CN113862579A - 一种超低碳中锰钢及其制备方法 - Google Patents

一种超低碳中锰钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及中锰钢技术领域，公开了一种超低碳中锰钢及其制备方法。上述超低碳中锰钢的成分包括主要元素Fe、Mn，所述超低碳中锰钢还包括合金化元素Co、Ni中的至少一种以及合金化元素Ti、Nb、Ta中的至少一种；所述超低碳中锰钢还包括合金化元素Si、Mo以及微量合金化元素C、B；所述主要元素的含量为65～90wt.％Fe、8～18wt.％Mn。本发明还提供了一种超低碳中锰钢的制备方法。本发明所提供的一种超低碳中锰钢的基体为马氏体，在时效过程中基体析出两种纳米析出相G相及L21相，使得所述超低碳中锰钢的强度与塑性同时显著提高。所述超低碳中锰钢的室温拉伸强度高于1400MPa，断裂延伸率大于10％。

Description

一种超低碳中锰钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及中锰钢技术领域，具体涉及一种超低碳中锰钢及其制备方法。
背景技术
轻量化已经成为汽车发展的必然趋势，而先进高强钢是目前解决轻量化与安全之间矛盾的首选。为了应对新材料带来的威胁，作为汽车用传统材料的高强钢也必须向更高强度与更高延伸率大方向不断发展。作为第三代汽车用钢的典型代表，低碳中锰钢正在被广泛的研究。
专利CN110066904(一种超高强度中锰钢及其温轧制备方法)所述的中锰钢的化学成分以重量百分比计为:C:0.01～0.5％，Si:0.1～3.0％，Mn:6～10％，Al:0.3～3％，P≤0.03％，S≤0.04％，余量为Fe和杂质。其制备步骤包括冶炼、热轧、温轧及退火等。该专利所生产的中锰钢抗拉强度高达1200MPa，且制备简单，满足汽车、机械等多个行业的需求，产品应用范围广泛。
专利CN110117755B(一种980MPa级低屈强比冷轧中锰钢的制备方法)公开了一种980MPa级低屈强比冷轧中锰钢的制备方法。该发明以传统中锰钢为原料，无需添加任何其余合金元素，成本低。制备方法包括炼钢、连铸、热轧、酸洗冷连轧、连续退火；连续退火时将冷轧板加热到Ac3-30℃～Ac3+20℃之间；随后缓慢冷却至640℃～670℃；最后以15～30℃/s的冷却速率冷至Ms+20～50℃进行过时效配分处理。该专利制备得到的冷轧中锰钢具有高强度、高延伸率、低屈强比及成形性能好等特点。
到目前为止，中锰钢文献及专利的关注点主要集中在如何调整热处理工艺以改善材料强塑性，而从材料的成分设计角度以强化中锰钢的相关研究则十分匮乏。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种超低碳中锰钢，其中超低碳中锰钢拥有超高的抗拉强度，同时兼具良好的拉伸塑性。
本发明的技术方案是：一种超低碳中锰钢，包括主要元素Fe、Mn，所述超低碳中锰钢还包括合金化元素Co、Ni中的至少一种以及合金化元素Ti、Nb、Ta中的至少一种；所述超低碳中锰钢还包括合金化元素Si、Mo以及微量合金化元素C、B；所述主要元素的含量为65～90wt.％Fe、8～18wt.％Mn。
作为本技术方案的进一步改进，所述主要元素Mn的含量为12～15wt.％。
作为本技术方案的进一步改进，所述合金化元素的含量为0～5wt.％Co，0～5wt.％Ni，0～3wt.％Ti，0～1wt.％Nb，0～2wt.％Ta，0.5～3wt.％Si，0～2wt.％Mo且合金化元素Ni、Co总量在2～9wt.％之间，合金化元素Ti、Nb、Ta总量在0.5～3wt.％。
作为本技术方案的进一步改进，所述合金化元素Ti的含量为0.5～1.5wt.％；所述合金化元素Si的含量为0.5～2wt.％；所述合金化元素Ni的含量为2～5wt.％。
作为本技术方案的进一步改进，所述超低碳中锰钢的基体为马氏体，在时效过程中基体析出纳米弥散颗粒G相和L21相中的至少一种。
本发明还提供了一种超低碳中锰钢的制备方法，所述制备方法用于制备所述超低碳中锰钢，包括以下步骤：
按所述超低碳中锰钢的化学成分及其含量进行配料；
在真空电弧熔炼炉中熔炼成合金；
合金经设定温度固溶处理后冷轧成板材；
将所得板材在设定的时效温度下进行时效处理设定的时间；
时效处理后在空气中冷却。
作为本技术方案的进一步改进，合金固溶处理的温度范围为1100℃～1350℃。
作为本技术方案的进一步改进，将所得板材时效处理的温度范围为400℃～600℃；时效处理时间为至少半个小时。
本发明所提供的一种超低碳中锰钢及制备方法，所述超低碳中锰钢基于纳米G相与L21相弥散强化，所述超低碳中锰钢在时效过程中基体析出G相及L21两种纳米弥散相，析出强化的效果十分显著。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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他的附图。
图1是本发明实施例1提供的一种超低碳中锰钢采用透射电镜拍摄的典型低倍显微组织示意图；
图2是本发明实施例2中提供的一种超低碳中锰钢在经过不同热处理条件时效后的室温拉伸曲线图；
图3为实施案例3中提供的一种超低碳中锰钢在透射电镜下观察到的纳米析出相G相颗粒弥散分布形貌示意图；
图4为实施案例3中提供的一种超低碳中锰钢在透射电镜下观察到的纳米析出相L21相颗粒弥散分布形貌示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接设置、连接，也可以通过居中元部件、居中结构间接设置、连接。
另外，本发明实施例中若有“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系的用语，其为基于附图所示的方位或位置关系或常规放置状态或使用状态，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构、特征、装置或元件必须具有特定的方位或位置关系、也不是必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在具体实施方式中所描述的各个具体技术特征和各实施例，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如通过不同的具体技术特征/实施例的组合可以形成不同的实施方式，为了避免不必要的重复，本发明中各个具体技术特征/实施例的各种可能的组合方式不再另行说明。
实施例1
一种超低碳中锰钢及其制备方法。所述超低碳中锰钢包括主要元素Fe、Mn、合金化元素Co、Ni中的至少一种以及合金化元素Ti、Nb、Ta中的至少一种；所述超低碳中锰钢还包括Si、Mo、微量合金化元素C、B；所述主要元素的含量为65～90wt.％Fe、8～18wt.％Mn。
所述合金化元素的含量为0～5wt.％Co，0～5wt.％Ni，0～3wt.％Ti，0～1wt.％Nb，0～2wt.％Ta，0.5～3wt.％Si，0～2wt.％Mo且合金化元素Ni、Co总量在2～9wt.％之间，所述合金化元素Ti、Nb、Ta总量在0.5～3wt.％。
本发明提供的一种实施例中，所述超低碳中锰钢的化学成分及其含量是：Mn为12wt.％；Co为5wt.％；Si为1wt.％；Ti为1wt.％；Mo为1wt.％；C为0.08wt.％；余量为Fe。
超低碳中锰钢的制备方法包括以下步骤:按所述的超低碳中锰钢的化学成分及其含量进行配料，在真空电弧熔炼炉中熔炼合金，经1200℃固溶处理后冷轧成板材，再经500℃条件下时效处理2小时后空冷即制得所述纳米相强化的超低碳中锰钢。如图1所示，所述超低碳中锰钢的基体为典型的板条马氏体组织。
实施例2
一种超低碳中锰钢及其制备方法。所述超低碳中锰钢的化学成分及其含量是：Mn为10wt.％；Ni为4wt.％；Si为1.5wt.％；Ti为1wt.％；Nb为0.5wt.％，Mo为0.5wt.％；C为0.04wt.％；余量为Fe和不可避免的杂质。
超低碳中锰钢的制备方法包括以下步骤:按所述的超低碳中锰钢的化学成分及其含量进行配料，在真空电弧熔炼炉中熔炼合金，经1000℃固溶处理后冷轧成板材，再经450℃条件下时效处理6小时后空冷即可制得所述纳米相强化的超低碳中锰钢。如图2所示，由于在时效处理过程中基体中弥散析出纳米第二相粒子，实施例2制备的超低碳中锰钢的室温力学性能显著改善。
实施例3
一种超低碳中锰钢及其制备方法。所述超低碳中锰钢的化学成分及其含量是：Mn为18wt.％；Ni为2wt.％；Co为2wt.％；Si为1wt.％；Ti为1.5wt.％；Ta为0.8wt.％，C为0.06wt.％；余量为Fe和不可避免的杂质。
超低碳中锰钢的制备方法包括以下步骤:按所述超低碳中锰钢的化学成分及其含量进行配料，在真空电弧熔炼炉中熔炼合金，经1300℃固溶处理后冷轧成板材，再经550℃条件下时效处理3小时后空冷即制得所述纳米相强化的超低碳中锰钢。如图3和图4所示，所制备材料在时效过程中析出了G相和L21两种不同的纳米颗粒，且二者均弥散分布在基体中；
本发明实施例所提供的一种超低碳中锰钢具有以下特点：
(1)该合金成分有别于目前所有中锰钢的合金成分
本发明实施例提供了一种超低碳中锰钢，所述超低碳中锰钢是基于两种纳米析出相析出强化，需要说明的是，两种纳米析出相包括G相(G-Phase，化学式为Ni16Ti6Si7)和L21相(L21-Phase，化学式为Fe2TiSi)，主要元素铁占质量百分比的65～90％，Mn占8～18％，合金化元素(Ni+Co)占7～15％，合金化元素(Ti+Nb+Ta)占0.5～3％。本发明合金的化学成分明显有别于目前已有的9～12％Mn系列中锰钢合金体系。
(2)本发明的超低碳中锰钢采用G相与L21相作为析出强化相
G相是一种复杂面心立方结构的金属间化合物，而L21相是一类有序固溶体。在本发明中，G相与L21相以纳米颗粒的形态弥散分布在所述超低碳中锰钢马氏体基体中，有效阻碍了位错运动，以纳米析出相的形式均匀析出，这些纳米析出相包括纳米团簇和纳米金属间化合物。当滑移位错以Orowan机制绕过这些不可变形的纳米析出相时，由于位错弓出弯曲将增大位错的线张力，因而需要更大的外加应力才能使位错越过强化相颗粒而继续滑移，由此使所述超低碳中锰钢马氏体强化，具有良好的析出强化的效果。
(3)本发明的设计的两种纳米析出相的热稳定性高
在另外一个实施例中，本发明提供的一种超低碳中锰钢在400℃～600℃下长时间时效500小时后，G相及L21相颗粒尺寸稳定在20nm以下且呈弥散分布，颗粒尺寸基本没有长大。
(4)本发明的超低碳中锰钢具有良好的力学性能
本发明的超低碳中锰钢组织为马氏体，依靠弥散析出两种纳米相协调增强合金基体，如图2所示，本发明所提供的一种超低碳中锰钢，室温拉伸强度可以高达1400Mpa同时兼具10％断裂延伸率。而且本发明所提供的超低碳中锰钢在其他的实施例中，也可以根据服役环境需求，调控纳米析出颗粒的体积分数，制备出在1000MPa～1700MPa之间不同拉伸强度的超低碳中锰钢。
(5)本发明提供的超低碳中锰钢制备技术及热处理工艺简单
本发明所提供的一种超低碳中锰钢，制备工艺简单，所述低碳中锰钢的尺寸或形状可控。传统的铸造、定向凝固、单晶生长等方式也可以作为非限定实例。同时，本发明的超低碳中锰钢热处理工艺简单，在工业中具有可操作性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超低碳中锰钢，包括主要元素Fe、Mn，其特征在于，所述超低碳中锰钢还包括合金化元素Co、Ni中的至少一种以及合金化元素Ti、Nb、Ta中的至少一种；所述超低碳中锰钢还包括合金化元素Si、Mo以及微量合金化元素C、B；所述主要元素的含量为65～90wt.％Fe、8～18wt.％Mn。
2.如权利要求1所述超低碳中锰钢，其特征在于，所述主要元素Mn的含量为12～15wt.％。
3.如权利要求2所述超低碳中锰钢，其特征在于，所述合金化元素的含量为0～5wt.％Co，0～5wt.％Ni，0～3wt.％Ti，0～1wt.％Nb，0～2wt.％Ta，0.5～3wt.％Si，0～2wt.％Mo且合金化元素Ni、Co总量在2～9wt.％之间，所述合金化元素Ti、Nb、Ta总量在0.5～3wt.％。
4.如权利要求3所述超低碳中锰钢，其特征在于，所述合金化元素Ti的含量为0.5～1.5wt.％；所述合金化元素Si的含量为0.5～2wt.％；所述合金化元素Ni的含量为2～5wt.％。
5.如权利要求1-4中任一项所述的超低碳中锰钢，其特征在于，所述超低碳中锰钢的基体为马氏体，在时效过程中基体析出纳米弥散颗粒G相和L21相中的至少一种。
6.一种超低碳中锰钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备如权利要求1至5中任一项所述的超低碳中锰钢，包括以下步骤：
按所述超低碳中锰钢的化学成分及其含量进行配料；
在真空电弧熔炼炉中熔炼成合金；
合金经设定温度固溶处理后冷轧成板材；
将所得板材在设定的时效温度下进行时效处理设定的时间；
时效处理后在空气中冷却。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，合金固溶处理的温度范围为1100℃～1350℃。
8.如权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，将所得板材时效处理的温度范围为400℃～600℃；时效处理时间为至少半个小时。
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