CN106086630B - 一种含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板及其制造方法，其化学成分的重量百分比：Mn为1.0~1.7 %、Ni为2.5~4.0 %、Al为0.5~1.5 %、Cu为1.5~3.0%、Y为0.01~0.10 %、C≤0.05 %、Si≤0.10 %、S≤0.04 %、P≤0.04 %、N≤0.05 %、O≤0.05 %，其余为Fe和不可避免杂质。经冶炼、铸造和初次轧锻后进行空气气氛下的固溶处理，然后在室温经总压下率30‑70 %的再次轧锻后，进行时效处理，形成铁素体基体上弥散分布着2~10 nm富Cu相和50‑100 nm富Y相的显微组织，从而制得抗拉强度≥ 1020 MPa、断后伸长率≥10 %的集高强韧性、耐蚀性和焊接性于一体的低成本铁素体钢板。
Description
技术领域
本发明涉及高强韧铁素体钢板及其制造方法，具体涉及一种含有纳米析出相的高强韧铁素体钢板及其制造方法。
背景技术
随着现代化的高速发展，对高强韧钢板的要求越来越高，尤其是输油管线、油管车和船舰装甲板等提出了特殊的要求。传统的马氏体和贝氏体高强钢在一定程度上满足要求，但其高合金含量和复杂工艺使成本偏高，较高的含碳量仍使焊接性、耐蚀性受限。
利用纳米析出相强韧化机制提高钢的综合性能已成为开发新型高强度钢的重要途径。钢中加入Cu，经过适当的热处理控制Cu纳米团簇析出相的析出尺寸、数量和分布，强化效果非常明显，如专利CN104046917A、CN104046891A分别公开了“富Cu纳米团簇强化”、“纳米金属间化合物强化”的超高强度铁素体钢及其制造方法。但上述两发明专利存在如下问题：
（1）不仅利用了纳米富Cu析出相来强化铁素体基体，还利用了复合纳米碳化物（V,Ti, Nb）C或（Mo, W）2C来增强钢的强度，为保证碳化物的强化效果，其碳含量仍然较高（最大达0.2 wt.%）；
（2）加入了较多的合金元素。除了Cu、Ni、Al、Mn外，还添有V、Ti、Nb（V+Ti+Nb不低于0.01 %）、Mo和W（Mo+W不低于0.05 %）以及Si、B和Cr，导致成本增加；
（3）最后的热处理即“时效处理”，没有说明是在什么气氛下进行的。正常的空气气氛与真空、保护气氛的时效处理，不仅材料的制造成本会出现明显差异，而且更重要的是材料的力学性能尤其是断裂性能会出现本质不同！如：设计成分、制备工艺与上述两专利一致的材料（Y.R. Wen, Y.P. Li, A. Hirata, Y. Zhang, T. Fujita, T. Furuhara, C.T.Liu, A. Chiba, M.W. Chen. Synergistic alloying effect on microstructuralevolution and mechanical properties of Cu precipitation-strengthened ferriticalloys mechanical properties of Cu precipitation-strengthened ferritic alloys[J]. Acta Materialia, 2013,61: 7726–7740）的拉伸断裂模式，除Fe-Cu-Ni外，都为脆性或解理断裂。有人（Z.W. Zhang, C.T. Liu, Y.R. Wen, A. Hirata, S. Guo, G. Chen,M.W. Chen, and B. A. Chin. Influence of Aging and Thermomechanical Treatmentson the Mechanical Properties of a Nanocluster-Strengthened Ferritic Steel[J].Metallurgical and Materials Transactions A, 2012, 43A: 351-359）专门对比了氧化气氛与真空时效后的拉伸断口区别，发现：尽管时效前的一切工艺均相同，但在空气气氛和真空时效时，材料还是出现了明显的拉伸断口差异，即真空时效的为韧性断裂，空气气氛中的为脆性断裂且二者的应力应变曲线表现也完全不同。
为了解决上述“纳米团簇+纳米碳化物+纳米金属间化合物”强化的超高强度铁素体钢及其制造方法的高碳、多合金和空气气氛时效处理脆断的问题，本发明通过重新设计化学成分和改变制造加工工艺，获得了抗拉强度≥1020 MPa、断后伸长率≥10 %的集高强韧性、耐蚀性和焊接性于一体的低成本铁素体钢板。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板。本发明的低成本高强韧铁素体钢板，在铁素体基体上均匀析出大量尺寸为2~10 nm的富Cu相和50-100 nm的富Y相。钢的强化以两种纳米相的析出强化为主，结合位错强化、细晶强化和固溶强化，形成复合强韧化效果。
本发明提供一种含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板，以重量百分比计的化学成分如下：Mn为1.0~1.7 %、Ni为2.5~4.0 %、Al为0.5~1.5 %、Cu为1.5~3.0%、Y为0.01~0.10 %、C≤0.05 %、Si≤0.10 %、S≤0.04 %、P≤0.04 %、N≤0.05 %、O≤0.05 %，其余为Fe和不可避免杂质。
所述的纳米析出相为尺寸为2~10 nm的富Cu相和50-100 nm的富Y相，每立方微米纳米相数量在5×104 ~ 8×106个，其中富Y相占0.2~2 %。
所述的富Cu相中的元素以Cu为主，还含有Ni、Al、Mn元素；所述的富Y相中的元素以Y为主，还含有Ni、Al、Mn以及As、Sb元素。
本发明的另一个目的在于提供一种制造上述含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板的方法。
一种制造上述含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板的方法，步骤如下：
（1）符合前述含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板的化学成分的原料混合后，经熔炼炉冶炼后铸锭，空冷至室温，铸锭的厚度为成品钢板厚度的10倍以上；
（2）铸锭加热至1050-1100℃并保温均匀后，初次轧锻成坯，水冷至室温，初次终轧锻控制在900-950℃，初次轧锻坯的厚度为成品钢板厚度的1.5-3.0倍；
（3）初次轧锻坯经900-950℃空气气氛固溶处理后，水冷至室温；
（4）固溶处理后的初次轧锻坯于室温经总压下率30-70 %的再次轧锻后，水冷至室温；
（5）水冷后的再次轧锻坯经500-600℃空气气氛时效处理17-24小时后，水冷至室温，制得所述含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板。
本发明方法结合超低碳、Y的抗氧化及净化作用，制得抗拉强度≥1020 MPa、断后伸长率≥10 %的集高强韧性、耐蚀性和焊接性于一体的低成本铁素体钢板。
本发明的有益效果如下：
1）本发明钢板中加入元素Y的作用：以富Y纳米相析出，起析出强化和细晶作用；使钢的氧化皮薄且与基体结合紧密，钢的抗时效氧化及耐蚀性明显提高；使As、Sb等有害元素富集在富Y相周围，形成纳米混合相，有效净化了钢质。
2）小尺寸的纳米富Cu相结合稍大尺寸的纳米富Y相，可兼顾强韧性，使本发明钢板的抗拉强度≥1020 MPa、断后伸长率≥10 %。
3）含C量超低（≤0.05 wt.%），提高了钢板的焊接性、韧性和耐蚀性。
4）不添加碳化物形成元素V、Ti、Nb、Mo和W；固溶和时效处理都在空气气氛中进行，无需真空或保护气氛，工艺简单、操作方便，使发明钢的成本进一步降低。
总之，通过合理调控Cu、Ni、Al、Mn、Si、Y含量，控制C含量，结合固溶、变形和时效处理，形成铁素体基体上弥散分布着2~10 nm的富Cu相和50-100 nm的富Y相的组织结构；充分发挥Y元素的抗氧化、净化以及细晶作用，解决了“纳米团簇+纳米碳化物+纳米金属间化合物”强化的超高强度铁素体钢及其制造方法的高碳、多合金、空气气氛时效处理脆断的问题，制得了抗拉强度≥1020 MPa、断后伸长率≥10 %的集高强韧性、耐蚀性和焊接性于一体的低成本铁素体钢板，可广泛应用于船舰、汽车、管线、桥梁、压力容器、海洋工程、工程机械等领域。
附图说明
图1为本发明实施例1制造的含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板的基体中富Y纳米相的复型透射电镜照片；
图2为本发明实施例1制造的含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板的基体中富Y纳米相的复型透射电镜及相应能谱照片；
图3为本发明实施例1制造的含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板的基体中富Cu纳米相的薄膜高分辨透射电镜照片；
图4为本发明实施例4制造的含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板和对比例空气气氛时效后表面氧化铁皮的扫描电镜照片；
图5为本发明实施例4制造的含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板和对比例空气气氛时效后拉伸断口的扫描电镜照片。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的技术方案进一步说明。
本发明提供一种含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板，以重量百分比计的化学成分：Mn为1.0~1.7 %、Ni为2.5~4.0 %、Al为0.5~1.5 %、Cu为1.5~3.0%、Y为0.01~0.10%、C≤0.05 %、Si≤0.10 %、S≤0.04 %、P≤0.04 %、N≤0.05 %、O≤0.05 %，其余为Fe和不可避免杂质。
以下对所述含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板各个化学组成含量范围的限定理由作说明：
C：为保证钢的优良焊接性能和韧性，采用超低的碳含量。本发明的C含量不高于0.05 wt.%。
Cu：本发明的纳米析出相主要组成元素，利用成本较低的Cu形成弥散纳米析出相可有效强化铁素体钢；此外，Cu也可提高钢在大气和海水中的耐蚀性。Cu含量过低，强化作用弱，而Cu含量过高，易产生热脆，所以本发明钢中Cu的含量限定在1.5~3.0 %。
Ni：纳米析出相的组成元素之一，参与纳米析出相的强化作用，并能阻碍纳米析出相的长大；Ni还可提高钢的韧性。但Ni含量过高，钢中会残留奥氏体且增加生产成本，本发明Ni的含量限定在2.5~4.0%。
Mn：纳米析出相的组成元素之一，参与纳米析出相的强化作用。Mn有利于细化铁素体晶粒，提高钢的强韧性，但Mn量过高，钢中会有残留奥氏体且导致偏析、韧性差及焊接性低，本发明Mn的含量限定在1.0~1.7 %。
Al：纳米析出相的组成元素之一，参与纳米析出相的强化作用。Al参与脱氧但含量过高，导致浇铸困难，本发明Al的含量限定在0.5~1.5 %。
Y：本发明的另一纳米析出相的主要组成元素，参与纳米析出相的强化作用。本发明钢的C量超低，加入Y在基体中形成富Y纳米析出相代替碳化物析出相；Y使As、Sb等有害元素富集在富Y相周围，形成纳米混合相，有效净化了钢质；Y加入钢中，影响了O和Fe的扩散，使得钢在空气气氛下加热形成的氧化皮薄且与基体结合紧密，提高了钢的抗时效氧化及耐蚀性。由于Y是稀有金属，过高的含量不仅导致成本增加，而且容易偏聚形成较大的颗粒，故本发明Y的含量限定在0.01~0.10 %。
Si：溶入铁素体，起固溶强化作用。过多会降低钢的韧性，本发明Si的含量限定在0-0.1 %。
S和P：钢中不可避免的杂质元素，尽可能降低，本发明限定钢中S≤0.04 %、P≤0.04 %。
N和O: 钢中不可避免的杂质元素，危害钢的韧性和焊接性，本发明限定钢中N≤0.05 %、O≤0.05 %。
本发明还提供一种制造所述含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板的方法，其制造方法的步骤如下：
（1）一种含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板的化学成分构成的原料混合物，经熔炼炉冶炼后铸锭，空冷至室温，铸锭的厚度为成品钢板厚度的10倍或以上；
（2）铸锭加热至1050-1100℃并保温均匀后，初次轧锻成坯，水冷至室温，初次终轧锻控制在900-950℃，初次轧锻坯的厚度为成品钢板厚度的1.5-3.0倍；
（3）初次轧锻坯经900-950℃空气气氛固溶处理后，水冷至室温；
（4）固溶处理后的初次轧锻坯于室温经总压下率30-70%的再次轧锻后，水冷至室温；
（5）水冷后的再次轧锻坯经500-600℃空气气氛时效处理17-24小时后，水冷至室温，制得所述含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板。
本发明所述的一种制造所述含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板的方法，可采用感应炉、转炉、电弧炉等熔炼原料混合物，而后可采用模铸或连铸的方式形成钢锭或连铸坯。钢锭或连铸坯的厚度为成坯钢板厚度的10倍或以上，以保证成品钢板变形均匀且有细晶效果。钢锭或连铸坯加热至1050-1100℃范围且保温均匀后，进行初次轧制或锻造成板坯，初次轧制或锻造的终止温度控制在900-950℃，而后水冷至室温。初次轧锻坯的厚度为成品钢板厚度的1.5-3.0倍，以保证后续的位错强化要求。初次轧锻坯再经900-950℃空气气氛固溶处理后水冷至室温，固溶处理后的初次轧锻坯于室温经总压下率30-70 %的再次轧锻，水冷至室温。控制30-70 %总压下率是为了保证足够的位错密度，增强下一步的时效析出效果，也是为了避免形成过强的织构。水冷后的再次轧锻坯经500-600℃空气气氛时效处理17-24小时后，水冷至室温，制得所述含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板。
以下通过实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
制造步骤：
1）按表1所示的实施例1的化学成分在真空感应炉中冶炼钢水，模铸成钢锭，空冷至室温。钢锭的厚度为300 mm。
2）将钢锭加热至1100℃保温1.5 h后开始多道次热轧，开轧温度1050℃。当轧件厚度为7 mm时，终止轧制，终轧温度920℃，轧件水冷至室温。
3）将轧件在空气气氛中加热至900℃，保温0.5 h后立即水冷至室温。然后将轧件在室温轧至成品厚度2.5 mm后，水冷至室温。
4）将室温轧后的钢板，于空气气氛中加热至550℃保温17 h，保温结束后水冷至室温，制得成品轧制钢板。
5) 成品轧制钢板中析出的富Cu相和富Y相的平均尺寸分别为6 nm和80 nm。富Cu相的成份为（wt.%）：5.45Al，4.90Mn，23.54Fe，20.68Ni，45.13Cu，0.29Y；富Y相为：18.08Al，19.66Ni，27.58Y，9.34Cu，10.96As，12.86Sb，1.15Mn，0.38Fe。每立方微米纳米相数量在8×106个，其中富Y相占1.5 %。
实施例2
制造步骤：
1）按表1所示的实施例2的化学成分在电弧炉中冶炼钢水，模铸成钢锭，空冷至室温。钢锭的厚度为200mm。
2）将钢锭加热至1080℃保温1.8 h后开始多道次热轧，开轧温度1030℃。当轧件厚度为6 mm时，终止轧制，终轧温度900℃，轧件水冷至室温。
3）将轧件在空气气氛中加热至920℃，保温0.5 h后立即水冷至室温。然后将轧件在室温轧至成品厚度2.0 mm后，水冷至室温。
4）将室温轧后的钢板，于空气气氛中加热至580℃保温20 h，保温结束后水冷至室温，制得成品轧制钢板。
5) 成品轧制钢板中析出的富Cu相和富Y相的平均尺寸分别为10 nm和99 nm。每立方微米纳米相数量在5×104个，其中富Y相占2 %。
实施例3
制造步骤：
1）按表1所示的实施例3的化学成分在感应炉中冶炼钢水，模铸成钢锭，空冷至室温。钢锭的厚度为100mm。
2）将钢锭加热至1050℃保温2.0 h后开始多道次热轧，开轧温度1010℃。当轧件厚度为3 mm时，终止轧制，终轧温度905℃，轧件水冷至室温。
3）将轧件在空气气氛中加热至945℃，保温0.5 h后立即水冷至室温。然后将轧件在室温轧至成品厚度1.0 mm后，水冷至室温。
4）将室温轧后的钢板，于空气气氛中加热至500℃保温24 h，保温结束后水冷至室温，制得成品轧制钢板。
5) 成品轧制钢板中析出的富Cu相和富Y相的平均尺寸分别为2 nm和50 nm。每立方微米纳米相数量在9×105个，其中富Y相占0.2 %。
表1 发明钢实施例及对比例的化学成分（重量百分比）
| 编号 | Cu | Ni | Al | Mn | Y | C | Si | Fe |
| 实施例1 | 2.70 | 3.85 | 1.10 | 1.50 | 0.08 | 0.03 | 0.07 | 余量 |
| 实施例2 | 1.90 | 4.00 | 1.00 | 1.60 | 0.10 | 0.03 | 0.05 | 余量 |
| 实施例3 | 3.00 | 2.90 | 1.50 | 1.20 | 0.02 | 0.04 | 0.03 | 余量 |
| 实施例4 | 2.50 | 4.00 | 1.00 | 1.50 | 0.06 | 0.04 | 0.04 | 余量 |
| 实施例5 | 2.50 | 4.00 | 1.00 | 1.50 | 0.01 | 0.05 | 0.04 | 余量 |
| 实施例6 | 2.50 | 4.00 | 1.00 | 1.50 | 0.04 | 0.04 | 0.03 | 余量 |
| 对比例 | 2.50 | 4.00 | 1.00 | 1.50 | 0 | 0.05 | 0.04 | 余量 |
实施例 4、5、6 和对比例
实施例4、5、6与对比例的化学成分除Y外，基本一致。实施例4、5、6与对比例的实制造步骤如下：
1）按表1所示的实施例4、5、6和对比例的化学成分在真空感应炉中冶炼钢水，模铸成钢锭，空冷至室温。钢锭的厚度为200mm。
2）将钢锭加热至1100℃保温2 h后开始多道次热轧，开轧温度1050℃。当轧件厚度为4 mm时，终止轧制，终轧温度900℃，轧件水冷至室温。
3）将轧件在空气气氛中加热至900℃，保温0.5 h后立即水冷至室温。然后将轧件在室温轧至成品厚度1.5 mm后，水冷至室温。
4）将室温轧后的钢板，于空气气氛中加热至550℃保温17 h，保温结束后水冷至室温，制得成品轧制钢板。
表2列出了本发明所有实施例及对比例的力学性能。
表2 发明钢实施例及对比例的力学性能
| 编号 | 抗拉强度 /MPa | 断后伸长/% |
| 实施例1 | 1120 | 12 |
| 实施例2 | 1050 | 14 |
| 实施例3 | 1200 | 10 |
| 实施例4 | 1090 | 12 |
| 实施例5 | 1020 | 13 |
| 实施例6 | 1050 | 13 |
| 对比例 | 1000 | 10 |
Claims (4)
1.一种含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板，其特征在于，以重量百分比计的化学成分如下：Mn为1.0~1.7 %、Ni为2.5~4.0 %、Al为0.5~1.5 %、Cu为1.5~3.0%、Y为0.01~0.10 %、C≤0.05 %、Si≤0.10 %、S≤0.04 %、P≤0.04 %、N≤0.05 %、O≤0.05 %，其余为Fe和不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的低成本高强韧铁素体钢板，其特征在于，所述的纳米析出相为尺寸为2~10 nm的富Cu相和50-100 nm的富Y相，每立方微米纳米相数量在5×104 ~ 8×106个，其中富Y相占0.2~2 %。
3.根据权利要求2所述的低成本高强韧铁素体钢板，其特征在于，所示的富Cu相中的元素以Cu为主，还含有Ni、Al、Mn元素；所述的富Y相中的元素以Y为主，还含有Ni、Al、Mn以及As、Sb元素。
4.权利要求1所述的含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板的制造方法，其特征在于，步骤如下：
（1）符合前述含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板的化学成分的原料混合后，经熔炼炉冶炼后铸锭，空冷至室温，铸锭的厚度为成品钢板厚度的10倍以上；
（2）铸锭加热至1050-1100℃并保温均匀后，初次轧锻成坯，水冷至室温，初次终轧锻控制在900-950℃，初次轧锻坯的厚度为成品钢板厚度的1.5-3.0倍；
（3）初次轧锻坯经900-950℃空气气氛固溶处理后，水冷至室温；
（4）固溶处理后的初次轧锻坯于室温经总压下率30-70 %的再次轧锻后，水冷至室温；
（5）水冷后的再次轧锻坯经500-600℃空气气氛时效处理17-24小时后，水冷至室温，制得所述含有纳米析出相的低成本高强韧铁素体钢板。
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