高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板及异步轧制的制备方法与流程

本发明属于材料加工领域，具体涉及一种高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板及异步轧制的制备方法。

背景技术：

汽车在给人们带来便利的同时，也带来了交通拥挤、环境污染等诸多问题。因此，开发油耗低和排放少为特征的“环境友好型汽车”成为未来发展的趋势。资料表明，汽车自身质量每减少10％，可节省燃油3％～7％。因此，汽车的减重是降低油耗的重要途径，对节能、改善环境具有十分重要的意义。汽车轻量化已经成为先进汽车工业发展的趋势，这就给汽车用钢的研发与生产带来了挑战。在众多的汽车用钢中，以相变强化为主的先进高强度钢的开发和应用受到了世界范围内研究者的关注。为了同时实现提高安全性和实现轻量化的目的，国内外钢铁企业将高强度钢和超高强度钢作为重点研究目标，先后开发出如双相钢(Dual Phase，DP)、复相钢(Complex Phase，CP)、相变诱导塑性钢(Transformation Induced Plasticity，TRIP)等。美国的Speer等人提出了一种新的热处理工艺：淬火配分(Quenching and Partitioning，Q&P)。此工艺可用来生产一种具有TRIP效应的高强度和较高塑性的马氏体钢，即Q&P钢，其室温组织是贫碳的板条马氏体和富碳的残余奥氏体，其中马氏体组织保证了钢的强度，而残余奥氏体保证了钢的塑性。

由于Q&P工艺是近年来提出的一种新型热处理工艺，相关研究主要围绕室温组织的组成和形貌以及配分工艺与力学性能的关系展开，热处理工艺大多采用完全奥氏体化退火工艺，但因低碳钢自身含碳量较低，经完全奥氏体化处理后，最终室温下残余奥氏体的含量也较低。同时，Q&P钢的塑性主要源于钢中残余奥氏体的TRIP效应，较低的残余奥氏体含量则限制了Q&P钢塑性的提高。综上所述，若借鉴TRIP钢热处理的经验，对Q&P钢采用两相区奥氏体化退火处理，最终可获得铁素体、马氏体和残余奥氏体的混合多相组织。铁素体是软相，在变形过程中可以协调马氏体的变形，以此达到提高低碳Q&P钢塑性的目的。

异步轧制(ASR)作为一种塑性成型工艺，不仅具有降低轧制力、提高道次压下率等优点，而且还是一种有效的大变形方法。在异步轧制的过程中，其搓轧作用可以给予轧件剪切变形，促使晶粒充分破碎，从而达到细化晶粒的效果。前人的研究表明：晶粒的细化有利于碳在配分过程中向奥氏体中扩散，更易于形成室温下稳定的残余奥氏体。在热轧阶段采用异步轧制，利用异步轧制对晶粒的细化作用，促进接下来的Q&P工艺中碳的配分，从而提高残余奥氏体量，最终达到提高Q&P钢塑性的目的。再者，采用两相区奥氏体化工艺，使钢中产生一定量的铁素体组织，利用其协调钢中马氏体变形的能力，同样可达到提高低碳Q&P钢塑性的目的。

技术实现要素：

针对现有技术中对改善Q&P钢的力学性能主要集中在热处理阶段的问题，本发明提供一种高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板及异步轧制的制备方法，该方法是一种在热轧阶段采用异步轧制的方法，目的是通过异步轧制有效的细化晶粒，生产出具有高强塑积的低碳硅锰系Q&P钢。

本发明的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板，其化学组分的质量百分含量为：C：0.18～0.23％，Mn：1.40～1.60％，Si：1.30～1.60％，Al：0.10～0.20％，Nb：0.02～0.06％，S：＜0.01％，P：＜0.01％，其余为Fe及不可避免的杂质。

所述的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板，其屈服强度为510～640MPa，抗拉强度为720-860MPa，延伸率为38～44％，强塑积为27600～34700MPa·％。

所述的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板，其微观组织为马氏体、铁素体和残余奥氏体的混合多相组织。

所述的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板，其厚度为3.0～4.5mm。。

本发明的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板的异步轧制的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，制备板坯：

按照高强塑积低碳硅锰系Q&P钢的化学成分冶炼，铸造坯料后，锻造成板坯。

步骤2，异步轧制：

(1)将Q&P钢板坯，加热至1200～1250℃保温1～3h；

(2)将保温后的Q&P钢板坯，进行异步轧制后，空冷至室温，制得厚度为3.0～4.5mm的异步轧制Q&P钢板；其中，异步比分别为1～1.1；

步骤3，两相区退火热处理工艺：

将异步轧制Q&P钢板，在两相区温度下保温后，迅速淬火至马氏体转变区保温，再升温至配分温度进行配分，最后空冷至室温，制得高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板。

所述的步骤1中，锻造加热温度为1200～1250℃，保温时间为2～3h，锻造变形温度为900～1050℃，锻造成厚度为30～35mm的板坯。

所述的步骤2中，异步轧制的开轧温度为1100～1150℃，终轧温度为900～930℃，总变形量为85～90％；

所述的步骤3中，两相区温度为820～840℃，两相区保温2～5min。

所述的步骤3中，两相区保温在NaCl盐浴炉中进行。

所述的步骤3中，马氏体转变区为220～260℃，马氏体转变区保温5～10s。

所述的步骤3中，配分温度为380～420℃，配分时间为5～600s。

本发明的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板成分简单：其中，C元素能够提高奥氏体的稳定性，使钢中奥氏体在室温下能稳定存在，但高碳含量降低冲击性能并恶化焊接性能，因此采用C的质量百分比为0.18～0.23％；Mn可显著增加淬透性，提高奥氏体的稳定性，但Mn含量过高会恶化焊接性能，且考虑成本因素，因此采用Mn的质量百分比为1.40～1.60％；Si元素的添加是为了抑制配分过程中渗碳体的析出，促进碳原子向未转变的奥氏体中扩散，但Si的添加会带来板材热镀性能的降低，因此采用Si的质量百分比为1.30～1.60％；Al能够抑制配分过程中渗碳体的析出，并且能够起到一定程度细化晶粒的作用，因此采用Al质量百分比为0.10～0.20％；微合金元素Nb的添加主要是考虑其细化晶粒和弥散析出微合金碳化物的作用，能够进一步提高Q&P钢的强度，因此采用Nb的质量百分比为0.02～0.06％；S、P为试验钢中杂质元素，应控制在一定范围内。

本发明的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板及异步轧制的制备方法，与现有技术相比，有益效果为：

(1)本发明的制备方法，在热轧阶段采用异步轧制，一方面异步轧制具有降低轧制力、提高道次压下率等优点，可以降低能耗；另一方面，异步轧制能有效的细化晶粒，提高残余奥氏体的稳定性，保证实验钢具有优良的综合力学性能；

(2)本发明的制备方法，在退火时选择两相区退火工艺，最终得到马氏体、铁素体、残余奥氏体的混合多相组织，使Q&P钢在具有高强度的同时兼具良好的塑性；

(3)本发明高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板，综合力学性能优越，屈服强度为510～640MPa，抗拉强度为720-860MPa，延伸率为38～44％，强塑积为27600～34700MPa·％。。

附图说明

图1本发明实施例1～3的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板的异步轧制制备方法的工艺流程图；

图2本发明实施例1制备的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板的扫描电子显微镜(SEM)图；

图3本发明实施例2制备的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板的扫描电子显微镜(SEM)图；

图4本发明实施例3制备的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板的扫描电子显微镜(SEM)图；

图5本发明实施例1～3制备的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板的应力应变曲线图。

具体实施方式

以下实施例中采用的异步轧机来自东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(RAL)。

以下实施例中进行室温单向拉伸的设备为SANSCMT-5000拉伸实验机。

以下实施例中观测金相组织的设备为OLYMPUS-GSX500光学显微镜。

以下实施例中观测微观组织的设备为SSX-550扫描电子显微镜、FEI Tecnai G2F20S-TWIN型场发射透射电镜。

以下实施例中残余奥氏体体积分数的测定设备为Smartlab X射线衍射仪。

以下实施例1～3的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板的异步轧制制备方法的工艺流程图如图1所示。

实施例1

一种高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板，其化学组分的质量百分含量为：C：0.18％，Mn：1.44％，Si：1.48％，Al：0.15％，Nb：0.025％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。

上述的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板的异步轧制的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，制备板坯：

按照高强塑积低碳硅锰系Q&P钢的化学成分进行冶炼和铸造后，得到厚度为30mm的板坯，其中锻造加热温度为1250℃，保温时间为3h，锻造变形温度为900～1050℃；

步骤2，异步轧制：

(1)将Q&P钢板坯，加热至1200℃保温2h；

(2)将保温后的Q&P钢板坯，进行异步轧制后，空冷至室温，制得异步轧制Q&P钢板；其中，异步比分别为1，厚度为3.0mm，开轧温度为1150℃，终轧温度为900℃，总变形量为90％；

步骤3，两相区退火热处理工艺：

将异步轧制Q&P钢板，在820℃盐浴炉中保温3min后迅速淬火至220℃，保温5s，再升温至380℃进行配分，配分时间为120s，最后空冷至室温，制得厚度为3.0mm的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板。

本实施例制备的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板，其扫描电子显微镜(SEM)图如图2所示，从图中可以看出块状铁素体尺寸较大，板条马氏体的分布较为分散；经XRD测定其残余奥氏体的体积分数为10％以上。

对本实施例制备的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板，进行力学性能实验，其应力应变曲线如图5所示，测得其屈服强度为515MPa，抗拉强度为730MPa，延伸率为43.5％，强塑积为31755MPa·％。

实施例2

一种高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板，其化学组分的质量百分含量为：C：0.21％，Mn：1.52％，Si：1.55％，Al：0.13％，Nb：0.05％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。

上述的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板的异步轧制的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，制备板坯：

按照高强塑积低碳硅锰系Q&P钢的化学成分进行冶炼和铸造后，得到厚度为30mm的板坯，其中锻造加热温度为1220℃，保温时间为2.5h，锻造变形温度为900～1050℃；

步骤2，异步轧制：

(1)将Q&P钢板坯，加热至1250℃保温2h；

(2)将保温后的Q&P钢板坯，进行异步轧制后，空冷至室温，制得异步轧制Q&P钢板；其中，异步比分别为1.05，厚度为3.9mm，开轧温度为1100℃，终轧温度为920℃，总变形量为87％；

步骤3，两相区退火热处理工艺：

将异步轧制Q&P钢板，在830℃盐浴炉中保温4min后迅速淬火至240℃，保温6s，再升温至400℃进行配分，配分时间为120s，最后空冷至室温，制得厚度为3.9mm的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板。

本实施例制备的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板，其扫描电子显微镜(SEM)图如图3所示，从图中可以看出铁素体尺寸较小，马氏体较为均匀地分布于铁素体周边；经XRD测定其残余奥氏体的体积分数为14％以上。

对本实施例制备的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板，进行力学性能实验，其应力应变曲线如图5所示，测得其屈服强度为635MPa，抗拉强度为855MPa，延伸率为40.5％，强塑积为34627.5MPa·％。

实施例3

一种高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板，其化学组分的质量百分含量为：C：0.23％，Mn：1.58％，Si：1.60％，Al：0.17％，Nb：0.06％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。

上述的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板的异步轧制的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，制备板坯：

按照高强塑积低碳硅锰系Q&P钢的化学成分进行冶炼和铸造后，得到厚度为30mm的板坯，其中锻造加热温度为1200℃，保温时间为2h，锻造变形温度为900～1050℃。

步骤2，异步轧制：

(1)将Q&P钢板坯，加热至1230℃保温2h；

(2)将保温后的Q&P钢板坯，进行异步轧制后，空冷至室温，制得异步轧制Q&P钢板；其中，步比分别为1.1，厚度为4.5mm，开轧温度为1100℃，终轧温度为930℃，总变形量为85％；

步骤3，两相区退火热处理工艺：

将异步轧制Q&P钢板，在840℃盐浴炉中保温5min后迅速淬火至260℃，保温10s，再升温至420℃进行配分，配分时间为120s，最后空冷至室温，制得厚度为4.5mm的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板。

本实施例制备的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板，其扫描电子显微镜(SEM)图如图4所示，从图中可以看出块状铁素体的量减少，多以不规则形貌存在，板条马氏体的分布也较为分散；经XRD测定其残余奥氏体的体积分数为9％以上。

对本实施例制备的高强塑积低碳硅锰系Q&P钢板，进行力学性能实验，其应力应变曲线如图5所示，测得其屈服强度为526MPa，抗拉强度为723MPa，延伸率为38.2％，强塑积为27618.6MPa·％。