CN117926130A - 一种1500MPa级贝氏体钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超高强钢技术领域，具体涉及一种1500MPa级贝氏体钢及其制备方法，钢坯的化学成分为C：0.25%‑0.29%，Si：1.2%‑1.5%，Mn：2.5%‑3.0%，Cr：0.45%‑0.60%，Nb：0.035%‑0.065%，Mo：0.18%‑0.32%，Alt：0.8%‑1.0%，B：0.0025%‑0.0035%，P≤0.008%，S≤0.005%，N≤0.005%，O≤0.005%，余量为Fe及杂质；制备方法包括预热、锻造、热轧、一次冷轧、一次退火、二次冷轧、二次连续退火，本发明通过设计钢坯的化学成分和制备方法，在保证贝氏体钢塑性的前提下，提高了贝氏体钢的强度和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及超高强钢技术领域，具体涉及一种1500MPa级贝氏体钢及其制备方法。
背景技术
随着全球能源、安全、环保和气候变化等问题日益突出，汽车制造、农用机械、装备制造等行业对轻量化的需求愈加显著，而通过提高钢板的强度以进一步减小钢板厚度，是实现轻量化的有效途径。超高强钢的抗拉强度大于1500MPa，在强度方面能够满足轻量化的要求，但是钢材的成形性能往往会随着强度级别的提升而下降。现有技术通过提高Mn含量并且分别在热轧、冷轧工序后设置退火工序的方法增加钢材的强度和塑性，制得金相组织以板条奥氏体和板条铁素体的钢板，该种方法制备的钢板屈服强度最高可达到1000MPa，但是由于抗拉强度低于1500MPa，无法满足超高强钢的强度等级的要求。
贝氏体钢由于金相组织以板条状贝氏体为主，具有高强度和高硬度，但是板条贝氏体的存在也降低了贝氏体钢的塑性，特别当贝氏体钢的强度提升至1500MPa级别时，强塑性匹配不佳、扩孔性能和稳定性差等问题愈发突出，上述问题极大地限制了1500MPa级贝氏体钢作为超高强钢在汽车轻量化、机械结构轻量化和装备轻量化等领域的应用和推广。
发明内容
针对现有技术中存在的1500MPa级别的贝氏体钢强塑性匹配不佳、扩孔性能和稳定性差的技术问题，本发明提供一种1500MPa级贝氏体钢及其制备方法，通过设计钢坯的化学成分和制备方法，在保证贝氏体钢塑性的前提下，提高了贝氏体钢的强度和稳定性。
第一方面，本发明提供一种1500MPa级贝氏体钢，钢坯的化学成分按质量百分比为C：0.25%-0.29%，Si：1.2%-1.5%，Mn：2.5%-3.0%，Cr：0.45%-0.60%，Nb：0.035%-0.065%，Mo：0.18%-0.32%，Alt：0.8%-1.0%，B：0.0025%-0.0035%，P≤0.008%，S≤0.005%，N≤0.005%，O≤0.005%，余量为Fe及其他不可避免的杂质。
进一步的，2.0%≤Si+Al≤2.4%，0.65%≤Cr+Mo≤0.90%。Al元素可替代Si元素，发挥固溶强化作用，并改善表面质量问题，但Al含量过低，对贝氏体钢的强化作用不明显；Al含量过高，不仅增加连铸生产难度，还会导致强度降低。为充分发挥Al和Si的作用，本发明将其含量控制在2.0%≤Si+Al≤2.4%。Cr和Mo在贝氏体钢中均可提高淬透性、增加表面层的耐磨性和耐蚀性，综合考虑到贝氏体晶粒细化、强度、资源储量以及成本等因素，本发明搭配使用Cr和Mo，并将其含量控制在0.65%≤Cr+Mo≤0.90%。
进一步的，屈强比为0.590±0.015，屈服强度为920±26MPa，抗拉强度为1575±30MPa，断后伸长率A50为12%-15%，扩孔率λ为18%-25%，强塑积为19GPa%-23GPa%，微观组织包括贝氏体基体组织和≥9%的薄膜状残留奥氏体，其中，薄膜状残留奥氏体的体积分数为9%-15%。
进一步的，贝氏体基体组织中的贝氏体板条宽度＜180nm，薄膜状残留奥氏体存在于贝氏体板条间，薄膜状残留奥氏体的厚度为30-90nm。
第二方面，本发明还提供一种如上所述的1500MPa级贝氏体钢的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：预热
将钢坯加热至1210±5℃，保温160±15min；
步骤二：锻造
将钢坯预热后进行锻造，开锻温度为1190±15℃，终锻温度＞950℃，锻造后得到锻坯；
步骤三：热轧
将锻坯加热至均热温度1225±15℃，保温210±20min，控制开轧温度为1180±20℃，终轧温度为880±15℃，锻坯经热轧后以25±3℃/s的冷速冷却到卷取温度570±20℃，于卷取温度下保温120±10min，随后冷却至室温，得到热轧卷；
步骤四：一次冷轧
将步骤三所得钢板进行一次冷轧，一次冷轧的累积压下率控制在40%-45%，得到一次冷轧冷硬带钢；
步骤五：一次退火
冷硬带钢在690±3℃下保温6h，得到退火钢板；
步骤六：二次冷轧
将退火钢板进行二次冷轧，二次冷轧的累积压下率控制在38%-42%，得到厚度为1.0-2.0mm的二次冷轧冷硬带钢；
步骤七：二次连续退火
退火均热温度为910±10℃，退火时间为90±10s，退火后先以＞40℃/s的冷速冷却到340±15℃，控制等温时间为300±30s；再以15-20℃/s的冷速冷却至室温，得到1500MPa级贝氏体钢。本发明将退火保温阶段的工艺参数设置为：退火均热温度：910±10℃，退火时间：90±10s；将贝氏体等温阶段的工艺参数设置为：温度：340±15℃，等温时间：300±30s。在退火保温阶段和贝氏体等温阶段这两个相变过程中，C原子向两侧未相变的γ相中充分扩散，一方面增加了薄膜状残留奥氏体组织的热稳定性和机械稳定性，另一方面使贝氏体基体组织中的碳含量降低，这有利于增强材料在塑性变形过程中的组织抗断裂能力，从而同步提高其塑性性能。
进一步的，步骤三中，冷却的方式为层流冷却，层流冷却的介质为水。
进一步的，步骤三中，热轧卷的厚度为3.0-5.5mm。
进一步的，步骤四中，一次冷轧冷硬带钢的厚度为1.7-3.3mm。
进一步的，步骤四中，一次冷轧的最后两道次冷轧压下率控制在10%-12%。
进一步的，步骤六中，二次冷轧的最后两道次冷轧压下率控制在10%-13%。
本发明的有益效果在于：本发明提供的一种1500MPa级贝氏体钢及其制备方法，通过设计钢坯的化学成分，搭配使用Si和Al、Cr和Mo等对钢材作用类似的元素，并调控预热、锻造、热轧、一次冷轧、一次退火、二次冷轧、二次连续退火等工序的工艺参数，在保证贝氏体钢塑性的前提下，显著提高了贝氏体钢的强度和稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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的1500MPa级贝氏体钢的微观扫描组织图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1-6采用如下方法制备了贝氏体钢：
步骤一：预热
将钢坯加热至1210℃，保温160±15min。
步骤二：锻造
将钢坯预热后进行锻造，开锻温度为1190±15℃，终锻温度＞950℃，锻造后得到锻坯。
步骤三：热轧
将锻坯加热至均热温度1225±15℃，保温210±20min，控制开轧温度为1180±20℃，终轧温度为880±15℃，锻坯经热轧后以25℃/s的冷速以层流冷却的方式冷却到卷取温度570℃，于卷取温度下在保温炉中保温120min，随后冷却至室温，得到厚度为3.0-5.5mm的钢板。
步骤四：一次冷轧
将步骤三所得钢板进行一次冷轧，一次冷轧的累积压下率控制在40%-45%，并将最后两道次冷轧压下率控制在10%-12%，得到厚度为1.7-3.3mm的一次冷轧冷硬带钢。
步骤五：一次退火
冷硬带钢在690℃下保温6h，得到退火钢板。
步骤六：二次冷轧
将退火钢板进行二次冷轧，二次冷轧的累积压下率控制在38%-42%，并将最后两道次冷轧压下率控制在10%-13%，得到厚度为1.0-2.0mm的二次冷轧冷硬带钢。
步骤七：二次连续退火
退火均热温度为910±10℃，退火时间为90±10s，退火后先以＞40℃/s的冷速冷却到340±15℃，控制等温时间为300±30s；再以15-20℃/s的冷速冷却至室温，得到贝氏体钢。
步骤八：对步骤七所得贝氏体钢取样进行力学性能测试和残留奥氏体的体积分数测定，测试结果如表4所示。其中，力学性能测试按照如下标准进行：GB/T 228.1-2021、GB/T15825.4-2008；残留奥氏体的体积分数测定方法为：采用D/max2400型X射线衍射仪（XRD）定性定量检测分析残留奥氏体组织，按照行业标准YB/T 5338-2019《钢中奥氏体定量测定 X射线衍射仪法》中的方法进行计算分析。
实施例1-6中，钢坯的化学成分及质量百分比如表1所示，步骤一至步骤三的具体工艺参数如表2所示，步骤四至步骤七的具体工艺参数如表2所示。
表1 实施例1-4中钢坯的化学成分及质量百分比
表2 实施例1-6中步骤一至步骤三的具体工艺参数
表3 实施例1-6中步骤四至步骤七的具体工艺参数
表4 实施例1-6所得贝氏体钢的力学性能测试结果
由表4可知，实施例1-6制备的贝氏体钢屈服强度为896-946MPa，说明本发明提供的贝氏体钢的塑性和耐久性较好；抗拉强度为1545-1605MPa，说明本发明提供的贝氏体钢具有高强度，满足1500MPa级超高强钢的强度等级的要求；屈强比为0.577-0.602，说明本发明提供的贝氏体钢具有较好的稳定性；扩孔率λ为18%-23%，说明本发明提供的贝氏体钢具有较好的扩孔性能；强塑积为19.16GPa%-22.58GPa%，说明本发明提供的贝氏体钢具有优良的强韧性。
对实施例1所得贝氏体钢取样进行显微组织分析，如图1所示，贝氏体钢的微观组织由贝氏体基体组织和14%的薄膜状残留奥氏体构成；贝氏体板条宽度＜180nm，薄膜状残留奥氏体存在于贝氏体板条间，厚度在30-90nm之间。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种1500MPa级贝氏体钢，其特征在于，钢坯的化学成分按质量百分比为C：0.25%-0.29%，Si：1.2%-1.5%，Mn：2.5%-3.0%，Cr：0.45%-0.60%，Nb：0.035%-0.065%，Mo：0.18%-0.32%，Alt：0.8%-1.0%，B：0.0025%-0.0035%，P≤0.008%，S≤0.005%，N≤0.005%，O≤0.005%，余量为Fe及其他不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的一种1500MPa级贝氏体钢，其特征在于，2.0%≤Si+Al≤2.4%，0.65%≤Cr+Mo≤0.90%。
3.如权利要求1所述的一种1500MPa级贝氏体钢，其特征在于，屈强比为0.590±0.015，屈服强度为920±26MPa，抗拉强度为1575±30MPa，断后伸长率A50为12%-15%，扩孔率λ为18%-25%，强塑积为19GPa%-23GPa%，微观组织包括贝氏体基体组织和≥9%的薄膜状残留奥氏体。
4.如权利要求3所述的一种1500MPa级贝氏体钢，其特征在于，贝氏体基体组织中的贝氏体板条宽度＜180nm，薄膜状残留奥氏体存在于贝氏体板条间，薄膜状残留奥氏体的厚度为30-90nm。
5. 一种如权利要求1-4中的任一项所述的1500MPa级贝氏体钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：预热
将钢坯加热至1210±5℃，保温160±15min；
步骤二：锻造
将钢坯预热后进行锻造，开锻温度为1190±15℃，终锻温度＞950℃，锻造后得到锻坯；
步骤三：热轧
将锻坯加热至均热温度1225±15℃，保温210±20min，控制开轧温度为1180±20℃，终轧温度为880±15℃，锻坯经热轧后以25±3℃/s的冷速冷却到卷取温度570±20℃，于卷取温度下保温120±10min，随后冷却至室温，得到热轧卷；
步骤四：一次冷轧
将步骤三所得钢板进行一次冷轧，一次冷轧的累积压下率控制在40%-45%，得到一次冷轧冷硬带钢；
步骤五：一次退火
冷硬带钢在690±3℃下保温6h，得到退火钢板；
步骤六：二次冷轧
将退火钢板进行二次冷轧，二次冷轧的累积压下率控制在38%-42%，得到厚度为1.0-2.0mm的二次冷轧冷硬带钢；
步骤七：二次连续退火
退火均热温度为910±10℃，退火时间为90±10s，退火后先以＞40℃/s的冷速冷却到340±15℃，控制等温时间为300±30s；再以15-20℃/s的冷速冷却至室温，得到1500MPa级贝氏体钢。
6.如权利要求5所述的一种1500MPa级贝氏体钢，其特征在于，步骤三中，冷却的方式为层流冷却。
7.如权利要求5所述的一种1500MPa级贝氏体钢，其特征在于，步骤三中，热轧卷的厚度为3.0-5.5mm。
8.如权利要求5所述的一种1500MPa级贝氏体钢，其特征在于，步骤四中，一次冷轧冷硬带钢的厚度为1.7-3.3mm。
9.如权利要求5所述的一种1500MPa级贝氏体钢，其特征在于，步骤四中，一次冷轧的最后两道次冷轧压下率控制在10%-12%。
10.如权利要求5所述的一种1500MPa级贝氏体钢，其特征在于，步骤六中，二次冷轧的最后两道次冷轧压下率控制在10%-13%。
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