強(qiáng)塑積達(dá)50GPa%以上的高碳微合金鋼和熱處理工藝的制作方法

　　【技術(shù)領(lǐng)域】

　　[0001]本發(fā)明涉及一種鋼的成分和熱處理工藝，具體地，涉及一種強(qiáng)塑積達(dá)50GPa%以上的高碳微合金鋼和熱處理工藝。

　　【背景技術(shù)】

　　[0002]強(qiáng)度(單位；MPa)和延伸率(單位:％ )是結(jié)構(gòu)材料要求的基本性能。強(qiáng)度和塑性(可用延伸率表示)通常是互相排斥的，即材料強(qiáng)度提高，塑性就降低，反之，強(qiáng)度降低，塑性就提高。為了判斷一個(gè)結(jié)構(gòu)材料性能的好壞，通常簡(jiǎn)單地采用材料的抗拉強(qiáng)度(在拉伸曲線上對(duì)應(yīng)于最高均勻延伸率的強(qiáng)度)與斷裂時(shí)的總延伸率的乘積，稱為強(qiáng)塑積(productof strength and elongat1n，PSE)，其作為綜合性能的判據(jù)。高的強(qiáng)塑積表示材料具有好的綜合性能，其途徑是通過(guò)最佳材料成分設(shè)計(jì)和最佳的熱處理工藝設(shè)計(jì)獲得。高的強(qiáng)塑積是先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(advanced high strength steel，AHSS)的重要指標(biāo)。

　　[0003]近十年來(lái)，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼愈來(lái)愈多被用于汽車工業(yè)，其可有效降低結(jié)構(gòu)件的用量，如減輕汽車結(jié)構(gòu)件的重量，達(dá)到節(jié)能減排的效果。先進(jìn)高強(qiáng)度鋼目前根據(jù)強(qiáng)塑積可分為三代:強(qiáng)塑積小于306?&%的稱為第一代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(lGPa = lOOOMPa)，其是Fe-Mn_Si基微(低)合金低碳或中碳鋼，例如雙相鋼(dual phase)，相變誘發(fā)塑性(transformat1ninduced plasticity，TRIP)鋼，淬火-分配(quenching and partit1ning, Q&P)鋼和淬火-分配-回火(quenching-partit1ning-tempering，Q-P-T)鋼。強(qiáng)塑積大于 50GPa%稱為第二代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，例如高猛(Μη)孿生誘發(fā)塑性(twinning induced plasticity，TWIP) o第三代(又稱新一代，new generat1n)先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)塑積是在306?&%和50GPa %之間，例如，中碳Q-P-T鋼，中錳鋼。

　　[0004]經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn):

　　[0005]Sugimoto，K.-1.，Tsunezawa, Μ.，Ho jo, T.&Ikeda，S.Ductility of 0.1 ?0.6 C-l.5 S1-1.5 Mn ultra high-strength TRIP-aided sheet steels withbainitic ferrite matrix.1SIJ internat1nal 44，1608-1614 (2004).文章對(duì) 0.1 ?0.6C - 1.5S1- 1.5Mn TRIP鋼進(jìn)行不同工藝的熱處理，得到組織為貝氏體鐵素體基體的TRIP鋼。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同含碳量的鋼在進(jìn)行相同的熱處理工藝后取得最高強(qiáng)度以及塑性的仍為0.6C鋼，其最佳性能為強(qiáng)度1300MPa和延伸率23%，得到最高強(qiáng)塑積為30GPa%。

　　[0006]Tomita,Y.&Mor1ka,K.Effect of microstructure on transformat1n-1nducedplasticity of silicon-containing low-alloy steel.Materials Characterizat1n38，243-250 (1997).對(duì)0.6C_1.5Si_0.8Mn鋼進(jìn)行不同熱處理工藝處理，取得最佳性能為強(qiáng)度lOOOMPa和延伸率30%，強(qiáng)塑積為?30GPa%。

　　[0007]江利等人研究了0.63C-1.75S1-l.68Mn-0.028P-0.013S TRIP 鋼室溫不同應(yīng)變速率下的拉伸性能。經(jīng)900°C加熱，保溫20min，340°C等溫2h處理，測(cè)試不同應(yīng)變速率下的拉伸性能得到如下結(jié)論:高碳硅錳TRIP鋼的延伸率由14%?15%提高到22%左右；屈服強(qiáng)度由1015MPa提高到1198MPa ;極限強(qiáng)度由1448MPa提高到1546MPa ;強(qiáng)度與塑性配合的綜合性能達(dá)到22?34GPa%。

　　[0008]劉忠俠等發(fā)表的文章“控冷處理對(duì)中高碳S1-Mn無(wú)碳化物貝氏體鋼的組織與性能的影響”，《金屬熱處理》52-57 (2005)，該文研究了控制冷卻熱處理工藝對(duì)高碳S1-Μη無(wú)碳化物貝氏體鋼的組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，0.63C-1.92S1-0.76Mn微合金鋼經(jīng)控冷工藝處理后在很寬的工藝參數(shù)范圍內(nèi)能夠獲得無(wú)碳化物貝氏體組織；隨著試樣在油中冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)，塊狀殘留奧氏體量不斷減少，殘留奧氏體薄膜含量不斷增加；材料的強(qiáng)度、塑性和韌性隨著油冷時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增加。材料經(jīng)油中冷卻7s?8s后在空氣爐中360°C保溫3600s?5400s處理具有最好的強(qiáng)度、塑性，即強(qiáng)度達(dá)到1200MPa，延伸率23%，強(qiáng)塑積達(dá)到 27.6GPa%。

　　[0009]以上的研究無(wú)一例外地都通過(guò)控制高碳鋼成分以及改變熱處理工藝以達(dá)到提高高碳鋼的性能，但是得到的結(jié)果與本發(fā)明中得到的50GPa%相比，差距非常明顯。這表明在碳硅錳含量相似情況下，高碳鋼通過(guò)改變合金元素配比以及熱處理工藝，高碳鋼的性能仍具有非常大的提高空間。

　　【發(fā)明內(nèi)容】

　　[0010]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中通過(guò)控制高碳鋼成分以及改變熱處理工藝以達(dá)到提高高碳鋼的性能、但強(qiáng)塑積最高僅達(dá)到34GPa%的狀況，本發(fā)明提出了一種可以達(dá)到50GPa%&上的高碳微合金鋼的成分和熱處理工藝的技術(shù)。

　　[0011]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種強(qiáng)塑積達(dá)50GPa%以上的高碳微合金鋼，其成分具體如下(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，% ):

　　[0012]C:0.60 ?0.75,Μη:1.0 ?2.0，S1:1.0 ?2.0，Cr:0.30 ?1.00, N1:0.20 ?1.00，Nb:0.02?0.06，剩余是鐵；

　　[0013]高碳微合金鋼，其成分優(yōu)選范圍如下(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%):

　　[0014]C:0.64 ?0.69,Μη:1.3 ?1.8, S1:1.3 ?1.8，Cr:0.40 ?1.00, N1:0.20 ?1.00，Nb:0.03?0.06，剩余是鐵。

　　[0015]本發(fā)明上述成分設(shè)計(jì)原理:高的碳含量可將降低馬氏體相變開(kāi)始溫度(Ms)，從而比中碳和低碳馬氏體鋼獲得更多的具有高塑性的殘留奧氏體。Si的加入，一是抑制脆性滲碳體的析出，二是促進(jìn)碳從過(guò)飽和馬氏體中分配到殘留奧氏體中去，從而在淬火-分配-回火(Q-P-T)工藝的最后冷卻到室溫的過(guò)程中有更多的殘留奧氏體存在。Mn、Cr的加入主要提高鋼的淬透性，兼有固溶強(qiáng)化效應(yīng)；Ni的加入主要是提高材料的缺口敏感性；Nb的加入，通過(guò)形成穩(wěn)定的Nb碳化物，在熱乳和奧氏體化處理中可細(xì)化奧氏體晶粒，從而細(xì)化它的相變產(chǎn)物-馬氏體的組織，由此提高鋼的屈服強(qiáng)度和韌性；在回火中析出的穩(wěn)定的Nb碳化物，取代脆性的滲碳體，可提高鋼的抗拉強(qiáng)度。

　　[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種上述鋼的熱處理工藝，所述工藝對(duì)待處理的50GPa%高碳微合金鋼(熱乳板或各種形狀的工件)，首先進(jìn)行正火處理，作為隨后淬火-分配-回火(Q-P-T)工藝的預(yù)處理，具體為:

　　[0017]正火工藝(對(duì)于熱乳板或各種形狀的工件):在840°C _860°C保溫(保溫時(shí)間以組織完全奧氏體化和晶粒不長(zhǎng)大為限)，隨后空冷到室溫；

　　[0018]Q-P-T工藝:奧氏體化溫度:820°C -860°C，然后淬火至馬氏體相變開(kāi)始溫度(Ms)和結(jié)束溫度(Mf)之間的某個(gè)溫度(Tq):110°C-18(TC，保溫(保溫時(shí)間是根據(jù)淬火件截面尺寸和碳分配的完全程度確定)，最后水冷至室溫。

　　[0019]本發(fā)明上述熱處理工藝設(shè)計(jì)原理:

　　[0020]正火處理作為Q-P-T工藝的預(yù)處理，其目的是為了細(xì)化組織和減少熱乳中的珠光體含量，為Q-P-T工藝得到細(xì)化的馬氏體基體和彌散分布的碳化物，更重要的是為得到具有力學(xué)穩(wěn)定性的分散和細(xì)小的殘留奧氏體提供組織準(zhǔn)備。