CN103805851B - 一种超高强度低成本热轧q&p钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种超高强度低成本热轧Q&P钢及其生产方法，其成分重量百分比为：C0.20~0.40%，Si？0.8~2.0%，Mn1.5~3.0%，P≤0.015%，S≤0.005%，Al？0.02~0.08%，N≤0.006%，Ti0.005~0.015%，O≤30ppm，其余为Fe以及不可避免杂质。本发明通过低成本成分设计，在传统的C-Mn钢的成分基础上，通过提高Si含量抑制渗碳体析出，同时加入微量的Ti控制加热时的奥氏体晶粒尺寸以获得淬火时细小的板条马氏体，从而实现低成本制造出超高强度热轧耐磨钢。本发明超高强度热轧Q&P钢的微观组织为马氏体+残余奥氏体，其抗拉强度≥1400MPa，延伸率>10%。

Description

一种超高强度低成本热轧Q&P钢及其生产方法

技术领域

本发明属于耐磨钢领域，特别涉及一种超高强度低成本热轧Q&P钢及其生产方法，抗拉强度≥1400MPa，延伸率>10%。

背景技术

自2003年美国科罗拉多矿业学院John.G.Speer教授首次提出淬火+配分(QuenchingandPartitioning,Q&P)的概念以来，Q&P钢已经被公认为汽车用钢领域第三代先进高强钢。

Q&P钢的主要工艺为：将钢加热到完全奥氏体区或部分奥氏体区，保温一段时间后，迅速淬火到M_s和M_f(M_s和M_f分别表示马氏体转变开始温度和结束温度)之间的某一温度以获得具有一定量残余奥氏体的马氏体+残余奥氏体组织，随后在淬火停冷温度或略高于停冷温度下保温一定时间使碳原子从过饱和的马氏体向残余奥氏体中扩散富集，从而使得富碳的残余奥氏体可在室温下稳定存在，然后冷却至室温。

通过这种工艺获得的钢具有很高的强度和塑性，其抗拉强度可达2000MPa以上，而延伸率≥10%。Q&P钢在室温时的典型组织为板条马氏体和薄膜状残余奥氏体，有时可能含有少量的片状马氏体。Q&P钢力学性能主要是由板条马氏体和薄膜状残余奥氏体的板条宽度以及残余奥氏体的体积百分数决定。

Q&P钢的概念一经Speer等人提出之后，世界上许多研究小组都对这一类新钢种从理论和试验方面进行了详细而深入的研究。综合这些研究成果不难发现，试验过程中的工艺路线基本都是采用热处理的方法或两步法，即钢经过奥氏体化之后，先进行淬火然后再将钢重新加热至略高于淬火停冷温度下保温一段时间后，最后再淬火至室温。这一工艺路线对冷轧或热镀锌产品的生产来说比较合适。对于热连轧过程而言，由于在层流冷却和卷取之间没有快速再加热过程或者卷取之后对整卷进行再加热的能力，因此，在热连轧产线上按照两步法生产Q&P钢是无法实现的，只能采用层流冷却淬火至一定温度然后卷取的一步法工艺路线。

目前，有关热轧Q&P钢如中国专利CN102226248A介绍了一种碳硅锰热轧Q&P钢，但合金成分设计上没有采用微Ti控制奥氏体晶粒尺寸，而且钢板的抗拉强度最高不超过1400MPa。还有如中国专利CN101775470A介绍了一种复相Q&P钢的生产工艺，实际上是一种两步法生产Q&P钢的工艺；中国专利CN101487096A介绍了一种用两步热处理法生产C-Mn-Al系Q&P钢，其主要特点是延伸率很高，主要用于汽车领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种超高强度低成本热轧Q&P钢及其生产方法，获得的超高强度热轧Q&P钢的微观组织为马氏体+残余奥氏体，其抗拉强度≥1400MPa，延伸率>10%。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

本发明通过低成本成分设计，采用热连轧工艺，在传统的C-Mn钢的成分基础上，通过提高Si含量抑制渗碳体析出，同时加入微量的Ti控制加热时的奥氏体晶粒尺寸以获得淬火时细小的板条马氏体，从而低成本制造出超高强度热轧耐磨钢。

具体地，本发明的一种超高强度低成本热轧Q&P钢，其成分重量百分比为：C0.20%~0.40%，Si0.8%~2.0%，Mn1.5%~3.0%，P≤0.015%，S≤0.005%，Al0.02~0.08%，N≤0.006%，Ti0.005%~0.015%，O≤30ppm，其余为Fe以及不可避免杂质；超高强度热轧Q&P钢的微观组织为马氏体+残余奥氏体，其抗拉强度≥1400MPa，延伸率>10%。

在本发明成分设计中：

C，是钢中最基本的元素，同时也是本发明中最重要的元素之一。碳作为钢中的间隙原子，对提高钢的强度起到非常重要的作用，对钢的屈服强度和抗拉强度影响最大。钢中碳的含量若低于0.2%，在不添加其他合金元素的情况下，热轧Q&P钢的强度难以达到很高的强度如1500MPa以上；而且，在卷取等温的过程中，碳从马氏体向奥氏体中扩散富集的程度不足以保证残余奥氏体在室温时的稳定性。若钢中的碳含量大于0.4%，虽然可以保证在卷取等温过程中有足够的碳原子向奥氏体中富集，但由于碳含量高导致M_s和M_f点降低，在相同的工艺条件下，残余奥氏体的含量增加，相应的残余奥氏体中的碳浓度也会减少，稳定性降低。另外，碳含量太高对钢板的冲击韧性以及焊接性等都有不利影响。因此，钢中碳含量控制在0.20-0.40%的范围内可保证钢板具有良好的高强度和高塑性匹配；

Si，是钢中最基本的元素，同时也是本发明中最重要的元素之一。与传统的热轧高强钢相比，高强度Q&P钢目前基本都是采用高硅的成分设计原则。Q&P钢中加入高硅的主要目的是在卷取缓冷阶段抑制渗碳体的析出，促进碳在残余奥氏体中富集，稳定奥氏体。若硅在钢中的加入量低于0.8%，则钢在淬火到M_s-M_f之间卷取缓冷过程中将析出碳化物如渗碳体，降低了残余奥氏体中的碳含量，使得残余奥氏体变得不稳定。在继续缓慢冷却到室温的过程中，残余奥氏体有可能发生分解，对钢的性能造成不利影响；另一方面，硅在钢中的含量也不能太高，若硅含量超过2.0%，钢中容易形成硅的氧化物，使钢发生脆性断裂。因此，钢中硅的含量控制在0.8~2.0%，优选范围在1.2~1.8%之间；

Mn，是扩大奥氏体相区的元素，可以降低钢的临界冷却速度，稳定奥氏体，推迟奥氏体向珠光体的转变。在本发明中，为保证钢板的强度，锰的含量一般应控制在1.5%以上；另一方面，锰含量也不能太高，如超过3.0%，钢板的强度反而容易降低，这主要是由于锰含量增加提高奥氏体的稳定性，淬火到M_s和M_f之间得到比较多的残余奥氏体，降低了钢板的强度。因此，本发明中锰的含量一般控制在1.5-3.0%之间可得到综合性能良好的钢板。

P，是钢中的杂质元素，钢中磷的含量较高(≥0.1%)时，形成Fe₂P在晶粒周围析出，降低钢的塑性和韧性，故其含量越低越好，一般控制在0.015%以内较好且不提高炼钢成本。

S，在钢中硫含量较高时以FeS-Fe共晶体的形式存在于钢的晶粒周围，降低钢的力学性能，其含量与磷类似，也是越低越好，实际生产时通常控制在0.005%以内。

Al，铝在钢中的作用主要是在炼钢过程中进行脱氧。除此之外，铝还可与钢中的氮结合形成AlN，若钢中氮的含量较高，加入的钛不足以固定氮原子时，铝但也可以起到固氮的作用。因此，钢中铝的含量要控制在合适的范围内，通常控制在0.02-0.08%即可，优选范围为0.03-0.06%。

Ti，加入量与钢中氮的加入量相对应。钢中Ti/N控制在TiN的化学计量比3.42以下为宜。若Ti/N大于3.42，则钢中容易形成比较粗大的TiN粒子，对钢板的冲击韧性造成不利影响，粗大的TiN粒子可成为断裂的裂纹源。另一方面，Ti的含量也不能太低，否则形成的TiN数量太少，起不到细化奥氏体晶粒的作用。因此，钢中钛的含量要控制在合适的范围，通常钛的加入量控制在0.005-0.015%之间，优选范围控制在0.008-0.012%。

N，在本发明中属于杂质元素，其含量越低越好。氮也是钢中不可避免的元素，通常情况下，钢中氮的残余含量在0.002-0.004%之间，这些氮元素可以通过与酸溶铝和Ti结合而固定。为了不提高炼钢成本，氮的含量控制在0.006%以内即可，优选范围为小于0.004%。

O，是炼钢过程中不可避免的元素，对本发明而言，钢中氧的含量通过铝脱氧之后一般都可以达到30ppm以下，对钢板的性能不会造成明显不利影响。因此，将钢中的氧含量控制在30ppm以内即可。

本发明的超高强度低成本热轧Q&P钢的生产方法，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按上述成分转炉或电炉冶炼+真空炉二次精炼，铸造成铸坯或锭；

2)加热

铸坯或锭加热，加热温度1100~1200℃，保温时间1~2小时；

3)热轧

开轧温度1000~1070℃，在950℃以上多道次大压下且累计变形量≥50%，主要目的是细化奥氏体晶粒；随后中间坯待温至800~850℃，然后进行最后3~6个道次轧制；

4)在线淬火

终轧结束后钢板以>50℃/s的冷速冷却至150~250℃，获得马氏体+残余奥氏体组织，最后卷取后缓慢冷却至室温。

在本发明制造方法中：

铸坯加热温度若低于1100℃以及保温时间过短，则不利于合金元素的均匀化；而当温度高于1200℃时，不仅提高了制造成本，而且使得钢坯的加热质量有所下降。因此，铸坯加热温度一般控制在1100~1200℃比较合适。

类似地，保温时间也需要控制在一定范围内。保温时间过短，溶质原子如Si、Mn等的扩散不够充分，钢坯的加热质量得不到保证；而保温时间过长则使得奥氏体晶粒粗大以及提高了制造成本，故保温时间应控制在1~2小时之间。加热温度越高，相应的保温时间可适当缩短。

本发明采用较高的碳含量（0.2-0.4%），使钢板在线淬火后（淬火停冷温度150-250℃）卷取缓冷过程中有更多的碳原子从马氏体向残余奥氏体中扩散以稳定残余奥氏体；而较高的Si含量可以减少钢板在缓冷过程中碳化物的析出，减少碳原子的消耗，稳定残余奥氏体；另外，较高的Mn含量则是在碳原子提高残余奥氏体稳定性的基础上进一步提高其稳定性。

本发明所提供的技术可用于制造抗拉强度≥1400MPa，且厚度在4-12mm的热轧超高强耐磨钢板，同时具有良好的延伸率(>10%)，表现出优异的强塑性匹配。

本发明的有益效果：

1)本发明钢板的合金成本大幅降低。本发明与传统的低合金高强钢相比，没有添加任何贵重金属元素如Nb、V、Cu、Ni、Mo等，添加的微量合金元素Ti不仅价格低廉，而且加入量很低。采用热连轧工艺生产比用厚板线生产还可进一步降低生产成本。因此，钢板的生产成本大幅降低。

2)本发明钢板的力学性能大幅提高，用户使用成本降低。虽然合金成本大幅降低，但钢板的抗拉强度和延伸率与传统的低合金高强钢相比却得到大幅提高。因此，在一些使用厚板耐磨钢的领域可以用更薄规格的超高强度耐磨钢，减轻重量，降低成本。

3)采用本发明制造出的钢板具有低成本超高强度和高硬度优势，特别适合于需要提高耐磨性的领域。

附图说明

图1为本发明的工艺图。

图2为本发明实施例2钢板的金相显微组织照片。

图3为本发明实施例4钢板的金相显微组织照片。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

参见图1，本发明的工艺流程：采用转炉或电炉冶炼，经真空炉二次精炼、铸造成钢坯或钢锭；加热，钢坯或钢锭加热温度：1100~1200℃，保温时间：1~2小时；轧制，开轧温度：1000~1070℃，在950℃以上多道次大压下且累计变形量≥50%，随后中间坯待温至800~850℃，然后进行最后3~6个道次轧制；在线淬火，以>50℃/s的冷速冷却至150~250℃，获得马氏体+残余奥氏体组织，最后卷取后缓慢冷却至室温。

本发明实施例参见表1。表2为本发明实施例的生产方法及性能。

表1单位：重量百分比

实施例	C	Si	Mn	P	S	Al	N	Ti	O
										1	0.20	1.95	2.95	0.009	0.0027	0.020	0.0044	0.015	0.0025
2	0.25	1.66	2.55	0.007	0.0034	0.067	0.0058	0.008	0.0028
										3	0.29	1.54	2.24	0.007	0.0023	0.036	0.0033	0.006	0.0024
4	0.35	0.83	1.85	0.013	0.0031	0.078	0.0041	0.011	0.0030
										5	0.39	1.22	1.53	0.011	0.0033	0.050	0.0046	0.013	0.0027

表2

图2和图3给出了实施例2、4钢的典型金相照片。从金相照片上可以看出，钢板的组织主要为板条马氏体。根据X-射线衍射结果可知，实施例2、4钢板中残余奥氏体的含量分别为6.19%和9.76%。因此，本发明中钢板的微观组织为板条马氏体+少量残余奥氏体。由于较多残余奥氏体的存在，使得钢板在拉伸变形过程中发生相变诱导塑性(TRIP)效应，提高了钢板的抗拉强度和塑性，使钢板具有良好的耐磨性。

Claims (5)

1.一种超高强度低成本热轧Q&P钢，其成分重量百分比为：C0.20％～0.40％，Si1.2～1.8％，Mn1.5％～3.0％，P≤0.015％，S≤0.005％，Al0.02～0.08％，N≤0.006％，Ti0.005％～0.015％，O≤30ppm，其余为Fe以及不可避免杂质；超高强度热轧Q&P钢的微观组织为马氏体+残余奥氏体，其抗拉强度≥1400MPa，延伸率>10％。

2.如权利要求1所述的超高强度低成本热轧Q&P钢，其特征是，所述的Al含量为0.03～0.06％，重量百分比计。

3.如权利要求1所述的超高强度低成本热轧Q&P钢，其特征是，所述的Ti含量为0.008～0.012％，重量百分比计。

4.如权利要求1所述的超高强度低成本热轧Q&P钢，其特征是，所述的N含量≤0.004％，重量百分比计。

5.如权利要求1～4中任何一项所述的超高强度低成本热轧Q&P钢的生产方法，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按上述成分转炉或电炉冶炼+真空炉二次精炼，铸造成铸坯或锭；

2)加热

铸坯或锭加热，加热温度1100～1200℃，保温时间1～2小时；

3)热轧

开轧温度1000～1070℃，在950℃以上多道次大压下且累计变形量≥50％，随后中间坯待温至800～850℃，然后进行最后3～6个道次轧制；

4)在线淬火

终轧结束后钢板以>50℃/s的冷速冷却至150～250℃，获得马氏体+残余奥氏体组织，最后卷取后缓慢冷却至室温，最终热轧超高强度Q&P钢板的抗拉强度≥1400MPa，延伸率>10％。