CN115747669B - 一种980MPa级高强塑积的含铝中锰钢及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种980MPa级高强塑积的含铝中锰钢及制备方法，属于汽车用钢的技术领域。所述含铝中锰钢的化学成分按质量百分比计为：C0.1‑0.3wt.％，Mn 5‑9wt.％，Al≤3wt.％，P≤0.03wt.％，S≤0.03wt.％，余量为Fe和不可避免的杂质。所述制备方法是通过原料准备、冶炼、铸造、热轧和退火来实现的。退火的温度区间满足公式T＝794.0‑89.1[C]‑24.2[Mn]+43.6[Al]±20℃，其中[C]、[Mn]和[Al]分别为合金元素C、Mn和Al的质量百分比。本发明的制备方法简单，多道次大压下量的热轧和退火处理对含铝中锰钢的组织结构和目标性能的影响难以预期，不仅满足第三代超高强塑积汽车钢强塑积的要求，还利于工业大规模生产和推广。
Description
技术领域
本发明属于汽车用钢的技术领域，涉及一种980MPa级高强塑积的含铝中锰钢及制备方法。
背景技术
目前，我国机动车保有量达4.02亿辆，其中汽车3.07亿辆，机动车轻量化是实现机动车节能减排的重要途径之一。高强塑积汽车钢的应用，既可以满足汽车轻量化的要求，又可以在降低钢材用量的前提下保证乘客安全，因此低成本、高强塑积汽车钢一直是汽车行业、钢铁企业不断追求的目标。
中锰钢作为第三代超高强塑积汽车钢的重要组成之一，其合金元素种类少，冶炼、制备工艺简单，经过热轧或冷轧后的中锰钢再进行退火处理，其强塑积即可达到20-60GPa％，具有良好的成型性，并且在车辆受到冲击碰撞时，高强塑积汽车钢能够吸收更多的能量，保障车内人员的安全。
然而，现有技术中的中锰钢制备过程中存在诸多问题。
例如：中国专利CN111321351A公开了一种高强度高塑性两阶段温轧中锰钢及其制备方法。该专利所述中锰钢碳含量为0.25-0.35％，制备方法为通过将板坯加热至700-900℃保温2-4h，在600-800℃进行第一阶段温轧并冷却至室温；随后再重复上一加热及轧制过程并空冷至室温，最后进行退火处理。所述中锰钢的抗拉强度高达1300-1500MPa，但双阶段轧制处理增加了轧制工序，并且中碳中锰钢温轧工艺需要更高的轧制力，对轧制设备的要求高。
中国专利CN110066964A公开了一种超高强度中锰钢及其温轧制备方法，该方法同样也采用的400-700℃的温轧处理工艺，增大了高碳中锰钢的制备难度以及板坯开裂的风险，不适合高碳中锰钢和高铝含量中锰钢的生产。
中国专利CN113502382A公开了一种980MPa级超高延展性冷轧高强钢的制备方法。该专利所述制备方法为双阶加热、两次退火以及双阶冷却时效处理，通过该工艺可以获得抗拉强度≥980MPa，强塑积为30GPa％的冷轧带钢。但该专利所述制备方法包含双阶加热、两次退火、双阶冷却时效处理，热处理工艺多而杂，增加了实际生产的难度。
中国专利CN112195402A公开了一种析出强化型高强韧中锰钢板及其制备方法。该专利所述制备方法为热轧板在610-650℃退火1-2h，随后在450-550℃回火1.5-2.5h。所述中锰钢的抗拉强度大于1000MPa，延伸率超过25％，但退火和回火总时间达到了2.5-4.5h，并且所述中锰钢需添加Ni 1.5-2.5％和Cu1.0-2.5％，增加了合金的种类及总含量。此外，Cu属于低熔点金属，在含铜中锰钢的冶炼过程中需耗费大量的铜合金才可以达到预期的Cu含量，增加了中锰钢的制备成本。
中国专利CN112375881A公开了一种循环淬火+I-Q&P处理生产中锰钢的方法及其应用。该专利的制备方法包括：两次以上的循环淬火、临界区处理以及淬火-配分处理，相对于直接临界退火处理工艺该专利所述工艺可以缩短中锰钢的制备时间，并且可以提升中锰钢的性能，但循环加热次数多，中锰钢表层脱碳程度以及脱碳深度会明显增大，这对于中锰钢薄板的生产具有一定的局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何克服现有技术中高强度、高塑性中锰钢的强塑积能够达到30GPa％或者更高，但需要添加Cu、Ni等合金元素进行合金化，或者通过多次循环淬火、分级淬火等工艺，在一定程度上增加了中锰钢的制备成本及难度；没有给出退火温度计算选择依据；制备过程复杂，操作难度大，成本高，效率低；而且对设备的要求高，存在板坯开裂和其他技术缺陷。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种980MPa级高强塑积的含铝中锰钢，所述含铝中锰钢的化学成分按质量百分比计为：C 0.1-0.3wt.％，Mn 5-9wt.％，Al≤3wt.％，P≤0.03wt.％，S≤0.03wt.％，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，所述含铝中锰钢中还含有Cr、Si、Ni、Mo合金元素中的至少一种，总含量≤3wt.％。
优选地，所述含铝中锰钢的抗拉强度≥980MPa，屈强比0.5-0.8，延伸率30-55％，强塑积30-55GPa％。
优选地，所述含铝中锰钢的组织中含有铁素体、奥氏体和细小碳化物析出相，其中铁素体相的体积分数在34-74％之间，奥氏体相的体积分数在25-65％之间；细小碳化物析出相的体积分数≤1％。
一种基于所述的980MPa级高强塑积的含铝中锰钢的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
S1、冶炼
按照所述的980MPa级高强塑积的含铝中锰钢的化学成分进行原料称量，之后放入反应器中真空冶炼，浇铸成板坯；
S2、热轧
将步骤S1的板坯在加热炉中进行均匀化处理，之后进行多道次大压下量热轧处理，得到热轧板坯；
S3、淬火
将步骤S2的热轧板坯直接进行水淬处理至室温，得到淬火板坯；
S4、退火
将步骤S3的淬火板坯在两相区进行退火处理，得到980MPa级高强塑积的含铝中锰钢。
优选地，步骤S1的板坯厚度为30-50mm。
优选地，步骤S2的板坯均匀化处理的温度为1150-1200℃，时间为120-200min；热轧的开轧温度为1000-1150℃，终轧温度不低于900℃。
优选地，步骤S2的多道次大压下量热轧处理中，道次为6-10，单道次大压下量为30-50％，热轧板坯的总压下量为70-95％。
优选地，步骤S4的退火处理的温度区间满足公式T＝794.0-89.1[C]-24.2[Mn]+43.6[Al]±20℃，其中[C]、[Mn]和[Al]分别为合金元素C、Mn和Al的质量百分比。
优选地，步骤S4的退火时间为30-90min。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
上述方案中，本发明通过含铝中锰钢退火温度区间公式计算含铝中锰钢的退火温度区间，在此温度区间对热轧含铝中锰钢进行退火处理，即可以有效控制中锰钢的逆相变奥氏体含量、铁素体相的含量，进而调控超高强塑积含铝中锰钢强韧化机制，为超高强塑积中锰钢化学成分和制备工艺设计提供新的思路。
本发明的一种980MPa级高强塑积含铝中锰钢中合金成分简单，添加的合金元素中不含贵金属元素，不需要添加Cu、Ni等合金元素进行合金化；成本低、利于工业生产。
本发明制备方法简单，只需要对冶炼浇铸的板坯进行热轧、淬火和退火处理，工序简便快捷，操作难度低，并且退火处理的温度可以通过特有的计算公式获得准确数值并进行进准控制，避免了退火工艺对性能的负面影响。
本发明所制备的980MPa级高强塑积含铝中锰钢的抗拉强度≥980MPa，屈强比为0.5-0.8，延伸率30-55％，强塑积30-55GPa％。
综上，本发明的制备方法简单，多道次大压下量的热轧和退火处理对含铝中锰钢的组织结构和目标性能的影响难以预期，不仅满足第三代超高强塑积汽车钢强塑积的要求，还利于工业大规模生产和推广。
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为本发明实施例1的980MPa级高强塑积含铝中锰钢的工程应力应变曲线图；
图2为本发明实施例2的980MPa级高强塑积含铝中锰钢的工程应力应变曲线图；
图3为本发明实施例3的980MPa级高强塑积含铝中锰钢的工程应力应变曲线图；
图4为本发明实施例1-3的980MPa级高强塑积含铝中锰钢所对应的XRD图；
图5为本发明实施例1的980MPa级高强塑积含铝中锰钢的扫描照片；
图6为本发明实施例2的980MPa级高强塑积含铝中锰钢的扫描照片；
图7为本发明实施例3的980MPa级高强塑积含铝中锰钢的扫描照片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案和解决的技术问题进行阐述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利的一部分实施例，而不是全部实施例。
实施例1
一种980MPa级高强塑积的含铝中锰钢，所述含铝中锰钢的化学成分按质量百分比计为：C 0.1wt.％，Mn 6.2wt.％，Al 0.5wt.％，P≤0.03wt.％，S≤0.03wt.％，所述含铝中锰钢中还含有Cr 0.16wt.％、Ni 0.11wt.％，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述的980MPa级高强塑积的含铝中锰钢的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
S1、冶炼
按照所述的980MPa级高强塑积的含铝中锰钢的化学成分进行原料称量，之后放入反应器中真空冶炼，浇铸成厚度为50mm的板坯；
S2、热轧
将步骤S1的板坯在加热炉中进行均匀化处理，均匀化处理的温度为1200℃，升温速率为多少，时间为180min；之后进行多道次大压下量热轧处理，热轧的开轧温度为1000-1150℃，终轧温度不低于900℃，道次为10，单道次大压下量为30-50％，热轧板坯的总压下量为94％，得到热轧板坯；
S3、淬火
将步骤S2的热轧板坯直接进行水淬处理至室温，得到淬火板坯；
S4、退火
将步骤S3的淬火板坯在两相区进行退火处理，退火处理的温度区间满足公式T＝794.0-89.1[C]-24.2[Mn]+43.6[Al]±20℃，其中[C]、[Mn]和[Al]分别为合金元素C、Mn和Al的质量百分比，计算得到的温度区间为657±20℃，退火处理温度为650℃，退火时间为60min，得到980MPa级高强塑积的含铝中锰钢。
所制备的含铝中锰钢的抗拉强度为1004MPa，屈强比为0.70，延伸率30.4％，强塑积30.5GPa％。其工程应力应变曲线见图1，XRD图谱见图4，扫描照片见图5。
所制备的含铝中锰钢的组织中含有铁素体、奥氏体和细小碳化物析出相，其中铁素体相的体积分数为72.7％，奥氏体相的体积分数为26.3％，细小碳化物析出相的体积分数≤1％。
实施例2
一种980MPa级高强塑积的含铝中锰钢，所述含铝中锰钢的化学成分按质量百分比计为：C 0.2wt.％，Mn 6.58wt.％，Al 3.46wt.％，P≤0.03wt.％，S≤0.03wt.％，所述含铝中锰钢中还含有Cr 0.12wt.％、Mo 0.14wt.％，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述的980MPa级高强塑积的含铝中锰钢的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
S1、冶炼
按照所述的980MPa级高强塑积的含铝中锰钢的化学成分进行原料称量，之后放入反应器中真空冶炼，浇铸成厚度为46mm的板坯；
S2、热轧
将步骤S1的板坯在加热炉中进行均匀化处理，均匀化处理的温度为1180℃，升温速率为多少，时间为200min；之后进行多道次大压下量热轧处理，热轧的开轧温度为1000-1150℃，终轧温度不低于900℃，道次为9，单道次大压下量为30-50％，热轧板坯的总压下量为93.4％，得到热轧板坯；
S3、淬火
将步骤S2的热轧板坯直接进行水淬处理至室温，得到淬火板坯；
S4、退火
将步骤S3的淬火板坯在两相区进行退火处理，退火处理的温度区间满足公式T＝794.0-89.1[C]-24.2[Mn]+43.6[Al]±20℃，其中[C]、[Mn]和[Al]分别为合金元素C、Mn和Al的质量百分比，计算得到的温度区间为768±20℃，退火处理温度为750℃，退火时间为60min，得到980MPa级高强塑积的含铝中锰钢。
所制备的含铝中锰钢的抗拉强度为1017MPa，屈强比0.59，延伸率52.6％，强塑积53.4GPa％。其工程应力应变曲线见图2，XRD图谱见图4，扫描照片见图6。
所制备的含铝中锰钢的组织中含有铁素体、奥氏体和细小碳化物析出相，其中铁素体相的体积分数为42.4％，奥氏体相的体积分数为56.8％，细小碳化物析出相的体积分数≤1％。
实施例3
一种980MPa级高强塑积的含铝中锰钢，所述含铝中锰钢的化学成分按质量百分比计为：C 0.27wt.％，Mn 6.12wt.％，Al 2.93wt.％，P≤0.03wt.％，S≤0.03wt.％，所述含铝中锰钢中还含有Si 0.51wt.％，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述的980MPa级高强塑积的含铝中锰钢的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
S1、冶炼
按照所述的980MPa级高强塑积的含铝中锰钢的化学成分进行原料称量，之后放入反应器中真空冶炼，浇铸成厚度为35mm的板坯；
S2、热轧
将步骤S1的板坯在加热炉中进行均匀化处理，均匀化处理的温度为1200℃，升温速率为多少，时间为120min；之后进行多道次大压下量热轧处理，热轧的开轧温度为1000-1150℃，终轧温度不低于900℃，道次为9，单道次大压下量为30-50％，热轧板坯的总压下量为92％，得到热轧板坯；
S3、淬火
将步骤S2的热轧板坯直接进行水淬处理至室温，得到淬火板坯；
S4、退火
将步骤S3的淬火板坯在两相区进行退火处理，退火处理的温度区间满足公式T＝794.0-89.1[C]-24.2[Mn]+43.6[Al]±20℃，其中[C]、[Mn]和[Al]分别为合金元素C、Mn和Al的质量百分比，计算得到的温度区间为750±20℃，退火处理温度为750℃，退火时间为90min，得到980MPa级高强塑积的含铝中锰钢。
所制备的含铝中锰钢的抗拉强度为986MPa，屈强比0.58，延伸率48.6％，强塑积48.6GPa％，。其工程应力应变曲线见图3，XRD图谱见图4，扫描照片见图7。
所制备的含铝中锰钢的组织中含有铁素体、奥氏体和细小碳化物析出相，其中铁素体相的体积分数为72.7％，奥氏体相的体积分数为26.3％，细小碳化物析出相的体积分数≤1％。
上述方案中，本发明通过含铝中锰钢退火温度区间公式计算含铝中锰钢的退火温度区间，在此温度区间对热轧含铝中锰钢进行退火处理，即可以有效控制中锰钢的逆相变奥氏体含量、铁素体相的含量，进而调控超高强塑积含铝中锰钢强韧化机制，为超高强塑积中锰钢化学成分和制备工艺设计提供新的思路。
本发明的一种980MPa级高强塑积含铝中锰钢中合金成分简单，添加的合金元素中不含贵金属元素，不需要添加Cu、Ni等合金元素进行合金化；成本低、利于工业生产。
本发明制备方法简单，只需要对冶炼浇铸的板坯进行热轧、淬火和退火处理，工序简便快捷，操作难度低，并且退火处理的温度可以通过特有的计算公式获得准确数值并进行进准控制，避免了退火工艺对性能的负面影响。
本发明所制备的980MPa级高强塑积含铝中锰钢的抗拉强度≥980MPa，屈强比为0.5-0.8，延伸率30-55％，强塑积30-55GPa％。
综上，本发明的制备方法简单，多道次大压下量的热轧和退火处理对含铝中锰钢的组织结构和目标性能的影响难以预期，不仅满足第三代超高强塑积汽车钢强塑积的要求，还利于工业大规模生产和推广。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种980MPa级高强塑积的含铝中锰钢，其特征在于，所述含铝中锰钢的化学成分按质量百分比计为：C 0.1-0.3wt.%，Mn 5-9wt.%，Al≤3wt.%，P≤0.03wt.%，S≤0.03wt.%，余量为Fe和不可避免的杂质；所述含铝中锰钢中还含有Cr、Si、Ni、Mo合金元素中的至少一种，总含量≤3wt.%；
所述的980MPa级高强塑积的含铝中锰钢的制备方法，包括如下步骤：
S1、冶炼
按照所述的980MPa级高强塑积的含铝中锰钢的化学成分进行原料称量，之后放入反应器中真空冶炼，浇铸成板坯；
S2、热轧
将步骤S1的板坯在加热炉中进行均匀化处理，之后进行多道次大压下量热轧处理，得到热轧板坯；
S3、淬火
将步骤S2的热轧板坯直接进行水淬处理至室温，得到淬火板坯；
S4、退火
将步骤S3的淬火板坯在两相区进行退火处理，得到980MPa级高强塑积的含铝中锰钢；
步骤S2的板坯均匀化处理的温度为1150-1200℃，时间为120-200min；热轧的开轧温度为1000-1150℃，终轧温度不低于900℃；
步骤S2的多道次大压下量热轧处理中，道次为5-10，单道次大压下量为30-50%，热轧板坯的总压下量为70-95%；
步骤S4的退火处理的温度区间满足公式T=794.0-89.1[C]- 24.2[Mn]+43.6[Al]±20℃，其中[C]、[Mn]和[Al]分别为合金元素C、Mn和Al的质量百分比；
步骤S4的退火时间为30-90min；
所述含铝中锰钢的抗拉强度≥980MPa，屈强比为0.5-0.8，延伸率30-55%，强塑积30-55GPa%。
2.根据权利要求1所述的980MPa级高强塑积的含铝中锰钢，其特征在于，所述含铝中锰钢的组织中含有铁素体、奥氏体和细小碳化物析出相，其中铁素体相的体积分数在34-74%之间，奥氏体相的体积分数在25-65%之间；细小碳化物析出相的体积分数≤1%。
3.根据权利要求1所述的980MPa级高强塑积的含铝中锰钢，其特征在于，步骤S1的板坯厚度为30-50mm。
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