超細晶粒的非合金鋼或低合金鋼的生產方法
2023-04-22 17:36:31 3
專利名稱：超細晶粒的非合金鋼或低合金鋼的生產方法
技術領域：
本發明涉及一種超細晶粒的非合金鋼或低合金鋼的生產方法。所述鋼通常為亞共析型，但也可以是共析型的。
非合金鋼和低合金鋼是工業領域所採用的重要的金屬分類。它們的特性根據碳的含量、合金元素含量和鋼的製造過程中的處理而變化。強度、韌性和焊接性是低碳鋼(C＜0.25％)最重要的特性，因此它們被廣泛應用於各種結構中。中碳鋼(C＝0.25～0.60％)、例如淬火鋼和回火鋼由於具有高強度和良好的韌性而被廣泛採用。然而，由於較高的碳含量引起的變硬的趨勢，使得它們的焊接性較差。高碳鋼(C＞0.60％)更硬並且更耐磨，但是它們的韌性和焊接性比碳含量較低的鋼更差。
圖1表示碳含量在0到1.0％的鐵碳相圖。在Ac1溫度以下緩慢加熱的過程中，鋼的結構自然地形成鐵素體(a-Fe)和、或珠光體(a-Fe+Fe3C)。在溫度Ac1和Ac3之間，除了鐵素體之外在結構中還形成奧氏體(g-Fe)，溫度越高結構中形成的奧氏體越多，並且在Ac3溫度以上時整個結構完全成為奧氏體。隨著緩慢加熱，Ac1溫度大約為730℃，而Ac3溫度根據碳的含量而變化。純鐵的Ac3溫度大約為910℃，含有0.1％碳的鋼大約為880℃，含有0.75％碳的鋼大約為730℃。
在傳統冷卻或快冷過程中，直到比Ac3溫度低幾十到二百度的Ar3溫度為止，不會開始奧氏體向鐵素體和珠光體的轉變。相應地，相轉變的停止溫度Ar1明顯低於Ac1溫度。
在含有超過0.1％碳的鋼中，特別是如果其含有足夠的增強淬硬性的合金元素、例如錳、鉻、鎳或鉬，則奧氏體向鐵素體和珠光體的轉變變慢，並且還可能由於快冷而被部分或完全的阻礙。在該結構的冷卻中，在較低的溫度時還隨後形成貝氏體和/或馬氏體，這些相比鐵素體-珠光體結構更強但通常韌性不夠。在非常快速的冷卻中、例如在淬硬過程中，對於中碳鋼或高碳鋼的目標是獲得完全的馬氏體結構。
通常要生產非合金鋼和低合金鋼，所以，需要鑄造熔融的鋼，然後通常將適當尺寸的板坯加熱到1200到1300℃並軋制減薄，同時使鋼冷卻。最後，板材、棒材等可以被冷卻或加速冷卻到室溫。在熱軋之後，一些鋼在大約Ac3溫度以上被進一步正火或奧氏體化以便硬化。例如，被正火的鋼通常僅被冷卻到500℃，在該溫度下於一個加熱爐中加熱到高於Ac3溫度大約30到50℃(通常在800到920℃的範圍內)，然後通常被冷卻。
中碳鋼和高碳鋼在硬化前的奧氏體化也在Ac3溫度以上實現，但隨著加速水冷或油冷，該結構被硬化，例如主要變成馬氏體。有時候鋼可能被用於需要良好耐磨性的條件下，雖然其結構的韌性很差。如果對於馬氏體鋼還需要良好的韌性，則其必須在大約550到650℃的溫度下回火。然後，形成非常適用於例如對強度和韌性均有要求的傳動軸的調質(QT)鋼。
鋼的強度和韌性特性可以通過減小微觀結構的晶粒尺寸得以提高。奧氏體晶粒尺寸越小及/或在冷卻和相變前奧氏體的變形越大，則最終的鐵素體-珠光體結構的晶粒尺寸越小。並且，當晶粒尺寸減小時，貝氏體、馬氏體和QT結構也以相同的方式得以改善。
例如，可通過向熔融的鋼中添加少量、通常小於0.1％的微合金元素、例如鈮、鈦或釩來試圖獲得較小的晶粒尺寸。於是，在鋼的相變過程中，在結構中形成這些合金元素的非常小的碳化物、氮化物和碳氮化物沉澱。晶界的運動受到這些小沉澱的阻礙，並因此使高溫下的晶粒長大減速。上述微合金元素合金化的鋼通常被稱為細晶粒鋼。
鋼的晶粒尺寸還可以通過改善熱軋、所謂熱機械軋制(thermomechanical rolling)(TMCP)來減小。這些所謂的TM鋼被用於有非常要求的應用、例如橋梁結構，這是因為當涉及到低碳鋼時，通過這些鋼可以實現強度、韌性和焊接性的最佳結合。TM鋼通常也是微合金鋼。
熱機械軋制是在比正常軋制低的溫度下進行的，即低於1200℃，並且軋制在Ar3溫度附近結束，或者是略高於這一溫度、結構仍然是奧氏體，或者略微地低於這一溫度、結構中已經包含有一些鐵素體。奧氏體在最後軋制道次之前的晶粒尺寸大約為20μm或更大，軋制之後的加工晶粒通常由於低於軋制溫度而沒有產生微觀結構的再結晶而被拉長。
與熱機械軋制相關的還有軋制後加速冷卻到500℃並最終緩慢冷卻到室溫。在低碳鋼和高碳鋼中，拉長的晶粒在冷卻過程中轉變成鐵素體和珠光體。當傳統軋制鋼的鐵素體晶粒尺寸為10到30μm時，TM鋼的晶粒尺寸通常在5到10μm之間，並且最佳時為4μm。
已經通過採用各種方法獲得了較小的微觀結構晶粒尺寸，於是可以探討具有超細晶粒尺寸的鋼。大多數UFF(超細鐵素體)鋼已經被處理。對於不同的微觀結構，難以確定超細晶粒尺寸的上限，但是對於鐵素體鋼，在各種情況下其均小於5μm並且優選為1到3μm。珠光體、還有貝氏體和馬氏體是以不同於鐵素體的方式形成的，並且它們的晶粒尺寸通常略大，這對於具有超細晶粒尺寸的鋼而言也是正確的。
在美國專利US4466842(Yada等人)中提出了一種與碳含量低的碳鋼或碳-錳鋼的熱軋相結合的方法，其中在Ar3溫度附近的熱軋最終階段中進行了較大程度的加工。在減薄大約40％之後獲得大約4μm、在減薄大約60％之後獲得大約3μm、在減薄大約75％或更多之後獲得大約2μm的鐵素體晶粒尺寸。
在一些情況下，鋼的熱處理可使晶粒尺寸達到3μm那麼小。在本申請人的國際專利申請PCT/FI98/00334中提出了一種方法，利用該方法，根據鋼的型號和進行熱處理的可能性，對於一些鋼和工藝參數可獲得大約5μm的晶粒尺寸，甚至可獲得達到3μm的晶粒尺寸。該方法在例如加熱和冷卻過程中通常需要快速或非常快速的溫變，因此其在實際生產過程中的實現通常是有問題的。
本發明的目的是提供一種簡單、易於實現並且可以被儘可能廣泛地用於使鋼產生超細晶粒尺寸的方法。
根據本發明的方法的特徵由所附權利要求的權利要求1限定。在其它權利要求中限定了本發明的各種實施例。
根據本發明的方法可以被用於代替傳統的熱機械處理和晶粒細化處理，或者可以與它們一起採用，以便提高非合金或低合金亞共析或共析鋼(碳含量不超過0.8％)的特性、特別是強度和韌性。必要的處理可以容易地與傳統製造工藝的最終階段中的簡單操作一起進行。不需要任何特殊的加工方法或非常難的加工。在處理之後，鋼的微觀結構可包含鐵素體、珠光體、貝氏體和/或馬氏體。
下面將參考附圖進一步詳細說明本發明及其一些實施例。
圖1作為幫助理解本發明的說明的信息，表示對於0到1.0％的碳含量時在緩慢加熱過程中的Fe-C平衡圖；圖2(a)和2(b)是示意性表示根據本發明的方法的一些實施例的圖示；圖3和4分別表示在傳統熱軋之後和在採用根據本發明的方法之後的鋼的微觀結構。
鋼的相變和相關溫度Ac1和Ac3在引言中已經參考圖1作了說明。
如已經在引言中提到的那樣，奧氏體向鐵素體和珠光體的轉變在傳統或快速冷卻中直到低於Ac3溫度幾十到兩百度的溫度Ar3為止才開始。相比而言，相變的結束溫度Ar1明顯低於Ac1溫度。除了這些溫度之外，圖2(a)和2(b)的圖表還包括溫度Tnr(nr＝無再結晶)，低於該溫度則變形的奧氏體晶粒不會進一步再結晶。非合金鋼的Tnr溫度通常大約為800℃。這裡，Ar3和Ar1的示範值分別為大約680℃和大約500℃。微合金鋼的Tnr溫度可以非常高，一直達到1050℃。
在根據本發明的處理中，其實施例由圖2(a)和2(b)的圖表表示，首先在階段1中將鋼加熱到Ac3之上的溫度T1，以便使微觀結構(鐵素體、珠光體等)基本上完全轉變為奧氏體。溫度T1被控制地足夠低以便阻礙過強的奧氏體晶粒長大。對於低碳鋼和中碳鋼的適當溫度通常大約為900℃，即使是低合金鋼也不高於1150℃。控制並壓縮Ac3溫度之上(階段2)的保持時間d1，以抑制奧氏體的晶粒長大。在這一階段，試圖將奧氏體的晶粒尺寸保持在15μm或更小，並且通常可將其保持在10μm的範圍內。
在經過一個壓縮的保持時間之後，在階段3中將鋼冷卻到溫度Tnr以下。在Ac3之上退火2的過程中和在冷卻階段3的過程中不進行加工，直到低於溫度Tnr為止才開始進行軋制，在低於Tnr溫度時，由於不再發生奧氏體再結晶，所以奧氏體晶粒在軋制過程中被拉長並保持扁平。在圖2(a)的實施例中，軋制4a在Ar3溫度以上或者在奧氏體開始向例如鐵素體轉變的區域中結束。在圖2(b)的實施例中，軋制4b將持續到奧氏體結構已經完全分解、即轉變為例如鐵素體和珠光體的溫度Ar1。所述軋制進行一或更多道次。在軋制之後，在階段5中鋼被冷卻或允許冷卻。鋼最終的微觀結構會受到冷卻速率，自然還有軋制特性如壓下量的影響。
實際上，軋制可以在溫度Tnr和Ar1之間進行，例如可以從800到500℃。當軋制持續到溫度Ar3以下時，早期變形的奧氏體晶粒以及最近轉變的新的鐵素體晶粒(和在更低溫度下產生的珠光體團)將產生變形。當溫度接近溫度Ar1時，只有所有晶粒的一少部分是奧氏體晶粒。它們已經轉變為鐵素體和珠光體。
這些溫度邊界對於鋼而言完全是特定的。溫度Tnr、Ar3和Ar1的精確量化必須通過實際努力獲得。對此通常採用數學公式。
根據新方法的處理例如可以與正火處理結合使用。因而，奧氏體晶粒尺寸通常小於10μm。當這種類型的晶粒細化微觀結構在Tnr以下但遠離Ar3的溫度下、即在奧氏體區中被軋制時，小奧氏體晶粒被拉長並在冷卻到相變溫度的過程中保持不變。例如，含碳量為0.33％的中碳鋼的Tnr和Ar3溫度分別為840℃和630℃。根據進行的試驗，相變後的低碳鋼和中碳鋼的鐵素體晶粒尺寸為大約2到3μm，或者僅為傳統方式中的熱機械軋制的鋼板的晶粒尺寸的一半。這些超細晶粒鋼的強度和衝擊韌性本質上優於傳統方式中的熱機械軋制的鋼。
在圖3中表示在傳統熱軋後的上述中碳鋼的微觀結構的顯微照片，而在圖4中表示在根據本發明的處理之後的微觀結構的顯微照片。
下面，表示出通過對不同類型的鋼應用本發明的方法所獲得的試驗結果的一些例子例1.熱軋碳-錳鋼(SFS-EN 10025-S355J0)
這種鋼的碳含量為0.15％，錳含量為1.2％。軋前的試樣尺寸為厚度8mm、寬度30mm、長度140mm。試樣以相當與在正火過程中加熱並退火的方式在880℃的空氣爐中保持40分鐘。在這一時期之後，試樣被緩慢冷卻到軋制溫度，在一種情況下被冷卻到800℃而在另外兩種情況下被冷卻到750℃。利用實驗室軋機進行一道次軋制，其壓縮比為45％。在軋制之後，採用加速空冷將兩個試樣被冷卻到室溫(從750℃和800℃，冷卻速率大約為15℃/s)。一個試樣在軋制後被緩慢冷卻(從750℃，冷卻速率大約為4℃/s)。
在根據新方法的處理前的鋼的微觀結構為鐵素體-珠光體，並且鐵素體晶粒尺寸大約為15μm(ASTM No.9)。在處理之後，當採用加速空冷時，鐵素體晶粒尺寸為2.5到3.0μm(ASTM No.14)。當軋制溫度為750℃時獲得最小晶粒尺寸(2.5μm)，在軋制溫度為800℃時獲得最大晶粒尺寸(3.0μm)。當在750℃下的另一個試樣在軋制後被緩慢冷卻到室溫(冷卻速率大約為4℃/s)時，鐵素體晶粒尺寸為3.5μm(ASTMNo.13)。
例2.高強度微合金鋼(SFS-EN 10149-2-S650MC)這種鋼的碳含量為0.08％，矽含量為0.20％，錳含量為1.7％。另外，該鋼含有少量用於減小晶粒尺寸的微合金元素。
對於這種鋼，進行與例1類似試驗。在進行根據新方法的處理之後的鐵素體晶粒尺寸，當採用加速空冷時為2.4到2.8μm，當採用緩慢冷卻時為3.6μm。
例3.熱軋條件下的中碳鋼這種中碳鋼的碳含量為0.33％，矽含量0.3％，錳含量為1.2％。這種鋼是在正常的熱軋、正火、淬火或回火條件下獲得的。這種鋼除矽和錳以外不含有任何其它合金元素。
試驗中採用的鋼最初處於熱軋條件下(圖3)。
試樣在880℃的空氣爐中保持40分鐘，之後一個試樣在800℃、另一個在720℃被冷卻並軋制。壓縮比為45％。在軋制之後進行加速空冷，冷卻速率大約為8℃/s。當軋制溫度為720℃(圖4)時，微觀結構含有珠光體和鐵素體，並且鐵素體晶粒尺寸大約為2μm(ASTM No.15)。如可以從圖4中看出的那樣，白色鐵素體小於灰色或黑色的珠光體團。
除了上述實驗室軋制試驗之外，還採用熱機械模擬設備進行了許多其它模擬軋制試驗。同樣在這些試驗的基礎上，可以證實採用相當小的壓縮比也可以獲得超細晶粒尺寸這一驚人的發現。以試驗為基礎可以作出結論，為了在鋼中獲得超細晶粒尺寸(1到3μm)，總壓縮比必須至少為15％。同時還發現，為了確保獲得超細晶粒尺寸，軋制後的冷卻速率必須至少為5℃/s。
新方法的基本特徵為，在軋前儘可能抑制奧氏體晶粒長大。於是，晶粒尺寸優選不超過大約15μm。在正火過程中的奧氏體晶粒尺寸甚至可以小於10μm。通過採用快速加熱和較短的退火時間，也可以獲得較小的奧氏體晶粒尺寸，甚至使軋前奧氏體晶粒尺寸小於6μm。
本發明可以被廣泛應用於例如非合金或低合金亞共析或共析鋼的板材、棒材和線材的工業生產。根據本發明的方法非常適合用於生產的最終階段，用以提高鋼的特性，例如硬度、抗拉強度和衝擊韌性。
上面描述了本發明及其一些實施例，並且提出了基於關於其在一些鋼種的製造中的實現和效果的試驗結果的例子。對於這些說明和例子，顯然本發明的實現可以根據例如鋼的碳含量等進行非常大的改變。類似地，鋼的冷卻速率會影響可包含鐵素體、珠光體、貝氏體和/或馬氏體的相結構。
本發明可以在所附權利要求確定的範圍內進行改變。
權利要求
1.一種生產超細晶粒結構的非合金或低合金亞共析或共析鋼的方法，其特徵在於，該方法包括以下幾個步驟將鋼加熱(1、2)到Ac3溫度以上的一個溫度(T1)，以便其結構完全轉變為奧氏體結構，藉助溫度(T1)和在溫度(T1)下的保持時間(d1)強制阻礙奧氏體的晶粒長大，將鋼冷卻(3)到Tnr溫度以下而不對其進行加工，在Tnr溫度以下開始鋼的軋制(4a、4b)，並且持續到Tnr和Ar3溫度之間的區域中，在該區域中，鋼的結構基本上為奧氏體但不發生奧氏體再結晶，將鋼進一步冷卻(5)到Ar3和Ar1溫度以下。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，鋼的軋制持續到溫度Ar3和Ar1之間的區域。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，Ac3溫度以上的溫度(T1)不超過1150℃。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，奧氏體結構的晶粒尺寸不超過15μm。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在鋼生產工藝的最後階段執行該方法，所述最後階段中鋼的溫度上升到Ac3溫度以上。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，該方法與一個傳統的熱處理、例如正火或淬火軟化處理結合進行。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，處理後的鋼的微觀結構包含鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體中的一個或多個相，微觀結構依賴於鋼的組成和鋼從軋制溫度到室溫的冷卻速率。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在處理過程中的總壓縮比至少為15％。
9.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，軋後的鋼冷卻速率至少為5℃/s。
10.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，鋼的碳含量不超過0.8％。
全文摘要
一種生產超細晶粒結構的非合金或低合金鋼的方法,其特徵在於,包括以下幾個步驟:將鋼加熱(1、2)到Ac3溫度以上的一個溫度(T1),以便其結構完全轉變為奧氏體結構,藉助溫度(T1)和在溫度(T1)下的保持時間(d1)的水平來阻礙奧氏體的晶粒長大,使鋼沒有任何變形地冷卻(3)到Tnr溫度以下,在Tnr溫度以下開始軋制(4a、4b),並且持續到Tnr和Ar3溫度之間的溫度範圍中,在該範圍中,鋼的結構基本上為奧氏體但不發生奧氏體再結晶,將鋼進一步冷卻到Ar3和Ar1溫度以下。本發明的方法適於用在生產的最終階段,特別是用以提高鋼的一些特性,例如硬度、抗拉強度和衝擊韌性。
文檔編號C21D8/02GK1382224SQ00814559
公開日2002年11月27日 申請日期2000年10月18日 優先權日1999年10月19日
發明者約科·萊諾寧 申請人:阿斯帕克特有限公司