一种高强高韧的稀土温轧低碳低锰TRIP钢及其制备方法

一种高强高韧的稀土温轧低碳低锰trip钢及其制备方法
技术领域
1.本发明属于高强度钢技术领域，具体涉及一种高强高韧的稀土温轧低碳低锰trip钢及其制备方法。


背景技术：

2.随着全球经济的迅速增长，促进了汽车行业的繁荣发展。但是伴随着汽车发展的同时，产生了诸多问题，如能耗、环保和安全性等。近年来，应汽车行业的发展需求，汽车轻量化的概念应运而生，即在保证汽车机械性能和安全性的基础上，实现节能、减排、减重、降本等，成为未来开发新型汽车用钢的着力点。钢铁材料是汽车制造业的基础材料，而高强钢是目前实现汽车轻量化最经济、最可观的材料。
3.面对日趋激烈的材料行业竞争，钢铁工业不断开拓进取，先进高强度钢的强度级别不断提高。受环境和能源问题以及汽车轻量化理念的强烈冲击，很多国家率先出发，着眼于改进生产技术路线，进一步提升高强度钢的性能成为大势所趋。但满足汽车轻量化的要求的同时，势必会带来一些力学性能上的损失。因此，有必要开发一种新的方法进行补足。稀土被称为“新材料之母”，可改善钢、铝等传统材料的性能，起到点石成金的作用。面对开发性能更优异的汽车用钢的紧急形势以及国家的稀土战略，发挥稀土元素的资源优势意义重大。
4.向钢中加入微量的稀土元素可与钢中的o、s元素形成非金属夹杂物，作为钉扎晶界的弥散体，可通过细化晶粒来改善力学性能。此外，由于稀土原子半径较大，会引起较大的晶格畸变，从而起到固溶强化的效果。采用温轧的轧制方法，即在临界区发生变形，可增加残余奥氏体中的碳含量、细化奥氏体晶粒、增加位错密度以及在更自由的颗粒和更少的层间针状组织中产生残余奥氏体来增加残余奥氏体的稳定性。再加以贝氏体等温热处理以产生部分贝氏体，进一步优化低碳低锰成分trip钢的组织及力学性能。通过采取固溶强化、细晶强化等强化手段以及改进轧制工艺和热处理制度等处理方法可以有效实现汽车钢板材料优异的组织和力学性能。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种高强高韧的稀土温轧低碳低锰trip钢材料及其制备方法。在满足轻量化的前提之下，降低碳、锰元素含量，通过合理的成分设计及工艺控制，充分发挥稀土元素所带来的固溶强化、细晶强化等强韧化，加以温轧工艺所带来的细化晶粒、提高残余奥氏体稳定性等效果以及贝氏体等温处理获得一定体积分数的贝氏体相，使所制备的低碳低锰trip钢具有高强度和高塑韧性的良好匹配。
6.一种高强高韧的稀土温轧低碳低锰trip钢，其化学组成按重量百分比为：c 0.18～0.21％，mn 1.69～1.83％，si 0.23～0.41％，al 1.44～1.65％，mo 0.02～0.04％，cu≤0.01％，ni≤0.01％，ti≤0.01％，n≤0.01％，ce 0.03～0.5％，余量为fe元素和不可避免的杂质；
7.所述高强高韧的稀土温轧低碳低锰trip钢，其微观组织由铁素体、贝氏体和残余奥氏体组成，各相体积分数占比依次为36
±
1％、45
±
1％和20
±
1％；其室温条件下的屈服强度为558
±
50mpa，抗拉强度为820
±
60mpa，延伸率为46
±
4％。
8.所述高强高韧的稀土温轧低碳低锰trip钢的制备方法，按照以下步骤进行：
9.步骤1：按照高强高韧的稀土温轧低碳低锰trip钢化学组分及各组分重量百分比，称量原料，进行冶炼，浇铸，得到铸锭；
10.步骤2：将铸锭加热至1200
±
20℃保温2～4h进行均匀化处理后，以1200
±
20℃的起始温度开始轧制，终轧温度控制在850
±
50℃，将所得的热轧板空冷至室温；
11.步骤3：将热轧板进行温轧处理；温轧工艺为：首先在750
±
20℃下保温30min，然后进行轧制，将温轧钢板空冷至室温；
12.步骤4：对温轧钢板进行贝氏体等温处理；具体工艺为：首先在800
±
50℃下保温120s，然后快速淬火至400
±
20℃保温300s，最终空冷至室温。
13.所述步骤2中，在1200
±
20℃的起始温度下为7道次轧制，总变形量为92.5％。
14.所述步骤3中，进行8道次轧至1.5mm，每道次的压下量为10～20％。道次间需将钢板在750
±
20℃下保温5min，方可进行下一次轧制。
15.本发明的关键点：
16.1、通过加入微量的稀土元素，吸附o、s等杂质元素，形成ces等非金属氧、硫化物钉扎晶界，阻碍晶界迁移，抑制再结晶，起到细晶强化的效果；促进微小渗碳体析出，增加位错密度，在不增加工序的前提下，使该稀土低碳低锰trip钢的强度和塑性得到同时提升。
17.2、通过热轧 温轧的轧制工艺，控制低碳低锰trip钢奥氏体晶粒尺寸、增加位错密度以及增加残余奥氏体中的碳含量、提高残余奥氏体的稳定性，在维持其原有良好的塑性的同时，促进该trip钢强度的提升。
18.3、该稀土温轧低碳低锰trip钢中的合金元素含量相对较少，工艺流程简单；证明了微量的稀土元素可起到显著的强塑性提升效果，过量的稀土添加反而造成不利的影响，同时也确定了最佳的trip钢稀土添加范围。
19.本发明的效果：
20.本发明的优点在于，其所提供了一种高强高韧的稀土温轧低碳低锰trip钢材料及其制备方法。利用传统的真空感应熔炼技术，获得含有稀土元素且成分均匀的铸锭；再结合控制轧制工艺及贝氏体等温处理，通过控制添加稀土含量、轧制温度、轧制变形量、退火温度、退火时间和贝氏体化温度及时间等综合因素，以此调控trip钢晶粒尺寸以及相变行为，使低碳低锰trip钢获得优异的综合力学性能以及良好的强度和塑韧性匹配，同时也确定了最佳的trip钢稀土添加含量范围。并且该稀土温轧低碳低锰trip钢中的合金元素含量相对较少，工艺简单，大大节约了生产成本，同时也满足了汽车轻量化的需求。
附图说明
21.图1对比例1-2、实施例1-2中制得的高强高韧的trip钢的微观组织形貌；
22.图2室温下对比例1-2、实施例1-2中制得的高强高韧的trip钢单轴拉伸工程应力应变曲线。
具体实施方式
23.本发明实施例中采用的熔炼设备为真空感应炉。
24.本发明实施例中采用的热轧设备为双辊单向异步轧机。
25.本发明实施例中采用的保温设备为sx-8-13型箱式电阻炉。
26.本发明实施例中采用的金属原料均为分析纯级，c粉末、si粉末、金属fe、金属mn、金属al、金属mo、金属cu、金属ni、金属ti和稀土ce的重量纯度均为≥99.9％。
27.对比例1
28.一种高强度高韧的温轧trip钢，其化学组成按重量百分比为：c 0.19％，mn 1.76％，si0.29％，al 1.52％，mo 0.03％，cu 0.007％，ni 0.007％，ti 0.002％，n 0.003％，余量为fe元素和不可避免的杂质，其晶粒尺寸为2.1μm，室温下组织为铁素体、贝氏体以及残余奥氏体；其抗拉强度为865mpa，屈服强度为466mpa，延伸率为38％。
29.所述高强度高韧的温轧trip钢的制备方法，具体步骤如下：
30.步骤1：将c粉末、si粉末、金属fe、金属mn、金属al、金属mo、金属cu、金属ni和金属ti，按重量百分比为：c 0.19％，mn 1.76％，si 0.29％，al 1.52％，mo 0.03％，cu 0.007％，ni 0.007％，ti 0.002％，n 0.003％，余量为fe，合计100％，置于熔炼炉中，在氩气条件下进行熔炼，浇注成铸锭，将铸锭开坯成截面为80mm
×
80mm，高为100mm的长方坯；
31.步骤2：将铸锭加热至1200℃保温4h进行均匀化处理，以1200℃作为起始温度经7道次将其轧至6mm，总变形量为92.5％，终轧温度为860℃，最终将钢板置于空气中冷却至室温；
32.步骤3：将热轧板进一步进行温轧处理，在750℃下保温30min，然后经过8道次轧至1.5mm，每道次的压下量在10～20％内。其中，道次间需将其在750℃下保温5min。轧制完成后，将钢板空冷至室温；
33.步骤4：对温轧钢板进行贝氏体等温处理。首先在820℃下保温120s，然后快速淬火至400℃保温300s，最终空冷至室温得到具有高强度高韧性的温轧trip钢，晶粒尺寸为2.1μm，室温下组织为铁素体、贝氏体以及残余奥氏体；其抗拉强度为865mpa，屈服强度为466mpa，延伸率为38％。微观组织形貌如图1(a)所示，室温下单轴拉伸的工程应力-应变曲线如图2所示(曲线1)。
34.对比例2
35.一种高强度高韧的稀土冷轧trip钢，其化学组成按重量百分比为：c 0.19％，mn 1.76％，si 0.29％，al 1.52％，mo 0.03％，cu 0.007％，ni 0.007％，ti 0.002％，n 0.003％，ce 0.05％，余量为fe元素和不可避免的杂质，晶粒尺寸为1.9μm，室温下组织为铁素体、贝氏体以及残余奥氏体；其抗拉强度为736mpa，屈服强度为527mpa，延伸率为48％。
36.所述高强度高韧的稀土冷轧trip钢的制备方法，具体操作如下：
37.步骤1：将c粉末、si粉末、金属fe、金属mn、金属al、金属mo、金属cu、金属ni、金属ti和稀土ce，按重量百分比为：c 0.19％，mn 1.76％，si 0.29％，al 1.52％，mo 0.03％，cu 0.007％，ni 0.007％，ti 0.002％，n 0.003％，ce 0.05％，余量为fe，合计100％，置于熔炼炉中，在氩气条件下进行熔炼，浇注成铸锭，将铸锭开坯成截面为80mm
×
80mm，高为100mm的长方坯；
38.步骤2：将铸锭加热至1200℃保温4h进行均匀化处理，以1200℃作为起始温度经7
道次将其轧至6mm，总变形量为92.5％，终轧温度为860℃，最终将钢板置于空气中冷却至室温；
39.步骤3：对热轧板进行冷轧处理。在室温下经过8道次轧至1.5mm，每道次的压下量在10～20％内；
40.步骤4：对冷轧钢板进行贝氏体等温处理。首先在820℃下保温120s，然后快速淬火至400℃保温300s，最终空冷至室温得到具有高强度高韧性的稀土冷轧trip钢，晶粒尺寸为1.9μm，室温下组织为铁素体、贝氏体以及残余奥氏体；其抗拉强度为736mpa，屈服强度为527mpa，延伸率为48％。微观组织形貌如图1(b)所示，室温下单轴拉伸的工程应力-应变曲线如图2所示(曲线2)。
41.实施例1
42.一种高强度高韧的稀土温轧低碳低锰trip钢，其化学组成按重量百分比为：c 0.19％，mn 1.76％，si 0.29％，al 1.52％，mo 0.03％，cu 0.007％，ni 0.007％，ti 0.002％，n 0.003％，ce 0.05％，余量为fe元素和不可避免的杂质，晶粒尺寸为1.6μm，室温下组织为铁素体、贝氏体以及残余奥氏体；其抗拉强度为817mpa，屈服强度为558mpa，延伸率为46％。
43.所述高强度高韧的稀土温轧低碳低锰trip钢，具体操作如下：
44.步骤1：将c粉末、si粉末、金属fe、金属mn、金属al、金属mo、金属cu、金属ni、金属ti和稀土ce，按重量百分比为：c 0.19％，mn 1.76％，si 0.29％，al 1.52％，mo 0.03％，cu 0.007％，ni 0.007％，ti 0.002％，n 0.003％，ce 0.05％，余量为fe，合计100％，置于熔炼炉中，在氩气条件下进行熔炼，浇注成铸锭，将铸锭开坯成截面为80mm
×
80mm，高为100mm的长方坯；
45.步骤2：将铸锭加热至1200℃保温4h进行均匀化处理，以1200℃作为起始温度经7道次将其轧至6mm，总变形量为92.5％，终轧温度为860℃，最终将钢板置于空气中冷却至室温；
46.步骤3：将热轧板进一步进行温轧处理，在750℃下保温30min，然后经过8道次轧至1.5mm，每道次的压下量在10～20％内。其中，道次间需将其在750℃下保温5min。轧制完成后，将钢板空冷至室温；
47.步骤4：对温轧钢板进行贝氏体等温处理。首先在820℃下保温120s，然后快速淬火至400℃保温300s，最终空冷至室温得到具有高强度高韧性的稀土温轧trip钢，晶粒尺寸为1.6μm，室温下组织为铁素体、贝氏体以及残余奥氏体；其抗拉强度为817mpa，屈服强度为558mpa，延伸率为46％。微观组织形貌如图1(c)所示，室温下单轴拉伸的工程应力-应变曲线如图2所示(曲线3)。
48.由上述对比例1、实施例1结果可知，与不含稀土温轧trip钢相比，0.05％稀土ce的加入使晶粒尺寸由2.1μm细化至1.6μm，屈服强度由466mpa提高至558mpa，延伸率由38％提高至46％。
49.由上述对比例2、实施例1结果可知，与含稀土冷轧trip钢相比，采用温轧工艺使晶粒尺寸由1.9μm进一步细化至1.6μm，抗拉强度由736mpa提高至817mpa，屈服强度由527mpa提高至558mpa，延伸率未发生明显变化。
50.实施例2
51.一种高强度高韧的稀土温轧低碳低锰trip钢，其化学组成按重量百分比为：c 0.19％，mn 1.76％，si 0.29％，al 1.52％，mo 0.03％，cu 0.007％，ni 0.007％，ti 0.002％，n 0.003％，ce 0.5％，余量为fe元素和不可避免的杂质，晶粒尺寸为3.5μm，室温下组织为铁素体、贝氏体以及残余奥氏体；其抗拉强度为675mpa，屈服强度为438mpa，延伸率为36％。
52.所述高强度高韧的稀土温轧低碳低锰trip钢的制备方法，具体操作如下：
53.步骤1：将c粉末、si粉末、金属fe、金属mn、金属al、金属mo、金属cu、金属ni、金属ti和稀土ce，按重量百分比为：c 0.19％，mn 1.76％，si 0.29％，al 1.52％，mo 0.03％，cu 0.007％，ni 0.007％，ti 0.002％，n 0.003％，ce 0.5％，余量为fe，合计100％，置于熔炼炉中，在氩气条件下进行熔炼，浇注成铸锭，将铸锭开坯成截面为80mm
×
80mm，高为100mm的长方坯；
54.步骤2：将铸锭加热至1200℃保温4h进行均匀化处理，以1200℃作为起始温度经7道次将其轧至6mm，总变形量为92.5％，终轧温度为860℃，最终将钢板置于空气中冷却至室温；
55.步骤3：将热轧板进一步进行温轧处理，在750℃下保温30min，然后经过8道次轧至1.5mm，每道次的压下量在10～20％内。其中，道次间需将其在750℃下保温5min。轧制完成后，将钢板空冷至室温；
56.步骤4：对温轧钢板进行贝氏体等温处理。首先在820℃下保温120s，然后快速淬火至400℃保温300s，最终空冷至室温得到具有高强度高韧性的稀土温轧trip钢，晶粒尺寸为3.5μm，室温下组织为铁素体、贝氏体以及残余奥氏体；其抗拉强度为675mpa，屈服强度为438mpa，延伸率为36％。微观组织形貌如图1(d)所示，室温下单轴拉伸的工程应力-应变曲线如图2所示(曲线4)。
57.与加入0.05％稀土ce的温轧trip钢相比，0.5％稀土ce的加入并未使晶粒尺寸得到细化，反而粗化至3.5μm；抗拉强度由817mpa降低至675mpa，屈服强度由558mpa降低至438mpa，延伸率由46％降低至36％。由此可知，稀土元素ce的加入量应控制在ce 0.03～0.06％。
58.实施例3
59.一种高强度高韧的稀土冷轧低碳低锰trip钢，其化学组成按重量百分比为：c 0.19％，mn 1.76％，si 0.29％，al 1.52％，mo 0.03％，cu 0.007％，ni 0.007％，ti 0.002％，n 0.003％，ce 0.5％，余量为fe元素和不可避免的杂质，晶粒尺寸为2.2μm，室温下组织为铁素体、贝氏体以及残余奥氏体；其抗拉强度为632mpa，屈服强度为463mpa，延伸率为40％。
60.所述高强度高韧的稀土温轧低碳低锰trip钢的制备方法，具体操作如下：
61.步骤1：将c粉末、si粉末、金属fe、金属mn、金属al、金属mo、金属cu、金属ni、金属ti和稀土ce，按重量百分比为：c 0.19％，mn 1.76％，si 0.29％，al 1.52％，mo 0.03％，cu 0.007％，ni 0.007％，ti 0.002％，n 0.003％，ce 0.5％，余量为fe，合计100％，置于熔炼炉中，在氩气条件下进行熔炼，浇注成铸锭，将铸锭开坯成截面为80mm
×
80mm，高为100mm的长方坯；
62.步骤2：将铸锭加热至1200℃保温4h进行均匀化处理，以1200℃作为起始温度经7
道次将其轧至6mm，总变形量为92.5％，终轧温度为860℃，最终将钢板置于空气中冷却至室温；
63.步骤3：对热轧板进行冷轧处理。在室温下经过8道次轧至1.5mm，每道次的压下量在10～20％内；
64.步骤4：对冷轧钢板进行贝氏体等温处理。首先在820℃下保温120s，然后快速淬火至400℃保温300s，最终空冷至室温得到具有高强度高韧性的稀土冷轧trip钢，晶粒尺寸为2.2μm，室温下组织为铁素体、贝氏体以及残余奥氏体；其抗拉强度为632mpa，屈服强度为463mpa，延伸率为40％。
65.实施例4
66.一种高强度高韧的稀土温轧低碳低锰trip钢，其化学组成按重量百分比为：c 0.19％，mn 1.76％，si 0.29％，al 1.52％，mo 0.03％，cu 0.007％，ni 0.007％，ti 0.002％，n 0.003％，ce 0.05％，余量为fe元素和不可避免的杂质，室温下组织为铁素体、贝氏体以及残余奥氏体；其抗拉强度为760mpa，屈服强度为564mpa，延伸率为42％。
67.所述高强度高韧的稀土温轧低碳低锰trip钢，具体操作如下：
68.步骤1：将c粉末、si粉末、金属fe、金属mn、金属al、金属mo、金属cu、金属ni、金属ti和稀土ce，按重量百分比为：c 0.19％，mn 1.76％，si 0.29％，al 1.52％，mo 0.03％，cu 0.007％，ni 0.007％，ti 0.002％，n 0.003％，ce 0.05％，余量为fe，合计100％，置于熔炼炉中，在氩气条件下进行熔炼，浇注成铸锭，将铸锭开坯成截面为80mm
×
80mm，高为100mm的长方坯；
69.步骤2：将铸锭加热至1200℃保温4h进行均匀化处理，以1200℃作为起始温度经7道次将其轧至6mm，总变形量为92.5％，终轧温度为860℃，最终将钢板置于空气中冷却至室温；
70.步骤3：将热轧板进一步进行温轧处理，在750℃下保温30min，然后经过8道次轧至1.5mm，每道次的压下量在10～20％内。其中，道次间需将其在750℃下保温5min。轧制完成后，将钢板空冷至室温；
71.步骤4：对温轧钢板进行贝氏体等温处理。首先在750℃下保温120s，然后快速淬火至400℃保温300s，最终空冷至室温得到具有高强度高韧性的稀土温轧trip钢，室温下组织为铁素体、贝氏体以及残余奥氏体；其抗拉强度为760mpa，屈服强度为564mpa，延伸率为42％。
72.实施例5
73.一种高强度高韧的稀土温轧低碳低锰trip钢，其化学组成按重量百分比为：c 0.19％，mn 1.76％，si 0.29％，al 1.52％，mo 0.03％，cu 0.007％，ni 0.007％，ti 0.002％，n 0.003％，ce 0.05％，余量为fe元素和不可避免的杂质，室温下组织为铁素体、贝氏体以及残余奥氏体；其抗拉强度为797mpa，屈服强度为555mpa，延伸率为43％。
74.所述高强度高韧的稀土温轧低碳低锰trip钢，具体操作如下：
75.步骤1：将c粉末、si粉末、金属fe、金属mn、金属al、金属mo、金属cu、金属ni、金属ti和稀土ce，按重量百分比为：c 0.19％，mn 1.76％，si 0.29％，al 1.52％，mo 0.03％，cu 0.007％，ni 0.007％，ti 0.002％，n 0.003％，ce 0.05％，余量为fe，合计100％，置于熔炼炉中，在氩气条件下进行熔炼，浇注成铸锭，将铸锭开坯成截面为80mm
×
80mm，高为100mm的
长方坯；
76.步骤2：将铸锭加热至1200℃保温4h进行均匀化处理，以1200℃作为起始温度经7道次将其轧至6mm，总变形量为92.5％，终轧温度为860℃，最终将钢板置于空气中冷却至室温；
77.步骤3：将热轧板进一步进行温轧处理，在750℃下保温30min，然后经过8道次轧至1.5mm，每道次的压下量在10～20％内。其中，道次间需将其在750℃下保温5min。轧制完成后，将钢板空冷至室温；
78.步骤4：对温轧钢板进行贝氏体等温处理。首先在800℃下保温120s，然后快速淬火至400℃保温300s，最终空冷至室温得到具有高强度高韧性的稀土温轧trip钢，室温下组织为铁素体、贝氏体以及残余奥氏体；其抗拉强度为797mpa，屈服强度为555mpa，延伸率为43％。
79.实施例6
80.一种高强度高韧的稀土温轧低碳低锰trip钢，其化学组成按重量百分比为：c 0.19％，mn 1.76％，si 0.29％，al 1.52％，mo 0.03％，cu 0.007％，ni 0.007％，ti 0.002％，n 0.003％，ce 0.05％，余量为fe元素和不可避免的杂质，室温下组织为铁素体、贝氏体以及残余奥氏体；其抗拉强度为815mpa，屈服强度为508mpa，延伸率为45％。
81.所述高强度高韧的稀土温轧低碳低锰trip钢，具体操作如下：
82.步骤1：将c粉末、si粉末、金属fe、金属mn、金属al、金属mo、金属cu、金属ni、金属ti和稀土ce，按重量百分比为：c 0.19％，mn 1.76％，si 0.29％，al 1.52％，mo 0.03％，cu 0.007％，ni 0.007％，ti 0.002％，n 0.003％，ce 0.05％，余量为fe，合计100％，置于熔炼炉中，在氩气条件下进行熔炼，浇注成铸锭，将铸锭开坯成截面为80mm
×
80mm，高为100mm的长方坯；
83.步骤2：将铸锭加热至1200℃保温4h进行均匀化处理，以1200℃作为起始温度经7道次将其轧至6mm，总变形量为92.5％，终轧温度为860℃，最终将钢板置于空气中冷却至室温；
84.步骤3：将热轧板进一步进行温轧处理，在750℃下保温30min，然后经过8道次轧至1.5mm，每道次的压下量在10～20％内。其中，道次间需将其在750℃下保温5min。轧制完成后，将钢板空冷至室温；
85.步骤4：对温轧钢板进行贝氏体等温处理。首先在850℃下保温120s，然后快速淬火至400℃保温300s，最终空冷至室温得到具有高强度高韧性的稀土温轧trip钢，室温下组织为铁素体、贝氏体以及残余奥氏体；其抗拉强度为815mpa，屈服强度为508mpa，延伸率为45％。