CN115537667A - 纳米析出铁素体钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米析出铁素体钢及其制备方法，该纳米析出铁素体钢的原料包括：0.04～0.06wt％的C；1.5～1.8wt％的Mn；0.1～0.2wt％的Si；0～0.1wt％的Al；0.05～0.2wt％的Ti；0.05～0.4wt％的Mo；余量为Fe和不可避免的杂质。由此，该纳米析出铁素体钢具有强度水平可以高于1GPa的优异力学性能，同时该方法实现了热处理的高效化。

Description

纳米析出铁素体钢及其制备方法
技术领域
本发明属于材料热处理技术领域，具体涉及一种纳米析出铁素体钢及其制备方法。
背景技术
为缓解日益加剧的能源紧缺和温室效应问题，汽车轻量化已成为世界汽车行业发展的重要趋势。提升高强钢的使用比例是同时实现汽车轻量化和提高碰撞安全性的关键方向。纳米析出铁素体钢拥有卓越的扩孔性能和显著的析出强化效果，因此被广泛应用在汽车底盘和汽车悬架等复杂构件中。纳米碳化物尺寸小，数密度大，热稳定性高，对晶界迁移有强钉扎作用，能够抑制再结晶长大，起到细化晶粒的效果。目前工业生产的纳米析出铁素体钢主要为热轧态组织，通过纳米尺寸的碳化物析出提高铁素体基体的强度，同时单一的基体组织保证了钢材良好的塑性和成形性。然而，市面上应用的热轧态纳米析出铁素体钢的强度相对较低，为达到汽车轻量化的目标，发展更高强度级别且兼具良好塑性的低碳铁素体钢已成为国内外各大钢企的重要攻关方向之一。此外，焊接是车身装配中的重要连接手段，虽然提高碳含量可以继续提高纳米析出铁素体钢的强度，但较高的碳含量(>0.1wt％) 势必会影响钢材的焊接性能。
因此，现有的纳米析出铁素体钢有待改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种纳米析出铁素体钢及其制备方法，该纳米析出铁素体钢在保证碳含量较低的前提下，具有强度水平可以高于1GPa的优异力学性能，同时该方法实现了热处理的高效化。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种纳米析出铁素体钢。根据本发明的实施例，所述纳米析出铁素体钢的原料包括：
0.04～0.06wt％的C；
1.5～1.8wt％的Mn；
0.1～0.2wt％的Si；
0～0.1wt％的Al；
0.05～0.2wt％的Ti；
0.05～0.4wt％的Mo；
余量为Fe和不可避免的杂质。
由此，本申请的纳米析出铁素体钢具有强度水平高于1GPa的优异力学性能。
另外，根据本发明上述实施例的纳米析出铁素体钢还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述纳米析出铁素体钢的原料还包括：0.05～0.2wt％的V； 0.05～0.2wt％的Nb。由此，可以控制纳米析出相种类，获得高密度、高热稳定性的复合纳米析出碳化物。
在本发明的一些实施例中，所述纳米析出铁素体钢的屈服强度为750～1100MPa，抗拉强度为800～1100MPa，总延伸率为5～11％。
在本发明的一些实施例中，所述纳米析出铁素体钢的组织中包括弥散分布的纳米析出相，所述纳米析出相的等效直径为3～8nm。
在本发明的第二个方面，本发明提出了一种制备上述纳米析出铁素体钢的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：
(1)将所述纳米析出铁素体钢的原料进行熔炼和连铸，然后进行热轧，以便得到热轧钢板；
(2)将所述热轧钢板进行冷轧，以便得到冷轧钢板；
(3)将所述冷轧钢板加热至等温温度，然后保温；
(4)将步骤(3)得到的保温后的钢板冷却至室温，以便得到纳米析出铁素体钢。
根据本发明实施例的制备纳米析出铁素体钢的方法，按照上述的纳米析出铁素体钢中各元素含量配比，选取纳米析出铁素体钢的原料进行熔炼和连铸，然后进行热轧，得到热轧钢板。然后将热轧钢板进行冷轧，得到冷轧钢板。再将冷轧钢板由室温加热至等温温度，然后进行保温。将保温后的钢板冷却至室温，得到纳米析出铁素体钢。经过上述的热处理过程，使得纳米析出铁素体钢的屈服强度和抗拉强度得到提升，同时强度水平可以高于1GPa。
另外，根据本发明上述实施例的制备纳米析出铁素体钢的方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述热轧钢板的厚度为7～8mm。
在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述冷轧钢板的厚度为1～1.5mm。
在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述热轧钢板包括铁素体和纳米碳化物，所述冷轧的压下量不小于70％。由此，冷轧钢板可以获得足够的形变储能，进而决定再结晶程度。
在本发明的一些实施例中，在步骤(3)中，所述冷轧钢板的加热速率为80～300℃/s。由此，可以抑制变形组织在加热过程中发生显著再结晶及避免出现异常晶粒长大现象。
在本发明的一些实施例中，在步骤(3)中，所述等温温度为800～860℃，所述保温的时间不大于60s。由此，使得最终得到的纳米析出铁素体钢组织中有较细的再结晶晶粒和相变晶粒，限制奥氏体晶粒和再结晶铁素体晶粒的长大，同时不发生纳米碳化物的显著粗化。
在本发明的一些实施例中，在步骤(4)中，所述冷却的过程包括：当所述钢板的温度大于500℃时，冷却速度按照不低于20℃/s进行，当所述钢板的温度不大于500℃时，冷却速度按照不低于5℃/s进行。由此，可以抑制冷却过程中再结晶和相变铁素体晶粒的长大。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的制备纳米析出铁素体钢的方法流程示意图；
图2是实施例1得到的热轧钢板组织的电子背散射衍射图(a)和透射电镜图(b)；
图3是实施例1得到的冷轧钢板组织的电子背散射衍射图；
图4是实施例1得到的纳米析出铁素体钢的微观组织的电子背散射衍射测试的图像质量图(a)和电子背散射衍射测试的晶粒取向分布图(b)；
图5是实施例1得到的纳米铁素体钢与热轧钢板的拉伸曲线图；
图6是实施例2得到的纳米析出铁素体钢的微观组织的电子背散射衍射测试的图像质量图(a)和电子背散射衍射测试的晶粒取向分布图(b)。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种纳米析出铁素体钢。根据本发明的实施例，所述纳米析出铁素体钢的原料包括：0.04～0.06wt％的C；1.5～1.8wt％的Mn；0.1～0.2wt％的 Si；0～0.1wt％的Al；0.05～0.2wt％的Ti；0.05～0.4wt％的Mo；余量为Fe和不可避免的杂质。例如C含量为0.04wt％、0.05wt％或0.06wt％；Mn含量为1.5wt％、1.6wt％、1.7wt％或1.8wt％； Si含量为0.1wt％、0.15wt％或0.2wt％；Al含量为0wt％、0.05wt％或0.1wt％；Ti含量为 0.05wt％、0.1wt％或0.2wt％；Mo含量为0.05wt％、0.2wt％或0.4wt％。
发明人发现，若C含量过高，将影响钢板的焊接性；若C含量过低，将影响材料强度以及析出物的形成。Mn能够扩大奥氏体相区，提高钢板再结晶温度，有助于实现再结晶与相变的竞争过程；但是若Mn含量过高，将会提高钢的淬透性，甚至引入宏观偏析，影响材料的焊接性能和冲压性能等。若Si含量过高，会加速碳化物析出，使碳化物迅速粗化；若Si含量过低，固溶强化效果不明显。Al是一种有效的脱氧剂，也可以扩大奥氏体相区，但若Al含量过高，易形成较多夹杂物，影响材料表面状态；若 Al含量过低，脱氧效果不明显。Ti、Mo作为微合金元素，能够结合碳形成细小碳化物，起到强烈的析出强化作用，在提高强度的同时不会影响钢的成型性；但若Ti含量过高，析出效果变化不大但成本提高明显；若Ti含量过低，析出强化效果不明显。Mo在与 Ti和C共析出形成复合碳化物(Ti,Mo)C时，能显著提高碳化物的抗粗化作用，增强其强化效果。若Mo含量过高，析出效果变化不大但成本提高明显；若Mo含量过低，析出强化效果不明显，且抑制第二相碳化物粒子长大的效果不明显。
进一步地，纳米析出铁素体钢的原料还包括：0.05～0.2wt％的V；0.05～0.2wt％的Nb。发明人发现，Nb是细化晶粒的有效元素，并能够形成细小的碳化物起到析出强化效果；Nb 与Ti的复合添加对加热过程中晶粒细化效果显著。V能与C结合形成碳化物析出，提高材料强度。当V、Nb含量过低时，析出强化效果不显著；当V、Nb含量超过0.2wt％时，析出强化效果提高不明显，生产成本却显著提高，同时也会增加轧制难度。由此，可以控制纳米析出相种类，获得高密度、高热稳定性的复合纳米析出碳化物。
进一步地，纳米析出铁素体钢的屈服强度为750～1100MPa，抗拉强度为800～1100MPa，总延伸率为5～11％。纳米析出铁素体钢的组织中包括弥散分布的纳米析出相，纳米析出相的等效直径为3～8nm。
在本发明的第二个方面，本发明提出了一种制备纳米析出铁素体钢的方法。根据本发明的实施例，参考图1，该方法包括：
S100：将纳米析出铁素体钢的原料进行熔炼和连铸，然后进行热轧
该步骤中，将纳米析出铁素体钢的原料进行熔炼和连铸，然后进行热轧，即可得到热轧钢板。发明人发现，经过热轧，能改善材料的加工工艺性能，将铸造状态的粗大晶粒破碎，减少铸造缺陷，将铸态组织转变为变形组织。具体地，可以将纳米析出铁素体钢的原料经过真空感应熔炼和连铸后，形成铸坯。然后将铸坯热均匀化处理后，使用单机架轧机进行热轧，其中热均匀化温度为1200～1300℃，其终轧温度为800～900℃。需要说明的是，热轧钢板的厚度不受特别限定，可以为7～8mm中的任意值，例如，可以是7mm、7.5mm 或8mm。
S200：将热轧钢板进行冷轧
该步骤中，将热轧钢板进行冷轧，得到冷轧钢板。发明人发现，通过将热轧钢板进行冷轧，提高了轧板的硬度和强度。其中冷轧是在常温状态下完成的。需要说明的是，得到的冷轧钢板的厚度不受特别限定，可以为1～1.5mm中的任意值，例如，可以是1mm、1.25mm或1.5mm。
进一步地，热轧钢板包括铁素体和纳米碳化物，冷轧的压下量不小于70％。发明人发现，当冷轧的压下量小于70％时，冷轧组织中的形变储能小，不利于后续的再结晶过程。
S300：将冷轧钢板加热至等温温度，然后保温
该步骤中，将冷轧钢板加热至等温温度，然后保温。发明人发现，通过将冷轧钢板加热至等温温度，冷轧钢板发生再结晶以及相变过程，同时可以调整组织，细化晶粒。需要说明的是，加热的方式并不受特别限定，本领域技术人员可以根据需要进行选择，例如，可采用接触式加热、电阻加热或感应加热。
进一步地，上述冷轧钢板的加热速率80～300℃/s。发明人发现，若加热速率过小，则变形组织在加热过程中会发生显著再结晶及异常晶粒长大的现象。
进一步地，上述等温温度为800～860℃，上述保温的时间不大于60s。发明人发现，等温温度需维持在奥氏体相变温度Ac1附近，即在800～860℃之间，不易过高。若等温温度过高，会使再结晶或相变晶粒异常长大，不利于后续得到的纳米析出铁素体钢强度的提升，且温度超过Ac1温度10℃及以上时，铁素体相变会伴随有碳的配分，部分奥氏体中将出现碳富集，最终组织中可能含有少量马奥岛。同时，为了保证最终组织中有较细的再结晶或相变晶粒，并且不发生纳米碳化物的显著粗化，因此需要在两相区等温保温的时间不大于60s。
S400：将步骤S300得到的保温后的钢板冷却至室温
该步骤中，将步骤S300得到的保温后的钢板冷却至室温，得到纳米析出铁素体钢。发明人发现，经过上述方法制备得到的纳米析出铁素体钢为等轴再结晶/相变铁素体和条带状未再结晶铁素体/相变铁素体的异质结构，其中再结晶/相变铁素体的体积分数为8％-25％，条带状未再结晶铁素体的体积分数为75％-92％。此外，纳米析出铁素体钢中含有弥散分布的纳米碳化物。同时与在一般热机械生产条件下得到的样品的抗拉强度相比，增幅为8％-25％。需要说明的是，“等轴再结晶/相变铁素体”应理解为包括“等轴再结晶铁素体”和“等轴再结晶铁素体和相变铁素体”中的一种，“条带状未再结晶铁素体/相变铁素体”应理解为包括“条带状未再结晶铁素体”和“条带状未再结晶铁素体和未相变铁素体”中的一种。
进一步地，上述冷却的过程可以包括多阶段冷却或非线性速度冷却。具体地，当上述钢板的温度大于500℃时，冷却速度按照不低于20℃/s进行，当上述钢板的温度不大于500℃时，冷却速度按照不低于5℃/s进行。发明人发现，钢板的温度大于500℃时，若冷却速度低于20℃/s，冷却过程中可能发生晶粒的长大；钢板的温度不大于500℃时，若冷却速度低于5℃/s，可能发生变形组织中的位错回复，影响其强度。
发明人发现，横磁感应加热和新型直火加热等快速加热技术的开发使得快速热处理工艺的工业化应用成为了可能。快速热处理能在数秒内完成材料的升温过程，是一种新型的低碳、低成本和高效率的热处理方式。它不仅能够大幅缩短生产线长度，并有较高环保价值。相比于传统热处理，该技术具有可观的社会效益和经济效益。研究表明，快速热处理不仅能显著优化金属材料的力学性能，同时也带来了颠覆传统物理冶金理论的非平衡、非均质相变问题。一方面，它能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晚于奥氏体逆相变过程；另一方面，变形组织中保留的缺陷为高温奥氏体相变提供大量的形核位点，在短时间内获得大量逆转变奥氏体，同时通过控制保温时间可以调控奥氏体逆转变以及再结晶程度。冷轧相间析出钢具备高密度纳米碳化物的先天优势，利用其强钉扎效果不仅能显著抑制奥氏体和再结晶铁素体晶粒长大，细化微观组织，同时有效抑制变形组织中的位错回复，助力位错强化和细晶强化，并与快速加热工艺协调配合，获得一种等轴状再结晶/相变铁素体+ 条带状未再结晶铁素体/相变铁素体的异质结构，实现材料屈服强度和抗拉强度的大幅提升。具体到本申请中，通过以变形铁素体和纳米级碳化物为初始组织进行如下热处理工艺：快速加热—两相区短时等温—快速冷却，最终获得的高强度纳米析出铁素体钢由等轴状再结晶/相变铁素体+条带状未再结晶铁素体/相变铁素体构成，在提高生产效率的同时实现了材料的屈服强度和抗拉强度的显著提升。此外，本申请所得的纳米析出铁素体钢的抗拉强度比一般热机械生产条件下得到的样品的抗拉强度增幅8％～25％。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
实施例1
将原料组分为0.052wt％的C，0.1wt％的Si，1.76wt％的Mn，0.04wt％的Al，0.13wt％的Ti，0.24wt％的Mo，0.01wt％的P，0.003wt％的S的钢材经过真空感应熔炼及连铸后，形成厚度为250mm的铸坯。然后在1250℃均匀化2小时，再经单机架轧机热轧成7.5mm厚的热轧钢板，然后控制终轧温度高于800℃，冷却至600℃等温4h后空冷形成铁素体基体组织，所得微观组织的电子背散射衍射图(a)和透射电镜图(b)如图2所示，通过图2 (b)图能够观察到呈阵列分布的纳米碳化物。经测量可知，纳米碳化物的尺寸约为5nm。然后，冷轧得到1.2mm厚的冷轧钢板，其中冷轧的压下量为84％，所得冷轧钢板的微观组织的电子背散射衍射(EBSD)如图3所示，由图3可知，冷轧钢板主要由变形铁素体为主 (图3中RD表示轧制方向)。然后对冷轧后的钢板进行连续退火，退火工艺为：(1)将钢板以100℃/s加热至830℃并保温4s；(2)以冷却速度不低于20℃/s将钢板水淬冷却至 500℃，然后按照不低于5℃/s的冷却速度将钢板冷却至室温。
钢板经本申请的热处理工艺处理后，所得纳米析出铁素体钢的微观组织的EBSD表征如图4所示。组织由等轴状再结晶/相变铁素体+条带状未再结晶铁素体/相变铁素体组成，由再结晶/相变区通过晶粒取向分布图(GOS)，即图4(b)判断，晶粒取向差角度小于1.5°的是再结晶/相变区晶粒(图4(b)中黑色晶粒)，其体积分数为16.7％，平均晶粒尺寸为334nm。图4(b)中，黑色区域代表再结晶和相变铁素体，灰色区域代表未再结晶和未相变铁素体。
所得组织对应的屈服强度为1000MPa，抗拉强度为1011MPa，总延伸率为9.5％。同一成分传统热轧态钢，即热轧钢板的屈服强度为816MPa，抗拉强度为868MPa，总延伸率为12.8％。(如图5所示，其中点划线为本实施例，实线为传统热轧态钢的力学性能)。由此可见，相比于传统热轧态钢，应用本发明的方法得到的纳米析出铁素体钢可实现屈服强度和抗拉强度的大幅提高，且抗拉强度增幅为16％，从而使得纳米析出铁素体钢在汽车轻量化目标实现中具有更广的应用范围。
实施例2
按照实施例1的制备方法将原料组分为0.052wt％的C，0.1wt％的Si，1.76wt％的Mn， 0.04wt％的Al，0.13wt％的Ti，0.24wt％的Mo，0.01wt％的P，0.003wt％的S的钢材进行熔炼、连铸、热轧和冷轧。与实施例1不同的是，本实施例的退火工艺如下：(1)将钢板以 100℃/s加热至830℃并保温60s；(2)以冷却速度不低于20℃/s将钢板水淬冷却至500℃，然后按照不低于5℃/s的冷却速度将钢板冷却至室温。
钢板经本申请的热处理工艺处理后，所得纳米析出铁素体钢的微观组织的EBSD表征如图6所示，组织由等轴再结晶/相变铁素体和条带状未再结晶铁素体/相变铁素体组成，其中，黑色区域代表再结晶和相变铁素体，灰色区域代表未再结晶和未相变铁素体，再结晶/ 相变铁素体的体积分数约为21.0％，平均晶粒尺寸为413nm。所得组织对应的屈服强度为 788MPa，抗拉强度为917MPa。由此可见，相比于传统热轧态钢，应用本发明可实现材料抗拉强度的提高，使纳米析出铁素体钢在汽车轻量化目标实现中具有更广的应用范围。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种纳米析出铁素体钢，其特征在于，所述纳米析出铁素体钢的原料包括：
0.04～0.06wt％的C；
1.5～1.8wt％的Mn；
0.1～0.2wt％的Si；
0～0.1wt％的Al；
0.05～0.2wt％的Ti；
0.05～0.4wt％的Mo；
余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的纳米析出铁素体钢，其特征在于，所述纳米析出铁素体钢的原料还包括：
0.05～0.2wt％的V；
0.05～0.2wt％的Nb。
3.根据权利要求1或2所述的纳米析出铁素体钢，其特征在于，所述纳米析出铁素体钢的屈服强度为750～1100MPa，抗拉强度为800～1100MPa，总延伸率为5～11％；
任选地，所述纳米析出铁素体钢的组织中包括弥散分布的纳米析出相，所述纳米析出相的等效直径为3～8nm。
4.一种制备权利要求1-3中任一项所述的纳米析出铁素体钢的方法，其特征在于，包括：
(1)将所述纳米析出铁素体钢的原料进行熔炼和连铸，然后进行热轧，以便得到热轧钢板；
(2)将所述热轧钢板进行冷轧，以便得到冷轧钢板；
(3)将所述冷轧钢板加热至等温温度，然后保温；
(4)将步骤(3)得到的保温后的钢板冷却至室温，以便得到纳米析出铁素体钢。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述热轧钢板的厚度为7～8mm。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述冷轧钢板的厚度为1～1.5mm。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述热轧钢板包括铁素体和纳米碳化物，所述冷轧的压下量不小于70％。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述冷轧钢板的加热速率为80～300℃/s。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述等温温度为800～860℃，所述保温的时间不大于60s。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述冷却的过程包括：当所述钢板的温度大于500℃时，冷却速度按照不低于20℃/s进行，当所述钢板的温度不大于500℃时，冷却速度按照不低于5℃/s进行。
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