一种高强度、高屈服延伸率的冷轧钢板及其制造方法与流程

本发明属于先进高强钢生产技术领域，具体涉及一种高强度、高屈服延伸率的冷轧钢板及其制造方法。

背景技术：

先进高强钢是近年来出现的新型钢材，主要包括双相钢、TRIP钢、TWIP钢、中锰钢等，广泛应用于汽车、桥梁工程、输电塔、海洋平台、油气输送管道和船舶制造等行业。与传统的普通高强度钢相比，其最大的优势在于在保证力学性能的同时减轻板材构件的厚度和重量，此外，其还具有良好的成形性、防撞凹性、抗疲劳性能、较高的加工硬化率等优点，在各行业中均显示出良好的应用前景。冷轧钢板在室温拉伸过程中易于发生屈服延伸，在拉伸曲线上表现为屈服后应力几乎随应变不升高，这一段拉伸曲线几乎是水平线段，故称屈服平台。

屈服延伸主要是由柯氏气团和析出相等对位错的钉扎引起的。这种钉扎作用在再加工变形的过程中，使位错开动滑移需要足够大的分切应力，此时的应力就是常说的上屈服应力，一旦位错挣脱钉扎作用便可以在相对较低的分切应力下运动，由此造成了上、下屈服点应力的差别。从屈服延伸的产生机理来看，它的出现与柯式气团、晶粒尺寸和退火工艺等有关。首先，钢中碳、氮等间隙原子会对位错进行钉扎而形成柯式气团，提高屈服延伸率；其次，细晶具有更高的屈服强度，一旦位错挣脱间隙原子的钉扎，会有更多平行滑移面上的单滑移可相继开动，由此形成几乎平行的滑移带，导致屈服延伸率提高；最后，调整退火工艺参数也会对屈服延伸率产生影响。

中锰钢作为第三代先进高强钢中的一种，主要含有碳、锰、铁三种元素，碳含量在0.1～0.6％之间，锰含量在3～12％之间。由于稳定奥氏体元素锰的加入，以及逆相变退火过程中碳和锰元素的扩散和配分，中锰钢能够在室温下获得20～40％的亚稳残余奥氏体。中锰钢具有良好的强韧性主要是利用奥氏体在外应力作用下发生TRIP效应来实现的，但是中锰钢冷轧钢板在进行室温单轴拉伸实验时也会形成屈服延伸，但其获得的屈服延伸率一般不超过10％。因此需要一种高强度兼顾高屈服延伸率的中锰钢冷轧钢板。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高强度、高屈服延伸率的冷轧钢板及其制造方法，通过采用氮微合金化，在提高冷轧钢板抗拉强度的同时提高屈服延伸率。

本发明的高强度、高屈服延伸率的冷轧钢板，其化学成分按照质量百分比为：C 0.15～0.3％，Mn 5～6％，N 0.05～0.12％，Si<0.2％，S<0.01％，P<0.01％，Al 0.002～0.04％，余量为Fe；

所述冷轧钢板组织为奥氏体和铁素体双相组织，厚度为0.5～1.5mm，抗拉强度为900～1000MPa，屈服延伸率为20～35％。

其制造方法按照以下步骤进行：

(1)冶炼及铸造：按照化学成分C 0.15～0.3％，Mn 5～6％，N 0.05～0.12％，Si<0.2％，S<0.01％，P<0.01％，Al 0.002～0.04％，余量为Fe进行配料，在加压感应炉中冶炼钢水，抽真空并使钢水温度达到1550～1650℃；

当炉内气压低于5Pa时充入纯度为99.9993％的氮气，使炉内氮气压力达到1～3个大气压水平，在浇铸前将炉内氮气压力提升至4～6个大气压水平，浇铸完成后需继续保压10～50分钟，得到铸锭；

(2)热轧：将铸锭随炉加热至1100～1200℃并保温1～2h，随后经过7～9道次热轧，开轧温度和终轧温度分别为1060～1160℃和800～900℃，热轧结束后在空气中冷却至室温，得到2～4mm厚的热轧板；

(3)软化退火：将热轧板随炉加热至620～650℃并保温2～5h，随后空冷至室温，得到软化退火板；

(4)酸洗：用体积比为1：4的盐酸和水的混合溶液对软化退火板进行酸洗；

(5)冷轧：将酸洗后的钢板在冷轧机上冷轧至0.5～1.5mm，获得冷轧板；

(6)逆相变退火：将冷轧板随炉加热至620～650℃并保温0.5～15h，随后空冷至室温，得到高强度、高屈服延伸率冷轧钢板。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

本发明的冷轧钢板通过添加含量为0.05～0.12％的氮元素，利用氮元素固溶强化和稳定奥氏体的作用来提高强度，另一方面，氮有利于形成更多的柯氏气团，加强对位错的钉扎作用，有助于提高屈服延伸率，此外，氮化物可钉扎晶界，有效地细化晶粒，进一步提高屈服延伸率，同时氮元素在此含量范围内不至于给冶炼增加难度负担。本发明制造的高强度、高屈服延伸率冷轧钢板抗拉强度高达900～1000MPa，屈服延伸率高达20～35％。

本发明制造方法中的控制气压变化是为了保证氮元素溶入钢液而不溢出。在热轧过程中的保温时间和开、终轧温度的控制是为了保证铸锭组织完全奥氏体化并均匀化，同时轧后获得尺寸细小的微观组织。软化退火是为了使热轧板硬度降低，能够保证冷轧顺利进行。冷轧过程中最终厚度的控制是为了保证足够大的变形量而充分破碎晶粒、细化组织。逆相变退火是为了使马氏体逆转变为奥氏体，最终在室温获得大量亚稳残余奥氏体，从而提高冷轧钢板的强度。

附图说明

图1是本发明制造方法的工艺流程示意图；

图中：Ac₁是加热状态下奥氏体转变的开始温度；Ac₃是加热状态下奥氏体转变的终了温度；

图2是本发明实施例1得到的高强度、高屈服延伸率冷轧钢板微观组织的扫描电子显微镜观察结果；

图3是本发明实施例2得到的高强度、高屈服延伸率冷轧钢板微观组织的扫描电子显微镜观察结果；

图4是本发明实施例3得到的高强度、高屈服延伸率冷轧钢板微观组织的扫描电子显微镜观察结果；

图5是本发明钢板在室温条件下单轴拉伸得到的典型工程应力-应变曲线。

具体实施方式

本发明的工艺流程如图1所示。

按照化学成分C 0.15～0.3％，Mn 5～6％，N 0.05～0.12％，Si<0.2％，S<0.01％，P<0.01％，Al 0.002～0.04％，余量为Fe进行配料，在加压感应炉中冶炼钢水，抽真空并使钢水温度达到1550～1650℃；当炉内气压低于5Pa时充入纯度为99.9993％的氮气，使炉内氮气压力达到1～3个大气压水平，在浇铸前将炉内氮气压力提升至4～6个大气压水平，浇铸完成后需继续保压10～50分钟，得到铸锭；将铸锭随炉加热至1100～1200℃并保温1～2h，随后经过7～9道次热轧成2～4mm厚的热轧板，开轧温度和终轧温度分别为1060～1160℃和800～900℃，热轧结束后在空气中冷却至室温，得到热轧板；将热轧板随炉加热至620～650℃并保温2～5h，随后空冷至室温，得到软化退火板；用体积比为1：4的盐酸和水的混合溶液对软化退火板进行酸洗；将酸洗后的钢板在冷轧机上冷轧至0.5～1.5mm，获得冷轧板；将冷轧板随炉加热至620～650℃并保温0.5～15h，随后空冷至室温，得到高强度、高屈服延伸率冷轧钢板，其在室温条件下单轴拉伸得到的典型工程应力-应变曲线如图5所示，从图5中可以看出其兼具高抗拉强度和高屈服延伸率。

实施例1

实施例中先进高强钢的化学成分见表1。

表1 化学成分(wt.％)

本实施例的制造方法按照以下步骤进行：

(1)按照表1的成分配料，在加压感应炉中冶炼钢水，抽真空并使钢水温度达到1600℃；当炉内气压低于5Pa时充入纯度为99.9993％的氮气，使炉内氮气压力达到2个大气压水平，在浇铸前将炉内氮气压力提升至5个大气压水平，浇铸完成后需继续保压30分钟，得到铸锭；

(2)将铸锭随炉加热至1200℃并保温1h，随后经过8道次热轧，开轧温度和终轧温度分别为1160℃和880℃，热轧结束后在空气中冷却至室温，得到2.5mm厚的热轧板；

(3)将热轧板随炉加热至635℃并保温3h，随后空冷至室温，得到软化退火板；

(4)用体积比为1：4的盐酸和水的混合溶液对软化退火板进行酸洗；

(5)将酸洗后的钢板在冷轧机上冷轧至0.7mm，获得冷轧板；

(6)将冷轧板随炉加热至635℃并保温1h，随后空冷至室温，其显微组织图如图2所示，为奥氏体和铁素体双相组织，得到冷轧钢板抗拉强度为940MPa，屈服延伸率为32％。

实施例2

实施例中先进高强钢的化学成分见表2。

表2 化学成分(wt.％)

本实施例的制造方法按照以下步骤进行：

(1)按照表2的成分配料，在加压感应炉中冶炼钢水，抽真空并使钢水温度达到1580℃；当炉内气压低于5Pa时充入纯度为99.9993％的氮气，使炉内氮气压力达到1个大气压水平，在浇铸前将炉内氮气压力提升至6个大气压水平，浇铸完成后需继续保压50分钟，得到铸锭；

(2)将铸锭随炉加热至1150℃并保温1.5h，随后经过7道次热轧，开轧温度和终轧温度分别为1080℃和850℃，热轧结束后在空气中冷却至室温，得到4mm厚的热轧板

(3)将热轧板随炉加热至645℃并保温2h，随后空冷至室温，得到软化退火板；

(4)用体积比为1：4的盐酸和水的混合溶液对软化退火板进行酸洗；

(5)将酸洗后的钢板在冷轧机上冷轧至1mm，获得冷轧板；

(6)将冷轧板随炉加热至630℃并保温5h，随后空冷至室温，其显微组织如图3所示，为奥氏体和铁素体双相组织，得到的冷轧钢板抗拉强度为960MPa，屈服延伸率为25％。

实施例3

实施例中先进高强钢的化学成分见表3。

表3 化学成分(wt.％)

本实施例的制造方法按照以下步骤进行：

(1)按照表3的成分配料，在加压感应炉中冶炼钢水，抽真空并使钢水温度达到1600℃；当炉内气压低于5Pa时充入纯度为99.9993％的氮气，使炉内氮气压力达到3个大气压水平，在浇铸前将炉内氮气压力提升至4个大气压水平，浇铸完成后需继续保压20分钟，得到铸锭；

(2)将铸锭随炉加热至1100℃并保温2h，随后经过9道次热轧，开轧温度和终轧温度分别为1060℃和820℃，热轧结束后在空气中冷却至室温，得到3mm厚的热轧板；

(3)将热轧板随炉加热至650℃并保温5h，随后空冷至室温，得到软化退火板；

(4)用体积比为1：4的盐酸和水的混合溶液对软化退火板进行酸洗；

(5)将酸洗后的钢板在冷轧机上冷轧至1.2mm，获得冷轧板；

(6)将冷轧板随炉加热至640℃并保温10h，随后空冷至室温，得到抗拉强度为920MPa，屈服延伸率为22％的冷轧钢板，其显微组织如图4所示，为奥氏体和铁素体双相组织。

对比例1

对比例中先进高强钢的化学成分见表4。

表4 化学成分(wt％)

其制备方法为：

(1)按照表4的成分配料，在加压感应炉中冶炼钢水，抽真空并使钢水温度达到1600℃；当炉内气压低于5Pa时充入纯度为99.9993％的氮气，使炉内氮气压力达到2个大气压水平，在浇铸前将炉内氮气压力提升至5个大气压水平，浇铸完成后需继续保压20分钟，得到铸锭；

(2)将铸锭随炉加热至1180℃并保温2h，随后经过9道次热轧成3.5mm厚的热轧板，开轧温度和终轧温度分别为1110℃和840℃，热轧结束后在空气中冷却至室温，得到热轧板。

(3)将热轧板随炉加热至625℃并保温3h，随后空冷至室温，得到软化退火板。

(4)用体积比为1：4的盐酸和水的混合溶液对软化退火板进行酸洗。

(5)将酸洗后的钢板在冷轧机上冷轧至0.8mm，获得冷轧板。

(6)将冷轧板随炉加热至620℃并保温10h，随后空冷至室温，得到抗拉强度为820MPa，屈服延伸率为10％的冷轧钢板。

对比例2

对比例中先进高强钢的化学成分见表5。

表5 化学成分(wt.％)

其制备方法为：

(1)按照表5的成分配料，在加压感应炉中冶炼钢水，抽真空并使钢水温度达到1500℃；当炉内气压低于5Pa时充入纯度为99.9993％的氮气，使炉内氮气压力达到2个大气压水平，在浇铸前将炉内氮气压力提升至4个大气压水平，浇铸完成后需继续保压25分钟，得到铸锭；

(2)将铸锭随炉加热至1180℃并保温1h，随后经过8道次热轧成2.5mm厚的热轧板，开轧温度和终轧温度分别为1110℃和820℃，热轧结束后在空气中冷却至室温，得到热轧板。

(3)将热轧板随炉加热至630℃并保温3h，随后空冷至室温，得到软化退火板。

(4)用体积比为1：4的盐酸和水的混合溶液对软化退火板进行酸洗。

(5)将酸洗后的钢板在冷轧机上冷轧至0.8mm，获得冷轧板。

(6)将冷轧板随炉加热至560℃并保温10h，随后空冷至室温，得到抗拉强度为880MPa，屈服延伸率为8％的冷轧钢板。

对比例3

对比例中先进高强钢的化学成分见表6。

表6 化学成分(wt.％)

其制备方法为：

(1)按照表6的成分配料，在加压感应炉中冶炼钢水，抽真空并使钢水温度达到1500℃；当炉内气压低于5Pa时充入纯度为99.9993％的氮气，使炉内氮气压力达到2个大气压水平，在浇铸前将炉内氮气压力提升至5个大气压水平，浇铸完成后需继续保压45分钟，得到铸锭；

(2)将铸锭随炉加热至1190℃并保温1h，随后经过9道次热轧成2mm厚的热轧板，开轧温度和终轧温度分别为1130℃和830℃，热轧结束后在空气中冷却至室温，得到热轧板。

(3)将热轧板随炉加热至630℃并保温4h，随后空冷至室温，得到软化退火板。

(4)用体积比为1：4的盐酸和水的混合溶液对软化退火板进行酸洗。

(5)将酸洗后的钢板在冷轧机上冷轧至1mm，获得冷轧板。

(6)将冷轧板随炉加热至635℃并保温24h，随后空冷至室温，得到抗拉强度为900MPa，屈服延伸率为12％的冷轧钢板。

从以上对比可以看出，对比例中冷轧钢板的抗拉强度或屈服延伸率显著低于本发明的实施效果。