專利名稱：一種納米結構超高強塑性低合金鋼及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及低合金鋼的微觀組織控制及超高強塑性材料的制備方法，尤其涉及通過控制軋制技術及熱處理技術的相結合得到含有鋯、鑰、鈮、鈦低合金鋼的納米級的高性能鋼及其制備方法。
背景技術：
近年來，人們對生產具有高強度并伴隨高韌性的超細晶粒(UFG)鋼的興趣日益濃厚。許多研究室投入了大量精力以期望用最少的合金成本生產出UFG鋼。一般來說目前主要有兩種方法生產超細晶粒鋼，第一種方法是建立在大塑性變形(SPD)基礎上，如高壓下的扭轉應變(HPT)、等通道角壓縮(ECAP)、金屬粉末機械研磨、多重壓縮、積累疊扎(ARB)等。盡管使用這些方法都能獲得I U m以下的超細晶粒組織，但是這些過程都需要專用的設備和技術，另外還需要對材料施加足夠大的應變(e ^ 4)才能形成超細晶粒組織。而且，這些方法絕大部分無法再連續(xù)制造工藝過程中實施。第二種方法包括先進的熱力學處理。利用替代策略產生超細晶粒顯微組織。例如，變形感生晶粒部分可以導致超細晶粒的形成。近年來，S.M.H0SSEINI、Ahamad KERMANPUR等使用傳統的軋制設備通過對冷軋馬氏體進行退火在低碳鋼中獲得了超細晶粒。在這種冷軋馬氏體-退火方法中馬氏體相變位錯和冷軋馬氏體變形位錯之間的相互作用形成了具有大角度取向差的胞狀結構，使得能在較小塑性變形量情況下形成超細晶粒組織。但是，目前對在這一過程中胞狀結構形成機制尚不明確。同時，超細晶粒鋼鐵材料的強度對其晶粒尺度很敏感，在退火過程中晶粒的長大直接會導致強度的急劇下降。60年代以來，材料科技工作者成功地開發(fā)了微合金鋼的控制軋制技術，特別是在低碳含鈮的微合金鋼中，通過奧氏體未再結晶區(qū)控制軋制可以有效地增加形變奧氏體的晶界、形變帶和位錯孿晶等晶體缺陷，從而提高鐵素體相變的形核率，細化鐵素體組織。目前，利用該技術在工業(yè)化生產中可將晶粒組織控制在3 5 ym，但要進一步提高材料的性能，就需要從材料的化學成分、母相的組織結構，軋制的變形量、溫度以及后續(xù)的熱處理進行多方面的控制。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種高性能低合金鋼，此低合金鋼的微觀組織為納米級，具有較高的強度和塑性，并且此低合金鋼的制備未用到特殊的設備，只采用了控制軋制工藝，所以此技術適于工業(yè)化生產。為實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案。一種納米結構超高強塑性低合金鋼的制備方法，將低合金鋼進行均熱處理后，進行再結晶區(qū)和未再結晶區(qū)的兩階段控軋，再結晶區(qū)的軋制累積變形量大于60%，中間坯空冷到980±30°C，再進行未再結晶區(qū)軋制，其壓縮比保持在5倍以上，軋制后將坯料進行層流冷卻得板條貝氏體后進行等溫淬火處理得貝氏體組織，隨后進行變形量為60-90%冷變形處理后，將坯料進行回火快冷處理得到超高強塑性低合金鋼。本發(fā)明中所述的一種納米結構超高強塑性低合金鋼的制備方法包括以下工藝步驟(I)對低合金鋼坯料加熱到1150 1250°C，保溫100-300分鐘，進行均熱處理，使其完全奧氏體化；(2)對坯料立即進行兩階段控制軋制，即再結晶區(qū)軋制和未再結晶區(qū)軋制，再結晶區(qū)軋制，變形速率大于5s—1，累積變形量大于60%，中間坯空冷到980±30°C，再進行未再結晶區(qū)軋制，使未再結晶區(qū)軋制壓縮比保持在5倍以上，終軋溫度控制在810 830°C范圍內；(3)對鋼板進行層流冷卻，冷卻速度范圍控制在15 25°C /s之間，終冷溫度控制在350°C 600°C范圍內，將層流冷卻后的鋼板空冷至室溫； (4)將鋼板進行等溫淬火處理，加熱到900-930 0C保溫10-30分鐘，然后在3000C _500°C鹽浴爐中等溫淬火，時間10-25分鐘，而后冷卻到室溫；(5)對鋼板進行冷變形處理，累計變形量為60-90% ；(6)將冷變形鋼進行回火處理，回火溫度500°C _700°C，時間10-100分鐘，而后水
冷得超高強塑性低合金鋼。本發(fā)明所述的制備方法，優(yōu)選方案為，在均熱化處理后對坯料進行去鱗處理。本發(fā)明所述的制備方法，優(yōu)選方案為，所述低合金鋼中含有微量的鋯、鑰、鈮、鈦。一種納米結構超高強塑性低合金鋼，通過上述制備方法制得。本發(fā)明所述的納米結構超高強塑性低合金鋼，所述低合金鋼的化學成分(以重量百分比計)為 C 0. 04 0. 12%、Si 0.1 0.4%、Mn I. 5 2. 0 %、P < 0. 012 %、S< 0. 005%,Ti 0. 01 0. 02%、Mo 0.2 0.5%、Nb 0. 05 0. I %，ZrO. 008-0. 012%，余量為Fe及不可避免的夾雜。本發(fā)明所述的納米結構超高強塑性低合金鋼，所述低合金鋼的組織為鐵素體，其平均晶粒尺寸為50-150nm。本發(fā)明所述的納米結構超高強塑性低合金鋼，所述低合金鋼的性能指標為，屈服強度Rel彡1050MPa，抗拉強度Rm彡1150MPa，延伸率A彡10%。為實現本發(fā)明的上述目的，對以下的技術關鍵點進行了有效控制。I)對低合金鋼化學成分的控制通過添加微量鋯含量(0. 008-0. 012wt% )并復合添加鑰、鈮、鈦的低碳鐵素體鋼板。2)再結晶區(qū)軋制的影響在再結晶區(qū)變形，隨變形量的增加，奧氏體再結晶晶粒細化效果明顯，并隨變形量的逐步加大，再結晶晶粒細化效果逐漸減緩；變形量達到60%左右時，晶粒尺寸基本達到一個近極限狀態(tài)，再次增加變形量，奧氏體再結晶晶粒細化效果不明顯。研究表明，再結晶區(qū)軋制，變形速率在大于5s—1，終軋溫度在1050°C左右時，變形量大于60%時，可獲得平均尺寸小于25 ii m的奧氏體晶粒。3) 二次相的有效控制在1020°C 1080°C中間坯空冷，鋯的氧化物第二相析出明顯，奧氏體晶界得到了有效釘扎，晶粒穩(wěn)定性良好，不會發(fā)生明顯的粗化現象。 4)未再結晶區(qū)軋制的影響980±30°C開始進行未再結晶區(qū)軋制，壓縮比保持在5倍以上，即可獲得寬度小于10 ii m扁平奧氏體晶粒。當扁平奧氏體晶粒寬度小于IOiim時，相變后的板條組織得到有效細化，鋼板強塑性能同步提高。 5)軋后冷卻階段在15°C /s 25°C /s的冷卻速度范圍內均可以得到貝氏體組織。隨著冷卻速度的提高，貝氏體開始相變溫度相應降低，冷卻速度從15°C /s增大至25°C /s，且隨著冷卻速度的增加，顯微組織逐漸由粒狀貝氏體向板條貝氏體，且相變組織越加細小。終冷溫度設定為350°C 600°C。本發(fā)明與現有技術相比有益效果是通過對各細晶因素的有效控制，所得到的鐵素體低合金鋼的平均晶粒尺寸可以控制在50-150nm范圍之內，為納米級組織；最終產品的屈服強度Rel彡1050MPa，抗拉強度Rm彡1150MPa，延伸率A彡10 %，其強塑性同步提高；并且該工藝未用到特殊的設備，而是通過控軋控冷淬火冷變形回火工藝在傳統機械上實現了低合金鋼的細化，所以其適用于工業(yè)化生產。說明書附I為實施例I壓扁的原始奧氏體晶粒光學金相照片。圖2為實施例I等溫淬火形成的板條狀貝氏體組織的SEM照片。圖3為實施例I經過70 %冷變形后板條束形貌SEM照片。圖4為實施例I經過550°C回火后超細鐵素體SEM照片。圖5為實施例2經過80 %冷變形后板條束形貌SEM照片。圖6為實施例2經過500°C回火后超細鐵素體SEM照片。
具體實施例方式下面通過優(yōu)選實施例對本發(fā)明的技術方案做進一步說明，但不應將其理解為對本發(fā)明保護范圍的限制。實施例I :將化學成分按重量百分數計，C0. 073%, Si 0. 25%, Mn I. 6%, P 0. 010%, Ti
0.015%, S 0. 005%, Mo 0. 35%, Nb 0. 08%，ZrO. 01 %余量為 Fe 及不可避免的夾雜，鋼水模鑄成錠后，鍛造為厚度為80mm的坯料。把坯料在1200°C均熱，保溫240分鐘后進行去磷處理，再進行兩階段控軋。再結晶區(qū)開軋溫度是1189°C，變形速率為5s'經多道次軋制后，再結晶區(qū)終軋溫度為1040°C，變形量為65%，中間坯厚度控制在28mm。未再結晶區(qū)軋制開軋溫度為980°C，經多道次軋制后，達到最終產品厚度4mm，壓縮比為7，終軋溫度為820°C。終軋后層流冷卻，冷卻速度為23°C /s，終冷溫度為450°C。終軋后空冷至室溫。對出爐后的鋼板進行等溫淬火處理，加熱到920°C，保溫20分鐘，而后在400°C鹽浴爐中等溫淬火，時間20分鐘，生成貝氏體組織。在平面應變熱模擬機上對貝氏體鋼板進行冷變形處理，累計變形量為70 %，將冷變形鋼進行回火處理，回火溫度550°C，時間30分鐘，水冷，最終得到具有納米尺度的超細晶粒鋼。對最終產品進行力學試驗測試，其屈服強度Rel = 1080MPa，抗拉強度Rm =1180MPa，延伸率A = 11. 2%。如圖I所示為壓扁的原始奧氏體晶粒，其扁平的晶界寬度大約為5 u m,板條組織得到有效細化。圖2為400°C鹽浴淬火，得到板條寬度小于I U m的貝氏體組織，圖3為經過70%冷變形后組織，圖4所示為實例I最終產品的SEM觀察顯示，鋼板最終晶粒尺寸為80nm,其為超細鐵素體鋼。實施例2 將實施例I軋制后的鋼板在平面應變熱模擬機上對其進行冷變形處理，累計變形量為80%，將冷變形鋼進行回火處理，回火溫度500°C，時間30分鐘，快冷，最終得到具有納米尺度的超細晶粒鋼。對最終產品進行力學試驗測試，其屈服強度Rel = 1102MPa，抗拉強度Rm =1190MPa，延伸率A = 10. 5%。圖5為經過80%冷變形組織，圖6所示為實例2最終產品的SEM觀察，鋼板最終平均晶粒尺寸為60nm，其為鐵素體鋼。實施例3 將化學成分按重量百分數計，C 0.04%, Si 0.4 %、Mn 2. 0 P 0.010%,TiO. 01%, S 0. 005%, Mo 0.5%、Nb 0. I%，ZrO. 012%余量為 Fe 及不可避免的夾雜，鋼水模鑄成錠后，鍛造為厚度為80mm的坯料。把坯料在1150°C均熱，保溫300分鐘后進行去磷處理，再進行兩階段控軋。再結晶區(qū)開軋溫度是1148°C，變形速率為5s'經多道次軋制后，再結晶區(qū)終軋溫度為1032°C，變形量為65%，中間坯厚度控制在28mm。未再結晶區(qū)軋制開軋溫度為950°C，經多道次軋制后，達到最終產品厚度4mm，壓縮比為7，終軋溫度為810°C。終軋后層流冷卻，冷卻速度為15°C /s，終冷溫度為600°C。終軋后空冷至室溫。對出爐后的鋼板進行等溫淬火處理，加熱到930°C，保溫10分鐘，而后在500°C鹽浴爐中等溫淬火，時間10分鐘，生成貝氏體組織。在平面應變熱模擬機上對貝氏體鋼板進行冷變形處理，累計變形量為60 %，將冷變形鋼進行回火處理，回火溫度700°C，時間10分鐘，水冷，最終得到具有納米尺度的超細晶粒鋼。對最終產品進行力學試驗測試，其屈服強度Rel = 1050MPa，抗拉強度Rm =1150MPa，延伸率A = 13. 2%。鋼板最終晶粒尺寸為llOnm，其為超細鐵素體鋼。實施例4 將化學成分按重量百分數計，C 0.12 %、Si 0. I %, Mn I. 6 P 0.010%,TiO. 02%,S 0. 005%,Mo 0. 2%,Nb 0. 05%，ZrO. 008%余量為 Fe 及不可避免的夾雜，鋼水模鑄成錠后，鍛造為厚度為80mm的坯料。把坯料在1250°C均熱，保溫100分鐘后進行去磷處理，再進行兩階段控軋。再結晶區(qū)開軋溫度是1239°C，變形速率為5s'經多道次軋制后，再結晶區(qū)終軋溫度為1042°C，變形量為65%，中間坯厚度控制在28mm。未再結晶區(qū)軋制開軋溫度為950°C，經多道次軋制后，達到最終產品厚度4mm，壓縮比為7，終軋溫度為825°C。終軋后層流冷卻，冷卻速度為25°C /s，終冷溫度為350°C。終軋后空冷至室溫。對出爐后的鋼板進行等溫淬火處理，加熱到900°C，保溫30分鐘，而后在300°C鹽浴爐中等溫淬火，時間25分鐘，生成貝氏體組織。在平面應變熱模擬機上對貝氏體鋼板進行冷變形處理，累計變形量為90 %，將冷變形鋼進行回火處理，回火溫度500°C，時間100分鐘，水冷，最終得到具有納米尺度的超細晶粒鋼。對最終產品進行力學試驗測試，其屈服強度Rel = 1015MPa，抗拉強度Rm =、1140MPa，延伸率A = 10%。鋼板最終晶粒平均尺寸為130nm，其為超細鐵素體鋼。
權利要求
1.一種納米結構超高強塑性低合金鋼的制備方法，其特征在于，將低合金鋼進行均熱處理后，進行再結晶區(qū)和未再結晶區(qū)的兩階段控軋，再結晶區(qū)的軋制累積變形量大于60%，中間坯空冷到980±30°C，再進行未再結晶區(qū)軋制，其累計變形量大于80%，軋制后將坯料進行層流冷卻得板條貝氏體后進行等溫淬火處理得貝氏體組織，隨后進行變形量為60-90 %冷變形處理后，將坯料進行回火水冷處理得到超高強塑性低合金鋼。
2.根據權利要求I所述的一種納米結構超高強塑性低合金鋼的制備方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)對低合金鋼坯料加熱到1150 1250°C，保溫100-300分鐘，進行均熱處理，使其完全奧氏體化； (2)對坯料立即進行兩階段控制軋制，即再結晶區(qū)軋制和未再結晶區(qū)軋制，再結晶區(qū)軋制，變形速率大于5s'累積變形量大于60%，中間坯空冷到980±30°C，再進行未再結晶區(qū)軋制，使未再結晶區(qū)其累計變形量大于80%，終軋溫度控制在810 830°C范圍內； (3)對鋼板進行層流冷卻，冷卻速度范圍控制在15 25V/s之間，終冷溫度控制在350°C 600°C范圍內，將層流冷卻后的鋼板空冷至室溫； (4)將鋼板進行等溫淬火處理，加熱到900-9300C保溫10-30分鐘，然后在3000C _500°C鹽浴爐中等溫淬火，時間10-25分鐘，而后冷卻到室溫； (5)對鋼板進行冷變形處理，累計變形量為60-90%； (6)將冷變形鋼進行回火處理，回火溫度500°C_700°C，時間10-100分鐘，而后水冷，獲得超高強塑性低合金鋼。
3.根據權利要求I或2所述的一種納米結構超高強塑性低合金鋼的制備方法，其特征在于，在均熱化處理后對坯料進行去鱗處理。
4.根據權利要求I或2所述的一種納米結構超高強塑性低合金鋼的制備方法，其特征在于，所述低合金鋼中含有微量的鋯、鑰、鈮、鈦。
5.一種納米結構超高強塑性低合金鋼，其特征在于，通過權利要求I或2的制備方法制得。
6.根據權利要求5所述的一種納米結構超高強塑性低合金鋼，其特征在于，所述低合金鋼的化學成分(以重量百分比計)為C 0.04 0. 12%、Si 0.1 0.4%、Mn I. 5 2.0%,P < 0. 012%,S ≤0. 005%,Ti 0. 01 0. 02%、Mo 0.2 0.5%、Nb 0.05 0.1%，ZrO. 008-0. 012%，余量為Fe及不可避免的夾雜。
7.根據權利要求5所述的一種納米結構超高強塑性低合金鋼，其特征在于，所述低合金鋼的組織為鐵素體，其平均晶粒尺寸在50-150nm范圍。
8.根據權利要求5所述的一種納米結構超高強塑性低合金鋼，其特征在于，所述低合金鋼的性能指標為，屈服強度Rel≥1050MPa，抗拉強度Rm≥1150MPa，延伸率A≥10%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米結構超高強塑性低合金鋼及其制備方法，其制備工藝是將低合金鋼進行均熱處理后，進行再結晶區(qū)和未再結晶區(qū)的兩階段控軋，軋制后將坯料進行層流冷卻得板條貝氏體后進行等溫淬火處理得貝氏體組織，隨后進行冷變形處理后，最終回火水冷處理得到超高強塑性低合金鋼。此低合金鋼的平均晶粒尺寸在50-150nm范圍；屈服強度Rel≥1050MPa，抗拉強度Rm≥1150MPa，延伸率A≥10％，其強塑性同步提高；并且該工藝未用到特殊的設備，而是通過控軋控冷淬火冷變形回火工藝在傳統機械上實現了低合金鋼的細化，所以其適用于工業(yè)化生產。
文檔編號C22C38/14GK102643969SQ20121012748
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月26日 優(yōu)先權日2012年4月26日
發(fā)明者唐荻, 楊善武, 梁國俐, 武會賓 申請人:北京科技大學