一种低密度Fe-Mn-Al-C热轧Q&P钢及其制造方法
技术领域
背景技术
[0002] 随着
能源、环境和可持续发展的矛盾日益突出,
汽车行业朝着节能、降耗、低
碳、环保、绿色的方向发展,这对汽车用材料提出新的挑战。轻量化、安全性是衡量汽车材料的重要指标,因此设计与开发低密度高强塑性材料尤为重要。此外,在钢铁企业面临产能过剩、产品结构失衡、高能耗等严峻形势,急需开发减量化工艺的高品质绿色钢材材料。
[0003] 淬火-配分(Q&P)钢被誉为第三代最有潜
力的汽车用高强钢,目前经历20余年的研究。基于淬火配分理念演变出一系列研究工艺,如:Q-P-T、QT&P等,这些衍生工艺和传统工艺同为
冷轧之后采用
热处理来获得Q&P组织,步骤繁杂。国内仅有少数几家钢铁公司能生产工业化产品,均为冷轧
退火工艺,生产成本高,限于部分高端车型的应用。
[0004] 近来年,热轧Q&P工艺得到关注,热轧Q&P工艺能实现在线淬火及配分,大幅度的简化传统生产方式。但是现有热轧Q&P研究严重依赖在线快速冷却,低温淬火控制难,导致板形不良、组织性能不均匀等问题,制约其进一步工业化应用。此外,当前大部分研究获得的Q&P组织中残余奥氏体含量较低,普遍低于15%,使得高强度(大于1100MPa)的Q&P组织难以获得良好的均匀及断后延伸率。因此,开发高强塑积新型热轧Q&P钢以及相应易于控制的生产工艺迫在眉睫。
发明内容
[0005] 针对现有Q&P研究中存在的不足,本发明的目的在于提供一种低密度Fe-Mn-Al-C热轧Q&P钢及其制造方法,通过成分设计来弱化
马氏体
相变对冷却速度的依赖,实现空冷获得马氏体,而不是像传统热轧Q&P钢工艺中需要淬火,解决淬火
温度难控制的问题。同时,提高组织中残余奥氏体含量,提升综合力学性能。
[0006] 本发明的技术方案是:
[0007] 一种低密度Fe-Mn-Al-C热轧Q&P钢,按重量百分比计,化学成分为:0.22~0.25%C,2.8%~3.2%Mn,1.8~2.2%Al,余量为Fe。
[0008] 所述的低密度Fe-Mn-Al-C热轧Q&P钢的制造方法,按以下步骤进行:
[0010] 按化学成分转炉或电炉冶炼+
真空炉精炼,铸造成
铸坯或锭;
[0011] 2)加热、热轧
[0012] 将铸坯或锭加热至1190~1210℃,保温1~1.5h,粗轧开轧温度在1170~1190℃,粗轧为2~3个道次,累计
变形量为50~70%得到中间坯;待中间坯温度降低降至920~930℃时进行4~6道次精轧,终轧温度在870~890℃,累计变形量为75~90%;
[0013] 3)在线冷却及配分
[0014] 精轧后的轧件从870~890℃空冷却至280~340℃,随后置于预先加热至280~340℃的
电阻炉内,随炉冷却至室温。
[0015] 所述的低密度Fe-Mn-Al-C热轧Q&P钢的制造方法,热轧Q&P钢显微组织中,铁素体的体积分数为10~15%、残余奥氏体的体积分数为20~25%,其余为马氏体。
[0016] 所述的低密度Fe-Mn-Al-C热轧Q&P钢的制造方法,热轧Q&P钢的性能指标如下:
抗拉强度≥1135MPa,断后延伸率>19%,
屈服强度为630~705MPa,强塑积为21.790-23.595GPa.%。
[0017] 本发明的设计思路如下:
[0018] 本发明低密度Fe-Mn-Al-C热轧Q&P钢成分设计的依据为:(1)满足Q&P处理的成分约束性要求;(2)满足动态配分
热力学要求。加入适度的C含量0.22~0.25%,起到固溶强化并保证有足够量的碳用于配分,以稳定奥氏体;加入一定含量的Mn2.8%~3.2%,稳定奥氏体并且保证材料优良的淬透性,空冷即可获得马氏体为主的基体组织;加适量Al弥补因增加Mn含量而降低的Ms,提高Ms至350℃以上,拓宽动态配分开始温度,有充足的动力完成碳配分过程,同时还能抑制碳化物形成,降低材料的密度。经测量,本发明中Ms温度为370℃。
[0019] 在采用巧妙的成分设计后,实验钢在热轧后可直接空冷至马氏体温度区间,能精确的控制空冷温度,并且避免中间过程的铁素体和珠光体相变等。随后,经空冷后的实验钢直接置于预先加热的电阻炉随炉冷却即可,最终获得铁素体、马氏体/
贝氏体和残余奥氏体的复相Q&P组织,其中残余奥氏体含量大于20%。该复相组织在变形过程中残余奥氏体提供持续的TRIP效应,使得实验钢获得良好的强塑性,抗拉强度≥1135MPa,延伸率>19%。
[0020] 与现有Q&P钢相比,本发明低密度Fe-Mn-Al-C热轧Q&P钢及其制造方法具有显著的优点及有益效果如下:
[0021] 1、在成分设计上,采用低密度的合金,符合汽车材料轻量化的要求,并且采用以Al替代全部Si的形式可以大幅度改善热轧板表面
质量;工艺上以热代冷,省却很多冷轧退火方式的繁杂步骤,并且在控制
轧制后的马氏体相变不依赖淬火过程,可以直接空冷至预设的相变温度点,更加精确的控制终冷温度,可解决低温淬火过程中因温度
应力以及冷却不均匀带来的板形问题。此外,获得的组织比例区别于传统Q&P钢,大量增加残余奥氏体的含量,使得材料在1100MPa以上仍然保持良好的塑性。
[0022] 2、本发明的低密度Fe-Mn-Al-C热轧Q&P钢及其制造方法,可灵活应用于现有的热连轧线以及先进轧制技术ESP(全无头)产线,轧制规程和传统热轧品种一致,并无特殊要求。同时,放宽热轧后的冷却控制,可以根据生产线长度采取适当的分段式冷却,如:全空冷或者先快速
水冷后空冷和
风冷等,更易实现终冷温度的控制。本发明为新一代热轧高品质Q&P钢提供新的研究思路和方向,具有广阔的应用前景。
附图说明
[0023] 图1是本
实施例1的热轧钢板的典型金相组织。
[0024] 图2是实施例1-4的XRD衍射峰;图中,横坐标2θ代表衍射
角(deg),纵坐标Intensity代表相对强度(a.u.)。
具体实施方式
[0025] 在具体实施过程中,本发明的低密度Fe-Mn-Al-C热轧Q&P钢及其制造方法如下:
[0026] 1)冶炼、铸造
[0027] 热轧Q&P钢的化学成分按重量百分比为:0.22~0.25%C,2.8%~3.2%Mn,1.8~2.2%Al,余量为Fe;按上述成分转炉或电炉冶炼+真空炉精炼,铸造成铸坯或锭。
[0028] 2)加热、热轧
[0029] 将铸坯或锭加热至1190~1210℃,保温1~1.5h,粗轧开轧温度在1170~1190℃,粗轧为2~3个道次,累计变形量为55%。待中间坯温度降低降至920~930℃时进行4~6道次精轧,终轧温度在870~890℃左右,累计变形量为78%。
[0030] 3)在线冷却及配分
[0031] 精轧后的轧件从870~890℃空冷却至280~340℃,随后,置于预先加热至280~340℃的电阻炉内,随炉冷却至室温。
[0032] 下面,通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
[0033] 本发明实施例中,采用150kg的真空熔炼炉,获得100kg的
铸锭,铸锭被锻成截面40×60mm的尺寸。力学性能测试采用的标准为GB/T228.1-2010,拉伸样的标距为25mm,室温下测试,拉伸速率为2mm/min。
[0034] 实施例1:
[0035] 本实施例中,低密度Fe-Mn-Al-C热轧Q&P钢成分按重量百分比为:C:0.23%,Mn:3.0%,Al:1.8%,其余为Fe。
[0036] 通过冶炼
锻造后,将钢坯加热至1200℃,保温1.5h后。在1190℃进行第一阶段轧制,然后空冷至920℃进行第二阶段轧制,终轧温度为880℃,空冷至340℃,随后随炉缓慢冷却至室温。
[0037] 经力学性能检测其性能指标如下:屈服强度为660MPa,抗拉强度为1135MPa,断后延伸率为19.20%,强塑积为21.790GPa.%。如图1所示,金相组织由铁素体、马氏体和残余奥氏体组成,铁素体的体积分数为14%,残余奥氏体的体积分数为23.25%,其余为马氏体。如图2所示,从XRD检测可以看出,存在几个明显的奥氏体衍射峰,(200)γ、(220)γ和(311)γ。
[0038] 实施例2:
[0039] 本实施例中,低密度Fe-Mn-Al-C热轧Q&P钢成分按重量百分比为:C:0.25%,Mn:2.8%,Al:2.0%,其余为Fe。
[0040] 通过冶炼锻造后,将钢坯加热至1200℃,保温1.5h后。在1180℃进行第一阶段轧制,然后空冷至925℃进行第二阶段轧制,终轧温度为870℃,空冷至320℃,随后随炉缓慢冷却至室温。
[0041] 经力学性能检测其性能指标如下:屈服强度为630MPa,抗拉强度为1151MPa,断后延伸率为20.5%,强塑积为23.595GPa.%。金相组织由铁素体、马氏体和残余奥氏体组成,铁素体的体积分数为14%,残余奥氏体的体积分数为21.92%,其余为马氏体。如图2所示,从XRD检测可以看出,存在几个明显的奥氏体衍射峰,(200)γ、(220)γ和(311)γ。
[0042] 实施例3:
[0043] 本实施例中,低密度Fe-Mn-Al-C热轧Q&P钢成分按重量百分比为:C:0.24%,Mn:2.9%,Al:2.2%,其余为Fe。
[0044] 通过冶炼锻造后,将钢坯加热至1210℃,保温1.5h后。在1170℃进行第一阶段轧制,然后空冷至930℃进行第二阶段轧制,终轧温度为890℃,空冷至300℃,随后随炉缓慢冷却至室温。
[0045] 经力学性能检测其性能指标如下:屈服强度为653MPa,抗拉强度为1161MPa,断后延伸率为19.20%,强塑积为22.290GPa.%。金相组织由铁素体、马氏体和残余奥氏体组成,铁素体的体积分数为13%,残余奥氏体的体积分数为24.16%,其余为马氏体。如图2所示,从XRD检测可以看出,存在几个明显的奥氏体衍射峰,(200)γ、(220)γ和(311)γ。
[0046] 实施例4:
[0047] 本实施例中,低密度Fe-Mn-Al-C热轧Q&P钢成分按重量百分比为:C:0.26%,Mn:3.0%,Al:1.9%,其余为Fe。
[0048] 通过冶炼锻造后,将钢坯加热至1200℃,保温1.5h后。在1180℃进行第一阶段轧制,然后空冷至920℃进行第二阶段轧制,终轧温度为885℃,空冷至280℃,随后随炉缓慢冷却至室温。
[0049] 经力学性能检测其性能指标如下:屈服强度为705MPa,抗拉强度为1196MPa,断后延伸率为19.5%,强塑积为23.322GPa.%。金相组织由铁素体、马氏体和残余奥氏体组成,铁素体的体积分数为13%,残余奥氏体的体积分数为21.85%,其余为马氏体。如图2所示,从XRD检测可以看出,存在几个明显的奥氏体衍射峰,(200)γ、(220)γ和(311)γ。
[0050] 实施例结果表明,本发明热轧Q&P钢加入足够的Mn含量避免空冷过程中扩散型相变,加入适量Al抑制碳化物析出并控制马氏体开始转变温度大于350℃,保证较高的卷取温度,以完成动态碳配分过程。实验钢在控制轧制后在线空冷至280~340℃,随后炉冷至室温,最终获得少量铁素体、马氏体和残余奥氏体的复相Q&P组织,抗拉强度≥1135MPa,延伸率>19%。与现有Q&P钢相比,本发明通过合理成分设计,降低实验钢密度,并且减弱马氏体相变对冷速的依赖,以空冷取代淬火过程,克服在线低温淬火(Ms以下)带来的组织性能不均匀及板形不良等难题。同时,本发明可实现在线动态配分,大幅度简化当前研究工艺,为高性能热轧Q&P钢的开发和生产提供新方法。