CN112063931B - 一种低碳中锰高残奥高强韧钢及其热处理方法 - Google Patents

一种低碳中锰高残奥高强韧钢及其热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料热处理技术领域，特别涉及一种低碳中锰高残奥高强韧钢及其热处理方法。该钢种化学成分的质量百分含量配比为：C：0.10‑0.25％，Mn：4.0‑8.0％，Al：1.0‑2.5％，余量为Fe和其他不可避免杂质。该方法通过对钢材的冶炼、连铸、热轧等工序后，对热轧钢板进行如下热处理：低温回火‑冷轧‑快速加热‑两相区极短时间等温‑快速冷却。最终得到的高强钢残余奥氏体平均晶粒尺寸低于200nm，体积分数可达15％‑40％，基体为等轴再结晶铁素体+条状未再结晶铁素体的异质结构；屈服强度在800MPa‑1200MPa的范围内，抗拉强度在1200MPa‑1500MPa的范围内，均匀延伸率可实现10％‑20％。本发明通过改善铁素体基体形貌和残余奥氏体的体积分数及晶粒尺寸，获得了优异的力学性能，同时实现了高效热处理。

Description

一种低碳中锰高残奥高强韧钢及其热处理方法
技术领域
本发明属于材料热处理技术领域，特别涉及一种低碳中锰高残奥高强韧钢及其热处理方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步以及人们环保意识和安全意识的日益提高，世界各大钢铁生产厂商纷纷致力于研发具有高强塑积(即抗拉强度与总延伸率的乘积)的先进高强钢，以满足人们对汽车轻量化、节能减排和高安全性的要求。近年来，第三代先进高强钢中锰钢，因其具有良好的综合力学性能和相对于第二代先进高强钢的成本优越性，得到了国内外工业界和学术界的广泛关注。中锰钢优异的力学性能得益于超细晶铁素体基体和大量的残余奥氏体，残余奥氏体在变形过程中可以通过变形诱导塑性改善材料的强度和塑性，因此其在中锰钢的设计中具有重要的作用。
目前，中锰钢中获取稳定残余奥氏体的工艺主要是两相区退火处理，通过间隙型C元素和置换型Mn元素在奥氏体中的富集来提高奥氏体的稳定性。由于Mn元素在铁素体中的扩散速率很慢，导致铁素体逆转变为奥氏体的动力学很慢，因此往往需要足够长的退火时间。提高两相区的退火温度固然可以缩短退火时间，但是对于冷轧钢板高温下变形组织会发生充分再结晶，造成铁素体晶粒的粗化以及奥氏体晶粒的长大，导致屈服强度和均匀延伸率的恶化。因此中锰钢中需要解决的问题有：①如何大幅度提高奥氏体逆转变动力学；②提高残余奥氏体体积分数的同时如何保持其良好的机械稳定性；③如何优化铁素体基体进一步提高性能。近年来，横磁感应加热和新型直火加热等快速加热技术的开发，使快速热处理工艺得以工业化应用。快速加热可以有效抑制加热过程中变形组织的再结晶，提高再结晶温度，使再结晶过程同时或者晚于奥氏体逆转变过程。高温下保留的变形组织中的缺陷可以为奥氏体提供大量的形核位点，在极短时间内获得大量的逆转变奥氏体，同时控制保温时间可以调控铁素体基体的再结晶程度。冷轧中锰钢快速加热工艺可以大大缩短两相区保温时间，提高机组速度和生产效率。
发明内容
本发明的目的是提出一种低碳中锰高残奥高强韧钢及其热处理方法，以解决已有技术中低碳中锰钢退火时间长、残余奥氏体获取效率慢的技术难题，利用快速加热技术在提高生产效率的同时进一步优化了材料的屈服强度和抗拉强度。
本发明提出的低碳中锰高残奥高强韧钢，其中的化学元素质量百分含量为：
C：0.10～0.25％，
Mn：4.0～8.0％，
Al：1.0～2.5％，
余量为Fe。
本发明提出的低碳中锰高残奥高强韧钢的热处理方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)对低碳中锰高残奥高强韧钢的热轧钢板进行低温回火处理，随后进行冷轧；
(2)将冷轧带钢由室温快速升温至奥氏体/铁素体两相区；
(3)在加热目标温度区间内极短时间停留；
(4)使带钢从两相区快速降温至室温。
上述低碳中锰高残奥高强韧钢的热处理方法中，回火处理工艺为300℃-500℃保温1-3h，冷轧压下率大于70％，且保证钢板的厚度小于1.5mm。
上述低碳中锰高残奥高强韧钢的热处理方法中，冷轧带钢的加热过程：在500℃以下的升温速率为10℃/s～50℃/s，500℃以上的升温速率必须保证不低于100℃/s，两相区保温温度为700℃-800℃。
上述低碳中锰高残奥高强韧钢的热处理方法的步骤(3)中，两相区停留时间为0.5～2s。
上述低碳中锰高残奥高强韧钢的热处理方法的步骤(4)中，在600℃以上温度区间的降温速率大于20℃/s，600℃至室温的降温速率大于5℃/s。
本发明提出的低碳中锰高残奥高强韧钢及其热处理方法，其优点是：
1、本发明的低碳中锰高残奥高强韧钢，在热轧之后进行低温回火并冷轧，得到变形马氏体+细小渗碳体的初始组织，然后将冷轧带钢快速加热到铁素体/奥氏体两相区，利用形变缺陷和细小弥散的渗碳体为奥氏体提供大量的形核位点，同时变形储能为奥氏体相变提供额外的能量，两者的共同作用可大幅度提高奥氏体相变动力学；极短的保温时间限制了奥氏体晶粒的长大和Mn元素的长程扩散，同时有效抑制了变形组织的再结晶过程，在此过程中碳元素在奥氏体内充分高效地富集；随后的快速冷却避免了降温过程中奥氏体晶粒的长大；最终，大量富碳的超细晶奥氏体得以保留至室温，且基体为一种等轴再结晶铁素体+条状未再结晶铁素体的异质结构，在均匀延伸率保持一致的情况下大幅度提高了材料的屈服强度和抗拉强度。
2、本发明的低碳中锰高残奥高强韧钢，有别于传统低碳中锰钢，本发明通过对变形马氏体+细小渗碳体初始组织进行快速加热处理及保温时间控制，实现了在极短时间内高效快速地获取残余奥氏体，开发出了高体积分数的超细晶残余奥氏体组织，有效地缩短了冷轧带钢热处理所需时间，提高了生产效率；快速加热及极短时间的保温有效抑制了变形组织的再结晶过程，构造出了一种等轴再结晶铁素体+条状未再结晶铁素体的异构基体，对于材料强度和塑性的提升有积极的影响。
附图说明
图1为本发明实施例1的初始组织。
图2为本发明实施例1的扫描电镜微观组织(F-铁素体，A-奥氏体)。
图3为本发明实施例1的电子背散射衍射(EBSD)相组成(phase map)照片。
图4为本发明实施例1的残余奥氏体晶粒内部测得的锰元素的成分分布。
图5为本发明实施例1的拉伸曲线图。
具体实施方式
本发明提出的低碳中锰高残奥高强韧钢，其中的化学元素质量百分含量为：
C：0.10～0.25％，
Mn：4.0～8.0％，
Al：1.0～2.5％，
余量为Fe。
本发明提出的上述低碳中锰高残奥高强韧钢的热处理方法，包括以下步骤：
(1)对低碳中锰高残奥高强韧钢的热轧钢板进行低温回火处理，随后进行冷轧；
(2)将冷轧带钢由室温快速升温至奥氏体/铁素体两相区；
(3)在加热目标温度区间内极短时间停留；
(4)使带钢从两相区快速降温至室温。
上述低碳中锰高残奥高强韧钢的热处理方法的步骤(1)中，回火工艺为300℃-500℃保温1-3h，冷轧压下率大于70％，且保证钢板的厚度小于1.5mm。
上述低碳中锰高残奥高强韧钢的热处理方法的步骤(2)中，冷轧带钢的初始组织为变形马氏体和细小渗碳体，冷轧带钢的加热过程：在500℃以下的升温速率为10℃/s～50℃/s，该加热过程可采用废弃预热，直火加热，或感应加热；500℃以上的升温速率必须保证不低于100℃/s。该快速加热过程可通过接触式加热、电阻式加热或横磁感应加热。两相区保温温度为700℃-800℃。具体地，对于低Mn体系，即Mn：4～6wt.％，两相区保温温度为740-800℃，对于高Mn体系，即Mn：6～8wt.％，两相区保温温度为700～760℃。
上述低碳中锰高残奥高强韧钢的热处理方法的步骤(3)中，两相区停留时间为0.5～2s，以限制奥氏体晶粒的长大和变形组织的再结晶。
上述低碳中锰高残奥高强韧钢的热处理方法的步骤(4)中，从两相区冷却到室温，需保证在600℃以上温度区间的降温速率大于20℃/s，600℃至室温的降温速率大于5℃/s。其中可包括多阶段冷却或非线性速率冷却。快速冷却的目的在于抑制冷却过程中奥氏体晶粒的长大，从而进一步提高奥氏体的稳定性。室温下材料的微观结构由以下组织构成：近等轴残余奥氏体，平均晶粒尺寸100-200nm，体积分数15％-40％；近等轴再结晶铁素体，平均晶粒尺寸200-300nm，体积分数15％-25％；条状未再结晶铁素体，体积分数40％-70％。其中，残余奥氏体和铁素体之间没有明显的Mn元素配分。
本发明提出的低碳中锰高残奥高强韧钢的热处理方法，其中变形马氏体中需要有大量细小渗碳体存在，要求对带钢冷轧前进行低温回火处理。为了抑制变形组织在加热过程中的再结晶过程，需要保证升温速率不低于100℃/s。
本发明的低碳中锰高残奥高强韧钢的热处理方法，相比于传统中锰高强钢利用Mn元素富集来稳定奥氏体，该发明的处理方法主要是利用奥氏体高温下“爆发式”形核以及高温下碳元素在奥氏体中的快速富集和晶粒的超细化来调控奥氏体含量和稳定性，需要保证两相区保温时间不超过2s。相比于相同成分下的传统低碳中锰钢，该发明可实现在超短时间内获得更多的残余奥氏体，且残余奥氏体的平均晶粒尺寸不超过200nm。
本发明的低碳中锰高残奥高强韧钢热处理方法，可用于热成型过程，将冷轧钢板快速加热至目标温度后放入模具中进行热冲压，成型后随模具快速冷却。需要说明的是，用于热成型过程时，目标温度可以上调至奥氏体单相区。
本发明的热处理过程完成后，可将产品升温至170℃保持20min，完成工业烤漆过程，并实现钢板的烘烤硬化。
本发明的热处理方法，相比传统热处理条件(两相区等温退火工艺)下同成分的先进高强钢，在保证相似均匀延伸率的情况下，该发明得到的钢材可实现屈服强度增幅20％-30％，抗拉强度增幅30％-50％。
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
对于具体成分为Fe-0.23C-5.38Mn-1.7Al(wt.％)的钢材经过电炉熔炼及连铸后，形成厚度为250mm的铸坯，然后经单机架轧机热轧到5mm厚，控制终轧温度高于800℃，后经空冷形成马氏体基体组织。对热轧后的钢板进行低温回火、冷轧和连续退火处理，具体工艺如下：
1、在马弗炉中对热轧板进行500℃/1h的低温回火，然后冷轧至1.0mm厚；
2、将冷轧带钢从室温以30℃/s的升温速率升温到500℃，然后以100℃/s的升温速率从500℃快速升温到760℃；
3、在760℃保温0.5s；
4、将带钢以30℃/s的降温速率从760℃降温至600℃，最后以20℃/s的降温速率从600℃降温至室温。
图1为本实施例中，1.0mm厚冷轧钢板、变形马氏体+细小渗碳体的初始组织，其中渗碳体中锰元素浓度为15-20wt.％。图2为本实施例中，冷轧带钢从室温以30℃/s升温到500℃，然后以100℃/s从500℃快速升温到760℃，等温0.5s后，以30℃/s从760℃降温至600℃，最后以20℃/s从600℃降温至室温的扫描电镜微观组织(F-铁素体，A-奥氏体)。图3为本实施例中，冷轧带钢从室温以30℃/s升温到500℃，然后以100℃/s从500℃快速升温到760℃，等温0.5s后，以30℃/s从760℃降温至600℃，最后以20℃/s从600℃降温至室温的电子背散射衍射(EBSD)相组成(phase map)照片，其中白色为残余奥氏体，黑色为再结晶铁素体，灰色为未再结晶铁素体。图4为本实施例中残余奥氏体晶粒内部测得的锰元素的成分分布。图(a)为相组成分布图，其中白色为残余奥氏体，灰色为铁素体(F-铁素体，A-奥氏体)，黑色箭头表示图(b)中Mn元素线扫的位置及方向；图(b)为Mn元素分布图，表明奥氏体和铁素体之间没有明显的Mn配分。图5为本实施例中，冷轧带钢从室温以30℃/s升温到500℃，然后以100℃/s从500℃快速升温到760℃，等温0.5s后，以30℃/s从760℃降温至600℃，最后以20℃/s从600℃降温至室温的拉伸曲线(实线)，对比曲线为中锰钢传统热处理(冷轧带钢在660℃等温60min后，以30℃/s降温至室温)后的拉伸曲线(虚线)，其中实心小圆点标示出了均匀延伸率。
如图2所示，微观组织由残余奥氏体+铁素体双相组织，其中铁素体由等轴再结晶铁素体和条状未再结晶铁素体两种形貌构成，相组成鉴别如图3EBSD表征所示。所得微观组织中，再结晶铁素体体积分数为19.4％，平均晶粒尺寸为277nm；未再结晶铁素体体积分数为51.0％，平均晶粒尺寸为516nm；残余奥氏体体积分数为29.6％，比相同成分的中锰钢在660℃保温60min得到的残余奥氏体体积分数还要高6.6％，且奥氏体晶粒更加细小，平均晶粒尺寸为185nm。
如图4(b)所示，经扫描俄歇纳米探针表征表明，残余奥氏体和铁素体之间没有明显的锰配分，残余奥氏体内部Mn元素的波动可能来源于初始组织中富碳的渗碳体。所得组织对应的屈服强度为980MPa，抗拉强度为1308MPa，均匀延伸率为15.0％。而对应传统工艺(660℃保温60min)下相同成分的中锰钢，屈服强度为813MPa，抗拉强度仅为860MPa，均匀延伸率为15.5％，和本实施例样品的均匀延伸率几乎相同(如图5所示，其中实线为本实施例，虚线为对应传统工艺力学性能)。由此可见相比于传统处理工艺，应用了本发明工艺的低碳中锰钢可实现在同一均匀延伸率条件下屈服强度和抗拉强度的大幅度提高，且热处理效率明显改善。
实施例2
对于具体成分为Fe-0.23C-5.4Mn-1.7Al(wt.％)的钢材经过电炉熔炼及连铸后，形成厚度为250mm的铸坯，然后经单机架轧机热轧到5mm厚，控制终轧温度高于800℃，后经空冷形成马氏体基体组织。对热轧后的钢板进行低温回火、冷轧和连续退火处理，具体工艺如下：
1、在马弗炉中对热轧板进行500℃/1h的低温回火，然后冷轧至1.0mm厚；
2、将冷轧带钢从室温以30℃/s的升温速率升温到500℃，然后以100℃/s的升温速率从500℃快速升温到740℃；
3、在740℃保温1.0s；
4、将带钢以30℃/s的降温速率从740℃降温至600℃，最后以20℃/s的降温速率从600℃降温至室温。
带钢经此新型热处理工艺处理后，微观组织由残余奥氏体+铁素体双相组织，其中铁素体由等轴再结晶铁素体和条状未再结晶铁素体两种形貌构成，再结晶铁素体体积分数为17.6％，平均晶粒尺寸为245nm；未再结晶铁素体体积分数为65.2％，平均晶粒尺寸为720nm；奥氏体体积分数为17.2％，平均晶粒尺寸为136nm。所得组织对应的屈服强度为996MPa，抗拉强度为1181MPa，均匀延伸率为14.5％。而对应传统工艺相似均匀延伸率条件下，所得材料的屈服强度为813MPa，抗拉强度仅为860MPa。由此可见应用了本发明的低碳中锰钢在保证均匀延伸率几乎不变的条件下，可大幅度提高材料的屈服和抗拉强度，且实现了高效热处理。

Claims (1)

1.一种低碳中锰高残奥高强韧钢的热处理方法，其特征在于所述低碳中锰高残奥高强韧钢中的化学元素质量百分含量为：
C：0.10～0.25wt％，
Mn：5.38wt％或5.4wt％，
A1：1.0～2.5wt％，
余量为Fe；
制备方法包括：
(1)对低碳中锰高残奥高强韧钢的热轧钢板进行低温回火处理，随后进行冷轧，所述回火工艺为300℃-500℃保温1-3h，冷轧压下率大于70％，且保证钢板的厚度小于1.5mm；
(2)将冷轧带钢由室温快速升温至奥氏体/铁素体两相区；所述冷轧带钢的加热过程为：在500℃以下的升温速率为10℃/s～50℃/s，500℃以上的升温速率必须保证不低于100℃/s，两相区保温温度为740℃-800℃；
(3)在加热目标温度区间内极短时间停留，两相区停留时间为0.5～2s；
(4)使带钢从两相区快速降温至室温，即在600℃以上温度区间的降温速率大于20℃/s，600℃至室温的降温速率大于5℃/s。
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