專利名稱：具有亞微米晶粒的低碳鋼或低合金鋼鋼板的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低碳鋼或低合金鋼鋼板制造方法，特別涉及亞微米晶粒(即晶粒直徑在1.0μm～0.1μm范圍內(nèi))的低碳鋼或低合金鋼。
背景技術(shù)：
低碳鋼和低合金鋼是鋼鐵材料應(yīng)用領(lǐng)域中使用量最廣泛的鋼種。為了提高鋼材的強(qiáng)度，通常的做法是添加Mn、Si等合金元素或進(jìn)行控制軋制、控制冷卻、熱處理等，亦或添加Nb、V等微合金元素。但是對(duì)于鋼材而言，不僅要求具有高的強(qiáng)度、高的韌性等其他良好的綜合性能，而且還需考慮到節(jié)約資源(合金元素少)和可持續(xù)使用(易回收再利用)等方面的問題。晶粒細(xì)化是為數(shù)不多的有效手段之一。但現(xiàn)有工業(yè)化生產(chǎn)超細(xì)晶粒鋼板的制造方法大多能獲得的晶粒最小尺寸大于4～5μm的鋼板。而有關(guān)超細(xì)晶粒鋼的最新專利也主要集中在微米級(jí)超細(xì)晶粒鋼上。如，成為超細(xì)晶粒鋼研究熱點(diǎn)的應(yīng)變誘導(dǎo)動(dòng)態(tài)相變技術(shù)，能夠獲得的最小鐵素體晶粒通常在1μm以上。也有不采用軋制方法，如歐洲專利申請(qǐng)?zhí)朎P0903412公開的一種方法，首先將＜0.3％C鋼加熱到Ac3以上溫度進(jìn)行奧氏體化，然后在Ar3以上溫度壓下50％以上，壓下時(shí)要求X、Y和Z三個(gè)方向同時(shí)或連續(xù)施壓，最后以高于3℃/s的速度冷卻，可以獲得晶粒尺寸小于3μm的超細(xì)組織。
要將大尺寸鋼鐵結(jié)構(gòu)材料的晶粒細(xì)化到1μm以下是有相當(dāng)難度的。迄今為止，獲得大尺寸納米及亞微米鋼鐵結(jié)構(gòu)材料的方法可以歸結(jié)為“強(qiáng)烈塑性變形”以及“大變形結(jié)合相變”兩大類。
強(qiáng)烈塑性變形是制備致密亞微米晶粒大尺寸塊體鋼鐵材料的主要方法，包括旋擠、等角擠壓、累積疊軋焊(accumulative roll-bonding)和多軸變形加工等。旋擠制備的材料通常是碟狀的，直徑和厚度分別為10～20mm和0.2～0.5mm。等角擠壓制備的通常是圓棒或方棒，長70～100mm，截面直徑或?qū)蔷€＜20mm。由Saito等[Scripta Materialia，39(1998)1221]提出的累積疊軋焊方法將薄板反復(fù)疊片、軋制并使其自動(dòng)焊合。晶粒平均直徑27μm的含鈦IF鋼板，在500℃經(jīng)過5次疊軋循環(huán)后，晶粒尺寸減小到0.5μm以下。但該方法不僅工序煩瑣，而且由于疊軋的各層之間存在界面而導(dǎo)致塑性惡化(拉伸延伸率比常規(guī)IF鋼低一個(gè)數(shù)量級(jí))。利用多軸變形加工(或三維壓力加工、多次間斷壓力加工)也可以將晶粒細(xì)化到亞微米級(jí)。Belyakov等[Materialia Transactions JIM，41(2000)476]在600℃(0.5Tm)以10-3s-1的應(yīng)變速率對(duì)AISI 304奧氏體不銹鋼進(jìn)行多次壓縮，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在低應(yīng)變至中應(yīng)變范圍內(nèi)，顯微組織的特征取決于具有高密度位錯(cuò)墻拉長亞晶粒的演化過程。隨著應(yīng)變的進(jìn)行，這些亞晶粒越來越趨向于等軸晶，同時(shí)亞晶界的位向差也逐漸增大，最終導(dǎo)致位向差20°以上、平均晶粒尺寸只有0.3μm超細(xì)組織的產(chǎn)生。不過，多軸變形加工方法能夠適應(yīng)的試樣尺寸有限。
大變形結(jié)合相變方法則利用了變形和相變兩者在細(xì)化組織方面的各自特點(diǎn)。Hayashi等[CAMP-ISIJ(The Iron and Steel Institute of Japan)，11(1998)1031]先將0.05％C-2.0％Mn鋼奧氏體化后水淬獲得馬氏體，640℃保溫后1道軋下50％，再加熱到640℃壓下50％或80％。結(jié)果表明，兩道軋制的方向一致的試樣形成沿軋制方向伸長的纖維狀晶粒組織；第二道軋制翻轉(zhuǎn)了90°角的試樣，總壓下量75％者形成了1μm的等軸晶，而總壓下量90％者形成了平均晶粒尺寸0.77μm的等軸亞微米晶。
使用大變形結(jié)合相變方法也可以獲得平均尺寸小于0.2μm的鋼鐵材料。例如，中國專利申請(qǐng)?zhí)朇N1272554公開的一種使用成分為C0.05～0.35、Mn＜1.0、Si＜0.30、Cr＜3.0、Mo＜1.0、V＜0.30的7mm厚鋼板，通過熱處理獲得低碳板條馬氏體、回火板條馬氏體或下貝氏體預(yù)備組織，板條的寬度要求控制在0.5μm以下；然后，在720℃以下多道次或單道次溫軋或冷軋，總壓下量要求大于65％；最后，在550～720℃再結(jié)晶退火1.5～24小時(shí)。結(jié)果可以獲得晶粒尺寸小于50nm的鋼板。使用類似方法，Tsuji等[Scr.Mater.，46(2002)305]首先在1000℃將2mm厚的SS400鋼試板保溫0.5小時(shí)，然后水淬獲得低碳板條馬氏體組織，相應(yīng)的原奧氏體晶粒直徑為200μm。接著，將試板冷軋50％，再在200～700℃退火0.5小時(shí)，最終獲得晶粒直徑約為0.18μm的超細(xì)組織。但是，當(dāng)基體相晶粒如此細(xì)小(平均尺寸在0.2μm以下)時(shí)，反而會(huì)出現(xiàn)致命弱點(diǎn)—塑性不穩(wěn)定性，即在屈服后只有很小的加工硬化效應(yīng)，從而導(dǎo)致低的均勻拉伸延伸率和高的屈服強(qiáng)度比(屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比往往高于0.9)[Jingtianfu等Journal of Materials Science Letters，16(1997)485、Tsuji等Scr.Mater.，46(2002)305]。因此，基體相晶粒過于細(xì)小的鋼鐵材料不僅制造困難或制造成本高，而且存在嚴(yán)重的缺陷和應(yīng)用局限性。綜上所述，現(xiàn)有的各種亞微米晶粒鋼的制備方法中，有些不具備規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；有些則在規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)上實(shí)施存在著難以克服的困難，如制造工藝過于復(fù)雜、對(duì)設(shè)備工藝要求過高、以及對(duì)原始坯料厚度有一定的要求而停留在非生產(chǎn)階段。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有亞微米晶粒鋼在制造方面存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于具有亞微米晶粒的低碳鋼或低合金鋼鋼板制造方法，可利用普通軋機(jī)，獲得的低碳鋼或低合金鋼的晶粒尺寸為亞微米級(jí)，即晶粒直徑在1.0μm～0.1μm范圍內(nèi)，亞微米晶粒分布于鋼板表面至板厚中心的全板厚截面上，同時(shí)具有良好的組織穩(wěn)定性，晶粒不易長大；且生產(chǎn)率高、適應(yīng)性強(qiáng)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明亞微米晶粒低碳鋼或低合金鋼鋼板制造方法，包括如下步驟a.奧氏體化處理將原始鋼坯料在Ac3溫度以上保溫一定時(shí)間使鋼坯料完全奧氏體化；b.熱軋?jiān)诟哂贏r3溫度下進(jìn)行熱軋，累積壓下量在40～90％；c.快速冷卻熱軋后進(jìn)行快速冷卻，至600℃到室溫的溫度范圍；d.溫軋或冷軋?jiān)?00℃至室溫的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行溫軋或冷軋，累積壓下量在40％以上；e.軋制結(jié)束后，可以立即進(jìn)行冷卻或保溫一定時(shí)間進(jìn)行組織調(diào)整，然后再進(jìn)行冷卻或卷板。
其中，Ac3為珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的起始溫度，Ar3為奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的起始溫度。
上述步驟中，在步驟a的奧氏體化處理階段，首先將鋼坯料在Ac3之上的某一溫度，以便完全奧氏體化。既可以將板坯料重新加熱至上述溫度區(qū)間，也可以將連鑄坯直接冷卻到上述溫度區(qū)間，或?qū)⒔?jīng)過粗軋后的板坯冷卻到上述溫度區(qū)間。為了避免奧氏體晶粒粗化，溫度不宜太高；同時(shí)，選擇合理的保溫時(shí)間以保證奧氏體的均勻化以及抑制奧氏體晶粒長大。
步驟b對(duì)坯料進(jìn)行熱軋，以進(jìn)一步細(xì)化晶粒。軋制過程中，如溫度在Tnr(Tnr為奧氏體非再結(jié)晶溫度)以上，則晶粒會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，奧氏體晶粒被細(xì)化。熱軋溫度在Tnr之下且在Ar3之上時(shí)，軋后奧氏體晶粒由于沒有發(fā)生再結(jié)晶而被拉長，且在相變溫度以上的冷卻過程中保持不變；但冷卻到相變溫度之下后會(huì)發(fā)生相轉(zhuǎn)變，仍可促使晶粒得到細(xì)化。上述熱軋的終軋溫度應(yīng)在Ar3相變點(diǎn)以上，如終軋溫度低于Ar3，會(huì)危害鋼板最終的塑性和韌性，也會(huì)增加軋機(jī)的負(fù)荷。
熱軋既可以單道次進(jìn)行，也可以分若干道次進(jìn)行。但軋制道次會(huì)影響晶粒的細(xì)化程度。當(dāng)在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶溫度區(qū)域(Tnr以上)軋制時(shí)，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的次數(shù)越多，奧氏體晶粒細(xì)化越好。因此，連續(xù)多道次軋制是合適的，但需綜合考慮軋制過程中存在的種種影響因素，以確定最佳連續(xù)軋制道次的次數(shù)。通常情況下，連續(xù)1～4道次軋制是理想的。
壓下量也是熱軋過程中影響晶粒細(xì)化程度的重要因素。當(dāng)在再結(jié)晶溫度區(qū)域(Tnr以上)軋制，如每道次壓下量太小，不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。而當(dāng)在非再結(jié)晶溫度區(qū)域(Tnr～Ar3)軋制，如累積壓下量不夠，奧氏體晶粒變形量小，從而影響相變后晶粒的細(xì)化程度。因此為獲得良好細(xì)化的晶粒，軋制過程中每道次壓下量與累積壓下量必須要足夠大每道次壓下量應(yīng)大于20％，累積壓下量在40～90％。
熱軋結(jié)束后需快速冷卻，冷卻速度應(yīng)大于50℃/s。此時(shí)，鋼的顯微組織中至少含有馬氏體相或貝氏體相中的一種；顯微組織的組成依賴于鋼的化學(xué)組成、熱軋工藝以及隨后的冷卻工藝。通常，經(jīng)上述熱軋及快速冷卻后得到微米級(jí)(即晶粒直徑在1.0μm以上)晶粒尺寸的顯微組織。
上述微米晶粒鋼板仍需在600℃至室溫的溫度范圍內(nèi)作進(jìn)一步軋制，累積壓下量需在40％以上。軋制過程中，大變形的晶粒可能會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；或者，在隨后過程以及后續(xù)熱處理中也可能會(huì)發(fā)生再結(jié)晶，進(jìn)而得到亞微米晶粒鋼板。在上述軋制過程以及熱處理過程中，形成的細(xì)小彌散分布的滲碳體(尺寸小于0.2μm)能夠提高再結(jié)晶的形核率和阻礙晶界的移動(dòng)，起到細(xì)化晶粒作用。同時(shí)也可以提高顯微組織的穩(wěn)定性，顯著抑制亞微米晶粒的長大。
步驟d的溫軋或冷軋既可以單道次進(jìn)行，也可以分若干道次進(jìn)行。鑒于溫度較低，為降低對(duì)使用軋制設(shè)備的過高要求，采用連續(xù)多道次軋制是適宜的。但累積壓下量必須要在40％以上。
上述軋制結(jié)束后既可以立即進(jìn)行冷卻或卷板，也可在某一溫度下保持一定時(shí)間，進(jìn)行組織調(diào)整，然后再進(jìn)行冷卻或卷板。
經(jīng)上述步驟得到的鋼板，還可以利用熱處理工藝作進(jìn)一步處理，以獲得更為理想的綜合機(jī)械性能；但熱處理溫度不宜超過600℃，保溫時(shí)間不宜超過1.5小時(shí)。
本發(fā)明的有益效果，與現(xiàn)有超細(xì)晶粒鋼制備方法相比，1.現(xiàn)有方法制備的鋼板基體相的晶粒通常直徑為微米級(jí)，本發(fā)明制備的鋼板基體相的晶粒直徑在1.0μm～0.2μm范圍；同時(shí)，本發(fā)明制備的鋼板的基體相中還存在彌散分布的直徑小于0.2μm的滲碳體顆粒(尺寸小于0.2μm)來阻止晶粒長大、提高晶粒細(xì)化程度并提高組織穩(wěn)定性。
2.本發(fā)明的制造方法，首先利用熱軋快冷工藝初步細(xì)化晶粒并得到理想顯微組織，具有較寬的熱軋溫度范圍，而其它現(xiàn)有技術(shù)通常因?yàn)閷?duì)熱軋的溫度范圍要求比較苛刻，往往在軋制過程中由于溫度降低過快而影響了晶粒細(xì)化，所以會(huì)需要其它輔助加熱裝置。本發(fā)明則突破了這種限制。
3.本發(fā)明的制造方法，熱軋快冷結(jié)束后，直接在600℃至室溫溫度范圍進(jìn)行溫軋或冷軋便可獲得亞微米晶粒鋼板，而無需進(jìn)行其它工藝處理(如熱處理)，方法簡(jiǎn)便易行；且放寬了對(duì)溫軋或冷軋工藝之前板坯中顯微組織結(jié)構(gòu)的要求。
4.本發(fā)明的制造方法，600℃及其以下溫度溫軋后可與卷板工藝連接組合進(jìn)行，能夠顯著提高生產(chǎn)效率。
5.本發(fā)明的制造方法可得到表面至心部的全板厚截面上晶粒的平均直徑均在亞微米級(jí)鋼板；同時(shí)，所獲得的亞微米晶粒具有良好的組織穩(wěn)定性，晶粒長大傾向小。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例EX3組沿軋制方向板縱截面鋼板試樣中心區(qū)掃描電子顯微鏡照片。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例EX3組平行于軋制面方向鋼板試樣中心區(qū)透射電子顯微鏡照片。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例EX4組沿軋制方向板縱截面鋼板試樣中心區(qū)掃描電子顯微鏡照片。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例EX1～8的鋼板的化學(xué)成分參見表1，工藝條件參數(shù)參見表2。在鋼板板厚中心處取樣，使用掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)進(jìn)行分析，觀察亞微米晶粒鋼板的晶粒大小及其形貌。
因?yàn)楸景l(fā)明方法制備的鋼板的亞微米晶粒大小沿板厚方向由表面至心部是逐漸變大的，即近表面處晶粒較細(xì)，板厚中心區(qū)較粗；所以本專利的實(shí)施例在這些鋼板板厚中心處取樣，著重觀察亞微米晶粒鋼板心部晶粒的尺寸大小。晶粒尺寸采用體視金相學(xué)中的截點(diǎn)法測(cè)定，板厚中心區(qū)晶粒平均直徑尺寸測(cè)試結(jié)果列于表2中的最后一列。
圖1給出了實(shí)施例EX3組試樣的SEM照片，圖中彌散分布的白色顆粒為滲碳體，滲碳體顆粒直徑均小于0.2μm；可見，各區(qū)域的晶粒沿軋制方向都有不同程度的拉長，呈纖維狀。同時(shí)，鋼板中存在著彌散分布的尺寸小于0.2μm的細(xì)小滲碳體顆粒。然而，用TEM觀察，這些纖維狀晶粒中還包含有小晶粒，如圖2所示，這些晶粒都是在制備過程中形成的等軸晶。
圖3給出了使用本發(fā)明制造方法制備的、并進(jìn)一步采用550℃保溫1小時(shí)后續(xù)熱處理工藝獲得的鋼板(EX4組試樣)組織的SEM照片(圖中彌散分布的白色顆粒為滲碳體)。從中看出經(jīng)過550℃保溫1小時(shí)退火后，鋼板晶粒的平均直徑由軋制態(tài)的0.40μm增大到0.70μm，仍然保持在亞微米尺度；并且均為等軸晶。同樣，鋼板中存在著彌散分布的尺寸小于0.2μm的細(xì)小滲碳體顆粒?？梢?，本發(fā)明獲得的亞微米超細(xì)晶粒具有非常好的組織穩(wěn)定性。
綜上所述，本發(fā)明的制造方法不僅具有著良好的晶粒細(xì)化效果，而且所形成的晶粒細(xì)小、均勻、穩(wěn)定好。
表1

表2 實(shí)施例的參數(shù)及其測(cè)試結(jié)果

權(quán)利要求
1.具有亞微米晶粒的低碳鋼或低合金鋼鋼板的制造方法，包括如下步驟a.奧氏體化處理將原始鋼坯料在Ac3溫度以上保溫一定時(shí)間使鋼坯料完全奧氏體化；b.熱軋?jiān)诟哂贏r3溫度下進(jìn)行熱軋，累積壓下量在40～90％；c.快速冷卻熱軋后進(jìn)行快速冷卻，至600℃到室溫的溫度范圍；d.溫軋或冷軋?jiān)?00℃至室溫的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行溫軋或冷軋，累積壓下量在40％以上；e.軋制結(jié)束后，可以立即進(jìn)行冷卻或保溫一定時(shí)間后再進(jìn)行冷卻或卷板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有亞微米晶粒的低碳鋼或低合金鋼鋼板的制造方法，其特征在于，上述步驟完成后還可采用熱處理工藝作進(jìn)一步后續(xù)處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有亞微米晶粒的低碳鋼或低合金鋼鋼板的制造方法，其特征在于，所述的步驟b中熱軋工藝可以單道次，也可以連續(xù)若干道次進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有亞微米晶粒的低碳鋼或低合金鋼鋼板的制造方法，其特征在于，所述的步驟b中熱軋工藝優(yōu)選為連續(xù)1～4道次軋制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3或4所述的具有亞微米晶粒的低碳鋼或低合金鋼鋼板的制造方法，其特征在于，所述的步驟b中熱軋工藝單道次壓下量大于20％，累積壓下量為40～90％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有亞微米晶粒的低碳鋼或低合金鋼鋼板的制造方法，其特征在于，所述的步驟c冷卻速度大于50℃/s。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有亞微米晶粒的低碳鋼或低合金鋼鋼板的制造方法，其特征在于，所述的步驟d中溫軋或冷軋可以單道次進(jìn)行，也可以分若干道次進(jìn)行，優(yōu)選為連續(xù)多道次軋制。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的具有亞微米晶粒的低碳鋼或低合金鋼鋼板的制造方法，其特征在于，所述的步驟d中溫軋或冷軋工藝的累積壓下量在40％以上。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有亞微米晶粒的低碳鋼或低合金鋼鋼板的制造方法，其特征在于，所述的熱處理工藝中熱處理溫度低于600℃，保溫時(shí)間不超過1.5小時(shí)。
全文摘要
具有亞微米晶粒的低碳鋼或低合金鋼鋼板的制造方法，包括如下步驟將原始鋼坯料在Ac
文檔編號(hào)C21D8/04GK1566376SQ0312948
公開日2005年1月19日 申請(qǐng)日期2003年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月24日
發(fā)明者畢剛, 宋洪偉, 史弼, 張俊寶, 曹涵清 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司