CN111733367A - 一种具有纳米、分层和亚稳骨骼组织高强钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有纳米、分层和亚稳化骨骼组织的高强钢,合金成分重量百分比为:C:0.01‑0.1wt.%、Mn:7.0‑11.0wt.%、Cu:1.5‑4.0wt.%、Ni:1.0‑3.0wt.%、Al:1.0‑2.0wt.%,余量为Fe;本发明还涉及一种具有纳米、分层和亚稳化骨骼组织的高强钢的制备方法,包括称取合金成分、冶炼、铸造、锻造、热轧、冷轧和热处理工序,本发明的目的是提供一种具有纳米、分层和亚稳化骨骼组织的高强钢及其制备方法,该材料具有优异的力学性能,生产成本低、工艺窗口宽,有着巨大的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域,涉及一种显微组织为纳米、分层及亚稳化结构。
背景技术
高强钢是一种常用的材料,广泛地应用于汽车材料领域,但是现有的高强度钢都存在一定的缺陷,如典型的15-5PH马氏体时效高强钢,其抗拉强度大于1000MPa,断后伸长率10-20%,耐蚀性较好,但由于其较高的合金成本,以及中等塑性,不适用于汽车用钢上;典型的第三代汽车用钢中Mn钢,抗拉强度900-1400MPa,断后伸长率20-40%;综合力学性能非常优异,但中锰钢的劣势为其扩孔率低,发生TRIP效应后裂纹易沿软、硬相组织进行扩展,微观组织特征决定了其成形性能差;典型的第三代高强钢中的低密度钢,抗拉强度700-1200MPa,断后伸长率25-50%;综合力学性能很好,但是加入Al后刚度降低,连铸易堵水口,较难控制显微组织,且不易实现工业化生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有纳米、分层和亚稳骨骼组织高强钢及其制备方法,以解决现有高强钢存在的缺陷。
为了实现以上目的,本发明采用的技术方案为:1.一种具有纳米、分层和亚稳化骨骼组织的高强钢,其特征在于,合金成分重量百分比为:C:0.01-0.1wt.%、Mn:7.0-11.0wt.%、Cu:1.5-4.0wt.%、Ni:1.0-3.0wt.%、Al:1.0-2.0wt.%,余量为Fe。
一种具有纳米、分层和亚稳化骨骼组织的高强钢的制备方法,其特征在于,包括如下步骤;
1)、称取合金成分,按照合金成分重量百分比称取相应的C、Mn、Cu、Ni、Al和Fe;
2)、冶炼、铸造和锻造,将步骤1)中称取的合金成分进行真空冶炼、铸造,然后在1050-1150℃温度进行锻造,锻造比为1.5-3.0,得到厚度为30-50mm厚的锻坯;
3)、热轧和冷轧,将30-50mm厚的锻坯在1200-1250℃保温2.0-2.5h,然后在1100-1150℃进行热轧,总压下率为90-94%,得到厚度为3.0-5.0mm的热轧板,然后进行冷轧,压下率为50-60%,得到厚度为1.5-2mm的冷轧板;
4)、热处理,将所得到的厚度为1.5-2mm的冷轧板在1020-1100℃保温15-25min,水淬至室温,然后在500-580℃保温1-5h,空冷至室温,即得到本发明的一种具有纳米、分层和亚稳化骨骼组织的高强钢。
本发明的有益效果为:
1、加入一定含量的Mn,可得到体积分数为20%以上的残余奥氏体,增加钢的塑性,且本发明将Mn强化奥氏体稳定性与Cu、Ni(Al,Mn)析出相结合,在时效过程中既可得到纳米级颗粒,又可继续强化奥氏体稳定性,起到一箭双雕的效果;具体含量范围是经过热力学计算以及强化公式计算得到的,具有坚实的理论依据。
2、低碳含量的选取是兼顾一定的力学性能与焊接和成形性能,许多高强钢的研发是以中低碳钢和中碳钢为基,但这极大损害了后期钢板的焊接性;本发明降低了碳含量,通过析出动力学和热力学计算,获得一定纳米级析出颗粒来更好地强化、韧化和塑化基体。
3、本发明通过热力学和动力学计算,设计合理的合金成分,使Ms点降低,得到纳米级别的马氏体板条和纳米级别的残余奥氏体,奥氏体生长于纳米马氏体板条之间,由此获得纳米、分层和亚稳化的骨骼显微组织。
本发明以科学、合理的合金系统设计为基础,通过冶炼、热轧、冷轧和热处理工艺,制备具有纳米、分层和亚稳化骨骼结构的高强钢,本发明的创新性体现如下:1)通过热力学、动力学及物理冶金原理进行具有纳米、分层和亚稳化骨骼结构的高强钢的合金系统设计;2)通过理论计算设计具有与基体共格析出的纳米体心立方Cu及具有超结构的Ni(Al,Mn),可以极大程度起到析出强化的效果;3)在1)和2)的基础上加入一定含量的Mn,并配合特定的热处理工艺,即可获得含有纳米、分层和亚稳化骨骼组织结构高强钢;本发明所制备的具有纳米、分层和亚稳化骨骼组织高强钢的力学性能为:抗拉强度900-1200MPa,断后伸长率20.0-38.0%。
附图说明
图1为本发明实施例1中纳米骨骼组织透射电镜图像;
图2为本发明实施例2中纳米骨骼组织透射电镜图像;
图3为本发明实施例3中纳米骨骼组织透射电镜图像;
图4为本发明实施例4中纳米骨骼组织透射电镜图像;
图5为本发明实施例5中纳米析出颗粒的透射电镜图像。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面对本发明进行详细描述,本部分的描述仅是示范性和解释性,不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
实施例1:
一种具有纳米、分层和亚稳化骨骼组织高强钢的制备方法,包括如下步骤;
1)、称取合金成分,按照合金成分重量百分比称取0.04wt.%的C、7.0wt.%的Mn、2.0wt.%的Cu、3.0wt.%的Ni、1.5wt.%的Al,余量为Fe;
2)、将步骤1)中称取的合金成分进行真空冶炼、铸造,然后在1050℃温度进行锻造,锻造比为3.0,得到厚度为30mm厚的锻坯;
3)、将30mm厚的锻坯在1200℃保温2.0h,然后在1150℃进行热轧,总压下率为90%,得到厚度为3.0mm的热轧板,然后进行冷轧,压下率为50%,得到厚度为1.5mm的冷轧板;
4)、热处理,将所得到的厚度为1.5mm的冷轧板在1050℃保温15min,水淬至室温,然后在550℃保温5h,空冷至室温,即得到本发明的一种具有纳米、分层和亚稳化骨骼组织的高强钢,显微组织见图1所示,力学性能如表1所示。
表1力学性能
实施例2:
一种具有纳米、分层和亚稳化骨骼组织高强钢的制备方法,包括如下步骤;
1)、称取合金成分,按照合金成分重量百分比称取0.01wt.%的C、8.0wt.%的Mn、1.5wt.%的Cu、2.0wt.%的Ni、1.0wt.%的Al,余量为Fe;
2)、将步骤1)中称取的合金成分进行真空冶炼、铸造,然后在1150℃温度进行锻造,锻造比为1.5,得到厚度为50mm厚的锻坯;
3)、将50mm厚的锻坯在1250℃保温2.0h,然后在1100℃进行热轧,总压下率为94%,得到厚度为3.0mm的热轧板,然后进行冷轧,压下率为50%,得到厚度为1.5mm的冷轧板;
4)、热处理,将所得到的厚度为1.5mm的冷轧板在1100℃保温20min,水淬至室温,然后在580℃保温1h,空冷至室温,即得到本发明的一种具有纳米、分层和亚稳化骨骼组织的高强钢,显微组织见图2所示,力学性能如表2所示。
表2力学性能
实施例3:
一种具有纳米、分层和亚稳化骨骼组织高强钢的制备方法,包括如下步骤;
1)、称取合金成分,按照合金成分重量百分比称取0.06wt.%的C、9.0wt.%的Mn、4wt.%的Cu、1.0wt.%的Ni、2wt.%的Al,余量为Fe;2)、将步骤1)中称取的合金成分进行真空冶炼、铸造,然后在1100℃温度进行锻造,锻造比为2,得到厚度为50mm厚的锻坯;
3)、将50mm厚的锻坯在1220℃保温2.2h,然后在1130℃进行热轧,总压下率为92%,得到厚度为4.0mm的热轧板,然后进行冷轧,压下率为55%,得到厚度为1.8mm的冷轧板;
4)、热处理,将所得到的厚度为1.8mm的冷轧板在1020℃保温25min,水淬至室温,然后在500℃保温5h,空冷至室温,即得到本发明的一种具有纳米、分层和亚稳化骨骼组织的高强钢,显微组织见图3所示,力学性能如表3所示。
表3力学性能
实施例4:
一种具有纳米、分层和亚稳化骨骼组织高强钢的制备方法,包括如下步骤;
1)、称取合金成分,按照合金成分重量百分比称取0.1wt.%的C、11.0wt.%的Mn、2.0wt.%的Cu、2.0wt.%的Ni、1.5wt.%的Al,余量为Fe;
2)、将步骤1)中称取的合金成分进行真空冶炼、铸造,然后在1080℃温度进行锻造,锻造比为2.5,得到厚度为50mm厚的锻坯;
3)、将50mm厚的锻坯在1230℃保温2.2h,然后在1130℃进行热轧,总压下率为90%,得到厚度为5mm的热轧板,然后进行冷轧,压下率为60%,得到厚度为2.0mm的冷轧板;
4)、热处理,将所得到的厚度为2.0mm的冷轧板在1080℃保温18min,水淬至室温,然后在560℃保温2h,空冷至室温,即得到本发明的一种具有纳米、分层和亚稳化骨骼组织的高强钢,显微组织见图4所示,力学性能如表2所示。
表4力学性能
综上所述,本发明中钢板的抗拉强度范围为900~1200MPa,断后伸长率为20.0~38.0%,具有良好的强塑性,主要归因于本发明以合金设计为主导,以设计一种具有纳米、分层和亚稳化显微组织为目标的原理。
下面列举几个常见的高强钢,来证明本发明的显著优势。
对比例1:
典型的15-5PH马氏体时效高强钢,其成分为:Cr>15wt.%,Ni>5wt.%,Cu>3wt.%,Mo+Mn+Nb>1.5wt.%,其抗拉强度大于1000MPa,断后伸长率10-20%,其耐蚀性较好,但由于其较高的合金成本,以及中等塑性,不适用于汽车用钢上。
对比例2
典型的第三代汽车用钢中Mn钢,成分范围:C 0.15-0.40wt.%,Si0.5-2.0wt.%,Mn3.5-9.0wt.%,其余为Fe‘经过铸造、热轧、冷轧、固溶处理后,力学性能为:抗拉强度900-1400MPa,断后伸长率20-40%;综合力学性能非常优异,但中锰钢的劣势为其扩孔率低,发生TRIP效应后裂纹易沿软、硬相组织进行扩展,微观组织特征决定了其成形性能差,而本发明具有大量弥散的纳米颗粒,如图5所示,可有效阻止裂纹扩展。
对比例3
典型的第三代高强钢中的低密度钢,成分范围:C 0.2-0.8wt.%,Si0.2-2.0wt.%,Mn3.5-9.0wt.%,Al 1.5-7.0wt.%,其余为Fe,经过铸造、热轧、冷轧、固溶处理后,力学性能为:抗拉强度700-1200MPa,断后伸长率25-50%;综合力学性能很好,但是加入Al后刚度降低,连铸易堵水口,较难控制显微组织,且不易实现工业化生产。
因此综上所述,本发明克服了上述对比案例的缺陷,具有显著优势。
最后所应说明的是,以上实施例仅用以本发明是技术方案而非限制;尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应该理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种具有纳米、分层和亚稳化骨骼组织的高强钢,其特征在于,合金成分重量百分比为:C:0.01-0.1wt.%、Mn:7.0-11.0wt.%、Cu:1.5-4.0wt.%、Ni:1.0-3.0wt.%、Al:1.0-2.0wt.%,余量为Fe。
2.如权利要求1所述的一种具有纳米、分层和亚稳化骨骼组织的高强钢的制备方法,其特征在于,包括如下步骤;
1)、称取合金成分,按照合金成分重量百分比称取相应的C、Mn、Cu、Ni、Al和Fe;
2)、冶炼、铸造和锻造,将步骤1)中称取的合金成分进行真空冶炼、铸造,然后在1050-1150℃温度进行锻造,锻造比为1.5-3.0,得到厚度为30-50mm厚的锻坯;
3)、热轧和冷轧,将30-50mm厚的锻坯在1200-1250℃保温2.0-2.5h,然后在1100-1150℃进行热轧,总压下率为90-94%,得到厚度为3.0-5.0mm的热轧板,然后进行冷轧,压下率为50-60%,得到厚度为1.5-2mm的冷轧板;
4)、热处理,将所得到的厚度为1.5-2mm的冷轧板在1020-1100℃保温15-25min,水淬至室温,然后在500-580℃保温1-5h,空冷至室温,即得到本发明的一种具有纳米、分层和亚稳化骨骼组织的高强钢。
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