CN110747322A - 一种1180MPa纳米粒子强化铁素体钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种1180MPa纳米粒子强化铁素体钢，主要化学质量百分比如下：C：0.12～0.15％，Si：0.20～0.30％，Mn：1.0～2.0％，P≤0.001％，S≤0.001％，N：0.010％～0.030％，Ti：0.12～0.30％，Mo：0.20～0.60％，V：0.10～0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质，本发明还涉及制备如权利要求1中的1180MPa纳米粒子强化铁素体钢的方法，方法包括将上述元素的质量百分比经冶炼、铸造和粗锻造成钢坯，将钢坯经1250～1300℃加热，真空保温4～24h均热后，在1150℃左右开轧，经终轧温度为900℃，然后快速水冷，冷速在40～50℃/s，冷却至600℃进行卷取，本发明制备的纳米粒子强化铁素体钢扩孔性能好，韧性好，焊接性能优良，力学性能优异，能广泛应用于汽车侧面中柱、边部加强件、悬挂臂和防撞梁等结构件和钢结构工程中，前景可观。

Description

一种1180MPa纳米粒子强化铁素体钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及钢结构及输变电工程金属材料技术领域，具体涉及一种1180MPa纳米粒子强化铁素体钢及其制备方法。
背景技术
近年来，随着纳米科技的发展，纳米材料在力学性能方面展现出高强度、高硬度和高韧性等独特优势，引起了研究者广泛关注。纳米科技的发展也为新型高强铁素体钢的设计开拓了新途径，将纳米材料和纳米技术应用到钢铁材料设计中，利用纳米级析出相沉淀强化和阻止晶粒长大技术，有望大幅度提高结构钢的强度和韧性。
新型纳米粒子强化高强铁素体钢(C为0.05-0.1wt％)除了要求极高的抗拉强度外(780-1000MPa)，还要求具有一定塑性和韧性(总延伸率≥20％)、尽可能减小的缺口敏感性、高的疲劳强度、一定的抗蚀性、良好的工艺性、价格低廉及环境友好性，2016年，黄耀等人成功研发了1000MPa纳米粒子铁素体钢，纳米粒子铁素体钢运用纳米粒子沉淀析出强化作用，在提高材料抗拉强度的同时，尽量减少韧性的损失，从而具有高的扩孔率，已广泛应用于桥梁、建筑耐火钢、汽车座椅、悬挂***、防撞臂和紧固件上。
纳米粒子高强铁素体钢不仅是钢铁材料研究的重要方向，具有广阔应用和发展前景，而且对于提高我国纳米相强化钢研究水平，开发新型高强高韧钢种具有重要意义，目前针对于1180MPa热轧纳米粒子铁素体钢及其制备方法还未见工艺报道。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种1180MPa纳米粒子强化铁素体钢及其制备方法。
本发明提供的技术方案是：
一种1180MPa纳米粒子强化铁素体钢，其特征在于：所述1180MPa纳米粒子强化铁素体钢的主要化学质量百分比如下：
C：0.12～0.15％，Si：0.20～0.30％，Mn：1.0～2.0％，P≤0.001％，S≤0.001％，N：0.010％～0.030％，Ti：0.12～0.30％，Mo：0.20～0.60％，V：0.10～0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质。
基于同一发明构思，本发明还提供制备如权利要求1所述的一种1180MPa纳米粒子强化铁素体钢的方法，所述方法包括如下步骤：
1)、将1180MPa纳米粒子强化铁素体钢的化学质量百分比：C：0.12～0.15％，Si：0.20～0.30％，Mn：1.0～2.0％，P≤0.001％，S≤0.001％，N：0.010％～0.030％，Ti：0.12～0.30％，Mo：0.20～0.60％，V：0.10～0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质，按上述成分冶炼、铸造和粗锻造成钢坯；
2)、将所述步骤1)中的钢坯经1250～1300℃加热，真空保温4～24h均热后，在1150℃左右开轧，经过1～6道次轧制，然后快速水冷，冷速在40～50℃/s，冷却至600℃，保温1～2h后随炉冷却至室温；
3)、将所述步骤2)中的得到的高温保温铸坯进行开轧，热轧压下率在85～95％之间，其开轧温度为1150℃，2道次轧制温度区间为1080～1120℃，3道次轧制温度区间为1020℃～1060℃，4道次轧制温度区间为980℃～1020℃，5道次轧制温度区间为940℃～960℃，最终道次轧制温度为900℃，经水冷至600℃后卷取，随炉冷却得到超高强度的铁素体钢，其抗拉强度达到1180MP以上，总的断后延伸率达到18％以上。
优选的，所述步骤2)中的钢坯经高温1250℃加热，保温10h均热后，高温终轧温度为900℃，卷取温度为600℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供一种1180MPa纳米粒子强化铁素体钢，本钢种不仅是钢铁材料研究的重要方向，具有广阔应用和发展前景，而且对于提高我国纳米相强化钢研究水平，开发新型高强高韧钢种具有重要意义，本发明制备出的超高强度铁素体钢，在具备超高强度的同时，其扩孔性能好，韧性好，焊接性优良，能广泛应用于汽车侧面中柱、边部加强件、悬挂臂和防撞梁等结构件和钢结构工程中，前景可观。
2、本发明提供一种1180MPa纳米粒子强化铁素体钢制备方法，所述方法制备简单方便，可行性较强，本发明都采用常规的冶炼和轧钢设备，而且热轧工艺简易可行，目前大部分工业生产线均能在现有的设备上进行生产，1180MPa强度级别的高强钢通常通过复相组织强化或者冷轧工艺制备，而本发明经通过合金化设计+热轧工艺即可实现。
3、本发明提供一种1180MPa纳米粒子强化铁素体钢，本钢种组织为全铁素体组织，和马氏体和贝氏体相比，铁素体为软质相，因此全铁素体钢扩孔性能优良，本发明涉及到的钢种抗拉强度为990～1200MPa，延伸率在17％-20％，扩孔率在42％以上。由于C的质量分数为0.10％～0.15％，不特意添加Si,C元素主要以纳米粒子碳化物的形式沉淀析出，因此，焊接性能较好，力学性能优异。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对实施例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为本发明热处理工艺示意图；
图2为本发明纳米尺寸碳化物析出形貌分布示意图。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
纳米粒子高强铁素体钢不仅是钢铁材料研究的重要方向，具有广阔应用和发展前景，而且对于提高我国纳米相强化钢研究水平，开发新型高强高韧钢种具有重要意义。
1180MPa强度级别的高强钢通常通过复相组织强化或者冷轧工艺制备，而全铁素体组织的热轧钢材最高强度为1000MPa左右，本发明目的在于在Ti-Mo纳米粒子碳化物析出强化的基础上，增加V元素，利用VC在铁素体区中的低温析出强化作用，进一步提高纳米粒子铁素体钢的强度，从而制备一种超高强度的纳米粒子析出全铁素体钢种。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种1180MPa纳米粒子强化铁素体钢，其特征在于，所述1180MPa纳米粒子强化铁素体钢的主要化学质量百分比如下：
C：0.12～0.15％，Si：0.20～0.30％，Mn：1.0～2.0％，P≤0.001％，S≤0.001％，N：0.010％～0.030％，Ti：0.12～0.30％，Mo：0.20～0.60％，V：0.10～0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本钢种不仅是钢铁材料研究的重要方向，具有广阔应用和发展前景，而且对于提高我国纳米相强化钢研究水平，开发新型高强高韧钢种具有重要意义，本发明制备出的超高强度铁素体钢，在具备超高强度的同时，其扩孔性能好，韧性好，焊接性优良，能广泛应用于汽车侧面中柱、边部加强件、悬挂臂和防撞梁等结构件和钢结构工程中，前景可观；
并且，本钢种组织为全铁素体组织，和马氏体和贝氏体相比，铁素体为软质相，因此全铁素体钢扩孔性能优良，本发明涉及到的钢种抗拉强度为990～1200MPa，延伸率在17％-20％，扩孔率在42％以上。由于C的质量分数为0.10％～0.15％，不特意添加Si,C元素主要以纳米粒子碳化物的形式沉淀析出，因此，焊接性能较好，力学性能优异。
基于同一发明构思，本发明还提供一种制备1180MPa纳米粒子强化铁素体钢的方法，
本方法采用1250℃～1300℃高温均热、900℃终轧和600℃低温卷取，其步骤如下：
步骤一：将1180MPa纳米粒子强化铁素体钢的化学质量百分比：C：0.12～0.15％，Si：0.20～0.30％，Mn：1.0～2.0％，P≤0.001％，S≤0.001％，N：0.010％～0.030％，Ti：0.12～0.30％，Mo：0.20～0.60％，V：0.10～0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质，按上述成分冶炼、铸造和粗锻造成钢坯；
步骤二：将所述步骤一)中的钢坯经1250～1300℃加热，真空保温4～24h均热后，在1150℃左右开轧，经过1～6道次轧制，然后快速水冷，冷速在40～50℃/s，冷却至600℃，保温1～2h后随炉冷却至室温；
步骤三：将所述步骤二)中的得到的高温保温铸坯进行开轧，热轧压下率在85～95％之间，其开轧温度为1150℃，2道次轧制温度区间为1080～1120℃，3道次轧制温度区间为1020℃～1060℃，4道次轧制温度区间为980℃～1020℃，5道次轧制温度区间为940℃～960℃，最终道次轧制温度为900℃；
经水冷至600℃后卷取，随炉冷却得到超高强度的铁素体钢，其抗拉强度达到1180MP以上，总的断后延伸率达到18％以上。
其中，所述步骤二)中的钢坯经高温1250℃加热，保温10h均热后，高温终轧温度为900℃，卷取温度为600℃。
本方法制备简单方便，可行性较强，本发明都采用常规的冶炼和轧钢设备，而且热轧工艺简易可行；
目前大部分工业生产线均能在现有的设备上进行生产，1180MPa强度级别的高强钢通常通过复相组织强化或者冷轧工艺制备，而本发明经通过合金化设计+热轧工艺即可实现。
利用高温卷取析出大量纳米尺寸碳化物是本发明在保证铁素体钢本身良好成型性的前提下，提高其强度的主要特征。
本发明中各元素主要作用：
C：强碳化物元素，主要在奥氏体阶段与Ti和Mo元素以(Ti,Mo)C的形式析出，析出的纳米粒子长大速度较快，在提供沉淀析出强化的同时，能有效细化奥氏体晶粒，对铁素体钢的组织细化作用较大。
碳元素的含量不能过高，C的主要作用是以(Ti,Mo)C和VCN的纳米碳化物的形式析出，若C含量过高易形成珠光体，降低铁素体的成型性能。
Si：Si是一种有效的固溶强化元素，当Si含量过高时，会加速碳化物的析出，使碳化物粗化，使成型性能变差。
Mn：Mn是固溶强化元素，含量增加能提高钢的强度，但当Mn含量过高时，会有偏析或硬质相形成，使成型性变差。
P：P是固溶强化元素，当P含量过高时，会有偏析出现，使成型性变差。
S：S是有害元素，S含量越低越好，当S含量较高时，恶化钢的韧性。
N：一般而言，N为钢中有害元素，但在本专利中，N为有益元素，主要是和V以VCN的纳米粒子形式进行沉淀强化，VCN最有利于在铁素体阶段析出。当N含量过高时，会使氮化物粗化，使成型性变差。
Ti：Ti和C结合能够形成细小的碳化物TiC，起到强烈的析出强化的作用，同时在奥氏体高温阶段,能和N结合形成TiN,细化奥氏体晶粒，在极大提高钢的强度的同时，不会影响钢的成型性。
Mo：Mo在与Ti和C形成碳化物一起析出时，能够抑制(Ti,Mo)C长大和粗化过程，使得析出碳化物粒子更加细小，使析出强化的效果更加显著。
V：与C以VCN的纳米碳化物的形式析出，且纳米粒子析出的体积分数较高，纳米粒子尺寸细小，能提供强烈的沉淀析出效果。
实施例2
根据表1所给出的化学成分，采用电磁感应炉真空熔炼，对铸造的坯料锻造成钢坯，以进行后续工艺：
Figure BDA0002216574560000061
表1为各成分的质量百分数
热轧工艺为将锻坯加热到1250℃真空保温10小时，在350mm二辊热轧机上热轧，热轧6个道次，得到厚度为3～5mm左右的热轧薄板，总变形量为93～95％，其开轧和终轧温度分别为1150℃和900℃。
终轧之后以40～50℃/s的冷速水冷到600℃进行卷取，在加热炉卷取等温1～2h后，然后随炉冷却。
不同成分对应的最终力学性能如表2所示：
Figure BDA0002216574560000071
表2为不同成分对应的最终力学性能
最后应当说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.一种1180MPa纳米粒子强化铁素体钢，其特征在于，所述1180MPa纳米粒子强化铁素体钢的主要化学质量百分比如下：
C：0.12～0.15％，Si：0.20～0.30％，Mn：1.0～2.0％，P≤0.001％，S≤0.001％，N：0.010％～0.030％，Ti：0.12～0.30％，Mo：0.20～0.60％，V：0.10～0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.制备如权利要求1所述的一种1180MPa纳米粒子强化铁素体钢的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)、将1180MPa纳米粒子强化铁素体钢的化学质量百分比：C：0.12～0.15％，Si：0.20～0.30％，Mn：1.0～2.0％，P≤0.001％，S≤0.001％，N：0.010％～0.030％，Ti：0.12～0.30％，Mo：0.20～0.60％，V：0.10～0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质，按上述成分冶炼、铸造和粗锻造成钢坯；
2)、将所述步骤1)中的钢坯经1250～1300℃加热，真空保温4～24h均热后，在1150℃左右开轧，经过1～6道次轧制，然后快速水冷，冷速在40～50℃/s，冷却至600℃，保温1～2h后随炉冷却至室温；
3)、将所述步骤2)中的得到的高温保温铸坯进行开轧，热轧压下率在85～95％之间，其开轧温度为1150℃，2道次轧制温度区间为1080～1120℃，3道次轧制温度区间为1020℃～1060℃，4道次轧制温度区间为980℃～1020℃，5道次轧制温度区间为940℃～960℃，最终道次轧制温度为900℃，经水冷至600℃后卷取，随炉冷却得到超高强度的铁素体钢，其抗拉强度达到1180MP以上，总的断后延伸率达到18％以上。
3.如权利要求2所述的制备一种1180MPa纳米粒子强化铁素体钢的方法，其特征在于，所述步骤2)中的钢坯经高温1250℃加热，保温10h均热后，高温终轧温度为900℃，卷取温度为600℃。
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