CN113201690B - 一种低碳纳米贝氏体复相钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种低碳纳米贝氏体复相钢，包括以下重量百分比的元素：C：0.28～0.35％，Si：1.6～1.8％，Mn：1.6～2.2％，Cr：2.0～3.0％，Ni：1.1～1.5％和Nb/V：0.02～0.025％，其余为Fe及不可避免的杂质，复相钢为低碳合金钢，其Ms为200‑295℃。制备方法包括：s1，在真空感应炉中熔炼并浇铸成钢锭；s2，将钢锭在1200℃均匀化处理24h，热轧处理，获得热轧板坯；s3，将热轧板坯加热至900‑950℃并保温0.5‑1h，保证完全奥氏体化，迅速出炉放入油中淬火冷却至室温；s4，将淬火板坯快速加热至临界区进行退火，保温30‑80min，生成部分预先铁素体；s5，将退火板坯立即放入250‑350℃的盐浴炉中保温2min，取出后在250‑350℃进行温轧变形；s6，将温轧板坯立即放入200‑350℃盐浴炉中保温0.5～5h，完成纳米贝氏体等温相变，空冷至室温。

Description

一种低碳纳米贝氏体复相钢及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种低碳纳米贝氏体复相钢及其制备方法。
背景技术
随着汽车产销量和保有量的不断增加，能源环境问题日趋严峻，对汽车行业在节能、环保、安全等方面提出更严苛的要求。高强高韧先进高强钢的开发和应用成为实现汽车轻型化及碰撞安全性的有效途径与重要方法。纳米贝氏体钢(Nanostructured bainiticsteel)作为最具发展前景的第三代先进高强钢之一，具有极高的抗拉强度(≥2000MPa)和良好的延展性(～20％)，能在保证抗冲击安全性、结构刚度和舒适性的同时大幅度降低汽车整备质量，推动乘用车燃油经济性和节能减排水平的持续改善。目前纳米贝氏体钢已在坦克装甲、矿山机械等国防及耐磨领域得到广泛推广，进一步推进纳米贝氏体钢在汽车设计中的应用，将可提升现有汽车用钢的强度等级，对汽车轻量化发展进程中结构优化设计及材料合理选择提供重要指导。
纳米贝氏体钢通过低温等温淬火工艺制备由纳米尺度贝氏体铁素体板条和富碳薄膜状残留奥氏体组成的复相组织，制备工艺简单兼具良好的强塑性匹配，引起国内外众多学者和工业界的广泛关注。然而低温转变的特点造成工艺流程耗时冗长，相变完成时间长达数十小时，制约其规模化生产和应用。同时纳米贝氏体钢高碳含量导致韧性低、焊接性差，而降低碳含量势必引起贝氏体等温度的提高，造成贝氏体板条粗化，损失强度。目前研究学者开展大量研究，试图探索快速制备纳米结构贝氏体组织及提高强韧性的途径，解决贝氏体相变完成时间过长及低冲击韧性的问题。
现有技术的文献检索表明，通过采用分阶段降温、变形淬火制备工艺可制备含有先共析铁素体的纳米贝氏体钢，但工艺复杂程度较高，难以实现规模化生产，且碳含量较高，钢材的韧性未获得明显改善；而采用轧制变形工艺制备低碳高硬度纳米贝氏体钢，实验钢经奥氏体化后快速冷却至马氏体转变温度(缩写为Ms)点以上变形50％，随后冷却至Ms点以下进行等温，获得高显微硬度，但组织中易存在马氏体，实验钢塑韧性不佳。采用冷轧屈氏体临界区加热等温淬火工艺制备超细晶铁素体/低温贝氏体双相低碳钢，但其超细晶铁素体含量较高，钢材抗拉强度不足1000MPa，无法满足特殊工况下所需高强度的需求。
发明内容
发明目的
本发明提供一种汽车用低碳纳米贝氏体复相钢及其制备方法，其主要是制备一种超高强兼具短制备周期，且由形变预先铁素体及纳米贝氏体组成的纳米贝氏体复相钢。
技术方案
一种低碳纳米贝氏体复相钢，包括以下重量百分比的元素：
C：0.28～0.35％，Si：1.6～1.8％，Mn：1.6～2.2％，Cr：2.0～3.0％，Ni：1.1～1.5％和Nb/V：0.02～0.025％，其余为Fe及不可避免的杂质，所述复相钢为低碳合金钢，低碳合金钢的马氏体转变温度为200-295℃。
低碳纳米贝氏体复相钢的制备方法包括以下步骤：
s1，按照钢件成分设计要求，在真空感应炉中熔炼并浇铸成钢锭；
s2，将钢锭在1200℃均匀化处理24h，随后进行热轧处理，
热轧条件为：将均匀化处理试样在1100～1150℃开轧，轧制5～7道次，终轧温度不低于850℃，热轧总压下量为50～70％，最终热轧板坯厚度为15mm，获得热轧板坯；
s3，将热轧板坯在马弗炉中加热至900～950℃并保温0.5～1h，保证完全奥氏体化，然后迅速出炉放入油中淬火冷却至室温，淬火的油中冷却速度为≥10℃/s，以获得全马氏体组织；
s4，将s3所得淬火板坯以加热速度≥20℃/s进行快速加热至临界区进行640-700℃退火处理，保温30-80min，生成部分预先铁素体，铁素体含量为8～15％；
s5，将s4所得退火板坯立即放入250-350℃的盐浴炉中保温2min，取出后在250-350℃进行温轧变形，温轧控制总变形量为20～40％，变形速率为3s-1；
s6，将s5所得温轧板坯立即放入200～350℃盐浴炉中保温0.5～5h，完成纳米贝氏体等温相变，随后空冷至室温。
上述技术方案的物理冶金原理是：通过Mn、Cr和Ni合金化成分设计，提高过冷奥氏体热稳定性，弥补因碳含量降低引起的相变区温度升高，保证贝氏体低温等温相变的发生；采用Nb/V微合金化实现晶粒细化，获得细小原始奥氏体晶粒，促进贝氏体形核速率的提高；通过临界区退火工艺实现合金元素在铁素体及奥氏体间的配分，结合贝氏体转变开始前温轧处理，提高过冷奥氏体的热稳定性及机械稳定性，保证纳米结构贝氏体组织形成所需的相变温度；通过临界区预先铁素体及过冷奥氏体变形强化有效改善贝氏体形核生长条件，提高过冷奥氏体的相变驱动力，加速贝氏体低温等温转变；温轧变形+快冷处理增加过冷奥氏体内部缺陷密度，通过遗传至贝氏体组织提高材料整体强度。
优点及效果
本发明以工业领域规模化应用为前景，设计基于临界区退火及温轧协同作用制备汽车用高强韧低碳纳米贝氏体复相钢的工艺路径，获得由形变预先铁素体和纳米贝氏体组成的复相组织，实现纳米结构复相组织的快速制备。本发明在保证不损失高强度的条件下缩短制备纳米贝氏体的相变时间，提高其塑韧性。本发明进一步拓宽了纳米贝氏体钢的应用领域，提升现有汽车用钢的强度等级。
附图说明
图1为本发明实施例1所获得的低碳纳米贝氏体复相钢显微组织电镜图；
图2为本发明实施例1所获得的低碳纳米贝氏体复相钢等温相变曲线；
图3为本发明实施例1所获得的低碳纳米贝氏体复相钢的工程应力-应变曲线。
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
采用真空感应熔炼炉对低碳合金进行熔炼，该低碳合金钢的化学重量百分比为：C0.28％，Si1.6％，Mn 1.6％，Cr 2.0％，Ni 1.1％和Nb 0.02％，其余为Fe及不可避免的杂质，将钢水浇铸成钢锭。通过加入一定量的Mn、Cr、Ni元素，该低碳合金钢的Ms点温度为295℃，保证300℃可发生贝氏体相变。Nb元素的添加形成NbC析出物，钉扎位错，细化原始奥氏体晶粒，晶粒尺寸在20μm以下。具体加工工艺如下：将钢锭加热至1200℃保温24h，进行均匀化处理。随后将均匀化处理试样在1100℃开轧，轧制5道次，终轧温度890℃，热轧总压下量为50％，最终热轧板坯厚度为15mm。然后将热轧板坯在马弗炉加热至900℃，保温1h，迅速出炉放入油中淬火冷却至室温。将淬火板坯快速加热至680℃进行退火处理，保温40min，生成15％预先铁素体，增加剩余奥氏体中的含碳量，提高其热稳定性，此时合金钢的Ms点降低至280℃，进一步降低能够发生贝氏体相变的最低温度。同时预相变铁素体的生成引入铁素体/奥氏体界面，改善贝氏体的形核生长条件，为贝氏体相变提供更多形核位置，提高贝氏体相变速率。随后将退火板坯立即放入300℃的盐浴炉中保温2min，取出后在300℃进行温轧变形，总变形量为20％，变形速率为3s-1。通过温轧变形在过冷奥氏体内部引入大量位错缺陷，提供贝氏体优先形核位置，同时形变储存能提高相变驱动力，加速低温贝氏体相变。将温轧板坯立即放入300℃盐浴炉中保温3h，随后空冷至室温，最后制备出低碳纳米贝氏体复相钢。相对于直接等温工艺所需6h等温时间，临界区退火+温轧变形工艺可将相变时间缩短近一半，显著缩短制备周期。经测试，钢的屈服强度1300MPa，抗拉强度1800MPa，总延伸率25％，冲击韧性60J/cm2。
实施例2
采用真空感应熔炼炉对低碳合金进行熔炼，该低碳合金钢的化学重量百分比为：C0.28％，Si 1.6％，Mn 1.8％，Cr 2.2％，Ni 1.1％和Nb 0.025％，其余为Fe及不可避免的杂质，将钢水浇铸成钢锭。通过加入一定量的Mn、Cr、Ni元素，该低碳合金钢的Ms点温度为281℃，保证300℃可发生贝氏体相变。Nb元素的添加形成NbC析出物，钉扎位错，细化原始奥氏体晶粒，晶粒尺寸在20μm以下。具体加工工艺如下：将钢锭加热至1200℃保温24h，进行均匀化处理。随后将均匀化处理试样在1100℃开轧，轧制6道次，终轧温度860℃，热轧总压下量为50％，最终热轧板坯厚度为15mm。然后将热轧板坯在马弗炉加热至920℃，保温0.8h，迅速出炉放入油中淬火冷却至室温。将淬火板坯快速加热至700℃进行退火处理，保温30min，生成11％预先铁素体。增加剩余奥氏体中的含碳量，提高其热稳定性，此时合金钢的Ms点降低至269℃，进一步降低能够发生贝氏体相变的最低温度。同时预相变铁素体的生成引入铁素体/奥氏体界面，改善贝氏体的形核生长条件，为贝氏体相变提供更多形核位置，提高贝氏体相变速率。随后将退火板坯立即放入350℃的盐浴炉中保温2min，取出后在350℃进行温轧变形，总变形量为40％，变形速率为3s-1。通过温轧变形在过冷奥氏体内部引入大量位错缺陷，提供贝氏体优先形核位置，同时形变储存能提高相变驱动力，加速低温贝氏体相变。将温轧板坯立即放入350℃盐浴炉中保温0.5h，随后空冷至室温，最后制备出低碳纳米贝氏体复相钢，相对于直接等温工艺所需2h等温时间，临界区退火+温轧变形工艺可将相变时间缩短近四分之一，显著缩短制备周期。经测试，钢的屈服强度1240MPa，抗拉强度1650MPa，总延伸率33％，冲击韧性72J/cm2。
实施例3
采用真空感应熔炼炉对低碳合金进行熔炼，该低碳合金钢的化学重量百分比为：C0.3％，Si 1.7％，Mn 1.8％，Cr 2.5％，Ni 1.2％和Nb 0.025％，其余为Fe及不可避免的杂质，将钢水浇铸成钢锭。通过加入一定量的Mn、Cr、Ni元素，该低碳合金钢的Ms点温度为263℃，保证300℃可发生贝氏体相变。
Nb元素的添加形成NbC析出物，钉扎位错，细化原始奥氏体晶粒，晶粒尺寸在20μm以下。具体加工工艺如下：将钢锭加热至1200℃保温24h，进行均匀化处理。随后将均匀化处理试样在1100℃开轧，轧制5道次，终轧温度860℃，热轧总压下量为50％，最终热轧板坯厚度为15mm。然后将热轧板坯在马弗炉加热至930℃，保温0.6h，迅速出炉放入油中淬火冷却至室温。将淬火板坯快速加热至690℃进行退火处理，保温40min，生成10％预先铁素体，增加剩余奥氏体中的含碳量，提高其热稳定性，此时合金钢的Ms点降低至245℃，进一步降低能够发生贝氏体相变的最低温度。同时预相变铁素体的生成引入铁素体/奥氏体界面，改善贝氏体的形核生长条件，为贝氏体相变提供更多形核位置，提高贝氏体相变速率。随后将退火板坯立即放入250℃的盐浴炉中保温2min，取出后在250℃进行温轧变形，总变形量为30％，变形速率为3s-1。通过温轧变形在过冷奥氏体内部引入大量位错缺陷，提供贝氏体优先形核位置，同时形变储存能提高相变驱动力，加速低温贝氏体相变。将温轧板坯立即放入300℃盐浴炉中保温3h，随后空冷至室温，最后制备出低碳纳米贝氏体复相钢。相对于直接等温工艺所需6h等温时间，临界区退火+温轧变形工艺可将相变时间缩短近一半，显著缩短制备周期。经测试，钢的屈服强度1490MPa，抗拉强度1900MPa，总延伸率21％，冲击韧性48J/cm2。
实施例4
采用真空感应熔炼炉对低碳合金进行熔炼，该低碳合金钢的化学重量百分比为：C0.32％，Si 1.7％，Mn 2.0％，Cr 2.7％，Ni 1.3％和Nb 0.025％，其余为Fe及不可避免的杂质，将钢水浇铸成钢锭。通过加入一定量的Mn、Cr、Ni元素，该低碳合金钢的Ms点温度为241℃，保证250℃可发生贝氏体相变。Nb元素的添加形成NbC析出物，钉扎位错，细化原始奥氏体晶粒，晶粒尺寸在20μm以下。具体加工工艺如下：该低碳合金钢的Ms点温度为241℃。将钢锭加热至1200℃保温24h，进行均匀化处理。随后将均匀化处理试样在1100℃开轧，轧制5道次，终轧温度870℃，热轧总压下量为50％，最终热轧板坯厚度为15mm。然后将热轧板坯在马弗炉加热至950℃，保温0.5h，迅速出炉放入油中淬火冷却至室温。将淬火板坯快速加热至680℃进行退火处理，保温40min，生成12％预先铁素体，增加剩余奥氏体中的含碳量，提高其热稳定性，此时合金钢的Ms点降低至230℃，进一步降低能够发生贝氏体相变的最低温度。同时预相变铁素体的生成引入铁素体/奥氏体界面，改善贝氏体的形核生长条件，为贝氏体相变提供更多形核位置，提高贝氏体相变速率。随后退火板坯立即放入250℃的盐浴炉中保温2min，取出后在250℃进行温轧变形，总变形量为30％，变形速率为3s-1。通过温轧变形在过冷奥氏体内部引入大量位错缺陷，提供贝氏体优先形核位置，同时形变储存能提高相变驱动力，加速低温贝氏体相变。将温轧板坯立即放入250℃盐浴炉中保温4h，随后空冷至室温，最后制备出低碳纳米贝氏体复相钢。对于直接等温工艺所需12h等温时间，临界区退火+温轧变形工艺可将相变时间缩短近三分之二，显著缩短制备周期。经测试，钢的屈服强度1550MPa，抗拉强度1920MPa，总延伸率18％，冲击韧性36J/cm2。
实施例5
采用真空感应熔炼炉对低碳合金进行熔炼，该低碳合金钢的化学重量百分比为：C0.33％，Si 1.8％，Mn 2.0％，Cr 2.8％，Ni 1.3％和Nb 0.025％，其余为Fe及不可避免的杂质，将钢水浇铸成钢锭。通过加入一定量的Mn、Cr、Ni元素，该低碳合金钢的Ms点温度为230℃，保证250℃可发生贝氏体相变。Nb元素的添加形成NbC析出物，钉扎位错，细化原始奥氏体晶粒，晶粒尺寸在20μm以下。具体加工工艺如下：将钢锭加热至1200℃保温24h，进行均匀化处理。随后将均匀化处理试样在1100℃开轧，轧制5道次，终轧温度870℃，热轧总压下量为60％，最终热轧板坯厚度为15mm。然后将热轧板坯在马弗炉加热至950℃，保温0.5h，迅速出炉放入油中淬火冷却至室温。将淬火板坯快速加热至660℃进行退火处理，保温80min，生成10％预先铁素体，增加剩余奥氏体中的含碳量，提高其热稳定性，此时合金钢的Ms点降低至218℃，进一步降低能够发生贝氏体相变的最低温度。同时预相变铁素体的生成引入铁素体/奥氏体界面，改善贝氏体的形核生长条件，为贝氏体相变提供更多形核位置，提高贝氏体相变速率。随后。将退火板坯立即放入350℃的盐浴炉中保温2min，取出后在350℃进行温轧变形，总变形量为40％，变形速率为3s-1。通过温轧变形在过冷奥氏体内部引入大量位错缺陷，提供贝氏体优先形核位置，同时形变储存能提高相变驱动力，加速低温贝氏体相变。将温轧板坯立即放入300℃盐浴炉中保温2h，随后空冷至室温，最后制备出低碳纳米贝氏体复相钢。相对于直接等温工艺所需6h等温时间，临界区退火+温轧变形工艺可将相变时间缩短近一半，显著缩短制备周期。经测试，钢的屈服强度1400MPa，抗拉强度1860MPa，总延伸率为23％，冲击韧性44J/cm2。
实施例6
采用真空感应熔炼炉对低碳合金进行熔炼，该低碳合金钢的化学重量百分比为：C0.35％，Si 1.8％，Mn 2.2％，Cr 3.0％，Ni 1.5％和Nb 0.025％，其余为Fe及不可避免的杂质，将钢水浇铸成钢锭。通过加入一定量的Mn、Cr、Ni元素，该低碳合金钢的Ms点温度为200℃，保证210℃可发生贝氏体相变。Nb元素的添加形成NbC析出物，钉扎位错，细化原始奥氏体晶粒，晶粒尺寸在20μm以下。具体加工工艺如下：将钢锭加热至1200℃保温24h，进行均匀化处理。随后将均匀化处理试样在1150℃开轧，轧制7道次，终轧温度870℃，热轧总压下量为70％，最终热轧板坯厚度为15mm。然后将热轧板坯在马弗炉加热至950℃，保温0.5h，迅速出炉放入油中淬火冷却至室温。将淬火板坯快速加热至640℃进行退火处理，保温60min，生成8％预先铁素体，增加剩余奥氏体中的含碳量，提高其热稳定性，此时合金钢的Ms点降低至191℃，进一步降低能够发生贝氏体相变的最低温度。同时预相变铁素体的生成引入铁素体/奥氏体界面，改善贝氏体的形核生长条件，为贝氏体相变提供更多形核位置，提高贝氏体相变速率。随后。将退火板坯立即放入250℃的盐浴炉中保温2min，取出后在250℃进行温轧变形，总变形量为30％，变形速率为3s-1。通过温轧变形在过冷奥氏体内部引入大量位错缺陷，提供贝氏体优先形核位置，同时形变储存能提高相变驱动力，加速低温贝氏体相变。将温轧板坯立即放入200℃盐浴炉中保温5h，随后空冷至室温，最后制备出低碳纳米贝氏体复相钢。相对于直接等温工艺所需25h等温时间，临界区退火+温轧变形工艺可将相变时间缩短近五分之四，显著缩短制备周期。经测试，钢的屈服强度1700MPa，抗拉强度2180MPa，总延伸率为16％，冲击韧性33J/cm2。
对于实施例2-6所得到的电镜显微组织结构、等温相变曲线和工程应力-应变曲线等都能够得到本申请技术方案的低碳纳米贝氏体复相钢。

Claims (7)

1.一种低碳纳米贝氏体复相钢的制备方法，其特征在于：
所述的低碳纳米贝氏体复相钢，元素的重量百分比为：
C：0.28~0.35%，Si：1.6~1.8%，Mn：1.6~2.2%，Cr：2.0~3.0%，Ni：1.1~1.5%和Nb：0.02~0.025%，其余为Fe及不可避免的杂质，所述复相钢为低碳合金钢，低碳合金钢的马氏体转变温度为200-295℃；
所述低碳纳米贝氏体复相钢的制备方法包括以下步骤：
s1，按照钢件成分设计要求，在真空感应炉中熔炼并浇铸成钢锭；
s2，将钢锭在1200℃均匀化处理24h，随后进行热轧处理，获得热轧板坯；
s3，将热轧板坯在马弗炉中加热至900~950℃并保温0.5~1h，保证完全奥氏体化，然后迅速出炉放入油中淬火冷却至室温；
s4，将s3所得淬火板坯快速加热至临界区进行退火处理，保温30~80min，生成部分预先铁素体；
s5，将s4所得退火板坯立即放入250~350℃的盐浴炉中保温2min，取出后在250~350℃进行温轧变形；
s6，将s5所得温轧板坯立即放入200~350℃盐浴炉中保温0.5~5h，完成纳米贝氏体等温相变，随后空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的低碳纳米贝氏体复相钢的制备方法，其特征在于：s2所述热轧条件为：将均匀化处理试样在1100~1150℃开轧，轧制5~7道次，终轧温度不低于850℃，热轧总压下量为50~70%，最终热轧板坯厚度为15mm。
3.根据权利要求1所述的低碳纳米贝氏体复相钢的制备方法，其特征在于：s3所述淬火的油中冷却速度为≥10℃/s，以获得全马氏体组织。
4.根据权利要求1所述的低碳纳米贝氏体复相钢的制备方法，其特征在于：s4所述将淬火板坯进行快速加热，加热速度≥20℃/s。
5.根据权利要求1所述的低碳纳米贝氏体复相钢的制备方法，其特征在于：s4所述进行临界区退火处理，退火温度控制在640~700℃，生成的预先铁素体含量为8~15%。
6.根据权利要求1所述的低碳纳米贝氏体复相钢的制备方法，其特征在于：s5所述温轧控制总变形量为20~40%，变形速率为3s-1。
7.一种如权利要求1的方法所制备的低碳纳米贝氏体复相钢，其特征在于：元素的重量百分比为：
C：0.28~0.35%，Si：1.6~1.8%，Mn：1.6~2.2%，Cr：2.0~3.0%，Ni：1.1~1.5%和Nb：0.02~0.025%，其余为Fe及不可避免的杂质，所述复相钢为低碳合金钢，低碳合金钢的马氏体转变温度为200-295℃。
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