一种提高中锰钢板材强塑积的加工方法

1.本发明属于中锰钢板材加工技术领域，具体涉及一种提高中锰钢板材强塑积的加工方法。


背景技术：

2.随着环境恶化，汽车保有量增加，节能减排受到世界上的广泛关注，汽车轻量化成为汽车制造业重点研发方向之一。轻量化可通过应用先进高强钢、高强钢热/冷成形技术等实现。
3.中锰钢(锰质量分数在3～12％之间)是第三代先进汽车高强钢，因为优异的强塑积(20～70gpa％)，有可能实现冷成形精简操作流程，为轻量化做出贡献。冷轧中锰钢经传统退火发生奥氏体逆转变后，其微观组织通常为奥氏体和铁素体双相结构，在变形过程中，残余奥氏体部分或者全部发生相变诱导塑性(trip)效应，trip效应可以延迟颈缩，使其延伸率大幅度上升，生成的新相马氏体则提高材料强度，因此优化力学性能。
4.目前来说，奥氏体的稳定性是保证trip效应发生的主要因素，其中奥氏体内的锰含量，奥氏体晶粒尺寸，奥氏体体积分数等多重因素耦合决定其稳定性。此外，一方面要防止奥氏体稳定性太差，在塑性变形初期发生大量马氏体相变，剩余奥氏体含量无法保证后续变形的需求导致过早断裂。另一方面也要防止奥氏体过于稳定，无法充分发挥trip效应的作用。
5.近年来，国内外学者在中锰钢奥氏体逆转变之前进行等温回火引入高锰渗碳体粒子，高锰渗碳体粒子可以作为额外的奥氏体形核点。且在奥氏体形核长大的逆转变过程中，相较于在马氏体边界形核长大的奥氏体，继承了高锰渗碳体形核的奥氏体具有高的锰含量，细小晶粒尺寸，抗塑性变形等优异特性，但是额外的等温回火工艺变相延长了热处理时间，造成了奥氏体的过量形成和晶粒长大，反而导致奥氏体稳定性变差进一步恶化其力学性能。
6.此外，对于中锰钢板材目前研究近况来说，中锰钢板材的强塑积相对较低，故而如何优化中锰钢板材加工工艺，以进一步提高中锰钢板材的强塑积是目前研究的热点。


技术实现要素：

7.基于此，本发明的目的是提供一种提高中锰钢板材强塑积的加工方法，该方法是在中锰钢的设计理念基础上，通过回火时析出的大量富铜粒子和渗碳体双纳米粒子对中锰钢奥氏体逆转变影响，进而对加工工艺进行调整，从而制成一种高强韧性的中锰钢材料，显著提高了中锰钢板材的强塑积满足不同汽车零件使用指标。
8.本发明是采用以下技术方案实现的：
9.一种提高中锰钢板材强塑积的加工方法，包括以下步骤：
10.步骤1，熔炼：将原料经熔炼浇铸得到钢锭；所述钢锭中主要化学成分的质量百分数如下：
11.c：0.15～0.18％，mn：10.0～10.32％，al：1.9～2.1％，cu：1.8～2.2％，其余为fe以及不可避免杂质；
12.步骤2，锻造：将所述钢锭加热至1200℃，保温2h，然后锻造成板坯，随后空冷至室温；
13.步骤3，热轧：将所述板坯加热至1200℃，保温2h，然后进行轧制，其中开轧温度为1200
±
50℃，终轧温度不低于900℃，经过5～7道次轧制得到厚度为4
±
0.5mm的薄板，随后空冷至室温；
14.步骤4，软化退火：将所述薄板加热至600℃，保温30min，随后空冷至室温；
15.步骤5，冷轧：将软化退火处理后的薄板在室温下进行大压下量冷轧处理，经过5～7道次轧制得到厚度为1.2
±
0.2mm的冷轧薄板；
16.步骤6，回火：将所述冷轧薄板加热至450℃，保温30min，随后水冷至室温；
17.步骤7，临界退火：将回火处理后的冷轧薄板迅速升温至600℃，所述加热速率不低于50℃/s，保温30min，随后水冷至室温，得到高强韧性的冷轧中锰钢板材。
18.优选的，步骤2中板坯的横截面为100mm
×
30mm。
19.优选的，步骤3中终轧温度为900～1000℃。
20.优选的，步骤5所述大压下量冷轧的压下量为70％。
21.优选的，步骤7中加热速率为50～70℃/s。
22.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
23.本发明一方面结合了富铜粒子对相界和再结晶晶粒的固定作用，防止奥氏体过量形成和长大；另一方面充分保留了遗传渗碳体的富锰细晶奥氏体。在这双析出粒子共同作用下，制备出了适宜的奥氏体晶粒尺寸和奥氏体含量，保证了其适当的稳定性，使其在变形过程中能够充足协调地发生trip效应，达到了优异的力学性能。本发明经过加工的中锰钢板材，其中奥氏体晶粒尺寸和奥氏体含量分别为0.74μm和49.3％，继承渗碳体的富锰细晶奥氏体其内锰含量达到了～20wt.％，显著高于马氏体边界形成的奥氏体锰含量(～15wt％)。本发明中锰钢板材的抗拉强度为1250
±
15mpa，延伸率为45.1
±
2.9％，强塑积在56.4
±
2.0pa％。在生产成本提高不多的情况下，整体上有效地提高了中锰钢板材的强塑积，促进中锰钢工业化生产和应用。
附图说明
24.图1为实施例步骤6回火处理后冷轧薄板的透射电镜图；
25.图2为实施例冷轧中锰钢板材的透射电镜图(a)和锰元素成分分布图(b)；
26.图3为实施例冷轧中锰钢板材和对比例制备的锰钢板材的扫描电镜图；
27.图4为实施例冷轧中锰钢板材和对比例制备的锰钢板材的工程应力-应变曲线；
28.图5为实施例冷轧中锰钢板材和对比例制备的锰钢板材拉伸过程时对应的奥氏体含量变化。
具体实施方式
29.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
30.实施例
31.一种提高中锰钢板材强塑积的加工方法，具体步骤如下：
32.步骤1，熔炼：将原料经熔炼浇铸得到钢锭；所述钢锭中主要化学成分的质量百分数如下：
33.c：0.15％，mn：10.32％，al：2.01％，cu：1.98％，余量为fe及不可避免的杂质；
34.步骤2，锻造：将所述钢锭加热至1200℃，保温2h，然后锻造成横截面为100mm
×
30mm板坯，随后空冷至室温；
35.步骤3，热轧：将所述板坯加热至1200℃，保温2h，然后进行轧制，其中开轧温度为1200
±
50℃，终轧温度为900℃，经过6道次轧制得到厚度为4
±
0.5mm的薄板，随后空冷至室温；
36.步骤4，软化退火：将所述薄板加热至600℃，保温30min，随后空冷至室温；
37.步骤5，冷轧：将软化退火处理后的薄板在室温下进行大压下量冷轧处理(大压下量冷轧的压下量为70％)，经过7道次轧制得到厚度为1.2
±
0.2mm的冷轧薄板；
38.步骤6，回火：将所述冷轧薄板加热至450℃，保温30min，随后水冷至室温；
39.步骤7，临界退火：将回火处理后的冷轧薄板迅速升温至600℃，所述加热速率为50℃/s，保温30min，随后水冷至室温，得到高强韧性的冷轧中锰钢板材。
40.对步骤6回火处理后的冷轧薄板进行透射电镜观察(如图1所示)，对析出的富铜粒子和渗碳体进行形貌和密度分析，回火马氏体基体内主要分布着相对着较粗的渗碳体(～70nm)尺寸和弥散细小的富铜粒子(～10nm)两种析出相，且渗碳体的数密度(1.73
×
10
13
m-2
)显著低于弥散富铜粒子(1.48
×
10
14
m-2
)，
41.图2是对制备的冷轧中锰钢板材进行透射电镜形貌分析和成分分析，借助渗碳体形核的奥氏体(γ(θ))相较于马氏体边界直接形核的奥氏体基体(γ)具有更高的锰含量(20.1wt％vs.15.2wt.％)和更细小的尺寸(～300nmvs.～700nm)。
42.对比例1
43.一种中锰钢板材的加工方法，参照实施例，其区别仅在于，步骤1中钢锭中主要化学成分的质量百分数如下：
44.c：0.18％，mn：10.25％，al：2.11％，余量为fe及不可避免的杂质。
45.对比例2
46.一种中锰钢板材的加工方法，具体步骤如下：
47.步骤1，熔炼：将原料经熔炼浇铸得到钢锭；所述钢锭中主要化学成分的质量百分数如下：
48.c：0.15％，mn：10.32％，al：2.01％，cu：1.98％，余量为fe及不可避免的杂质；
49.步骤2，锻造：将所述钢锭加热至1200℃，保温2h，然后锻造成横截面为100mm
×
30mm板坯，随后空冷至室温；
50.步骤3，热轧：将所述板坯加热至1200℃，保温2h，然后进行轧制，其中开轧温度为1200
±
50℃，终轧温度为900℃，经过6道次轧制得到厚度为4
±
0.5mm的薄板，随后空冷至室温；
51.步骤4，软化退火：将所述薄板加热至600℃，保温30min，随后空冷至室温；
52.步骤5，冷轧：将软化退火处理后的薄板在室温下进行大压下量冷轧处理(大压下量冷轧的压下量为70％)，经过7道次轧制得到厚度为1.2
±
0.2mm的冷轧薄板；
53.步骤6，临界回火：将所述冷轧薄板加热至600℃，保温30min，随后水冷至室温，得到一种中锰钢板材。
54.对比例3
55.一种中锰钢板材的加工方法，参照对比例2，其区别仅在于，步骤1中钢锭中主要化学成分的质量百分数如下：
56.c：0.18％，mn：10.25％，al：2.11％，余量为fe及不可避免的杂质。
57.对实施例和对比例1-3制备的中锰钢板材进行扫描电镜形貌观察。如图3所示，发现板材中微观组织均由等轴奥氏体晶粒+铁素体晶粒组成，实施例中奥氏体晶粒平均尺寸(～0.74μm)显著小于对比例1中的奥氏体平均尺寸(～1.12μm)，如图3所示。
58.对实施例和对比例1-3中锰钢板材进行相关力学性能测试，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4所示。实施例的中锰钢板材抗拉强度为1250mpa，在如此高的抗拉强度下，仍然保持了45.1％的延伸率，对比例1虽然抗拉强度达到了1382mpa，但是塑性显著下降至19.2％。
59.从表1也可以看出，与对比例1比较下，实施例具有最优异的强度-塑性结合，强塑积达到了56.4gpa％。对各阶段变形下的实施例和对比例1中进行xrd物相检测，以分析奥氏体含量和稳定性，对比例1中的奥氏体含量过高达到了～60％，拉伸断裂后奥氏体含量不足5％，奥氏体转变率高达～92％。而实施例中的奥氏体含量～50％，拉伸断裂后奥氏体含量为～15％，奥氏体转变率为～70％，因此对比例1的奥氏体稳定性显著低于实施例中奥氏体稳定性，如图5所示。
60.由此可见，相较于不含铜的对比例1来说，实施例中的富铜纳米粒子和渗碳体双相析出优化了奥氏体特性，成功制备了由借助渗碳体形核的奥氏体，且富铜粒子的引入细化了奥氏体晶粒尺寸，防止奥氏体过度形成，兼备了奥氏体含量及稳定性，从而显著优化强塑积满足现代汽车钢使用和未来发展需求。
61.表1本发明实施例和对比例的力学性能曲线
[0062][0063]
需要说明的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例，显然本发明不仅仅限于以上实施例，还可以有其他变形。本领域的技术人员从本发明公开内容直接导出或间接引申的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种提高中锰钢板材强塑积的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，熔炼：将原料经熔炼浇铸得到钢锭；所述钢锭中主要化学成分的质量百分数如下：c：0.15～0.18％，mn：10.0～10.32％，al：1.9～2.1％，cu：1.8～2.2％，其余为fe以及不可避免杂质；步骤2，锻造：将所述钢锭加热至1200℃，保温2h，然后锻造成板坯，随后空冷至室温；步骤3，热轧：将所述板坯加热至1200℃，保温2h，然后进行轧制，其中开轧温度为1200
±
50℃，终轧温度不低于900℃，经过5～7道次轧制得到厚度为4
±
0.5mm的薄板，随后空冷至室温；步骤4，软化退火：将所述薄板加热至600℃，保温30min，随后空冷至室温；步骤5，冷轧：将软化退火处理后的薄板在室温下进行大压下量冷轧处理，经过5～7道次轧制得到厚度为1.2
±
0.2mm的冷轧薄板；步骤6，回火：将所述冷轧薄板加热至450℃，保温30min，随后水冷至室温；步骤7，临界退火：将回火处理后的冷轧薄板迅速升温至600℃，所述加热速率不低于50℃/s，保温30min，随后水冷至室温。2.根据权利要求1所述提高中锰钢板材强塑积的加工方法，其特征在于，步骤2中板坯的横截面为100mm
×
30mm。3.根据权利要求1所述提高中锰钢板材强塑积的加工方法，其特征在于，步骤3中终轧温度为900～1000℃。4.根据权利要求1所述提高中锰钢板材强塑积的加工方法，其特征在于，步骤5所述大压下量冷轧的压下量为70％。5.根据权利要求1所述提高中锰钢板材强塑积的加工方法，其特征在于，步骤7中加热速率为50℃/s～70℃/s。

技术总结
本发明公开了一种提高中锰钢板材强塑积的加工方法，涉及中锰钢板材加工技术领域。本发明是调整锰钢成分然后熔炼浇筑成钢锭，依次进行锻造、热轧、软化退火、冷轧、回火以及临界退火处理，得到一种高强韧性的中锰钢板材。本发明在生产成本提高不多的情况下，整体上有效地提高了中锰钢板材的强塑积，促进中锰钢工业化生产和应用。化生产和应用。化生产和应用。


技术研发人员：岩雨 叶启哲 李重玮 乔利杰
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/7/22