，厚度为18～22mm，然后空冷。
(3)将空冷后的板坯在1150℃进行组织均匀化处理，保温时间为2小时，然后进行热轧处理获得热轧板，热轧道次为7～8次，轧后的板厚为5mm，以空冷方式冷却至室温。热轧开轧的温度为1150℃，终轧温度为950℃。
(4)将热轧板加热至600℃～650℃并保温2小时，并在600℃～650℃进行温轧，温轧道次为3～4次，温轧后获得温轧板的厚度为2.5mm，空冷至室温；
(5)将温轧板加热至两相区保温5小时，空冷，即两相区退火处理。然后使冷轧获得1～2mm冷轧板，压下率为20％～60％，冷轧道次为5～6道次；
(6)退火处理，以4～7℃/s的加热速度将冷轧板加热到400℃，并在400℃保温5min，以提高了奥氏体组织的稳定性。
将得到的TRIP钢在打磨氧化皮进行拉伸试验，得到屈服强度、抗拉强度和断后延伸率。
本实施例制备的超高强度TRIP钢的屈服强度为2055.7MPa，抗拉强度为2080.3MPa，断后延伸率为3.0％。
实施例2
钢的化学成分及质量百分比如下：C：0.22％，Mn:11.47％,Al:1.95％,余量为Fe及不可避免的杂质。
本实施例的2000MPa级别超高强度TRIP钢的制备方法，按如下步骤进行：
(1)按钢的化学成分加入到真空感应炉中，熔炼炉升温至1550℃～1650℃。然后将冶炼的钢水浇铸成铸锭。
(2)将铸锭在1200℃保温2小时，使组织均匀化，然后将铸锭锻造成板坯，厚度为18～22mm，然后空冷。
(3)将空冷后的板坯在1150℃进行组织均匀化处理，保温时间为2小时，然后进行热轧处理获得热轧板，热轧道次为7～8次，轧后的板厚为5mm，以空冷方式冷却至室温。热轧开轧的温度为1150℃，终轧温度为950℃。
(4)将热轧板加热至600℃～650℃并保温2小时，并在600℃～650℃进行温轧，温轧道次为3～4次，温轧后获得温轧板的厚度为2.5mm，空冷至室温；
(5)将温轧板加热至两相区保温5小时，空冷，即两相区退火处理。然后使冷轧获得1～2mm冷轧板，压下率为20％～60％，冷轧道次为5～6道次；
(6)退火处理，以4～7℃/s的加热速度将冷轧板加热到400℃，并在400℃保温20min，以提高了奥氏体组织的稳定性。
将得到的TRIP钢在打磨氧化皮进行拉伸试验，得到抗拉强度、屈服强度和断后延伸率。
本实施例制备的超高强度TRIP钢的屈服强度为1895.4MPa，抗拉强度为1927.0MPa，断后延伸率为5.2％。
实施例3
钢的化学成分及质量百分比如下：C：0.40％，Mn:11.46％,Al:1.93％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本实施例的2000MPa级别超高强度TRIP钢的制备方法，按如下步骤进行：
(1)按钢的化学成分加入到真空感应炉中，熔炼炉升温至1550℃～1650℃。
然后将冶炼的钢水浇铸成铸锭。
(2)将铸锭在1200℃保温2小时，使组织均匀化，然后将铸锭锻造成板坯，厚度为18～22mm，然后空冷。
(3)将空冷后的板坯在1150℃进行组织均匀化处理，保温时间为2小时，然后进行热轧处理获得热轧板，热轧道次为7～8次，轧后的板厚为5mm，以空冷方式冷却至室温。热轧开轧的温度为1150℃，终轧温度为950℃。
(4)将热轧板加热至600℃～650℃并保温2小时，并在600℃～650℃进行温轧，温轧道次为3～4次，温轧后获得温轧板的厚度为2.5mm，空冷至室温；
(5)将温轧板加热至两相区保温5小时，空冷，即两相区退火处理。然后使冷轧获得1～2mm冷轧板，压下率为20％～60％，冷轧道次为5～6道次；
(6)退火处理，以4～7℃/s的加热速度将冷轧板加热到400℃，并在400℃保温5min，以提高了奥氏体组织的稳定性。
将得到的TRIP钢在打磨氧化皮进行拉伸试验，得到抗拉强度、屈服强度和断后延伸率。
本实施例制备的超高强度TRIP钢的屈服强度为1879.0MPa，抗拉强度为1995.1MPa，断后延伸率为4.7％。
实施例4
钢的化学成分及质量百分比如下：C：0.62％，Mn:11.40％,Al:1.97％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本实施例的2000MPa级别超高强度TRIP钢的制备方法，按如下步骤进行：
(1)按钢的化学成分加入到真空感应炉中，熔炼炉升温至1550℃～1650℃。然后将冶炼的钢水浇铸成铸锭。
(2)将铸锭在1200℃保温2小时，使组织均匀化，然后将铸锭锻造成板坯，厚度为18～22mm，然后空冷。
(3)将空冷后的板坯在1150℃进行组织均匀化处理，保温时间为2小时，然后进行热轧处理获得热轧板，热轧道次为7～8次，轧后的板厚为5mm，以空冷方式冷却至室温。热轧开轧的温度为1150℃，终轧温度为950℃。
(4)将热轧板加热至600℃～650℃并保温2小时，并在600℃～650℃进行温轧，温轧道次为3～4次，温轧后获得温轧板的厚度为2.5mm，空冷至室温；
(5)将温轧板加热至两相区保温5小时，空冷，即两相区退火处理。然后使冷轧获得1～2mm冷轧板，压下率为20％～60％，冷轧道次为5～6道次；
(6)退火处理，以4～7℃/s的加热速度将冷轧板加热到400℃，并在400℃保温5min，以提高了奥氏体组织的稳定性。
将得到的TRIP钢在打磨氧化皮进行拉伸试验，得到抗拉强度、屈服强度和断后延伸率。
本实施例制备的超高强度TRIP钢的屈服强度为1779.8MPa，抗拉强度为1967.4MPa，断后延伸率为3.3％。
对以上实例所制备的TRIP钢进行相关的性能测试，根据GB/T228-2002“金属材料室温拉伸试验方法”将热处理后的钢板加工成标准拉伸试样，拉伸速度固定为2mm/min，工程应力-应变曲线如图1所示。为分析本发明2000MPa级别超高强度TRIP钢的组织与百分含量比，在制备钢材之后，对实施例1和实施例2进行制取了SEM测试，参见图2和图3；并制取了实施例1和实施例2在拉伸试验前的XRD图，即图4和图5；同时实施例1和实施例2于拉伸试验后在断口处进行SEM测试，参见图6和图7，显示为脆性断口。
将实施例1～4的性能参数列入表1中：
表1
Figure BDA0002359914200000061
将实施例1和2的奥氏体含量列入表2中：
表2
项目 实施例1 实施例2
奥氏体含量(％) 20.1 28.6
分析图1和表1可知，本发明的超高强度TRIP钢的强度极高，屈服强度为1750MPa～2100MPa，抗拉强度为1900MPa～2150MPa。
对表2、图2至图5进行分析，本发明的超高强度TRIP钢的组织为奥氏体、铁素体和马氏体。本发明的奥氏体含量在20％～35％，其余为铁素体和马氏体，又因为本发明的热处理温度为400℃，在该较低温度下铁素体的含量很少，但马氏体组织含量较高，同时，因马氏体组织具有高强度和高硬度的特点，以致获得的TRIP钢的强度极高。
以上结果表明，本发明制备的TRIP钢的屈服强度在1750MPa～2100MPa，抗拉强度在1900MPa～2150MPa之间，延伸率为3.0％～6.1％，与同类钢相比较，高出一个级别，具有超高强度的力学性能特征，并且不添加Cr、Mo等贵重合金元素，具备显著的经济和社会效益。本发明所制备的TRIP钢的强度可达2000MPa级别，具有超高强度的特点，正符合各产业的需求，能适用于汽车、船舶等多种行业的制造与发展。锰钢中不添加或少添加贵重金属元素，具有低成本、良好综合使用性能的特点，而低成本、良好综合使用性能正是钢产业发展的一大趋势，本发明无Cr、Mo等贵重金属元素，成本较低并拥有较好力学性能，具有巨大的社会需求量，有望在广大的钢铁市场中占据一席之地。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种2000MPa级别超高强度TRIP钢的制备方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
冶炼步骤：按照TRIP钢的化学成分进行冶炼，并浇铸成铸锭，所述TRIP钢具有以下质量百分比的化学成分，C为0.15%～0.68%，Mn为10%～12.5%，Al为1.5%～2.5%，S为0～0.005%，P为0～0.008%，余量为Fe及不可避免的杂质；
锻造步骤：先在1150℃～1250℃温度范围内保温2±0.5小时，使组织均匀化，然后将铸锭锻造成板坯，空冷；
热轧步骤：将板坯在1120℃～1180℃内进行组织均匀化处理，保温时间为2±0.5小时，然后进行热轧获得热轧板，以空冷方式冷却至室温；
温轧步骤：进行第二次组织均匀化处理，将热轧板加热至600℃～650℃并保温2±0.5小时，并在600℃～650℃进行温轧，空冷至室温；
冷轧步骤：加热至两相区保温5～6小时，空冷，然后冷轧获得冷轧板；
退火处理步骤：将获得的冷轧板在400℃～450℃保温至少5min，然后空冷得到2000MPa级别的超高强度TRIP钢；
所述冶炼步骤中的冶炼设备为真空感应炉，在真空条件下通过电磁感应原理使熔炼材料获得感应电流，以达到加热目的，炉内温度为1550℃～1650℃。
2.根据权利要求1所述的2000MPa级别超高强度TRIP钢的制备方法，其特征在于，所述锻造步骤中，锻造后的板坯厚度为18～22mm。
3.根据权利要求1所述的2000MPa级别超高强度TRIP钢的制备方法，其特征在于，所述热轧步骤中，热轧后的热轧板厚度为5mm，热轧道次为7～8道次，开轧温度为1120℃～1180℃，终轧温度为900℃～950℃。
4.根据权利要求1所述的2000MPa级别超高强度TRIP钢的制备方法，其特征在于，所述温轧步骤中，温轧后获得温轧板的厚度为2.5mm，温轧道次为3～4道次。
5.根据权利要求1所述的2000MPa级别超高强度TRIP钢的制备方法，其特征在于，所述冷轧步骤中，冷轧后获得的钢板厚度为1～2mm，压下率为20%～60%，冷轧道次为5～6道次。
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