CN113025790B - 一种中锰钢板的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种中锰钢板的热处理方法,所述方法包括,获得锰质量分数为4‑8％的热轧中锰钢板；将所述热轧中锰钢板加热至Ac1‑Ac3之间进行两相区退火处理，获得退火中锰钢板；将所述退火中锰钢板以＞1℃/s的速率第一冷却至Ms点以上20‑50℃保温，进行第一等温淬火处理，获得第一等温淬火中锰钢板；将所述第一等温淬火中锰钢板以＞0.5℃/s的速率第二冷却至Ms点以下10‑40℃保温，进行第二等温淬火处理，获得热处理中锰钢板。采用本发明的中锰钢板的热处理方法，可以显著提高中锰钢板的强度和韧性，提高其服役稳定性，延长使用寿命。

Description

一种中锰钢板的热处理方法
技术领域
本发明属于中厚板制造技术领域，尤其涉及一种中锰钢板的热处理方法。
背景技术
中锰钢具有回火马氏体和逆转变奥氏体复合组织，是一种高强度高韧性的中厚板，可应用于海洋油气资源开发平台。中锰钢为了获得良好的强度和韧性，需要对其进行热处理。目前，较为成熟的处理工艺为两相区淬火处理工艺，而该工艺处理后的中锰钢以逆转变奥氏体和回火马氏体为主，然而，在两相区保温过程中，由于合金元素的扩散，局部奥氏体中出现了合金与碳富集，这种出现合金和碳富集的奥氏体具有相对较好的稳定性，一部分保留至室温，还有部分发生转变形成马氏体。这种马氏体一般为粗大的高碳马氏体组织，在受载时容易导致裂纹的萌生，进而大大恶化了中锰钢的韧性。
申请号为201610960959.9的中国专利公开了一种高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板及异步轧制的制备方法，通过异步轧制后采用中温区退火保温后，而后淬火—配分进行处理；申请号为201710209432.7的中国专利公开了一种通过热成形-亚温淬火-配分工艺改善钢板力学性能的方法，通过亚温淬火+配分工艺对钢板的性能进行优化；以上两种工艺均是通过两相区保温+淬火配分的思路对钢板的组织进行优化，而无法避免淬火过程中的粗大马氏体板条的形成，同时淬火-配分过程只对碳的分配起作用，而无法对组织进行细化。
申请号为201810535731.4的中国专利公开了一种690MPa级低碳中锰高强度中厚板及淬火-动态配分生产工艺制备方法。该方法相比前面两种，主要是采用缓冷方式让组织进行配分，使过饱和马氏体中的碳原子扩散至附近的残余奥氏体中，使奥氏体更加稳定，然而该方法对于组织中各相的形态与分布未造成实质影响，对于性能的提升水平有限。
对于上文提到的几种两相区的后续处理工艺，在未对奥氏体进行分割的前提下直接淬火形成马氏体，直接冷至淬火温度的过程中组织过冷度大，容易形成大尺寸马氏体，对韧性带来不利影响，最终导致服役过程中的风险。
发明内容
本发明提供了一种中锰钢板的热处理方法,以解决现有技术中韧性不足,导致服役过程风险较大的问题。
本发明提供了一种中锰钢板的热处理方法,所述方法包括,
获得锰质量分数为4-8％的热轧中锰钢板；
将所述热轧中锰钢板加热至Ac1-Ac3温度进行两相区退火处理，获得退火中锰钢板；
将所述退火中锰钢板以＞2℃/s的速率第一冷却至Ms点以上20-50℃保温，进行第一等温淬火处理，获得第一等温淬火中锰钢板；
将所述第一等温淬火中锰钢板以＞1℃/s的速率第二冷却至Ms点以下10-40℃保温，进行第二等温淬火处理，获得热处理中锰钢板。
进一步地，所述两相区退火处理中，加热温度为580-720℃，保温时间为1-3×d1min，其中d1表示所述热轧中锰钢板的厚度。
进一步地，所述两相区退火处理中，保温时间为3×d1min。
进一步地，所述第一等温淬火处理中，保温时间为0.5-2×d2min，其中，d2表示所述第一等温淬火中锰钢板的厚度。
进一步地，所述第二等温淬火处理中，保温时间为1-3×d2min。
进一步地，所述第一冷却的冷却方法为如下任意一种：层流冷却、盐浴淬火。
进一步地，所述热轧中锰钢由如下质量分数的化学成分组成：C：0.02-0.1％，Si：0.1～0.25％，Mn：4.0～8.0％，Ti：0.008～0.025％，其余是Fe及其它不可避免的杂质元素。
进一步地，所述热轧中锰钢板的厚度为10-40mm。
进一步地，所述Ms的温度为330-370℃。
进一步地，所述将所述退火中锰钢板以＞1℃/s的速率第一冷却至Ms点以上20-50℃保温，包括，
对所述退火中锰钢板进行3-5道次的两相区轧制；所述两相区轧制的总压下率为8-12％；
对所述两相区轧制后的退火中锰钢板以＞1℃/s的速率第一冷却至Ms点以上20-50℃保温。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提供了一种中锰钢板的热处理方法，该方法是将热轧中锰钢板在两相区温度Ac1-Ac3退火后，再依次进行Ms点以上和Ms点以下两次等温淬火处理，通过Ms点以上等温淬火处理，使组织中形成部分贝氏体板条，该贝氏体板条可以分隔逆转变奥氏体，使组织充分细化；同时还可以抑制两相区退火后直接冷至较低温度所造成的在逆转变奥氏体中形成贯穿晶粒的粗大马氏体组织，这种粗大马氏体组织不利于组织韧性的提高；通过在Ms点以下等温淬火处理可以使奥氏体转变为更为精细的马氏体板条，从而促进中锰钢获得更好的强韧性。采用本发明的热处理方法，使中锰钢板的抗拉强度为1152-1223MPa,屈服强度为812-874MPa,-40℃V型冲击功为78-85J，具有良好强韧性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为实施例1的热处理结束后的中锰钢板的微观金相组织；
图2为实施例1热处理结束后的中锰钢板的TEM微观组织照片；
图3为实施例2的热处理结束后的中锰钢板的微观金相组织；
图4为对比例1的热处理结束后的中锰钢板的微观金相组织；
图5为对比例1热处理结束的后的中锰钢板的TEM微观组织照片；
图6为对比例2的热处理结束后的中锰钢板的微观金相组织。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
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。本发明中“第一”和“第二”不代表顺序，可以理解为名词。
本发明实施例提供的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
本发明实施例提供了一种中锰钢板的热处理方法,所述方法包括,
S1，获得锰质量分数为4-8％的热轧中锰钢板；
S2，将所述热轧中锰钢板加热至Ac1-Ac3温度进行两相区退火处理和第一冷却，获得退火中锰钢板；
S3,将所述退火中锰钢板以＞1℃/s的速率冷却至Ms点以上20-50℃保温，进行第一等温淬火处理，获得第一等温淬火中锰钢板；
S4,将所述第一等温淬火中锰钢板以＞0.5℃/s的速率冷却至Ms点以下10-40℃保温，进行第二等温淬火处理，获得热处理中锰钢板。
在退火后，使中锰钢在Ms点以上设计一段等温时间，一方面，可以使组织形成部分贝氏体板条，这种贝氏体板条可以对逆转变奥氏体进行分割，达到充分的细化效果；另一方面，抑制直接冷至Ms点以下的较低温度造成的逆转变奥氏体中形成的贯穿晶粒粗大马氏体，而这种粗大马氏体不利于组织韧性的提高；在Ms点以下设计一段等温时间，可以使奥氏体转变为更为精细的马氏体板条，从而促进中锰钢获得更好的强韧性。
退火中锰钢板以2k/s以上冷速冷却的目的是抑制从两相区降温至第一等温淬火温度区间过程发生相变。
第一等温淬火处理中，保温温度过高会导致不具备相变热力学条件，使相变不发生或者相变量较少，无法起到分割晶粒的作用；保温温度过低会导致该温度区间的贝氏体转变量过大而降低最终热处理中锰钢板的强韧性。第二等温淬火处理中，保温温度过高，会导致由于温度过于接近Ms点附近导致相变不能充分发生；保温温度过低，过冷度过大导致粗大马氏体形成，降低了热处理中锰钢板的韧性。
热轧中锰钢板可以通过TMCP轧制冷至室温的方式获得。在第二等温淬火处理后，可以采用空冷方式进行冷却，具体可以采用出炉空冷至室温，或者随炉缓冷至室温。退火保温后冷却方式可采用层流冷却、盐浴淬火或者水空交替等方法。第一等温淬火处理和第二等温淬火处理都可以采用HOP装备、盐浴炉、水空交替淬火装备或者风机冷却后入回火炉等装备实现，长时间等温淬火可以根据产线条件采用加热式缓冷坑或者回火炉来辅助实现。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述两相区退火处理中，加热温度为580-720℃，保温时间为1-3×d1min，其中d1表示热轧中锰钢板的厚度。
两相退火处理中加热温度过高会使逆转变奥氏体的碳含量下降，导致残余奥氏体的含量与稳定性难以保证，加热温度过低会导致两相区生成的逆转变奥氏体较少，难以保证后续的相变强韧化效果。保温时间过长会影响组织均匀性，进而影响材料的强韧均匀性；保温时间过短会导致逆转变奥氏体转变不充分。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述两相区退火处理中，保温时间为3×d1min。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述第一等温淬火处理中，保温时间为0.5-2×d2min，其中，d2表示第一等温淬火中锰钢板的厚度。
第一等温淬火处理中，保温时间过短会导致相变转变不充分，从而降低材料的韧性，保温时间过长会导致相变转变量过大，无法获得预期的相比例，从而降低材料的强韧性。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述第二等温淬火处理中，保温时间为1-3×d2min。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述第一冷却的冷却方式包括但不限于如下任意一种：层流冷却、盐浴淬火、水空交替。层流冷却是指水冷，水空交替是指水冷和空冷交替进行。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述热轧中锰钢由如下质量分数的化学成分组成：C：0.02-0.1％，Si：0.1～0.25％，Mn：4.0～8.0％，Ti：0.008～0.025％，其余是Fe及其它不可避免的杂质元素。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述热轧中锰钢板的厚度为10-40mm。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述Ms的温度为330-370℃。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述将所述退火中锰钢板以＞1℃/s的速率第一冷却至Ms点以上20-50℃保温，包括，
对所述退火中锰钢板进行3-5道次的两相区轧制；所述两相区轧制的总压下率为8-12％；
对所述两相区轧制后的退火中锰钢板以＞1℃/s的速率第一冷却至Ms点以上20-50℃保温。
两相区保温后进行未再结晶两相区轧制，并控制轧制压下率，可以增加位错密度，形核位置多，这些位错可以分割晶粒，细化组织，从而提高材料的强韧性。
下面将结合实施例、对照例及实验数据对本发明的一种中锰钢板的热处理方法进行详细说明。
实施例1-3
实施例1-3提供了一种中锰钢板的热处理方法，其中，中锰钢板的化学成分为C：0.04％，Si：0.3，Mn：6.7、Ti：0.007％，Cu:0.1％，Ni:0.3％，Mo:0.2％，Cr:0.5％，其余是Fe及其它不可避免的杂质元素。
将上述成分的钢水进行铸造，获得厚度为400mm的板坯。将板坯依次进行加热、轧制、矫直、冷却后，获得热轧中锰钢板。然后，对热轧中锰钢板进行热处理，热处理步骤如下：
退火处理：将热轧中锰钢板进行两相区加热并保温；第一等温淬火处理：将退火处理后的中锰钢板第一冷却至一定温度，然后置入回火炉中保温；
第二等温淬火处理：将第一等温淬火处理后的中锰钢板再以水冷方式第二冷却至一定温度，置入回火炉中保温，最后出炉空冷至室温。
退火处理、第一等温淬火处理和第二等温淬火处理过程的工艺控制情况如表1和表2所示。
实施例4-6
实施例4-6提供了一种中锰钢的热处理方法，其中，中锰钢的化学成分为C：0.08％，Si：0.2，Mn：4.8、Ti：0.020％，Cu:0.1％，Ni:0.3％，Mo:0.2％，Cr:0.5％，其余是Fe及其它不可避免的杂质元素。
将上述成分的钢水进行铸造，获得厚度为400mm的板坯。将板坯依次进行加热、轧制、矫直、冷却后，获得热轧中锰钢板。然后，对热轧中锰钢板进行热处理，热处理步骤如下：
退火处理：将热轧中锰钢板进行两相区加热并保温；
两相区轧制：将退火处理后的中锰钢板进行轧制；
第一等温淬火处理：将轧制后的中锰钢板第一冷却至一定温度，然后置入回火炉中保温；
第二等温淬火处理：将第一等温淬火处理后的中锰钢板再以水冷方式第二冷却至一定温度，置入回火炉中保温，最后出炉空冷至室温。
退火处理、两相区轧制、第一等温淬火处理和第二等温淬火处理过程的工艺控制情况如表1和表2所示。
对比例1
对比例1采用与实施例1相同的热轧中锰钢板，对其进行两相区加热并保温，加热温度为580℃，保温时间为90min；保温结束后空冷至室温，获得热处理后的中锰钢板。
对比例2
对比例2以对比例1为参照，对比例2与对比例1的区别在于保温结束后直接风冷至室温。
表1
Figure BDA0002940125430000061
表2
Figure BDA0002940125430000062
对实施例1-6以及对比例1-2热处理后的中锰钢板取样进行力学性能和-40℃V型冲击功检测，检测结果如表3所示。
表3
编号 抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 延伸率(％) -40℃V型冲击功(J)
实施例1 1152 812 16.9 78
实施例2 1174 835 17.2 85
实施例3 1184 843 16.7 83
对比例1 1021 785 16.7 67
对比例2 1044 802 16.4 63
实施例4 1196 847 17.2 79
实施例5 1202 854 15.9 94
实施例6 1223 874 15.3 102
由表1中的数据可知，实施例1-6的中锰钢板其抗拉强度为1152-1223MPa,屈服强度为812-874MPa,-40℃V型冲击功为78-85J。对比例1-2的中锰钢热处理后抗拉强度为1021-1044MPa,屈服强度为785-802MPa,-40℃V型冲击功为63-67J，其抗拉强度和韧性均低于实施例1-3。
由图1-3的组织可以明显看出，实施例1-2热处理后的中锰钢板呈现明显的α相板条组织特征，α板条间分布着膜状的残余奥氏体，而这种板条组织有利于强韧性的优化。
由图4-6的组织可以看出，对比例1-2热处理后的中锰钢中，马氏体板条不显著，残余奥氏体弥散分布，取向性不显著。
本发明采用两相区退火+分级等温的热处理设计思路来优化中锰钢的性能，分级等温的两次等温温度以Ms点为界，分别在Ms点以上和Ms点以下设置等温温度，Ms点以上等温处理可以形成适量的贝氏体转变分隔奥氏体晶粒，使组织细化，Ms点以下等温处理可以促进精细的α板条形成，从而使中锰钢获得良好的韧性。该工艺的实施是对海洋用中锰钢两相区处理工艺的新发展，将该工艺在中锰钢在该领域的应用具有显著的应用价值与市场前景。采用本发明的热处理方法，使中锰钢板的抗拉强度为1152-1223MPa,屈服强度为812-874MPa,-40℃V型冲击功为78-102J，具有良好强韧性。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
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 (3)

1.一种中锰钢板的热处理方法,其特征在于,所述方法包括,
获得锰质量分数为4-8％的热轧中锰钢板；
将所述热轧中锰钢板加热至Ac1-Ac3温度进行两相区退火处理，获得退火中锰钢板；
将所述退火中锰钢板以＞1℃/s的速率第一冷却至Ms点以上20-50℃保温，进行第一等温淬火处理，获得第一等温淬火中锰钢板；
将所述第一等温淬火中锰钢板以＞0.5℃/s的速率第二冷却至Ms点以下10-40℃保温，进行第二等温淬火处理，获得热处理中锰钢板；
所述两相区退火处理中，加热温度为580-720℃，保温时间为（1-3）×d1min，其中，d1表示所述热轧中锰钢板的厚度，单位为mm；
所述第一等温淬火处理中，保温时间为（0.5-2）×d2min，其中，d2表示所述第一等温淬火中锰钢板的厚度，单位为mm；
所述第二等温淬火处理中，保温时间为（1-3）×d2min；
所述热轧中锰钢包括如下质量分数的化学成分：C：0.02-0.1％，Si：0.1～0.3％，Mn：4.0～8.0％，Ti：0.008～0.025％；
所述Ms的温度为330-370℃；
所述将所述退火中锰钢板以＞1℃/s的速率第一冷却至Ms点以上20-50℃保温，包括，
对所述退火中锰钢板进行3-5道次的两相区轧制；所述两相区轧制的总压下率为8-12％；
对所述两相区轧制后的退火中锰钢板以＞1℃/s的速率第一冷却至Ms点以上20-50℃保温。
2.根据权利要求1所述的一种中锰钢板的热处理方法，其特征在于，所述第一冷却的冷却方式为如下任意一种：层流冷却、盐浴冷却、水空交替。
3.根据权利要求1所述的一种中锰钢板的热处理方法，其特征在于，所述热轧中锰钢板的厚度为10-40mm。
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