专利名称：一种细化普通碳素结构钢晶粒的方法
技术领域：
本发明涉及一种低碳钢晶粒细化的方法，特别涉及一种细化普通碳素结构钢晶粒的方法，在普通碳素结构钢中获得超细铁素体晶粒，铁素体晶粒可细化到3.0μm以下。
背景技术：
众所周知普通碳素结构钢占全部钢铁结构材料60％以上，其中以热轧状态交货的占到90％以上，显微组织细化的重要性、经济性和环保性(普通碳素结构钢不含Cu、Ni、Mo等合金元素，保证废钢容易回收再利用)显得尤为突出，是日本、韩国、欧盟、美国等发达国家新一代超级钢铁结构材料研究的核心问题、尽力抢占的技术制高点。
80年代中期，日本的Yade等人采用应变诱导相变成功地研制出小于3μm的超细铁素体晶粒(US Patent 4466842)，90年代中后期P.D.Hodgson等人(Scripta，Mater.，1999，Vol.40，1179)采用应变诱导相变轧制成功地在热轧带钢表面获得超细铁素体晶粒，最细的约0.5～1.0μm。上述发明均采用在低温过冷奥氏体区或亚稳的马氏体、贝氏体区以一个道次强压下轧制(道次压下率＞50％)。如此高的道次压下率和低的形变温度，将造成巨大的形变抗力和极高的轧机负荷，在实际生产上很难实现；其次一个道次强压下形变的不均匀性，将导致最终相变/再结晶组织的不均匀性，在形变集中的部位如高密度位错缠结的形变带、应变高度集中的原奥氏体晶界区域、形变孪晶带，容易通过应变诱导相变/再结晶形成超细晶，而其它部位晶粒尺寸较粗大(5μm～10μm)，造成组织的不均匀性，因此实现工业生产大试件化的困难很大。
中国专利申请03129488.x公开了“超细铁素体晶粒的含Nb低碳低合金钢及其制造方法”，该专利申请基于通过快速感应加热或试件通电直接加热(≥15℃/s)和加速控制冷却(≥10℃/s)实现奥氏体/铁素体循环相变(γα)，并结合在奥氏体未再结晶区累计大压下形变(一个循环的累计压下率≥40％，道次压下率≥15％)造成的应变诱导相变的共同作用实现铁素体晶粒超细化，获得＜3.0μm的铁素体晶粒。虽然该方法成功实现超细铁素体晶粒，但是制造工序较长，工艺过程比较复杂，工艺控制水平要求较高，工艺控制难度较大，同时制造成本也相对较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种细化普通碳素结构钢晶粒的方法，需要解决的技术问题是简化生产工艺，降低制造成本。本发明采用应变促进相变工艺，并结合在Ac1点温度以下铁素体连续动态再结晶的轧制和工艺亚动态再结晶工艺，获得小于3μm的超细铁素体晶粒，为实现传统软钢(如08钢级、Q175～Q275等)强度翻番、韧性大幅度提高、充分挖掘传统钢材的潜能奠定了基础。这对于资源相对缺乏的国家和地区实现可持续发展显得尤其重要。
本发明的技术方案为一种细化普通碳素结构钢晶粒的方法，普通碳素结构钢采用连铸生产，然后进行板坯加热保温和板坯轧制，板坯轧制包括以下步骤a、板坯轧制在过冷奥氏体区域(Ac3～Ar3)温度点之间，控制轧制道次压下率≥12％，累计道次压下率≥80％；b、在完成过冷奥氏体区间(Ac3～Ar3)轧制后，立即采用直接淬火冷却至室温；c、加热升温Ac1～Ac1-50℃温度区间，然后进行保温，保温后采用连续高速轧制工艺，控制轧制道次压下率≥10％，累计道次压下率≥50％；d、随后在终轧温度附近保温5～10秒，立即直接淬火冷却至100～200℃，然后空冷至室温得到3.0μm以下铁素体细化晶粒。
步骤b中完成过冷奥氏体区间轧制后15秒内进行淬火冷却至室温，冷却速度≥10℃/s。
步骤c中升温速度≥2.4℃/s，保温时间t2＝板厚(mm)×1.5min/mm～2.0min/mm，道次压下率δ(％)与道次间的停留时间t(s)存在如下关系lnδ+1.65lnt＝4.94。
步骤d中冷却速度≥20℃/s。
本发明的物理冶金学分析1)本发明首先采用应变促进相变轧制工艺，即在过冷奥氏体区域(Ac3～Ar3)温度点之间，控制轧制道次压下率≥12％，累计道次压下率≥80％，在温度过冷和轧制应变的双重作用下，奥氏体向铁素体转变的驱动力大大增强，铁素体的形核率显著提高，这样，无需过大的轧制道次压下率和累计轧制压下率，可以比较容易地把铁素体晶粒细化到10～20μm；2〕在完成过冷奥氏体区间(Ac3～Ar3)轧制后，立即采用直接淬火冷却至室温，确保已初步细化的铁素体晶粒来不及发生长大，同时抑制珠光体或片状渗碳体析出，以保证在随后加热至Ac1～Ac1-50℃温度区间，渗碳体以细小弥散的状态析出；3〕在Ac1点温度以下的铁素体相区内采用铁素体连续动态再结晶轧制，即在Ac1～Ac1-40℃温度点之间，采用连续高速轧制工艺，控制轧制道次压下率≥10％，累计道次压下率≥50％，利用连续动态再结晶的特点，进一步细化铁素体晶粒至3μm以下。众所周知，弥散分布的颗粒状渗碳体与可塑性变形的铁素体没有共格关系，它们在变形过程中作为一种硬的障碍。当碳素结构钢在形变时，位错在铁素体基体内运动过程中，遇到颗粒渗碳体这种障碍不能切割过去，在铁素体与颗粒渗碳体的交界处产生不均匀形变，导致颗粒渗碳体附近的铁素体基体具有高位错密度、高畸变能及高应变梯度。由于铁素体的层错能较高，位错的攀移交滑移容易进行，随着形变的继续、应变的增大，铁素体发生动态回复，在铁素体与颗粒渗碳体的交界处高位错密度、高畸变能及高应变梯度使位错胞状结构迅速发展进而形成亚晶，亚晶界持续不断吸收形变位错并发生转动，最终形成动态再结晶核心。高位错密度又可以降低动态形核的临界尺寸，而高应变梯度使动态再结晶晶核与铁素体的交界容易形成可动性较好的大角度晶界，发生所谓的晶界“弓弯”，促进铁素体动态再结晶的进行，细化铁素体晶粒尺寸；同时由于弥散分布在铁素体中的渗碳体粒子之间间距仅为几十到几百纳米，可以提供高密度的形核位置，因而铁素体动态再结晶形核具有极高的形核率；此外这些弥散分布的渗碳体又会钉扎动态再结晶晶界，阻止动态再结晶晶粒长大，导致晶粒的进一步细化。具体的细化机理如下形变产生位错→位错运动遇到颗粒状渗碳体→形成高密度的奥罗万位错环→在铁素体与颗粒渗碳体的交界处出现高位错密度、高畸变能及高应变梯度区域→位错动态回复形成亚晶→在一个晶粒内部形成众多小角度晶界的亚晶→亚晶不断吸收形变位错而发生转动→亚晶之间的晶粒取向度不断增大→亚晶界变成大角度晶界→亚晶变成动态再结晶核心→发生动态再结晶→随着形变的继续如此不断地循环往复→最终实现铁素体晶粒的超细化。
4〕完成铁素体连续动态再结晶轧制后，在终轧温度附近保温5～10秒，随后立即直接淬火冷却至100～200℃，目的是实现亚动态再结晶的进一步细化及抑制形成的超细铁素体晶粒长大。
本发明的有益效果为与现有技术相比本发明无需规模地增加设备投资，无需采用特殊的工艺措施如低温大道次压下率轧制(道次压下率一般≥50％)、无需快速循环往复加热/冷却的热处理工艺，也无需采用特殊的凝固控制技术(如外植形核剂及快速凝固技术等)，采用快速感应加热、应变促进相变轧制技术及在Ac1点(α→γ+α转变点)附近的铁素体相区普通的热连轧制技术，就可以获得≤3μm铁素体晶粒，实际工艺操作相对简单、工艺控制过程相对容易，是一种成本低廉、环境友好、切实可行的提高现有普通产品性能的有效手段之一。
图1为本发明工艺示意2为本发明实施例1金相图
具体实施例方式根据本发明技术方案，本发明适用于普通碳素钢和低合金结构钢，对成分控制如下
◆C为了确保具有足够的颗粒渗碳体析出，钢中的C含量下限不能低于0.10％；为了保证钢的综合机械性能(强度、韧性、延伸率和焊接性等)及防止过高的淬透性，钢中C含量的上限不能高于0.20％，即C含量在0.10％～0.20％之间。
◆Mn为了保证钢的综合机械性能(强度、韧性、延伸率和焊接性等)以及防止Ac1点温度过高而影响铁素体动态再结晶轧制细化晶粒的效果，钢中Mn含量下限不能低于0.30％；为了防止Ac1点温度过低，影响铁素体动态再结晶轧制操作及铁素体动态再结晶的发生，钢中Mn上限不能超过1.20％，即Mn含量在0.30％～1.20％之间。
对普通碳素结构钢的成分的配比进行进一步优化，得到优选后的需控制配比范围是◆C0.11％～0.18％◆Mn0.40％～1.00％◆Ti0.01％～0.020％◆N0.003％～0.008％，Ti/N＝2.5～3.4细化工艺过程如下◆板坯推荐采用薄板坯连铸进行生产，控制浇铸过热度ΔT在10℃～20℃之间，其中过热度ΔT＝T-T液相线，T液相线＝1538-〖44-21(％C)+52(％C)^2+13(％Si)+4.8(％Mn)+3.1(％Ni)+1.5(％Cr)〗。
◆板坯加热温度1000℃～1100℃之间，加热速度≥5℃/s；到达设定温度后进行保温，保温时间t1＝板厚(mm)×0.20min/mm～0.30min/mm。
◆采用应变促进相变轧制工艺，道次压下率≥12％，累计压下率≥80％，终轧温度控制在Ar3点温度以上，其中Ar3(℃)＝910-273[％C]-74[％Mn]-57[％Ni]-16[％Cr]-9[％Mo]-5[％Cu]。
◆为防止晶粒长大，轧制后在15s之内，采用直接淬火工艺将钢板冷却至室温，冷却速度≥10℃/s。
◆再以≥2.4℃/s加热速度升温至Ac1～Ac1-50℃温度区间，即700℃～750℃之间进行保温，保温时间t2＝板厚(mm)×1.5min/mm～2.0min/mm(铸坯的厚度在20mm以下，取中下限；连铸坯的厚度在20mm以上，取中上限)，目的是让渗碳体以细小弥散的状态析出，同时晶粒基本不发生长大。随后进行铁素体连续动态再结晶轧制。
◆在Ac1～Ac1-50℃温度区间内进行铁素体连续动态再结晶轧制，轧制道次压下率≥10％，累计道次压下率≥50％，道次压下率δ(％)与道次间的停留时间t(s)存在如下关系lnδ+1.65lnt＝4.94。
◆轧制完了后在(终轧温度～终轧温度-10℃)处保温5.0～10秒，确保亚动态再结晶过程的发生，以实现铁素体晶粒的进一步细化，随后以≥20℃/s冷却速度进行直接淬火(DQ)至淬火停止温度(QST-Quenching Stop Temperature)，QST控制在100～200℃，随后自然空冷至室温。
实施例参照图1，按表1中的成分在50公斤真空感应炉中进行合金冶炼，采用较纯净的造币钢为原料。冶炼结束后浇铸成φ150mm×300mm的铸坯，铸坯在1150℃锻造成70×270×长度(mm)的坯，锻造后坯料进砂坑缓冷至室温，并锯切成厚70×宽135×长200(mm)的钢坯供热轧模拟试验。本发明的热轧工艺试验和普通热轧试验均在Gleeble1500热模拟机上进行，从锻造坯厚度1/4处，线切割加工φ20mm×40mm的圆柱试样，然后在Gleeble1500型热模拟试验机上进行模拟热轧试验，具体工艺参数和试验结果如表2所示。发明钢1的金相图见图2，由图中标尺可以看出铁素体组织在3.0μm以下。
由于本发明技术只需要增添一台感应加热炉或直接通电加热设备，设备改造简单，费用低，即可满足生产超细晶粒碳素钢板的要求，同时生产控制也较为简单，是一种切实可行的超细晶粒钢带的生产方法，在技术上具有很强的前瞻性、实用性和可操作性，具有很高的商业价值。表1化学成分
表2发明实例的工艺参数
权利要求
1.一种细化普通碳素结构钢晶粒的方法，普通碳素结构钢采用连铸生产，然后进行板坯加热保温和板坯轧制，其特征是板坯轧制包括以下步骤a、板坯轧制在过冷奥氏体区域温度点之间，控制轧制道次压下率≥12％，累计道次压下率≥80％；b、在完成过冷奥氏体区间轧制后，立即采用直接淬火冷却至室温；c、加热升温Ac1～Ac1-50℃温度区间，然后进行保温，保温后采用连续高速轧制工艺，控制轧制道次压下率≥10％，累计道次压下率≥50％；d、随后在终轧温度附近保温5～10秒，立即直接淬火冷却至100～200℃，然后空冷至室温得到3.0μm以下铁素体细化晶粒。
2.根据权利要求1所述的一种细化普通碳素结构钢晶粒的方法，其特征是步骤b中完成过冷奥氏体区间轧制后15秒内进行淬火冷却至室温，冷却速度≥10℃/s。
3.根据权利要求1所述的一种细化普通碳素结构钢晶粒的方法，其特征是步骤c中升温速度≥2.4℃/s，保温时间t2＝板厚(mm)×1.5min/mm～2.0min/mm。
4.根据权利要求1所述的一种细化普通碳素结构钢晶粒的方法，其特征是步骤c中道次压下率δ(％)与道次间的停留时间t(s)存在如下关系1nδ+1.651nt＝4.94。
5.根据权利要求1所述的一种细化普通碳素结构钢晶粒的方法，其特征是步骤d中冷却速度≥20℃/s。
全文摘要
本发明涉及一种低碳钢晶粒细化的方法，特别涉及一种细化普通碳素结构钢晶粒的方法，需要解决的技术问题是简化生产工艺，降低制造成本。本发明的技术方案为一种细化普通碳素结构钢晶粒的方法，普通碳素结构钢采用连铸生产，然后进行板坯加热保温和板坯轧制，板坯轧制包括以下步骤a.板坯轧制在过冷奥氏体区域(Ac
文档编号C21D11/00GK1940094SQ20051003015
公开日2007年4月4日 申请日期2005年9月29日 优先权日2005年9月29日
发明者刘自成, 丁建华 申请人:宝山钢铁股份有限公司