一种微米和亚微米级奥氏体晶材的制备方法

摘要

一种微米和亚微米级奥氏体晶材的制备方法，具体包括以下步骤：(1)将低碳钢经冶炼，浇铸成铸坯；然后轧制成热轧板坯，空冷至室温；(2)将热轧板坯加热至500℃保温1～2h后，进行5～10道次轧制，累计压下量为70％～90％，获得温轧板坯；(3)利用温轧板坯加工热模拟试样，通过热-力模拟试验机以20～100℃/s的速度加热至700～800℃，沿垂直温轧轧制方向或平行温轧轧制方向变形32％～80％，之后升温至900℃，保温1s，获得奥氏体晶粒尺寸为3～0.3μm。本发明的工艺相对简单，可操作性较强，能够在现有轧制生产线上获得实现，工业应用前景较好。

权利要求

1.一种微米和亚微米级奥氏体晶材的制备方法，具体包括以下步骤：(1)设定低碳钢的化学组成成分并冶炼，浇铸成铸坯；然后轧制成热轧板坯，空冷至室温；(2)将空冷后的热轧板坯加热至500℃保温1～2h后，进行5～10道次轧制，累计压下量为70％～90％，获得温轧板坯；(3)利用温轧板坯加工热模拟试样，通过热-力模拟试验机以20～100℃/s的速度加热至700～800℃，沿垂直温轧轧制方向或平行温轧轧制方向变形32％～80％，之后升温至900℃，保温1s，获得奥氏体晶粒；所述设定的低碳钢化学组成成分为两种：第一种低碳钢的化学组成成分重量百分比为含C 0.10～0.20％，Si 0.1～1.5％，Mn 1.0～

2.0％，P≤0.01％，S ≤0.01％，Nb 0.02～0.05％，其余为Fe；第二种低碳钢的化学组成成分重量百分比为含C 0.10～0.20％，Si0.1～1.5％，Mn 1.0～2.0％，P≤0.01％，S≤0.01％，Nb 0.02～0.05％，V 0.05～0.07％，Ti0.02～0.05％，其余为Fe；所述的奥-1氏体晶粒尺寸控制在3～0.3μm；所述的在热-力模拟试验机中变形是以0.1～10s 的应变速率变形，然后以100℃/s的速度升温至900℃。

2.根据权利要求1所述的一种微米和亚微米级奥氏体晶材的制备方法，其特征在于所述的热轧板坯是将浇铸钢坯加热至1200℃，保温2h后热轧而成，且具有铁素体/珠光体组织。

说明书

一种微米和亚微米级奥氏体晶材的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种微米和亚微米级奥氏体晶材的制备方法。

背景技术

[0002] 超细晶材料由于具有强度及塑性方面特有的综合优势，成为各国材料研究领域的一个热点。对于传统的钢铁材料来说，有关其晶粒超细化的研究也在广泛而深入的展开。到现在为止，对钢铁材料的晶粒细化也如其他有色金属如铜、铝等一样深入至纳米级别，但是由于受到轧机等设备能力或者本身工艺复杂性等问题的限制，使得如马氏体冷轧再退火，等通道挤压(ECAP)和累计叠轧(ARB)等实现纳米晶钢等需要较大低温形变量的超细化工艺的广泛应用大大折扣；而从实际应用和工业化推广的角度考虑，将钢铁材料的晶粒细化至1～10μm的工艺方法始终还是所有晶粒细化方法中的主流，其中最典型和有效的当属TMCP，即控制轧制与控制冷却工艺。TMCP之所以在众多工艺中成为一种行之有效的方法，其主要原因在于该工艺是通过对γ→α相变过程进行控制，能够保证所需工艺参数在现代轧制生产线所能提供的范围之内，比如利用TMCP即使需要较大的变形量，但由于可以同时调节变形温度、变形速率及中间冷却等其他相关因素使得变形处于相对较高的温度区域，且能够最终保证产品的性能要求，这样便大大增加了其应用的广泛性，通常在工业领域应用的TMCP工艺中奥氏体晶粒尺寸在几十乃至上百微米。

[0003] 鉴于上述比较分析，也有多数研究将思路转移到通过改进传统TMCP工艺方法，从而获得具有良好反展空间的细晶思路，这些改进的方法许多人将其称为Advancedthermomechanical process。利用这些方法已经可以将钢铁材料的晶粒细化至亚微米(＜1μm)范围，当然这些方法中也包含有通过控制奥氏体晶粒来获得终态组织细化，其中最细奥氏体晶粒约为10μm。

[0004] 原始奥氏体晶粒特征直接关系到冷却过程中其分解特征进而影响相变后的组织及其性能，因此在利用奥氏体冷却过程相变细化终态组织的工艺中对奥氏体晶粒控制就显得十分关键。通常原始奥氏体晶粒尺寸越小，相同的冷却相变条件下所获得最终组织越细，对此杨王玥等人在利用尺寸在44～7μm的奥氏体晶粒较为系统的分析了奥氏体晶粒尺寸对终态组织的影响时发现，同样的形变及冷却条件下，奥氏体晶粒越小，后续相变所得的铁素体量越多，且分布均匀。但考虑到实际轧制生产的工艺特点，大多数研究工作所采用的奥氏体晶粒一般在几十微米左右。对于将奥氏体晶粒细化1μm左右甚至亚微米级别后研究其冷却过程中的相变行为，至今还尚未见报道。

[0005] 单纯考虑奥氏体晶粒细化的研究也有过大量文献报道，早在上世纪80年代初期人们就利用变形和加热方式的控制将合金钢奥氏体晶粒细化到接近0.1～0.3μm。近年来，日本的研究者将中低碳钢的奥氏体晶粒细化到3μm以下。

发明内容

[0006] 针对现有技术上的问题，本发明提供一种微米和亚微米级奥氏体晶材的制备方法。

[0007] 本发明的技术方案为：

[0008] (1)低碳钢化学成分的设定并冶炼、浇铸：所设定的低碳钢的化学组成成分有两种：第一种低碳钢的化学组成成分重量百分比为含C 0.10～0.20％，Si 0.1～1.5％，Mn1.0～2.0％，P≤0.01％，S≤0.01％，Nb 0.02～0.05％，其余为Fe；第二种低碳钢的化学组成成分重量百分比为含C 0.10～0.20％，Si 0.1～1.5％，Mn 1.0～2.0％，P≤0.01％，S≤0.01％，Nb 0.02～0.05％，V 0.05～0.07％，Ti 0.02～0.05％，其余为Fe。按上述设定的成分将该低碳钢经冶炼，浇铸成铸坯。

[0009] (2)将上述组成成分之一或之二的钢铸坯加热至1200℃保温2h后，轧制成热轧板坯，空冷至室温，使之具有铁素体/珠光体组织。

[0010] (3)将空冷后的热轧板坯加热至500℃保温1～2h后，进行5～10道次轧制，累计压下量为70％～90％，获得温轧板坯。

[0011] (4)利用温轧板坯加工热模拟试样，在热-力模拟试验机中以20～100℃/s的速度加热至700～800℃，然后沿垂直温轧轧制方向或平行温轧轧制方向变形32％～80％，之后以100℃/s的速度升温至900℃，保温1s，获得奥氏体晶粒尺寸为0.3～3μm。

[0012] 本发明的微米和亚微米级奥氏体晶材的制备方法，以含微铌或微铌、钒、钛的低碳钢为基本成分，能够在尽可能减少合金元素用量的前提下实现高温奥氏体的晶粒微米化和亚微米化，并且能够有效结合冷却过程中的相变行为控制，实现终态组织的最优化；本发明的工艺相对简单，可操作性较强，能够在现有轧制生产线上获得实现，工业应用前景较好。附图说明：

[0013] 图1为采用本发明方法获得的平均晶粒尺寸为0.5μm的亚微米级奥氏体晶材在900℃保温1s后淬火，经侵蚀得到的光学显微图。

[0014] 图2为采用本发明方法获得的平均晶粒尺寸在0.8μm的亚微米级奥氏体晶材在900℃保温1s后淬火，经侵蚀得到的光学显微图。

[0015] 图3为采用本发明方法获得的平均晶粒尺寸为3μm的微米级奥氏体晶材在900℃保温1s后淬火，经侵蚀得到的光学显微图。具体实施方式：

[0016] 实施例1

[0017] 设定的低碳钢的化学组成成分重量百分比为含C 0.12％，Si 0.13％，Mn1.30％，P0.015％，S 0.007％，Nb 0.02％，其余为Fe；将该低碳钢在50Kg真空感应炉内冶炼，浇铸成φ150mm×500mm的圆柱形铸坯；将铸坯置于高温电阻炉内，加热至1200℃保温2h后，在实验室φ450轧机上经8道次轧制成厚40mm的热轧板坯，空冷至室温，使之具有铁素体/珠光体组织。将热轧板坯加热至500℃保温1h后，在φ300轧机上经6道次轧制，累计压下量
80％，获得板坯厚度为8mm的温轧板坯。

[0018] 将温轧板坯利用车床及线切割加工成φ6×12mm的圆柱形热模拟试样，然后置于-1Gleeble1500热-力模拟试验机中，以20℃/s的速度加热至800℃，然后以0.1s 的应变速率变形32％，变形方向垂直于温轧轧制方向；随后以100℃/s的速度升温至900℃，保温
1s，获得平均晶粒尺寸在0.5μm的亚微米级奥氏体晶材。

[0019] 图1为在900℃保温1s后淬火，经侵蚀得到的平均晶粒尺寸为0.5μm的亚微米级奥氏体晶材的光学显微图。

[0020] 实施例2

[0021] 设定的低碳钢的化学组成成分重量百分比为含C 0.16％，Si 1.38％，Mn1.80％，P0.008％，S 0.006％，Nb 0.05％，V 0.06％，Ti 0.03％，其余为Fe；将该低碳钢在50Kg真空感应炉内冶炼，浇铸成φ150mm×500mm的圆柱形铸坯。将铸坯置于高温电阻炉内，加热至1200℃保温2h后，在实验室φ450轧机上经8道次轧制成厚40mm的热轧板坯，空冷至室温，使之具有铁素体/珠光体组织。将热轧板坯加热至500℃保温1.5h后，在φ300轧机上经6道次轧制，累计压下量80％，获得厚度为8mm的温轧板坯。

[0022] 将温轧板坯利用车床及线切割加工成φ6×12mm的圆柱形热模拟试样，然后置于-1Gleeble1500热-力模拟试验机中，以20℃/s的速度加热至800℃后以0.1s 的应变速率变形55％，变形方向垂直于温轧轧制方向；随后以100℃/s的速度升温至900℃，保温1s。
获得平均晶粒尺寸在0.8μm的亚微米级奥氏体晶材。

[0023] 图2为在900℃保温1s后淬火，经侵蚀得到的平均晶粒尺寸为0.8μm的亚微米级奥氏体晶材的光学显微图。

[0024] 实施例3

[0025] 设定的低碳钢的化学组成成分重量百分比为含C 0.16％，Si 1.38％，Mn1.80％，P 0.008％，S 0.006％，Nb 0.05％，V 0.06％，含Ti 0.03％，其余为Fe；将该低碳钢在50Kg真空感应炉内冶炼，浇铸成φ150mm×500mm的圆柱形铸坯。将铸坯置于高温电阻炉内，加热至1200℃保温2h后，在实验室φ450轧机上经8道次轧制成厚50mm的热轧板坯，空冷至室温，使之具有铁素体/珠光体组织。将热轧板坯加热至500℃保温2h后，在φ450轧机上经10道次轧制，累计压下量72％，获得厚度为14mm的温轧板坯。

[0026] 将温轧板坯利用车床及线切割加工成φ6×12mm的圆柱形热模拟试样，然后置于-1Gleeble1500热-力模拟试验机中，以100℃/s的速度加热至800℃后以0.1s 的应变速率变形55％，变形方向垂直于温轧轧制方向；随后以100℃/s的速度升温至900℃，保温1s，获得平均晶粒尺寸在2μm的微米级奥氏体晶材。

[0027] 图2为在900℃保温1s后淬火，经侵蚀得到的平均晶粒尺寸为3μm的微米级奥氏体晶材的光学显微图。

[0028] 实施例4

[0029] 设定的低碳钢的化学组成成分重量百分比为含C 0.12％，Si 0.13％，Mn1.30％，P0.015％，S 0.007％，Nb 0.02％，其余为Fe；将该低碳钢在50Kg真空感应炉内冶炼，浇铸成φ150mm×500mm的圆柱形铸坯。将铸坯置于高温电阻炉内，加热至1200℃保温2h后，在实验室φ450轧机上经8道次轧制成厚50mm的热轧板坯，空冷至室温，使之具有铁素体/珠光体组织。将热轧板坯加热至500℃保温1h后，在φ450轧机上经5道次轧制，累计压下量
70％，获得厚度为15mm的温轧板坯。

[0030] 将温轧板坯利用车床及线切割加工成φ6×12mm的圆柱形热模拟试样，然后置于-1Gleeble1500热-力模拟试验机中，以40℃/s的速度加热至700℃后以1s 的应变速率变形40％，变形方向垂直于温轧轧制方向；随后以100℃/s的速度升温至900℃，保温1s，获得平均晶粒尺寸在3μm的微米级奥氏体晶材。

[0031] 实施例5

[0032] 设定的低碳钢的化学组成成分重量百分比为含C 0.16％，Si 1.38％，Mn1.80％，P0.008％，S 0.006％，Nb 0.05％，V 0.06％，Ti 0.03％，其余为Fe；将该低碳钢在50Kg真空感应炉内冶炼，浇铸成φ150mm×500mm的圆柱形铸坯。将铸坯置于高温电阻炉内，加热至1200℃保温2h后，在实验室φ450轧机上经8道次轧制成厚50mm的热轧板坯，空冷至室温，使之具有铁素体/珠光体组织。将热轧板坯加热至500℃保温2h后，在φ300轧机上经
10道次轧制，累计压下量90％，获得厚度为5mm的温轧板坯。

[0033] 将温轧板坯利用车床及线切割加工成φ6×12mm的圆柱形热模拟试样，然后置于-1Gleeble1500热-力模拟试验机中，以60℃/s的速度加热至800℃后以10s 的应变速率变形80％，变形方向平行于温轧轧制方向；随后以100℃/s的速度升温至900℃，保温1s，获得平均晶粒尺寸在0.3μm的亚微米级奥氏体晶材。