一种高强韧微合金化含Al中锰热轧钢板及其制备方法

摘要

一种高强韧微合金化含Al中锰热轧钢板及其制备方法，属于新一代汽车用钢板技术领域。本发明关键在于通过合理的化学成分和工艺设计获得一定体积分数的残余奥氏体相，实现晶粒尺寸的控制，合金元素的配分。其成分按质量百分比分别为：C：0.15～0.2％，Mn：7.6～8％，Al：5.4～6％，Si：0.01～0.02％，Nb：0.02～0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质。其制备方法为，按成分配比制得钢坯，加热保温后，热轧得热轧钢板，并将热轧钢板空冷至室温后，进行轧后热处理，得到密度为6.85～6.99g/cm3，抗拉强度940～1250MPa，延伸率20～40％，强塑积30GPa％以上的高强韧微合金化含Al中锰热轧钢板。

权利要求

1.一种高强韧微合金化含Al中锰热轧钢板，其特征在于，钢板的化学成分比例为：C：

0.15～0.20％，Mn：7.6～8.0％，Al：5.4～6.0％，Si：0.01～0.02％，Nb：0.02～0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质；

所述高强韧微合金化含Al中锰热轧钢板是依次通过冶炼、锻造、热轧、固溶处理、水淬至室温制得；

所述高强韧微合金化含Al中锰热轧钢板为细小晶粒、铁素体+奥氏体双相组织。

2.如权利要求1所述的高强韧微合金化含Al中锰热轧钢板的制备方法，包括冶炼、锻造、热轧、固溶处理，其特征在于，具体步骤如下：(1)根据权利要求1所述的化学成分进行冶炼，并将铸造坯料锻造成板坯；

(2)将步骤(1)制备得到的板坯进行热轧，工艺为将钢坯加热到1200℃，保温2h，经6道次热轧成厚度为3mm的薄板，轧后卷取空冷至室温；

(3)将热轧板进行轧后热处理，采用固溶处理工艺，将钢板快速加热到700～1000℃，保温0.5～1h后水淬至室温。

3.根据权利要求2所述的高强韧微合金化含Al中锰热轧钢板的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的热轧开轧温度为1050～1150℃，终轧温度为850～900℃。

4.根据权利要求2所述的高强韧微合金化含Al中锰热轧钢板的制备方法，其特征在于，步骤(3)中的热轧板淬火温度为900℃，保温时间为1h。

5.如权利要求1所述的一种高强韧微合金化含Al中锰热轧钢板，其特征在于，热处理后钢板呈现以δ-铁素体+奥氏体为主的两相组织，奥氏体体积分数高于34％，奥氏体晶粒尺寸为5～16μm，奥氏体中Mn含量为8.65～9.47％，C含量为0.92～1.01％；所述高强韧微合金化含Al中锰热轧钢板密度为6.85～6.99g/cm3，抗拉强度940～1250MPa，延伸率20～40％，强塑积30GPa％以上。

说明书

一种高强韧微合金化含Al中锰热轧钢板及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于新一代汽车用轻质高强钢板技术领域，具体涉及该高强韧微合金化含Al中锰热轧钢板成分设计及制备方法。

背景技术

[0002] 应对日益紧张的资源紧缺与环境污染，节能环保和轻量化发展已成为汽车产业发展的必然趋势。目前，高强度DP钢和TRIP钢在汽车中得到大量应用，但其抗拉强度和成形性能有待于进一步提高。利用马氏体组织强化和亚稳残留奥氏体的增塑机制，Q&P钢也逐步实现了产业化应用，但其综合性能还不能完全满足汽车轻量化发展的需求。因此，探索新一代高强韧汽车用钢的成分设计及制备方法，以期得到更高强度、高成形性、高性价比的轻质高强韧汽车用钢尤为迫切。

[0003] 中锰系Fe-Mn-Al-C钢作为一种高比强度(强度与密度之比)的新型轻质钢，具有优良的强度和塑性匹配，应用前景非常广阔。近年来，对于中锰系Fe-Mn-Al-C汽车用钢国内学者进行了大量新品种开发及研究工作。

[0004] 专利申请号为201310507894.9的专利公开0.1-0.4％C+3-8％Mn成分体系的中锰钢经热连轧、冷轧、连续退火可以得到抗拉强度980MPa、延伸率大于22％的钢板；专利申请号为201610927995.5的专利公开C：0.1-0.3％，Si：0.3-3.5％，Mn：3.0-15.0％，Al：1.0-3.5％，V，Ti，Nb各≤0.2％成分体系的中锰钢经热轧、淬火+回火、冷轧、退火可以得到屈服强度590～970MPa，抗拉强度980～1440MPa，总延伸率30～42％，强塑积40GPa％以上的钢板；专利申请号为201610592858.0的专利公开0.3-0.5％C，8-12％Mn，1.8-3.5％Al，0.25-
0.7％V的中锰钢经热轧、温轧、罩式退火或冷轧、连续退火得到抗拉强度为1100～1600MPa，延伸率为35～65％，强塑积达到35～65GPa％的汽车钢板。

[0005] 综上所述，虽然中锰钢通过调节化学成分，控制轧制及热处理工艺能够得到良好的强度以及塑性，但是由于其合金含量较高及Nb，V，Ti等元素的添加导致成分较高并且一般需要较为复杂的制备工艺。而本发明在普通中锰钢成分体系基础上，添加0.02～0.04％Nb元素进行微合金化，同时将制备工艺简化为一步固溶处理，得到抗拉强度940～1250MPa，延伸率20～40％，强塑积30GPa％以上的轻质高强韧汽车用钢。不仅满足了工业性能要求，并且降低了生产成本及工艺要求，具有重要的经济意义和社会效益。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种高强韧微合金化含Al中锰热轧钢板的制备方法，采用成分与组织控制相结合的设计理念，通过固溶处理获得细小晶粒、铁素体+奥氏体双相组织。在进一步优化和窄化中锰钢碳和锰成分含量基础上，添加微合金强化元素Nb，使得钢中更高体积分数的，稳定的残余奥氏体，同时调整奥氏体中的元素配分，降低奥氏体中C和Mn的含量，使得残余奥氏体有足够的稳定性以保证钢板在变形过程中奥氏体相会发生TRIP(相变诱导塑性)或TWIP(孪生诱导塑性)效应，从而最终获得高强度且塑性优良的轻质高强韧汽车钢板。

[0007] 为实现上述目的，本发明设计了一种轻质高强韧微合金化Fe-Mn-Al-C钢，其化学成分为：C：0.15～0.2％，Mn：7.6～8.0％，Al：5.4～6.0％，Si：0.01～0.02％，Nb：0.02～0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质。实验用钢的密度为6.85～6.99g/cm3，较纯铁降低
11.1～12.8％。

[0008] 中锰Fe-Mn-Al系低密度钢由于具有较高的A1含量而Mn含量较低，室温组织一般以铁素体为基体；通过精确控制钢中Mn，Al，C元素含量来调配奥氏体的体积分数及晶粒尺寸；微合金元素Nb能稳定铁素体，而且能有效地钉扎晶界，同时，溶质Nb可以推迟奥氏体向铁素体的相变。

[0009] 上述高强韧微合金化含Al中锰热轧钢板的制备方法如下：

[0010] (1)按照上述的化学成分进行冶炼，通过转炉、电炉或感应炉冶炼获得上述化学成分的钢液，然后采用模铸生产铸锭并将铸锭锻造成板坯；

[0011] (2)钢坯加热到1200℃，保温2h，这有利于合金元素扩散，为后续的轧制提供均匀的原始组织；

[0012] (3)将制备得到的板坯进行热轧，工艺为开轧温度为1100～1150℃，终轧温度为850～900℃，经6道次热轧成厚度为3mm的薄板，轧后卷取空冷至室温；

[0013] (4)将热轧后钢板快速加热到700～1000℃进行固溶处理，保温0.5～1h后水淬至室温。

[0014] 本发明提供了一种高强韧微合金化含Al中锰热轧钢，通过优化的合金成分和固溶工艺设计，在大幅提高了热轧钢组织内的残余奥氏体含量的同时精确调整了残余奥氏体的机械稳定性。微量Nb元素的加入，起到了提高奥氏体体积分数，细化奥氏体晶粒，调整奥氏体内C，Mn等元素配分的作用。在提高钢板的抗拉强度的同时使之具有相匹配的塑性。抗拉强度940～1250MPa，延伸率20～40％，强塑积30GPa％以上。同时相较于目前广泛应用的冷轧退火钢，本发明所采取的热轧+固溶处理的制备工艺工艺流程大幅度简化，提高了工业化可实施性的同时降低了生产成本，适应汽车用钢的现阶段和未来阶段轻量化的发展需求。

附图说明

[0015] 图1为本发明实施例1、2、4和6制备的轻质高强韧微合金化Fe-Mn-Al-C钢残余奥氏体含量XRD图像；

[0016] 图2为本发明实施例1、2、4和6制备的轻质高强韧微合金化Fe-Mn-Al-C钢的SEM形貌图像：其中：

[0017] (a)为实施例1的高强韧微合金化含Al中锰热轧钢的SEM形貌图像；

[0018] (b)为实施例2的高强韧微合金化含Al中锰热轧钢的SEM形貌图像；

[0019] (c)为实施例4的高强韧微合金化含Al中锰热轧钢的SEM形貌图像；

[0020] (d)为实施例6的高强韧微合金化含Al中锰热轧钢的SEM形貌图像；

[0021] 图3为本发明实施例1、2、3、4、5和6制备的高强韧微合金化含Al中锰热轧钢的应力应变曲线图像；

[0022] 图4为本发明实施例1制备的高强韧微合金化含Al中锰热轧钢含Nb析出物的SEM形貌图像；

[0023] 图5为本发明实施例1制备的高强韧微合金化含Al中锰热轧钢含Nb析出物的TEM形貌图像及衍射光斑

[0024] 图6为本发明实施例1制备的高强韧微合金化含Al中锰热轧钢含Nb析出物的EDS能谱图

[0025] 图7为本发明实施例4制备的高强韧微合金化含Al中锰热轧钢C、Mn配分EPMA形貌图,

[0026] 其中：

[0027] (a)为实施例4制备的高强韧微合金化含Al中锰热轧钢选定区域SEM形貌图；

[0028] (b)为实施例4制备的高强韧微合金化含Al中锰热轧钢选定区域C元素配分图；

[0029] (c)为实施例4制备的高强韧微合金化含Al中锰热轧钢选定区域Mn元素配分图；

具体实施方式

[0030] 下文结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。

[0031] 实施例1

[0032] 钢的化学成分及质量百分比如下：C：0.15％，Mn:7.87％，Al：5.91％，Nb：0.03％，Si：0.02％，余为Fe及不可避免杂质。钢锭采用真空感应炉冶炼，将钢锭加热至1200℃保温2h，锻造成钢坯。

[0033] 将钢坯加热至1200℃保温2h，经6道次热轧成厚度为3mm的薄板，终轧温度850～900℃，随后空冷至室温。

[0034] 将热轧后的钢板在加热炉中，加热至700℃，保温l h，水淬至室温。

[0035] 对本实例制得的高强韧微合金化含Al中锰热轧钢进行相关性能测试，XRD表征结果如图1所示；SEM形貌图像如图2(a)所示；根据GB/T228-2002“金属材料室温拉伸试验方法”将热处理后钢板加工成拉伸试样，应力应变曲线如图3所示；含Nb析出物的SEM高倍图像，TEM透射图像及选取衍射光斑和EDS能谱结果分别如图4，5和6所示。

[0036] 实施例2

[0037] 钢的化学成分及质量百分比如下：C：0.18％，Mn:7.58％，Al：5.98％，Nb：0.02％，Si：0.02％，余为Fe及不可避免杂质。钢锭采用真空感应炉冶炼，将钢锭加热至1200℃保温2h，锻造成钢坯。

[0038] 将钢坯加热至1200℃保温2h，经6道次热轧成厚度为3mm的薄板，终轧温度850～900℃，随后空冷至室温。

[0039] 将热轧后的钢板在加热炉中，加热至800℃，保温lh，水淬至室温。

[0040] 对本实例制得的高强韧微合金化含Al中锰热轧钢进行相关性能测试，XRD表征结果如图1所示；SEM形貌图像如图2(b)所示；应力应变曲线如图3所示。

[0041] 实施例3

[0042] 钢的化学成分及质量百分比如下：C：0.15％，Mn:7.87％，Al：5.91％，Nb：0.01％，Si：0.01％，余为Fe及不可避免杂质。钢锭采用真空感应炉冶炼，将钢锭加热至1200℃保温2h，锻造成钢坯。

[0043] 将钢坯加热至1200℃保温2h，经6道次热轧成厚度为3mm的薄板，终轧温度850～900℃，随后空冷至室温。

[0044] 将热轧后的钢板在加热炉中，加热至850℃，保温l h，水淬至室温。

[0045] 对本实例制得的高强韧微合金化含Al中锰热轧钢进行相关性能测试，应力应变曲线如图3所示。

[0046] 实施例4

[0047] 钢的化学成分及质量百分比如下：C：0.21％，Mn:7.78％，Al：5.90％，Nb：0.04％，Si：0.01％，余为Fe及不可避免杂质。钢锭采用真空感应炉冶炼，将钢锭加热至1200℃保温2h，锻造成钢坯。

[0048] 将钢坯加热至1200℃保温2h，经6道次热轧成厚度为3mm的薄板，终轧温度850～900℃，随后空冷至室温。

[0049] 将热轧后的钢板在加热炉中，加热至900℃，保温l h，水淬至室温。

[0050] 对本实例制得的高强韧微合金化含Al中锰热轧钢进行相关性能测试，XRD表征结果如图1所示；SEM形貌图像如图2(c)所示；应力应变曲线如图3所示；EPMA测得选定区域SEM形貌图如图7(a)所示，选定区域C元素配分如图7(b)所示，选定区域Mn元素配分如图7(c)所示。

[0051] 实施例5

[0052] 钢的化学成分及质量百分比如下：C：0.18％，Mn:7.82％，Al：5.56％，Nb：0.02％，Si：0.02％，余为Fe及不可避免杂质。钢锭采用真空感应炉冶炼，将钢锭加热至1200℃保温2h，锻造成钢坯。

[0053] 将钢坯加热至1200℃保温2h，经6道次热轧成厚度为3mm的薄板，终轧温度850～900℃，随后空冷至室温。

[0054] 将热轧后的钢板在加热炉中，加热至950℃，保温l h，水淬至室温。

[0055] 对本实例制得的高强韧微合金化含Al中锰热轧钢进行相关性能测试，应力应变曲线如图3所示。

[0056] 实施例6

[0057] 钢的化学成分及质量百分比如下：C：0.20％，Mn:7.84％，Al：5.69％，Nb：0.02％，Si：0.02％，余为Fe及不可避免杂质。钢锭采用真空感应炉冶炼，将钢锭加热至1200℃保温2h，锻造成钢坯。

[0058] 将钢坯加热至1200℃保温2h，经6道次热轧成厚度为3mm的薄板，终轧温度850～900℃，随后空冷至室温。

[0059] 将热轧后的钢板在加热炉中，加热至1000℃，保温lh，水淬至室温。

[0060] 对本实例制得的高强韧微合金化含Al中锰热轧钢进行相关性能测试，XRD表征结果如图1所示；SEM形貌图像如图2(d)所示；应力应变曲线如图3所示。