CN105463307A - 一种具有梯度组织的q&p钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有梯度组织的Q&P钢，由以下重量百分比含量的元素组成：C：0.14-0.29%，Si：1.1-2.8%，Mn：1.8-3.0%，Cr：0.5-1.9%，Al：1.5-3.1%，S：≤0.01%，P：≤0.01%，其余为Fe。其制备方法包括：奥氏体化、渗碳、淬火、回火碳分配、淬火步骤。本发明可在较大尺寸产品生产中保证工艺稳定性与组织梯度性，增加钢的强度的同时又保证其具有良好的韧性，而且低合金化成本低廉。

Description

一种具有梯度组织的Q&P钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有梯度组织的Q&P钢及其制备方法，属于金属材料技术领域。
背景技术
为了满足汽车工业未来发展对轻量化和高安全的双重要求，汽车钢不断向高强度和高塑性方向发展，强塑积成为衡量汽车钢性能的重要指标。第一代汽车薄板钢的强塑积一般为15GPa%，轻量化和安全性指标都很低；第二代汽车钢的强塑积虽然达到了50GPa%，其成本较高、工艺性能较差及冶金生产困难较大。所谓第三代汽车钢，是指轻量化和安全性指标高于第一代汽车钢、生产成本又低于第二代汽车钢的高强高塑钢。
Q&P钢是近几年发展起来的具有较高强度和韧性的第三代汽车用钢。其基本原理是：含Si或（和）Al的钢件先经奥氏体化后淬火至Ms~Mf（Ms为马氏体转变开始温度，Mf为马氏体转变结束温度）之间的某一温度，即形成一定数量的马氏体和残余奥氏体，再在该初始淬火温度或者Ms以上某一温度停留一段时间，使碳由马氏体向残余奥氏体分配，此时马氏体中的碳含量下降，奥氏体中的碳含量升高，从而使残余奥氏体富碳且能够稳定至室温，最后获得由马氏体和残余奥氏体组成的复合组织，从而获得较高的强度和韧性，即良好的综合力学性能。
近年来，徐祖耀院士在Q&P工艺的基础上，充分利用Nb、V和Ti等微合金元素形成碳化物的析出强化作用，提出了一种新型的热处理工艺：淬火-配分-回火工艺（Quenching-Partitioning-Tempering，Q-P-T）。该工艺在Q&P处理后引入一个回火过程，使马氏体基体上析出复杂碳化物，以进一步增加钢的强度。
然而，随着汽车工业的发展，对先进高强钢的强度和韧性提出了越来越高的要求。所得到的Q&P钢虽然强度较高，但其塑性较差。另外，由于其强度较高，大大削弱了其焊接性能。因此，从提高钢的强韧性和焊接性，以及节约资源、降低成本的角度考虑，进一步提高Q&P钢的综合性能具有重要意义。
经对现有技术的文献检索发现，徐祖耀院士在InternationalHeatTreatmentandSurfaceEngineering,2008,2(2),64-68.上发表“Quenching-partitioning-tempering(Q-P-T)processforultra-highstrengthsteel”一文，阐述了淬火-碳分配-回火(Q-P-T)工艺的原理，利用的是碳化物析出强化来提高钢的强度，最后获得了马氏体、残余奥氏体和碳化物的复相组织。检索中还发现，申请号为200810033295.7的中国专利，该专利获得了马氏体、残余奥氏体和纳米贝氏体的三相组织，利用低温长时间处理得到的纳米贝氏体来进一步提高钢的综合力学性能。最近，J.G.Speer等在MetallurgicalandMaterialsTransactionsA,2011,42(12),3652-3659.上发表“QuenchedandPartitionedMicrostructuresProducedviaGleebleSimulationsofHot-StripMillCoolingPractices”一文，指出通过在高温热轧来提高Q&P钢的强韧性是有效的，但没有考虑钢件的宏观组织分布，没有形成梯度显微组织。
检索中还发现，申请号为201110154249.4的中国专利，公开了一种碳硅锰系热轧Q&P钢及其制备方法。材料成分为C:1.5-2.5%,Si:1.3-1.8%,Mn:1.3-2.0%,S≤0.01%,P≤0.01%,余量为Fe。经过冶炼、锻造成钢坯、热轧最终获得了马氏体、残余奥氏体的显微组织。申请号为201310121568.4的中国专利，公开了一种700MPa级高强度热轧Q&P钢及其制造方法，该发明通过合理的成分设计，在普通C-Mn钢成分基础上，通过提高Si含量抑制渗碳体的析出，微Ti处理细化奥氏体晶粒，提高Al含量加快空冷过程的奥氏体转变动力学；同时采用热连轧工艺配合分段冷却工艺，获得含有先共析铁素体+马氏体+残余奥氏体组织。
发明内容
本发明旨在提供一种心部塑性好、表面硬度高的渗碳Q&P钢及其制备方法，且该钢具有梯度显微组织。
本发明提供了一种具有梯度组织的Q&P钢，由以下重量百分比的组分组成：
C：0.14-0.29%，
Si：1.1-2.8%，
Mn：1.8-3.0%，
Cr：0.5-1.9%，
Al：1.5-3.1%，
S：≤0.01%，
P：≤0.01%，
其余为Fe。
进一步地，所述具有梯度组织的Q&P钢，由以下重量百分比的组分组成：
C：0.15-0.28%，
Si：1.16-2.11%，
Mn：1.80-2.48%，
Cr：0.9-1.9%，
Al：1.6-3.0%，
S：≤0.01%，
P：≤0.01%，
其余为Fe。
其中Cr和Al的加入可增加临界区退火时奥氏体中的碳含量而降低该奥氏体的Ms温度（马氏体转变温度）至较低温度。
本发明提供了一种上述具有梯度组织的Q&P钢的制备方法，主要包括以下步骤：
第一步，首先将钢迅速加热到奥氏体化温度800-1100℃，等温5-30min，使充分奥氏体化；
第二步，然后在700-900℃进行表面渗碳，渗碳时间为10-50h，整个渗碳过程要以氮气为气氛进行；
第三步，快速淬火到Ms和Mf之间某一淬火温度（200-500℃），且在此温度范围内在氮气气氛中保温2-9h；
第四步，然后在回火温度300-600℃，等温5-600min进行碳分配，使碳由马氏体向残余奥氏体分配，此时马氏体中的碳含量下降，奥氏体中的碳含量升高，从而使残余奥氏体富碳且能够稳定至室温；
第五步，最后再淬火到室温，在室温获得稳定马氏体和残余奥氏体的梯度复相组织。
本发明提供了优选的具有梯度组织的Q&P钢的制备方法，包括以下步骤：
第一步，首先将钢迅速加热到奥氏体化温度850-950℃，等温6-20min，使充分奥氏体化；
第二步，然后在740-850℃进行表面渗碳，渗碳时间为10-20h，整个渗碳过程要以氮气为气氛进行；
第三步，快速淬火到Ms和Mf之间某一淬火温度（300-450℃），且在此温度范围内在氮气气氛中保温2-4h；
第四步，然后在回火温度330-500℃，等温5-30min进行碳分配，使碳由马氏体向残余奥氏体分配，此时马氏体中的碳含量下降，奥氏体中的碳含量升高，从而使残余奥氏体富碳且能够稳定至室温；
第五步，最后再淬火到室温，在室温获得稳定马氏体和残余奥氏体的梯度复相组织。
本发明提供了一种满足大规模生产的低合金高强韧性复相钢及其热处理方法，采用上述技术方案，利用渗碳+淬火+碳分配的方法，使钢获得了梯度复相组织。本发明与传统Q&P工艺相比，通过渗碳以及新的合金与相变设计实现在回火过程中发生碳分配，该技术可在较大尺寸产品生产中保证工艺稳定性与组织梯度性。
本发明首先要保证钢的高强度，其基体组织需选择马氏体组织，该马氏体组织应该以含有高密度位错的细板条马氏体为主。其次，通过先进热处理工艺淬火碳分配（Q&P）来使马氏体板条间要存在有残余奥氏体薄膜。最终获得含有位错型马氏体和残余奥氏体的双相复合组织。所制备钢的韧性得到了较大的提高且保持了较高的强度。其高强度来源于马氏体和复合组织的细晶强化与位错强化，良好的塑性来源于组织中存在适量的残余奥氏体和初始淬火马氏体组织的软化，以及具有梯度的复相组织。
本发明的有益效果：
（1）本发明通过新的合金与相变设计实现较高的强塑积，将淬火温度控制在一定范围内，该技术可在较大尺寸产品生产中保证工艺稳定性与组织梯度性；
（2）本发明制备的Q&P钢的表面由于经过了渗碳，其表面组织为高碳马氏体和残余奥氏体，其心部组织为低碳马氏体和残余奥氏体；
（3）本发明获得这种梯度组织的工艺简单，增加钢的强度的同时又保证其具有良好的韧性，而且低合金化成本低廉，具有工业实际应用的广泛前景。可广泛应用于受磨损或抗冲击的部件，尤其在车辆、矿山机械设备等方面。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1
本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.15%，Si：2.11%，Mn：1.80%，Cr：0.9%，Al：3.0%，S：0.0065%，P：0.0078%，其余为Fe。
所述钢选取含有高密度位错的细板条马氏体钢。
首先将钢迅速加热到奥氏体化温度（850℃）等温10min，使充分奥氏体化；然后在740℃进行表面渗碳，渗碳时间为10h，整个渗碳过程要以氮气为气氛进行；快速淬火到Ms和Mf之间某一淬火温度300℃，且在此温度范围内在氮气气氛中保温3h。然后在一定回火温度330℃等温10min进行碳分配；最后再淬火到室温，在室温获得稳定马氏体和残余奥氏体的梯度复相组织。
根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》检验所得复相钢产品，拉伸实验在ZwickT1-FR020TNA50标准拉伸实验机上进行。经测试，钢的心部抗拉强度Rm为1457MPa，心部屈服强度Rp0.2为892MPa，总延伸率为22.9%。表面渗碳层硬度为560HV。
实施例2
本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.18%，Si：2.01%，Mn：2.03%，Cr：0.9%，Al：2.5%，S：0.0053%，P：0.0068%，其余为Fe。
首先将钢迅速加热到奥氏体化温度（900℃）等温8min，使充分奥氏体化；然后在770℃进行表面渗碳，渗碳时间为15h，整个渗碳过程要以氮气为气氛进行；快速淬火到Ms和Mf之间某一淬火温度350℃，且在此温度范围内在氮气气氛中保温3h。然后在一定回火温度400℃等温10min进行碳分配。最后再淬火到室温，在室温获得稳定马氏体和残余奥氏体的梯度复相组织。
经测试，钢的心部抗拉强度Rm为1421MPa，心部屈服强度Rp0.2为873MPa，总延伸率为23.8%。表面渗碳层硬度为580HV。
实施例3
本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.21%，Si：1.16%，Mn：2.32%，Cr：1.1%，Al：1.6%，S：0.0051%，P：0.0069%，其余为Fe。
首先将钢迅速加热到奥氏体化温度（900℃）等温15min，使充分奥氏体化；然后在800℃进行表面渗碳，渗碳时间为20h，整个渗碳过程要以氮气为气氛进行；快速淬火到Ms和Mf之间某一淬火温度400℃，且在此温度范围内在氮气气氛中保温4h。然后在一定回火温度420℃等温10min进行碳分配。最后再淬火到室温，在室温获得稳定马氏体和残余奥氏体的梯度复相组织。
经测试，钢的心部抗拉强度Rm为1415MPa，心部屈服强度Rp0.2为871MPa，总延伸率为24.7%。表面渗碳层硬度为606HV。
实施例4
本发明实施例钢的组分及重量百分比含量为：C：0.28%，Si：1.16%，Mn：2.48%，Cr：1.9%，Al：1.8%，S：0.0052%，P：0.0054%，其余为Fe。
首先将钢迅速加热到奥氏体化温度（920℃）等温15min，使充分奥氏体化；然后在850℃进行表面渗碳，渗碳时间为20h，整个渗碳过程要以氮气为气氛进行；快速淬火到Ms和Mf之间某一淬火温度450℃，且在此温度范围内在氮气气氛中保温4h。然后在一定回火温度500℃等温6min进行碳分配。最后再淬火到室温，在室温获得稳定马氏体和残余奥氏体的梯度复相组织。
经测试，钢的心部抗拉强度Rm为1463MPa，心部屈服强度Rp0.2为882MPa，总延伸率为23.6%。表面渗碳层硬度为622HV。
以上是对本发明的实施例作详细说明，是在以本发明技术方案为前提下进行实施。本发明的上述实施例还可以做出各种变化，即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。

Claims (5)

1.一种具有梯度组织的Q&P钢，其特征在于：由以下重量百分比的组分组成：
C：0.14-0.29%，
Si：1.1-2.8%，
Mn：1.8-3.0%，
Cr：0.5-1.9%，
Al：1.5-3.1%，
S：≤0.01%，
P：≤0.01%，
其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的具有梯度组织的Q&P钢，其特征在于：由以下重量百分比的组分组成：
C：0.15-0.28%，
Si：1.16-2.11%，
Mn：1.80-2.48%，
Cr：0.9-1.9%，
Al：1.6-3.0%，
S：≤0.01%，
P：≤0.01%，
其余为Fe。
3.一种权利要求1或2所述的具有梯度组织的Q&P钢的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，首先将钢迅速加热到奥氏体化温度800-1100℃，等温5-30min，使充分奥氏体化；
第二步，然后在700-900℃进行表面渗碳，渗碳时间为10-50h，整个渗碳过程要以氮气为气氛进行；
第三步，快速淬火到200-500℃，并在氮气气氛中保温2-9h；
第四步，然后在回火温度300-600℃，等温5-600min进行碳分配，使碳由马氏体向残余奥氏体分配，此时马氏体中的碳含量下降，奥氏体中的碳含量升高，从而使残余奥氏体富碳且能够稳定至室温；
第五步，最后再淬火到室温，在室温获得稳定马氏体和残余奥氏体的梯度复相组织。
4.根据权利要求3所述的具有梯度组织的Q&P钢的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，首先将钢迅速加热到奥氏体化温度850-950℃，等温6-20min，使充分奥氏体化；
第二步，然后在740-850℃进行表面渗碳，渗碳时间为10-20h，整个渗碳过程要以氮气为气氛进行；
第三步，快速淬火到300-450℃，且在此温度范围内在氮气气氛中保温2-4h；
第四步，然后在回火温度330-500℃，等温5-30min进行碳分配，使碳由马氏体向残余奥氏体分配，此时马氏体中的碳含量下降，奥氏体中的碳含量升高，从而使残余奥氏体富碳且能够稳定至室温；
第五步，最后再淬火到室温，在室温获得稳定马氏体和残余奥氏体的梯度复相组织。
5.根据权利要求3所述的具有梯度组织的Q&P钢的制备方法，其特征在于：所述钢选取含有高密度位错的细板条马氏体。
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