一種高強度、高屈服延伸率的冷軋鋼板及其製造方法與流程
2023-09-12 02:39:25
本發明屬於先進高強鋼生產技術領域，具體涉及一種高強度、高屈服延伸率的冷軋鋼板及其製造方法。
背景技術：
先進高強鋼是近年來出現的新型鋼材，主要包括雙相鋼、TRIP鋼、TWIP鋼、中錳鋼等，廣泛應用於汽車、橋梁工程、輸電塔、海洋平臺、油氣輸送管道和船舶製造等行業。與傳統的普通高強度鋼相比，其最大的優勢在於在保證力學性能的同時減輕板材構件的厚度和重量，此外，其還具有良好的成形性、防撞凹性、抗疲勞性能、較高的加工硬化率等優點，在各行業中均顯示出良好的應用前景。冷軋鋼板在室溫拉伸過程中易於發生屈服延伸，在拉伸曲線上表現為屈服後應力幾乎隨應變不升高，這一段拉伸曲線幾乎是水平線段，故稱屈服平臺。
屈服延伸主要是由柯氏氣團和析出相等對位錯的釘扎引起的。這種釘扎作用在再加工變形的過程中，使位錯開動滑移需要足夠大的分切應力，此時的應力就是常說的上屈服應力，一旦位錯掙脫釘扎作用便可以在相對較低的分切應力下運動，由此造成了上、下屈服點應力的差別。從屈服延伸的產生機理來看，它的出現與柯式氣團、晶粒尺寸和退火工藝等有關。首先，鋼中碳、氮等間隙原子會對位錯進行釘扎而形成柯式氣團，提高屈服延伸率；其次，細晶具有更高的屈服強度，一旦位錯掙脫間隙原子的釘扎，會有更多平行滑移面上的單滑移可相繼開動，由此形成幾乎平行的滑移帶，導致屈服延伸率提高；最後，調整退火工藝參數也會對屈服延伸率產生影響。
中錳鋼作為第三代先進高強鋼中的一種，主要含有碳、錳、鐵三種元素，碳含量在0.1～0.6％之間，錳含量在3～12％之間。由於穩定奧氏體元素錳的加入，以及逆相變退火過程中碳和錳元素的擴散和配分，中錳鋼能夠在室溫下獲得20～40％的亞穩殘餘奧氏體。中錳鋼具有良好的強韌性主要是利用奧氏體在外應力作用下發生TRIP效應來實現的，但是中錳鋼冷軋鋼板在進行室溫單軸拉伸實驗時也會形成屈服延伸，但其獲得的屈服延伸率一般不超過10％。因此需要一種高強度兼顧高屈服延伸率的中錳鋼冷軋鋼板。
技術實現要素：
針對現有技術存在的問題，本發明提供一種高強度、高屈服延伸率的冷軋鋼板及其製造方法，通過採用氮微合金化，在提高冷軋鋼板抗拉強度的同時提高屈服延伸率。
本發明的高強度、高屈服延伸率的冷軋鋼板，其化學成分按照質量百分比為：C 0.15～0.3％，Mn 5～6％，N 0.05～0.12％，Si<0.2％，S<0.01％，P<0.01％，Al 0.002～0.04％，餘量為Fe；
所述冷軋鋼板組織為奧氏體和鐵素體雙相組織，厚度為0.5～1.5mm，抗拉強度為900～1000MPa，屈服延伸率為20～35％。
其製造方法按照以下步驟進行：
(1)冶煉及鑄造：按照化學成分C 0.15～0.3％，Mn 5～6％，N 0.05～0.12％，Si<0.2％，S<0.01％，P<0.01％，Al 0.002～0.04％，餘量為Fe進行配料，在加壓感應爐中冶煉鋼水，抽真空並使鋼水溫度達到1550～1650℃；
當爐內氣壓低於5Pa時充入純度為99.9993％的氮氣，使爐內氮氣壓力達到1～3個大氣壓水平，在澆鑄前將爐內氮氣壓力提升至4～6個大氣壓水平，澆鑄完成後需繼續保壓10～50分鐘，得到鑄錠；
(2)熱軋：將鑄錠隨爐加熱至1100～1200℃並保溫1～2h，隨後經過7～9道次熱軋，開軋溫度和終軋溫度分別為1060～1160℃和800～900℃，熱軋結束後在空氣中冷卻至室溫，得到2～4mm厚的熱軋板；
(3)軟化退火：將熱軋板隨爐加熱至620～650℃並保溫2～5h，隨後空冷至室溫，得到軟化退火板；
(4)酸洗：用體積比為1：4的鹽酸和水的混合溶液對軟化退火板進行酸洗；
(5)冷軋：將酸洗後的鋼板在冷軋機上冷軋至0.5～1.5mm，獲得冷軋板；
(6)逆相變退火：將冷軋板隨爐加熱至620～650℃並保溫0.5～15h，隨後空冷至室溫，得到高強度、高屈服延伸率冷軋鋼板。
與現有技術相比，本發明的特點和有益效果是：
本發明的冷軋鋼板通過添加含量為0.05～0.12％的氮元素，利用氮元素固溶強化和穩定奧氏體的作用來提高強度，另一方面，氮有利於形成更多的柯氏氣團，加強對位錯的釘扎作用，有助於提高屈服延伸率，此外，氮化物可釘扎晶界，有效地細化晶粒，進一步提高屈服延伸率，同時氮元素在此含量範圍內不至於給冶煉增加難度負擔。本發明製造的高強度、高屈服延伸率冷軋鋼板抗拉強度高達900～1000MPa，屈服延伸率高達20～35％。
本發明製造方法中的控制氣壓變化是為了保證氮元素溶入鋼液而不溢出。在熱軋過程中的保溫時間和開、終軋溫度的控制是為了保證鑄錠組織完全奧氏體化並均勻化，同時軋後獲得尺寸細小的微觀組織。軟化退火是為了使熱軋板硬度降低，能夠保證冷軋順利進行。冷軋過程中最終厚度的控制是為了保證足夠大的變形量而充分破碎晶粒、細化組織。逆相變退火是為了使馬氏體逆轉變為奧氏體，最終在室溫獲得大量亞穩殘餘奧氏體，從而提高冷軋鋼板的強度。
附圖說明
圖1是本發明製造方法的工藝流程示意圖；
圖中：Ac1是加熱狀態下奧氏體轉變的開始溫度；Ac3是加熱狀態下奧氏體轉變的終了溫度；
圖2是本發明實施例1得到的高強度、高屈服延伸率冷軋鋼板微觀組織的掃描電子顯微鏡觀察結果；
圖3是本發明實施例2得到的高強度、高屈服延伸率冷軋鋼板微觀組織的掃描電子顯微鏡觀察結果；
圖4是本發明實施例3得到的高強度、高屈服延伸率冷軋鋼板微觀組織的掃描電子顯微鏡觀察結果；
圖5是本發明鋼板在室溫條件下單軸拉伸得到的典型工程應力-應變曲線。
具體實施方式
本發明的工藝流程如圖1所示。
按照化學成分C 0.15～0.3％，Mn 5～6％，N 0.05～0.12％，Si<0.2％，S<0.01％，P<0.01％，Al 0.002～0.04％，餘量為Fe進行配料，在加壓感應爐中冶煉鋼水，抽真空並使鋼水溫度達到1550～1650℃；當爐內氣壓低於5Pa時充入純度為99.9993％的氮氣，使爐內氮氣壓力達到1～3個大氣壓水平，在澆鑄前將爐內氮氣壓力提升至4～6個大氣壓水平，澆鑄完成後需繼續保壓10～50分鐘，得到鑄錠；將鑄錠隨爐加熱至1100～1200℃並保溫1～2h，隨後經過7～9道次熱軋成2～4mm厚的熱軋板，開軋溫度和終軋溫度分別為1060～1160℃和800～900℃，熱軋結束後在空氣中冷卻至室溫，得到熱軋板；將熱軋板隨爐加熱至620～650℃並保溫2～5h，隨後空冷至室溫，得到軟化退火板；用體積比為1：4的鹽酸和水的混合溶液對軟化退火板進行酸洗；將酸洗後的鋼板在冷軋機上冷軋至0.5～1.5mm，獲得冷軋板；將冷軋板隨爐加熱至620～650℃並保溫0.5～15h，隨後空冷至室溫，得到高強度、高屈服延伸率冷軋鋼板，其在室溫條件下單軸拉伸得到的典型工程應力-應變曲線如圖5所示，從圖5中可以看出其兼具高抗拉強度和高屈服延伸率。
實施例1
實施例中先進高強鋼的化學成分見表1。
表1 化學成分(wt.％)
本實施例的製造方法按照以下步驟進行：
(1)按照表1的成分配料，在加壓感應爐中冶煉鋼水，抽真空並使鋼水溫度達到1600℃；當爐內氣壓低於5Pa時充入純度為99.9993％的氮氣，使爐內氮氣壓力達到2個大氣壓水平，在澆鑄前將爐內氮氣壓力提升至5個大氣壓水平，澆鑄完成後需繼續保壓30分鐘，得到鑄錠；
(2)將鑄錠隨爐加熱至1200℃並保溫1h，隨後經過8道次熱軋，開軋溫度和終軋溫度分別為1160℃和880℃，熱軋結束後在空氣中冷卻至室溫，得到2.5mm厚的熱軋板；
(3)將熱軋板隨爐加熱至635℃並保溫3h，隨後空冷至室溫，得到軟化退火板；
(4)用體積比為1：4的鹽酸和水的混合溶液對軟化退火板進行酸洗；
(5)將酸洗後的鋼板在冷軋機上冷軋至0.7mm，獲得冷軋板；
(6)將冷軋板隨爐加熱至635℃並保溫1h，隨後空冷至室溫，其顯微組織圖如圖2所示，為奧氏體和鐵素體雙相組織，得到冷軋鋼板抗拉強度為940MPa，屈服延伸率為32％。
實施例2
實施例中先進高強鋼的化學成分見表2。
表2 化學成分(wt.％)
本實施例的製造方法按照以下步驟進行：
(1)按照表2的成分配料，在加壓感應爐中冶煉鋼水，抽真空並使鋼水溫度達到1580℃；當爐內氣壓低於5Pa時充入純度為99.9993％的氮氣，使爐內氮氣壓力達到1個大氣壓水平，在澆鑄前將爐內氮氣壓力提升至6個大氣壓水平，澆鑄完成後需繼續保壓50分鐘，得到鑄錠；
(2)將鑄錠隨爐加熱至1150℃並保溫1.5h，隨後經過7道次熱軋，開軋溫度和終軋溫度分別為1080℃和850℃，熱軋結束後在空氣中冷卻至室溫，得到4mm厚的熱軋板
(3)將熱軋板隨爐加熱至645℃並保溫2h，隨後空冷至室溫，得到軟化退火板；
(4)用體積比為1：4的鹽酸和水的混合溶液對軟化退火板進行酸洗；
(5)將酸洗後的鋼板在冷軋機上冷軋至1mm，獲得冷軋板；
(6)將冷軋板隨爐加熱至630℃並保溫5h，隨後空冷至室溫，其顯微組織如圖3所示，為奧氏體和鐵素體雙相組織，得到的冷軋鋼板抗拉強度為960MPa，屈服延伸率為25％。
實施例3
實施例中先進高強鋼的化學成分見表3。
表3 化學成分(wt.％)
本實施例的製造方法按照以下步驟進行：
(1)按照表3的成分配料，在加壓感應爐中冶煉鋼水，抽真空並使鋼水溫度達到1600℃；當爐內氣壓低於5Pa時充入純度為99.9993％的氮氣，使爐內氮氣壓力達到3個大氣壓水平，在澆鑄前將爐內氮氣壓力提升至4個大氣壓水平，澆鑄完成後需繼續保壓20分鐘，得到鑄錠；
(2)將鑄錠隨爐加熱至1100℃並保溫2h，隨後經過9道次熱軋，開軋溫度和終軋溫度分別為1060℃和820℃，熱軋結束後在空氣中冷卻至室溫，得到3mm厚的熱軋板；
(3)將熱軋板隨爐加熱至650℃並保溫5h，隨後空冷至室溫，得到軟化退火板；
(4)用體積比為1：4的鹽酸和水的混合溶液對軟化退火板進行酸洗；
(5)將酸洗後的鋼板在冷軋機上冷軋至1.2mm，獲得冷軋板；
(6)將冷軋板隨爐加熱至640℃並保溫10h，隨後空冷至室溫，得到抗拉強度為920MPa，屈服延伸率為22％的冷軋鋼板，其顯微組織如圖4所示，為奧氏體和鐵素體雙相組織。
對比例1
對比例中先進高強鋼的化學成分見表4。
表4 化學成分(wt％)
其製備方法為：
(1)按照表4的成分配料，在加壓感應爐中冶煉鋼水，抽真空並使鋼水溫度達到1600℃；當爐內氣壓低於5Pa時充入純度為99.9993％的氮氣，使爐內氮氣壓力達到2個大氣壓水平，在澆鑄前將爐內氮氣壓力提升至5個大氣壓水平，澆鑄完成後需繼續保壓20分鐘，得到鑄錠；
(2)將鑄錠隨爐加熱至1180℃並保溫2h，隨後經過9道次熱軋成3.5mm厚的熱軋板，開軋溫度和終軋溫度分別為1110℃和840℃，熱軋結束後在空氣中冷卻至室溫，得到熱軋板。
(3)將熱軋板隨爐加熱至625℃並保溫3h，隨後空冷至室溫，得到軟化退火板。
(4)用體積比為1：4的鹽酸和水的混合溶液對軟化退火板進行酸洗。
(5)將酸洗後的鋼板在冷軋機上冷軋至0.8mm，獲得冷軋板。
(6)將冷軋板隨爐加熱至620℃並保溫10h，隨後空冷至室溫，得到抗拉強度為820MPa，屈服延伸率為10％的冷軋鋼板。
對比例2
對比例中先進高強鋼的化學成分見表5。
表5 化學成分(wt.％)
其製備方法為：
(1)按照表5的成分配料，在加壓感應爐中冶煉鋼水，抽真空並使鋼水溫度達到1500℃；當爐內氣壓低於5Pa時充入純度為99.9993％的氮氣，使爐內氮氣壓力達到2個大氣壓水平，在澆鑄前將爐內氮氣壓力提升至4個大氣壓水平，澆鑄完成後需繼續保壓25分鐘，得到鑄錠；
(2)將鑄錠隨爐加熱至1180℃並保溫1h，隨後經過8道次熱軋成2.5mm厚的熱軋板，開軋溫度和終軋溫度分別為1110℃和820℃，熱軋結束後在空氣中冷卻至室溫，得到熱軋板。
(3)將熱軋板隨爐加熱至630℃並保溫3h，隨後空冷至室溫，得到軟化退火板。
(4)用體積比為1：4的鹽酸和水的混合溶液對軟化退火板進行酸洗。
(5)將酸洗後的鋼板在冷軋機上冷軋至0.8mm，獲得冷軋板。
(6)將冷軋板隨爐加熱至560℃並保溫10h，隨後空冷至室溫，得到抗拉強度為880MPa，屈服延伸率為8％的冷軋鋼板。
對比例3
對比例中先進高強鋼的化學成分見表6。
表6 化學成分(wt.％)
其製備方法為：
(1)按照表6的成分配料，在加壓感應爐中冶煉鋼水，抽真空並使鋼水溫度達到1500℃；當爐內氣壓低於5Pa時充入純度為99.9993％的氮氣，使爐內氮氣壓力達到2個大氣壓水平，在澆鑄前將爐內氮氣壓力提升至5個大氣壓水平，澆鑄完成後需繼續保壓45分鐘，得到鑄錠；
(2)將鑄錠隨爐加熱至1190℃並保溫1h，隨後經過9道次熱軋成2mm厚的熱軋板，開軋溫度和終軋溫度分別為1130℃和830℃，熱軋結束後在空氣中冷卻至室溫，得到熱軋板。
(3)將熱軋板隨爐加熱至630℃並保溫4h，隨後空冷至室溫，得到軟化退火板。
(4)用體積比為1：4的鹽酸和水的混合溶液對軟化退火板進行酸洗。
(5)將酸洗後的鋼板在冷軋機上冷軋至1mm，獲得冷軋板。
(6)將冷軋板隨爐加熱至635℃並保溫24h，隨後空冷至室溫，得到抗拉強度為900MPa，屈服延伸率為12％的冷軋鋼板。
從以上對比可以看出，對比例中冷軋鋼板的抗拉強度或屈服延伸率顯著低於本發明的實施效果。