一种无硅铝超细贝氏体钢及其制备方法

1.本发明涉及钢材料的技术领域，具体涉及贝氏体钢材料的技术领域。


背景技术：

2.汽车轻量化和安全性的需求，推动了以超细贝氏体钢为代表的第3代先进高强钢的发展。超细贝氏体钢由bhadeshia与caballero等人率先开发出来，他们采用高碳(c≥0.8wt.％)高硅(si≥1.5wt.％)的成分设计，在较低的温度下使钢材进行贝氏体转变，并通过添加硅元素抑制碳化物的析出，成功制备出具有纳米级的贝氏体铁素体板条和残留奥氏体片层相互堆叠的组织。超细贝氏体钢具有优异的力学性能，其强度高达2000mpa，韧性超过30mpa.m
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3.在超细贝氏体钢的制备中，为了防止贝氏体形成时碳化物析出，从而难以获得残余奥氏体的情况出现，超细贝氏体钢的成分中，需要添加si元素，如专利文献cn105695858a、cn103451549a和cn106521350a等公开的技术方案所示。si元素的加入可以促使碳元素从贝氏体铁素体向奥氏体扩散，从而得到可在室温下保留下来的足够稳定的奥氏体。但si元素与氧元素容易生成低熔点的硅酸盐，一方面会增加熔渣和融化金属的流动性，引起喷溅现象，影响焊接质量；另一方面会危害钢材表面的浸润性，增加铁锌化合层厚度，导致镀锌层质量下降，严重制约了超细贝氏体钢在汽车领域的应用。
4.为解决上述问题，部分现有技术对合金成分进行了改进，如使用铝(al)元素替代部分si元素，如专利文献cn103898299b，cn101693981b和cn112981277a等公开的技术方案所示。然而，al元素的添加会降低钢液流动性、增加冶炼难度、造成铸造过程中喷嘴塞积等问题，危害铸件的表面质量，同时还会造成产品淬透性下降，为产品带来新的问题。
5.因此，如何在不添加硅和铝元素的情况下获得超细贝氏体钢，是现有技术亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种不含硅元素和铝元素的超细贝氏体钢及其制备方法，该制备方法突破了现有的制备贝氏体钢中必须加入si和/或al元素以抑制碳化物析出的技术思路，可获得具有良好焊接性能与镀锌能力的超细贝氏体钢。
7.本发明首先公开了如下的技术方案：
8.一种无硅铝超细贝氏体钢，其包括由纳米尺度的贫锰的贝氏体铁素板条和富锰的残余奥氏体片层相互堆叠形成的结构，并包括以下合金成分：c：0.1～1.0wt.％，mn：2.0～8.0wt.％和fe，且其不含有al元素和si元素。
9.以上方案中，所述贫锰是指锰元素含量低于钢材整体平均锰元素含量的状态，富锰是指锰元素含量高于钢材整体平均锰元素含量的状态。
10.根据本发明的一些优选实施方式，所述无硅铝超细贝氏体钢还包括以下成分中的一种或多种：cr：0～1.5wt.％，ni：0～3wt.％，v：0～0.5wt.％，mo：0～0.5wt.％，nb：0～
0.5wt.％。
11.本发明进一步提供了一种无硅铝超细贝氏体钢的制备方法，其包括：
12.(1)将熔炼后的原料合金加热至奥氏体单相区并保温，然后冷却至珠光体转变温度区间并保温，进行珠光体化处理；
13.(2)将完成所述珠光体化处理的钢材以≥5℃/s的速率快速加热至奥氏体单相区并保温，进行快速奥氏体化处理；
14.(3)将完成所述奥氏体化处理的钢材从奥氏体单相区冷却至贝氏体转变温度区间并保温，进行贝氏体转变，最后冷却至室温，得到所述基于非均质锰分布的无硅铝超细贝氏体钢；
15.其中，所述原料合金为含有所述合金成分而未经热处理的钢材；所述奥氏体单相区为温度在奥氏体完全转变温度之上10～200℃范围内的温度区间。
16.以上制备方法的相变过程包括：珠光体化：将钢材加热至奥氏体单相区并保温，然后冷却至珠光体转变温度区间并保温，获得珠光体组织；快速奥氏体化：将完成珠光体化的钢材，快速加热至奥氏体单相区并短暂保温；贝氏体化：将完成快速奥氏体化处理的钢材，冷却至贝氏体转变温度区间并保温，进行贝氏体转变，最后冷却至室温。
17.以上制备方法中，通过珠光体化处理，实现了mn元素自铁素体片层向渗碳体片层的富集，获得了非均质mn分布的片层珠光体，进一步地，发明人意外地发现，通过快速加热至奥氏体单相区，可保留原珠光体中mn分布，获得具有非均质mn分布的高温奥氏体，当其冷却至贝氏体转变温度区间时，贫mn奥氏体片层区域优先发生贝氏体转变，富mn奥氏体区域因稳定性强，奥氏体向贝氏体转变的驱动力不足，几乎不发生贝氏体转变，同时，由于mn与c元素存在强烈的相互作用，促使贝氏体转变阶段c元素倾向于扩散到富mn奥氏体，导致碳化物的析出被抑制，使奥氏体更加稳定，能够稳定至室温形成片层残余奥氏体，使得本发明在不添加si和/或al元素的情况下，成功抑制了碳化物的析出，获得了纳米尺度的贝氏体铁素体板条和残余奥氏体片层相互交叠的微观组织。
18.根据本发明的一些优选实施方式，步骤(1)中，所述奥氏体单相区的温度为700～900℃，其保温时间为10～120min。
19.根据本发明的一些优选实施方式，步骤(1)中，所述珠光体转变温度区间为450～650℃，其保温时间为0.5～48h。
20.根据本发明的一些优选实施方式，步骤(2)中，所述奥氏体单相区的温度为700～900℃，其保温时间为0～10min。
21.根据本发明的一些优选实施方式，步骤(3)中，所述贝氏体转变温度区间为150～450℃，其保温时间为0.5～24h。
22.根据本发明的一些优选实施方式，所述制备方法还包括：在步骤(1)前，对所述原料合金进行均匀化处理。
23.根据本发明的一些优选实施方式，所述制备方法还包括：在步骤(1)前，对所述原料合金进行轧制和/或锻造。
24.根据本发明的一些优选实施方式，所述制备方法具体包括：
25.(1)将熔炼好的原料合金加热到1100～1300℃，保温20～50h进行均匀化处理，其后在900～1100℃进行热轧，压下率为70～90％，轧后空冷至室温，得到热轧后的钢板；
26.(2)将所述热轧后的钢板升温到700～900℃保温10～20min，得到充分奥氏体化的钢材；
27.(3)将所述充分奥氏体化的钢材在550～650℃下保温5～10h，进行珠光体化，然后通过水淬火至室温，得到珠光体化的钢材；
28.(4)将所述完成珠光体化处理的钢材以5～80℃/s的升温速率快速加热到750～850℃保温10～100s，得到快速奥氏体化后的钢材；
29.(5)将所述快速奥氏体化后的钢材在200～500℃下保温1～10h，进行贝氏体化处理，然后通过水淬火至室温，得到所述无硅铝超细贝氏体钢。
30.本发明具备以下有益效果：
31.本发明突破了贝氏体钢中需要加入si和/或al来抑制碳化物析出的传统思路，创新性地在无硅、无铝的合金体系中，通过c元素和mn元素的强相互作用抑制了碳化物的析出，成功制备出纳米尺度的贝氏体铁素体板条和残余奥氏体片层相互交叠的超细贝氏体组织，避免了si、al元素对超细贝氏体钢冶炼、焊接及淬透性的影响，特别优化了超细贝氏体钢的镀锌能力，有力推动了超细贝氏体钢在汽车领域的应用。
附图说明
32.图1为本发明的热处理工艺及相变过程示意图。
33.图2为实施例1超细贝氏体化处理后显微组织的扫描电镜(sem)图。
34.图3为实施例1超细贝氏体化处理后显微组织的透射电镜(tem)图。
35.图4为实施例1相同成分钢材，经过常规贝氏体化处理(在经过相同均匀化、热轧工艺处理，再于800℃保温10min后直接淬火至400℃保温12h)获得的显微组织sem图。
36.图5为实施例1常规/超细贝氏体化处理后样品的xrd图谱。
37.图6为实施例1常规/超细贝氏体化处理后样品的拉伸曲线。
38.图7为实施例2超细贝氏体化处理后显微组织的sem图。
39.图8为实施例2额外添加1.5si的相同其余成分的钢锭，经过常规贝氏体化处理(在经过相同均匀化、热轧工艺处理，再于800℃保温10min后直接淬火至300℃保温6h)获得的显微组织sem图。
40.图9为实施例2常规/超细贝氏体化处理后样品的xrd图谱。
41.图10为实施例3超细贝氏体化处理后的显微组织的sem图。
具体实施方式
42.以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。
43.实施例1
44.采用含以下元素的原料制备无硅铝超细贝氏体钢：
45.元素名称cmnfe元素含量，wt.％0.393.69余量
46.制备过程为：
47.(1)将熔炼好的原料钢锭加热到1200℃保温48h进行均匀化处理，然后在1000℃进行热轧，总压下率为80％，轧后空冷至室温，得到热轧后的钢板；
48.(2)将热轧后的钢板用箱式电阻炉升温到800℃保温10min(奥氏体完全转变温度为720℃)，充分奥氏体化，然后转移至570℃的盐浴炉中保温6h，进行珠光体化，然后通过水淬火至室温；
49.(3)将经步骤(2)处理后得到的钢材转移至750℃的盐浴炉中，以～80℃/s的升温速率快速加热到750℃保温90s；
50.(4)将经步骤(3)处理后得到的钢材，迅速转移至400℃的盐浴炉中保温1h，进行贝氏体转变，最后通过水淬火至室温，得到无硅铝超细贝氏体钢。
51.以上步骤(2)-(4)的热处理工艺及对应的相变过程如附图1所示。
52.本实施例得到的无硅铝超细贝氏体钢的最终显微组织如附图2所示，其包含由纳米尺度的灰色残余奥氏体片层和黑色的铁素体片层相互堆叠形成的超细片层组织。
53.进一步地，对产品进行透射电子显微镜及配套能谱仪表征，其结果如附图3所示。通过附图3可以看出，该超细贝氏体钢的微观组织中残余奥氏体片层富mn、贝氏体铁素体片层贫mn，碳化物析出被有效阻止。
54.作为对比的，使用相同的合金成分在常规贝氏体工艺下(在经过相同均匀化、热轧工艺处理，再于800℃保温10min后直接淬火至400℃保温12h)得到的同成分钢材的显微组织如图4所示，其主要由灰色片状残余奥氏体、黑色铁素体基体、灰色块状残余奥氏体和新生马氏体组织组成，并且明显可见絮状碳化物析出，相比于图2所示的本实施例产品的显微组织，常规贝氏体工艺获得的产品的显微组织明显更粗大、其残余奥氏体含量显著更低，本实施例的产品具有更明显的片层结构和更高的残余奥氏体含量。
55.对常规贝氏体工艺获得的产品与本实施例的产品进行xrd表征，其对比如附图5所示，可以看出，由于具有大量碳化物析出，常规贝氏体工艺获得的产品的残余奥氏体含量为17％，仅为本实施例获得的产品的残余奥氏体含量的61％。
56.对常规贝氏体工艺获得的产品与本实施例产品进行力学性能测试，其对比如附图6所示，可以看出，经本实施例的超细贝氏体化处理后，产品抗拉强度为1160mpa，总延伸率为14.5％；而受碳化物析出、残余奥氏体减少的影响，经常规贝氏体化处理后的试样在相似的抗拉强度下，总延伸率仅为6.2％。
57.由此可见，本发明突破了贝氏体钢中加入si和al来抑制碳化物析出的传统思路，相比不含si和al的常规贝氏体化处理，本发明的工艺也有效抑制了碳化物的析出，获得了超细贝氏体组织，保留了更多的残余奥氏体，获得了明显优于常规贝氏体化处理的产品的力学性能。
58.实施例2
59.采用含以下元素的原料制备无硅铝超细贝氏体钢：
60.元素名称cmnfe元素含量，wt.％0.353.83余量
61.制备过程为：
62.(1)将熔炼好的原料钢锭加热到1250℃保温24h进行均匀化处理，然后在1000℃进行热轧，总压下率为80％，轧后空冷至室温，得到热轧后的钢板；
63.(2)将热轧后的钢板用箱式电阻炉升温到800℃保温15min(奥氏体完全转变温度为722℃)，充分奥氏体化，然后转移至570℃的盐浴炉中保温6h，进行珠光体化，然后通过水淬火至室温；
64.(3)将经步骤(2)处理后得到的钢材转移至770℃的盐浴炉中，以～80℃/s的升温速率快速加热到770℃保温10s；
65.(4)将经步骤(3)处理后得到的钢材，迅速转移至300℃的盐浴炉中保温6h，进行贝氏体转变，最后通过水淬火至室温，得到无硅铝超细贝氏体钢。
66.本实施例得到的无硅铝超细贝氏体钢的最终显微组织如附图7所示，其包括由纳米尺度的灰色残余奥氏体片层和黑色的铁素体片层相互堆叠形成的超细片层组织，由于贝氏体转变较慢，微观组织中还包含少量的块状残余奥氏体。
67.作为对比的，在原料中添加1.5wt.％的si元素，在常规贝氏体工艺下(在经过相同均匀化、热轧工艺处理，再于800℃保温10min后直接淬火至300℃保温6h)得到对比钢材，其显微组织如图8所示，可以看出，该钢材主要由灰色片状残余奥氏体、黑色铁素体基体和部分灰色块状残余奥氏体组成。相比该对比钢材，本实施例产品的显微组织更为细化，具有更加明显的片层结构。
68.对对比钢材与本实施例的产品进行xrd表征，其对比如附图9所示，可以看出，本实施例的产品中mn元素和c元素具有强烈的相互作用，有效抑制了碳化物的析出，使其具有与添加有1.5wt.％的si元素的样品相似的残余奥氏体含量(分别为27％和31％)。
69.由此可见，本发明突破了贝氏体钢中加入si和al来抑制碳化物析出的传统思路，在不含si和al的情况下，有效抑制了碳化物的析出残余奥氏体，成功制备出超细贝氏体组织。
70.实施例3
71.采用含以下元素的原料制备无硅铝超细贝氏体钢：
72.元素名称cmnmofe元素含量，wt.％0.423.760.15余量
73.制备过程为：
74.(1)将熔炼好的原料钢锭加热到1250℃保温24h进行均匀化处理，然后在1000℃进行热轧，总压下率为80％，轧后空冷至室温，得到热轧后的钢板；
75.(2)将热轧后的钢板用箱式电阻炉升温到800℃保温10min(奥氏体完全转变温度为716℃)，充分奥氏体化，然后转移至590℃的盐浴炉中保温6h，进行珠光体化，然后通过水淬火至室温；
76.(3)将经步骤(2)处理后得到的钢材转移至790℃的盐浴炉中，以～80℃/s的升温速率快速加热到790℃保温10s；
77.(4)将经步骤(3)处理后得到的钢材，迅速转移至300℃的盐浴炉中保温1h，进行贝氏体转变，最后通过水淬火至室温，得到无硅铝超细贝氏体钢。
78.本实施例得到的无硅铝超细贝氏体钢的最终显微组织如附图10所示，其包括由纳米尺度的灰色残余奥氏体片层和黑色的铁素体片层相互堆叠形成的超细片层组织，同时由于贝氏体保温时间较短，组织中含有部分块状残余奥氏体。由此可知，本发明工艺同样能够抑制复杂的合金成分(如，添加mo元素)中碳化物的析出，制备超细贝氏体组织。因此，在钢
铁材料中具有广泛的应用前景，非常适用于超细贝氏体组织的推广应用。
79.以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。