一種亞晶界強化的高強度含Ti無間隙原子鋼及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于冶金【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種亞晶界強化的高強度含Ti無間隙原子鋼及其制備方法。其化學(xué)成分，按重量百分比為：Mn0.12~0.16%，Ti0.08~0.10%，余量為Fe和不可避免雜質(zhì)；亞晶界強化的高強度含鈦無間隙原子鋼的抗拉強度為540~710MPa，屈服強度為510~600MPa；其微觀結(jié)構(gòu)為等軸鐵素體晶粒，晶粒的直徑在20~30μm，幾何必要位錯界面之間的間距是300~500nm，胞狀結(jié)構(gòu)的尺寸400~800nm。其制備方法是將金屬Fe、金屬Mn及金屬Ti熔煉、澆注成鑄錠，再進行固溶處理，進行熱軋，得到熱軋板，進行得到薄鋼板，對薄鋼板進行退火，得到亞晶界強化的高強度含鈦無間隙原子鋼產(chǎn)品。本發(fā)明的原子鋼材料具有很高的強度及較好的塑性變形能力，對迅速發(fā)展的汽車工業(yè)，機械制造業(yè)等【技術(shù)領(lǐng)域】的發(fā)展具有重要價值。
【專利說明】一種亞晶界強化的高強度含Ti無間隙原子鋼及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于冶金【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種亞晶界強化的高強度含Ti無間隙原子鋼及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋼是所有金屬中用途最廣泛的一種材料，在航空、核能、艦船、石化等工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，鋼材的性能與人們的生活安全密切相關(guān)。目前，汽車工業(yè)用鋼的開發(fā)主要致力于提高鋼的強度并保持其成形性。研發(fā)質(zhì)量輕、耐沖擊的運輸工具體系的新設(shè)計理念要求開發(fā)強度高及能量吸收能力優(yōu)良、比質(zhì)量輕的材料。提高強度可以減輕汽車的重量(滿足節(jié)能環(huán)保需求)，而提高塑性則可滿足復(fù)雜車型設(shè)計及提高駕乘安全性能的需求。但由于我國鋼鐵企業(yè)對一些汽車用高附加值鋼材產(chǎn)品生產(chǎn)能力不足，尤其是用量最大的車用板材長期依賴進口，對于急缺的汽車高檔冷軋薄板等產(chǎn)品來說，目前60%以上依靠進口。為打破進口汽車板長期高價位壟斷國內(nèi)市場的局面，國內(nèi)以寶鋼、武鋼為代表的鋼鐵企業(yè)正在加大汽車用無間隙原子(IF)鋼板的生產(chǎn)和研發(fā)力度。我國具有I 500 mm以上寬帶熱連軋機和冷連軋機設(shè)備條件的寶鋼、武鋼、鞍鋼和本鋼都在新建或改造中完成了冶煉高純凈鋼所需的配套設(shè)備，今后幾年這四大鋼公司將使中國汽車板生產(chǎn)的硬件條件達(dá)到世界先進水平。
[0003]減重、節(jié)能是現(xiàn)代汽車的主要發(fā)展趨勢，汽車自重減少1%，能耗可降低0.6~1.0%。而汽車用鋼板 減薄是汽車減重的主要途徑。汽車用深沖板的主要需求是成型性好、耐腐蝕能力強、表面光潔、強度高和厚度小。近年來，汽車用鋼板高強度化成為一種趨勢。以IF鋼為代表的超低碳深沖鋼是目前沖壓性能最優(yōu)異的鋼板，稱為第三代深沖板，汽車制造業(yè)是IF鋼鋼板的最大用戶之一。IF鋼的技術(shù)特征主要反映在在優(yōu)良的成形性能上。即高的塑性應(yīng)變比，值、高的均勻延伸率、低的屈服強度、低的屈服伸長，以滿足用于沖制復(fù)雜的汽車覆蓋件的需求。同時，為避免在制造和使用中產(chǎn)生凹陷，要求鋼板具有較高的抗拉強度和適當(dāng)?shù)暮婵居不耘c加工硬化能力。
[0004]IF鋼的研究與使用歷史悠久，其起源最早可追溯列1960年，日本的一位薄板研究員在一個偶然的機會成功地開發(fā)了這種特殊的具有良好的加工硬化性能的鋼種。近年來，IF鋼在理論研究和實際應(yīng)用方面日益得到重視，但在實踐中發(fā)現(xiàn)，IF鋼雖然具有良好的深沖性能，但是其較低的屈服強度及抗拉強度已經(jīng)無法滿足汽車輕量化理念的要求。因為在沖擊大、應(yīng)力高的情況下，IF鋼的低強度并不具備汽車抗撞擊性能所要求的高能量吸收能力。而且，由于IF鋼的屈服強度低，初次使用時易于變形，并且其較低的強度也勢必導(dǎo)致較大的比重量，不利于汽車輕量化、低能耗的發(fā)展理念。
[0005]目前，普通的IF鋼屈服強度約為lOOMPa，抗拉強度270MPa ;在微合金化后屈服強度和抗拉強度可以分別提高另為150MPa、320MPa (景財年，王作成，韓福濤，張文平，衣彥宏，鐵素體區(qū)熱軋T1-1F鋼的組織和性能，特殊鋼，卷2，23-25 (2006);李賀杰，趙勁松，韓靜濤，劉均賢，IF鋼(無間隙原子鋼)的發(fā)展、應(yīng)用及展望，唐山學(xué)院學(xué)報，卷21，3-6(2007))。然而，實踐表明，汽車用鋼最理想的屈服強度值應(yīng)該在40(T700MPa之間(0.Bouaziz, S.Allain, C.P.Scott, High manganese austenitic twinning inducedplasticity steels: A review of the microstructure properties relationships.Curr.0pin.Solid State Mater.Sc1.Vol.15,141-152 (2011))。因此，如何通過適當(dāng)?shù)某煞旨凹庸すに囋O(shè)計，通過晶界或亞晶界對位錯的阻礙釘扎作用，提高IF鋼的屈服強度，同時使其具有一定的塑性變形能力，降低初次使用時的變形量而進一步提高IF鋼耐沖擊性、能量吸收能力而使其成為新一代車體材料，成為材料研究工作者的新課題及研究熱點之一。
[0006]在工程應(yīng)用上，為了強化材料采用細(xì)化晶粒法，即利用大量晶界限制或釘軋位錯運動來提高材料的強度，可由著名的Hall-Petch關(guān)系(σ=σβ +Μ_1/2)來描述。人們已經(jīng)從各種金屬及合金中觀察到高強度，大多數(shù)金屬材料的屈服強度和硬度值隨晶粒尺寸的減小表現(xiàn)出增加的趨勢，很好地遵從Hall-Petch關(guān)系。然而，大量科研實踐已經(jīng)證明，當(dāng)晶粒尺寸減小到納米尺度時，鋼材的屈服強度和硬度值出現(xiàn)了非線性特征，因此需要尋找新的材料強化方法。
[0007]普通粗晶體鋼(晶粒尺寸約為100 mm)在室溫下拉伸的屈服強度(Sy)僅為90 MPa,超細(xì)晶微合金鋼(Fe-0.8C，晶粒尺寸約為6 mm)在室溫下拉伸，其屈服強度Sy 310 MPa(Bramfitt B.L., Marder A.R., Metallurgical and Petroleum Engineers, 191-198(1973))。普通IF鋼在微合金化后屈服強度和抗拉強度可以分別提高另為150MPa和320MPa(景財年，王作成，韓福濤，張文平，衣彥宏，鐵素體區(qū)熱軋T1-1F鋼的組織和性能，特殊鋼，卷2,23-25 (2006))，但是，其較低的強度無法滿足汽車工業(yè)對抗沖擊性能及低的比質(zhì)量的要求。
[0008]德國科學(xué)家Rana 等人(R.Rana, ff.Bleck, S.B.Singh, 0.N.Mohanty.,Development of high strength interstitial free steel by copper precipitationhardening, Materials Letters, Vol.61, 2919-2922 (2007))通過真空溶煉-熱軋一時效處理方法制備的IF鋼，其屈服強度為~456MPa,抗拉強度~566MPa,然而，由于該方法需要添加1.16%的金屬元素Cu，必然導(dǎo)致IF鋼的成本增加，不利于市場競爭。
[0009]土耳其、美國及德國科學(xué)家合作(0.Saray, G.Purcek, 1.Karaman,T.Neindorf, H.J.Maier, Equal—channel angular sheet extrusion ofinterstitial-free (IF) steel: Microstructural evolution and mechanicalproperties,Mater.Sc1.Eng.A, Vol.528, 6573-6583 (2011))，采用真空熔煉-熱軋-等通道擠壓技術(shù)制備的T1-1F鋼，屈服強度為459MPa，抗拉強度463MPa，但是加工成本較高，而且，所采用的技術(shù)制備得到的樣品尺寸只能滿足實驗室研究使用，無法進行工業(yè)推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對現(xiàn)有IF鋼在綜合性能上存在的上述缺陷，本發(fā)明提供一種亞晶界強化的高強度含鈦無間隙原子鋼及其制備方法，通過冷軋及退火過程中形成的幾何必要位錯界面及易發(fā)生位錯界面等亞結(jié)構(gòu)來細(xì)化晶粒，使材料產(chǎn)生與Hall-Petch效應(yīng)相似的強化作用，制成具有高強度的T1-1F鋼。
[0011]本發(fā)明的亞晶界強化的高強度含鈦無間隙原子鋼的化學(xué)成分，按重量百分比為:Mn0.12~0.16%，Ti0.08~0.10%，余量為Fe和不可避免雜質(zhì)；亞晶界強化的高強度含鈦無間隙原子鋼的抗拉強度為540~710 MPa,屈服強度為51(T600MPa ;其微觀結(jié)構(gòu)為等軸鐵素體晶粒，晶粒的直徑在20-30 μ m，幾何必要位錯界面之間的間距是30(T500nm，胞狀結(jié)構(gòu)的尺寸 40(T800nm。
[0012]制備上述亞晶界強化的高強度含鈦無間隙原子鋼的方法按照以下步驟進行:
Cl)按照重量百分比，Mn0.12~0.16%，Ti0.08~0.10%，余量為Fe，將金屬Fe、金屬Mn及金屬Ti置于熔煉爐中，在保護氣體條件下進行熔煉，然后澆注成鑄錠；
(2)將鑄錠加熱至104(Tl060°C保溫I~1.5h進行固溶處理，于84(T860°C進行熱軋，變形量為63~72%，控制終軋溫度為75(T770°C，得到厚度為5±0.2mm的熱軋板；
(3)將所得的熱軋板空冷至室溫，控制軋制速度0.2^0.3m/s進行冷軋，冷軋總壓下率為25~75%，得到薄鋼板；
(4)對薄鋼板進行退火，退火溫度選為50(T6(KrC，保溫30-60分鐘，最后使鋼板在空氣中冷卻至室溫，得到亞晶界強化的高強度含鈦無間隙原子鋼產(chǎn)品。
[0013]所述的保護氣體選用氬氣。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點和有益效果是:
本發(fā)明是通過控制成分、熱軋 溫度、卷取溫度、冷軋量、退火溫度和退火時間等因素，在適當(dāng)?shù)募庸l件下通過塑性變形及不完全再結(jié)晶，形成大量亞微米尺度的幾何必要位錯界面及偶發(fā)位錯界面亞結(jié)構(gòu)，這些亞結(jié)構(gòu)將晶粒內(nèi)部細(xì)分為幾百個納米的胞狀結(jié)構(gòu)，使金屬得到強化；
這是利用金屬在變形過程中因為大量塑性變形而產(chǎn)生的高密度位錯，在適當(dāng)條件下(不完全再結(jié)晶)使位錯重排而形成大量的幾何必要位錯界，從而是材料中的界面增加的特點，使材料在塑性變形的同時因為大量晶界對位錯的阻礙作用而使其強度增加，與通過晶粒細(xì)化導(dǎo)致材料強化具有相同的效果，從而使材料同時具有高強度及一定的塑性變形能力。
[0015]本發(fā)明的得到的高強度含鈦IF鋼產(chǎn)品的晶粒內(nèi)部存在的亞結(jié)構(gòu)，包括幾何必要位錯界面和偶發(fā)位錯界面。其中，取向相同的幾何必要位錯界面互相平行；偶發(fā)位錯界面去向隨機，可以穿過幾何必要位錯界面。兩種亞結(jié)構(gòu)將晶粒內(nèi)部細(xì)分為尺度為亞微米的胞狀結(jié)構(gòu)(幾百個納米)。具有很高的室溫拉伸強度，遠(yuǎn)高于用傳統(tǒng)方法制備的相當(dāng)晶粒尺寸的IF鋼樣品的屈服強度；產(chǎn)品應(yīng)用性極強，在再加工過程中產(chǎn)生大量亞微米量級的位錯胞狀亞結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)對位錯運動有一定的阻礙作用，同時具有較強的吸收位錯大能力，使得材料具有很高的強度及較好的塑性變形能力，對迅速發(fā)展的汽車工業(yè)，機械制造業(yè)等【技術(shù)領(lǐng)域】的發(fā)展具有重要價值；
本發(fā)明的制備方法簡單，有利于工業(yè)化生產(chǎn)，只需改進工藝條件，控制適當(dāng)?shù)臒崽幚砑袄鋮s參數(shù)即可獲得。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明實施例1制備的具有高強度含鈦無間隙原子鋼鋼板的微觀組織形貌圖；
圖2為本發(fā)明實施例3制備的具有高強度含鈦無間隙原子鋼鋼板的微觀組織形貌圖；圖3為本發(fā)明具有高強度含鈦無間隙原子鋼的強化原理示意圖；
其中的粗線表示通過軋制形成的幾何必要位錯界面，細(xì)線表示通過軋制及退火新形成的易發(fā)生位錯界面；
圖4為本發(fā)明具有高強度含鈦無間隙原子鋼鋼板在室溫條件下，單向拉伸的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線圖；
其中I為實施例1的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，2為實施例2的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，3為實施例3的產(chǎn)品數(shù)據(jù)?！揪唧w實施方式】
[0017]本發(fā)明實施例中采用的熱軋設(shè)備為0450雙輥單向異步軋機。
[0018]本發(fā)明實施例中采用的冷軋設(shè)備為①160X180雙輥軋機。
[0019]本發(fā)明實施例中冷軋后采用的保溫設(shè)備為SX2-12-10型箱式電阻爐。
[0020]本發(fā)明實施例中采用的熔煉設(shè)備為真空感應(yīng)爐。
[0021]本發(fā)明實施例中采用的金屬Fe、金屬Mn、金屬Ti的重量純度均≥99. 9%。
[0022]本發(fā)明實施例中將冶煉的物料置于真空度≤ lOOPa，再通入氬氣至常壓進行保護。
[0023]實施例1
本實施例的亞晶界強化的高強度含鈦無間隙原子鋼的化學(xué)成分，按重量百分比為：Mn
0.14%，Ti 0. 10%，余量為Fe和不可避免雜質(zhì)。
[0024]制備上述亞晶界強化的高強度含鈦無間隙原子鋼的方法按照以下步驟進行：
(1)按照重量百分比，MnO.14%,TiO. 10%，余量為Fe，將金屬Fe、金屬Mn及金屬Ti置于熔煉爐中，在保護氣體條件下進行熔煉，然后澆注成鑄錠；
鑄錠中各雜質(zhì)成分按重量百分比為Ni0.01%, Cu0.04%, SiO. 176%，A10. 002%,Nb0.019%, V0. 075%, Co0.019%, P0.018%, B0. 004%, W0. 028%, N0.002%, S0. 007% ；
(2)將鑄錠加熱至1040°C保溫Ih進行固溶處理，于840°C進行熱軋，變形量為63%，控制終軋溫度為750°C，得到厚度為5. 2mm的熱軋板；
(3)將所得的熱軋板空冷至室溫，控制軋制速度0.2m/s進行冷軋，冷軋總壓下率為75%,得到薄鋼板；
(4)對薄鋼板進行退火，退火溫度選為500°C，保溫60分鐘，最后使鋼板在空氣中冷卻至室溫，得到亞晶界強化的高強度含鈦無間隙原子鋼產(chǎn)品，鋼板厚度為I. 25mm，其抗拉強度700 MPa,屈服強度600MPa，拉伸延展性13% ;其微觀結(jié)構(gòu)為鐵素體晶粒，晶粒的直徑在SOlOiim，相互平行的幾何必要位錯界面之間的間距為300nm，胞狀結(jié)構(gòu)的尺寸~400nm，微觀組織形貌如圖1所示，微觀組織特征示意圖如圖3所示，單向拉伸的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖4所示（曲線1)，從曲線中可以看出其應(yīng)力變化完全滿足工業(yè)汽車用鋼要求。
[0025]普通粗晶體微合金鋼（晶粒尺寸約為100 mm)在室溫下拉伸，其屈服強度在90MPa ;超細(xì)晶微合金鋼（晶粒尺寸約為6 mm)在室溫下拉伸，其屈服強度310 MPa，抗拉強度為630MPa ;具有高強度Ti-IF (含鈦原子鋼）鋼板材料比超細(xì)晶微合金鋼晶粒尺寸大3飛倍，但屈服強度及抗拉強度值皆顯著提高；具有高強度Ti-IF鋼板材料與普通粗晶鋼相比，屈服強度和抗拉強度都提高了近7倍。
[0026]實施例2
本實施例的亞晶界強化的高強度含鈦無間隙原子鋼的化學(xué)成分，按重量百分比為：Mn0.16%，Ti 0.09%，余量為Fe和不可避免雜質(zhì)。
[0027]制備上述亞晶界強化的高強度含鈦無間隙原子鋼的方法按照以下步驟進行:
(1)按照重量百分比，Mn0.16%,Ti0.09%，余量為Fe，將金屬Fe、金屬Mn及金屬Ti置于熔煉爐中，在保護氣體條件下進行熔煉，然后澆注成鑄錠；
鑄錠中雜質(zhì)成分按重量百分比為 Ni0.02%, Cu0.03%, Si0.176%, A10.003%, Nb0.021%,V0.079%, Co0.014%, P0.015%, B0.003%, W0.026%, N0.003%, S0.006% ；
(2)將鑄錠加熱至1050°C保溫1.2h進行固溶處理，于850°C進行熱軋，變形量為70%，控制終軋溫度為760°C，得到厚度為5mm的熱軋板；
(3)將所得的熱軋板空冷至室溫，控制軋制速度0.3m/s進行冷軋，冷軋總壓下率為50%,得到薄鋼板；
(4)對薄鋼板進行退火，退火溫度選為550°C，保溫45分鐘，最后使鋼板在空氣中冷卻至室溫，得到亞晶界強化的高強度含鈦無間隙原子鋼產(chǎn)品，其抗拉強度640 MPa，屈服強度540MPa，拉伸延展性11% ;其微觀結(jié)構(gòu)為鐵素體晶粒，晶粒的直徑在20-30 μ m,相互平行的幾何必要位錯界面之間的間距為350nm，胞狀結(jié)構(gòu)的尺寸飛OOnm，微其單向拉伸的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖4所示(曲線2)，從曲線中可以看出其應(yīng)力變化完全滿足工業(yè)汽車用鋼要求。
[0028]采用真空熔煉-熱軋-等通道擠壓技術(shù)制備的T1-1F鋼，屈服強度為459MPa，抗拉強度463MPa，但是加工成本較高，而且，所采用的技術(shù)制備得到的樣品尺寸只能滿足實驗室研究使用，無法進行工業(yè)推廣，其綜合性能與具有高強度T1-1F鋼板材料相比有顯著差距。
[0029]實施例3
本實施例的亞晶界強化的高強度含鈦無間隙原子鋼的化學(xué)成分，按重量百分比為:Mn
0.12%，Ti 0.08%，余量為Fe和不可避免雜質(zhì)。
[0030]制備上述亞晶界強化的高強度含鈦無間隙原子鋼的方法按照以下步驟進行:
(1)按照重量百分比，Mn0.12%,Ti0.08%，余量為Fe，將金屬Fe、金屬Mn及金屬Ti置于熔煉爐中，在保護氣體條件下進行熔煉，然后澆注成鑄錠；
鑄錠中雜質(zhì)成分按重量百分比為Ni0.03%, Cu0.03%, Si0.16%, A10.004%, Nb0.027%,V0.065%, Co0.013%, P0.018%, B0.008%, W0.029%, N0.002%, S0.007% ；
(2)將鑄錠加熱至1060°C保溫1.5h進行固溶處理，于860°C進行熱軋，變形量為72%，控制終軋溫度為770°C，得到厚度為4.8mm的熱軋板；
(3)將所得的熱軋板空冷至室溫，控制軋制速度0.25m/s進行冷軋，冷軋總壓下率為25%,得到薄鋼板；
(4)對薄鋼板進行退火，退火溫度選為600°C，保溫30分鐘，最后使鋼板在空氣中冷卻至室溫，得到亞晶界強化的高強度含鈦無間隙原子鋼產(chǎn)品，其抗拉強度540 MPa，屈服強度5IOMPa,拉伸延展性7.5% ;其微觀結(jié)構(gòu)為鐵素體晶粒，晶粒的直徑在20-30 μ m,相互平行的幾何必要位錯界面之間的間距為500nm，胞狀結(jié)構(gòu)的尺寸lOOnm，其微觀組織形貌如圖2所示，微觀組織特征示意圖如圖3所示，單 向拉伸的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖4所示(曲線3)，從曲線中可以看出其應(yīng)力變化完全滿足工業(yè)汽車用鋼要求。
[0031]普通IF鋼在微合金化后屈服強度和抗拉強度分別提高另為150MPa和320MPa，顯然，在對強度 、耐磨性能要求較高的領(lǐng)域，具有亞結(jié)構(gòu)細(xì)化晶粒作用的高強度T1-1F鋼板材料仍然具有獨特的優(yōu)勢。
【權(quán)利要求】
1.一種亞晶界強化的高強度含鈦無間隙原子鋼，其特征在于其化學(xué)成分，按重量百分比為:Mn0.12~0.16%, Ti0.08、.10%，余量為Fe和不可避免雜質(zhì)；亞晶界強化的高強度含鈦無間隙原子鋼的抗拉強度為540~710 MPa,屈服強度為51(T600MPa ;其微觀結(jié)構(gòu)為等軸鐵素體晶粒，晶粒的直徑在20-30 μ m,幾何必要位錯界面之間的間距是30(T500nm，胞狀結(jié)構(gòu)的尺寸 40(T800nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的亞晶界強化的高強度含鈦無間隙原子鋼的制備方法，其特征在于按照以下步驟進行: (1)按照重量百分比，Mn0.12~0.16%，Ti0.08~0.10%，余量為Fe，將金屬Fe、金屬Mn及金屬Ti置于熔煉爐中，在保護氣體條件下進行熔煉，然后澆注成鑄錠； (2)將鑄錠加熱至104(Tl060°C保溫I~1.5h進行固溶處理，于84(T860°C進行熱軋，變形量為63~72%，控制終軋溫度為75(T770°C，得到厚度為5±0.2mm的熱軋板； (3)將所得的熱軋板空冷至室溫，控制軋制速度0.2^0.3m/s進行冷軋，冷軋總壓下率為25~75%，得到薄鋼板； (4)對薄鋼板進行退火，退火溫度選為50(T6(KrC，保溫30-60分鐘，最后使鋼板在空氣中冷卻至室溫，得到亞晶界強化的高強度含鈦無間隙原子鋼產(chǎn)品。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的亞晶界強化的高強度含鈦無間隙原子鋼的制備方法，其特征在于所述的保護氣體選用 氬氣。
【文檔編號】C21D8/02GK103540843SQ201310481981
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月16日
【發(fā)明者】申勇峰, 徐天帥, 趙憲明, 左良 申請人:東北大學(xué)