一种高抗拉强度合金钢板及其制备方法与流程

1.本发明属于超高强钢材料加工技术领域，具体涉及一种高抗拉强度合金钢板及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，随着桥梁、建筑和重型机械领域对钢材的性能要求逐渐提高，研究具有高强度、良好冲击韧性和焊接性的中厚板材势在必行。
3.高强钢经过逐步发展已经形成了三代产品，其中，以dp钢、trip钢为代表的第一代先进高强钢成形性及性能较差，限制了零部件的加工性能，另外虽然高锰trip钢、twip效应强化钢等第二代先进高强钢中mn含量较高，但是较高的生产成本和复杂的生产工艺限制了其加工应用。显然，前两代先进高强钢不能满足工程需要，因此，诞生了以q&p(quenching and partitioning)钢为代表的第三代高强钢，该种钢在室温下的组织结构包括板条状马氏体和马氏体板条之间的薄膜状奥氏体，在满足高强度的同时又具有良好的塑性，以体心立方为基体的马氏体中融入面心立方的奥氏体，充分利用固溶强化的效果，又由于含有部分奥氏体，变形过程中表现为trip效应，进一步提高性能，具有良好的强度和塑性。
4.公开号为cn113604736a的中国专利公开了一种屈服强度800mpa级高强度中厚板，通过对原料化学成分进行调整，并采用tmcp工艺，从而实现对屈服强度、抗拉强度等的提升，但是，此专利中对产品强度的提升仍然不高，并且并没有对材料的延伸率等进行改进。
5.虽然，国内外对q&p钢的组织机理、过程控制做了大量研究，但在q&p钢成分优化设计，组织稳定控制，工业稳定生产方面仍存在一些问题。
6.为此，本技术利用dq-dp-t(directly quenching and dynamic partitioning and tempering)工艺制备一种1300mpa级超高强度合金钢板，以期在提高材料稳定性的同时，能够进一步提升合金钢材料的力学性能。


技术实现要素：

7.由于传统的q&p钢加工工艺中，淬火和配分是两个独立的过程，不论是一步法还是两步法均需淬火到某一特定温度，存在制备工艺复杂以及工艺结果较难控制的问题，本发明通过对合金钢中化学成分进行调整，并采用dq-dp-t工艺，提供了一种抗拉强度1300mpa级高抗拉强度合金钢板，实现对合金钢力学性能进行改进，同时解决了现有技术中q&p钢生产工艺复杂、成本昂贵的问题。
8.本发明还提供了上述高抗拉强度合金钢板的制备方法。
9.基于上述目的，本发明采取如下技术方案：
10.一种高抗拉强度合金钢板，所述合金钢板采用锻造、热轧、淬火-动态配分-回火等工艺制备而成，所述合金钢板中各组分及其质量百分比为：c：0.18～0.25％，si：1.0～2.0％，mn：1.0～2.0％，cr：1.0～2.0％，ni：2.0～3.0，mo：0.5～1.0％，v：0～0.2％，al：0.1～0.5％，ti：0～0.2％，余量为fe及不可避免的夹杂物。
11.进一步优选的，所述合金钢板中各组分及其质量百分比为：c：0.18～0.25％，si：1.0～1.5％，mn：1.0～1.5％，cr：1.0～1.5％，ni：2.0～3.0，mo：0.5～1.0％，v：0～0.1％，al：0.2～0.5％，ti：0～0.2％，余量为fe及不可避免的夹杂物。
12.上述高抗拉强度合金钢板的制备方法，包括如下步骤：
13.(1)制备铸锭：按照合金钢板中各组分的质量百分比进行配料，利用真空感应炉真空熔炼工艺得到圆形铸锭，真空熔炼时的真空度＜5pa，熔炼后杂质元素s≤0.001wt.％，p≤0.006wt.％；
14.(2)铸锭锻造：将步骤(1)中得到的圆形铸锭在1200～1250℃保温1.5h～2h后进行锻造，始锻温度1230～1250℃，终锻温度大于950℃，锻造时间控制在40min以内，锻后冷却至室温得到锻坯；
15.(3)热轧：将步骤(2)中得到的锻坯在950～1250℃温度下进行热轧，热轧时间控制在30min以内，轧制后得到厚度为20～40mm的钢板；
16.(4)淬火-动态配分-回火：将步骤(3)热轧后的合金钢板空冷至室温进行淬火处理，淬火转移时间控制在15s以内，冷却速率为0.1～5℃/s；然后室温放置8～12h再回火处理，得到最终产品。
17.进一步的，步骤(2)中，真空熔炼过程中包括装料-抽真空-加热-熔化-合金化-搅拌-浇铸等步骤，其中加热熔化的温度为1520～1600℃，浇铸的温度为1520～1560℃，浇铸时间控制在3min以内。
18.进一步的，步骤(2)中将经过锻造后的锻坯加热至1200～1250℃，均匀化退火保温1～2h。
19.进一步的，步骤(3)中热轧采用两阶段控轧法进行，具体步骤为，将步骤(2)得到的锻坯先在1200～1250℃下开轧，然后在950～1000℃温度下终轧，热轧时间控制在30min以内。
20.进一步的，步骤(3)中采用两阶段控轧法进行热轧，能够实现总压下变形量在40～80％，通过控制变形量，从而改善板材力学性能。
21.进一步的，步骤(4)中，空冷过程中随着温度的下降，合金钢板先后经过马氏体转变开始温度ms和马氏体转变终止温度mf，即，经过马氏体转变温度区间(ms～mf温度区间)，完成马氏体的转变和碳的配分，当经过马氏体转变温度区间时，冷却速率为0.1～5℃/s，具体的所述马氏体转变开始温度ms为394℃～386℃，马氏体转变终止温度mf为164℃～176℃。
22.进一步的，步骤(4)中回火处理的具体步骤为，以10～15℃/min的速率加热到400～450℃，保温1-2h后再空冷到室温。
23.进一步的，上述方法通过锻造、热轧、淬火-动态配分-回火等工艺制备得到的厚度为20～40mm的钢板，室温组织由铁素体、板条状马氏体基体与薄膜状残余奥氏体及少量岛状残余奥氏体和碳化物组成，其中残余奥氏体含量为3～15％，残余奥氏体含碳量为0.7～1.5％。
24.进一步的，本发明所制备的高抗拉强度合金钢板，残留奥氏体的稳定性不仅受化学成分的影响，还和形态、尺寸密切相关，通过采用dq-dp-t工艺，可有效细化原始奥氏体晶粒，有利于后续c配分过程的进行，从而保证了试验钢在较低的碳含量下，仍然能实现c的配
分，在缓冷过程中，当冷却速率低时，相应地，c配分的时间延长，有利于c在残余奥氏体中的富集，增加了室温下残余奥氏体的稳定性。
25.具体的，图1为本发明所述合金钢板在空冷过程中随着温度的下降，合金钢板先后经过马氏体转变开始温度ms和马氏体转变终止温度mf时的热处理工艺示意图，正如上述高抗拉强度合金钢板的制备方法，本发明所述热处理，包括经冶炼、铸造、锻造后加热实现完全奥氏体化的过程、在950～1250℃温度进行热轧的过程、热轧后再空冷的过程中完成淬火和动态配分的过程，以及空冷后将钢板加热至400～450℃回火1～2h并进一步增强配分效果提高奥氏体含量的几个过程。
26.与传统的q&p工艺相比，本技术中dq-dp-t工艺的淬火和配分过程同步进行，既保证了淬火效果，又能使足够含量的残余奥氏体奥氏体稳定到室温，不需复杂等温控制工艺即可得到马氏体加残余奥氏体的室温组织，从而保证了高强度、高塑性。
27.接着通过回火，在碳化物析出的同时使马氏体部分逆转变为奥氏体，增加室温下残余奥氏体含量，进一步提高塑性，并且充分利用mo、v等微合金元素形成碳化物的析出强化作用，使碳在配分的同时又能在马氏体基体上弥散析出稳定的合金碳化物，进一步提高抗拉强度。
28.又因c和si含量较低，在保证钢材良好强度、塑性的同时，还具有良好的焊接性。最终得到屈服强度1100～1400mpa，抗拉强度1300～1600mpa，延伸率14～20％，强塑积20～30gpa
·
％，本发明制备得到的合金钢性能优于传统的q&p钢，且生产成本较低。
29.和传统的q&p生产过程相比，本发明充分利用轧后余热进行动态配分，节省了大量能源。接着通过回火，改善了综合性能，在降低生产成本的同时又具有优异的性能，具有良好的应用前景。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
31.1、本发明的主要目的是解决目前q&p钢生产过程中工艺复杂、成本昂贵的问题，本发明利用dq-dp-t(directly quenching and dynamic partitioning and tempering)工艺，在空冷到室温的过程中完成淬火和动态配分同时进行，简化了生产工艺，空冷时缓慢通过ms～mf转变区，完成马氏体的转变和碳的配分，然后通过回火使马氏体发生部分逆转变生成奥氏体，进一步增加室温下残余奥氏体含量，提高力学性能。
32.2、淬火过程为空冷且淬火到室温，相比传统q&p钢淬火至ms～mf某一温度，降低了控制难度，简化了等温工艺，缩减了生产成本。本发明的工艺方法无需淬火至特定淬火温度和配分等温温度，只需在直接淬火-动态配分后回火就能获得性能高于传统q&p生产工艺具有优异性能的钢材，节约了生产成本，具有广泛的应用前景。
33.3、本发明通过控制c、si等合金元素含量，在保证直接淬火-动态配分-回火效果的同时，还保证钢材具有良好的焊接性。
34.4、本发明通过添加si，al等抑制碳化物析出性元素，抑制碳化物析出，保证淬火和动态配分同时进行，然后通过回火使马氏体部分逆转变，同时析出少量碳化物，保证了高强度、高塑性；接着通过回火，使最终性能提高约20％。
附图说明
35.图1为本发明所述合金钢板在空冷过程中随着温度的下降，合金钢板先后经过马
氏体转变开始温度ms和马氏体转变终止温度mf时的热处理工艺示意图；
36.图2为本发明实施例1所述合金钢板和对比例1进行比较的照片；
37.图3为本发明实施例1和对比例1的xrd图；
38.图4为本发明实施例1和对比例1的显微组织图，左图为实施例1，右图为对比例1；
39.图5为本发明实施例1和对比例1的应力应变曲线图；
40.图6为本发明实施例2和对比例2的xrd图；
41.图7为本发明实施例2和对比例2的显微组织图，左图为实施例2，右图为对比例2；
42.图8为本发明实施例2和对比例2的应力应变曲线图。
具体实施方式
43.为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明，但所述实施例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行，下述实施例中所用原料均为普通市售产品。
44.实施例1
45.一种抗拉强度1300mpa级高抗拉强度合金钢板，通过将合金铸锭利用锻造、热轧、淬火-动态配分-回火等工艺制备而成，以质量百分数计，所述合金钢板的化学成分为：c：0.21％，si：1.0％，mn：1.2％，cr：1.2％，ni：3.2％，mo：0.6％，v：0.08％，al：0.2％，ti：0.02％，余量为fe及不可避免的夹杂物。
46.所述高抗拉强度合金钢板的制备方法，具体步骤如下：
47.(1)制备铸锭：按照合金钢板中各组分的质量百分比进行配料，利用真空感应炉真空熔炼工艺得到圆形铸锭，具体的，真空熔炼过程中包括装料-抽真空-加热-熔化-合金化-搅拌-浇铸等步骤，其中熔化的温度为1520℃，浇铸的温度为1520℃，浇铸时间控制在3min以内，真空熔炼时的真空度＜5pa，熔炼后杂质元素s≤0.001wt.％，p≤0.006wt.％，真空熔炼具体的操作步骤采用现有技术中的常用方法即可，且不是本发明的发明点所在，故不再赘述；
48.(2)铸锭锻造：将步骤(1)中得到的圆形铸锭在1200℃保温1.5h后自由锻造，始锻温度1230℃，终锻温度大于950℃，锻造时间控制在40min以内，锻后冷却至室温得到锻坯，然后将锻坯加热至1250℃，均匀化退火保温2h；
49.(3)热轧：将步骤(2)中退火处理后的锻坯采用两阶段控轧法进行热轧，先开轧再终轧，开轧温度为1250℃，终轧温度为950℃，轧制时间控制在30min以内，终轧后得到厚度为40mm的钢板；
50.(4)淬火-动态配分-回火：将步骤(3)热轧后的钢板空冷至室温进行淬火处理，淬火转移时间控制在15s以内，空冷过程中随着温度的下降，合金钢板先后经过马氏体转变开始温度ms和马氏体转变终止温度mf，即，经过马氏体转变温度区间(ms～mf温度区间)，完成马氏体的转变和碳的配分，当经过马氏体转变温度区间时，冷却速率为0.1℃/s，具体的，本实施例中ms为394℃，mf为164℃；然后室温放置12h再回火处理，回火处理的具体步骤为，以10℃/min的速率加热到400℃，保温1h后再空冷到室温，即得最终产品。
51.实施例1最终得到的产品规格为600
×
200
×
40mm(长
×
宽
×
高)，如图2所示。
52.本实施例制备得到的钢板，根据国标gb/t 228.1-2010，经检测，屈服强度为1160～1200mpa，抗拉强度1375～1410mpa，延伸率18.0～19.0％，强塑积24～27gpa
·
％。
53.对比例1
54.对比例1为将实施例1化学成分的原料采用现有技术中dq-dp工艺进行制备，且不经回火处理。实施例1的产品和对比例1的产品照片如图2所示。
55.将对比例1不经回火处理得到的产品与实施例1中经过回火处理后得到的产品进行性能测试，结果如图3、4、5所示，其中图3为实施例1和对比例1的xrd图所示，从图3的xrd分析结果可以看出，实施例1中回火后残余奥氏体含量为6％左右，较高的残余奥氏体含量是实施例1具有优良塑性的主要原因。显微组织图如图4所示，从图4中可以看出，回火前的马氏体板条组织较为粗大，粗大的板条间还存在薄膜状(条状)的残余奥氏体，回火后组织仍为马氏体板条和位于板条间的薄膜状或块状残余奥氏体，马氏体板条得到一定程度细化，薄膜状残余奥氏体相的比例在回火处理后有增多的趋势。，实施例1产品和对比例1产品的应力应变曲线如图5所示，从图5中可以看出，回火后延伸率得以大幅度改善。
56.与对比例1相比，实施例1在对比例1的基础上，增加回火辅助配分过程，有效增强c元素从马氏体向奥氏体的扩散效果，同时促使马氏体发生部分逆转变，提高奥氏体含量，改善钢板的延伸率。最终制备的钢板经回火后，延伸率提升4～5％左右，强塑积提升25％左右，具有更好的综合力学性能。
57.实施例1与对比例1进行力学性能比较结果如表1所示。
58.表1
[0059][0060]
从表1中可以看出，经淬火处理后，碳得到合理配分，实施例1中钢的奥氏体含量增加，虽然其强度略有下降，但是延伸率有较为明显的改善，强塑积提高15％左右。
[0061]
从图3、4、5和表1中，可以看出，实施例1中在经回火处理后，钢的屈服强度显著提高，抗拉强度略有下降，延伸率显著提高，这是因为回火过程中，马氏体部分逆转变为奥氏体，继而室温下稳定存在的残余奥氏体含量增多，同时析出小部分碳化物，在抗拉强度稍有降低的情况下，极大的改善了材料的塑性和屈服强度，继而显著地提高了强塑积。实施例1中回火前后对比，材料的综合性能提高19％左右，获得了良好的性能效果。
[0062]
实施例2
[0063]
一种抗拉强度1300mpa级高抗拉强度合金钢板，通过将合金铸锭利用锻造、热轧、淬火-动态配分-回火等工艺制备而成，以质量百分数计，所述合金钢板的化学成分为：c：0.25％，si：1.0％，mn：1.2％，cr：1.2％，ni：2.6％，mo：0.6％，v：0.08％，al：0.2％，ti：0.02％，余量为fe及不可避免的夹杂物。
[0064]
所述高抗拉强度合金钢板的制备方法，具体步骤如下：
[0065]
(1)制备铸锭：按照合金钢板中各组分的质量百分比进行配料，利用真空感应炉真空熔炼工艺得到圆形铸锭，具体的，真空熔炼过程中包括装料-抽真空-加热-熔化-合金化-搅拌-浇铸等步骤，其中熔化的温度为1600℃，浇铸的温度为1560℃，浇铸时间控制在3min
以内，真空熔炼时的真空度＜5pa，熔炼后杂质元素s≤0.001wt.％，p≤0.006wt.％，真空熔炼具体的操作步骤采用现有技术中的常用方法即可，且不是本发明的发明点所在，故不再赘述；
[0066]
(2)铸锭锻造：将步骤(1)中得到的圆形铸锭在1250℃保温2h后自由锻造，始锻温度1250℃，终锻温度大于950℃，锻造时间控制在40min以内，锻后冷却至室温得到锻坯，然后将锻坯加热至1250℃，均匀化退火保温2h；
[0067]
(3)热轧：将步骤(2)中退火处理后的锻坯采用两阶段控轧法进行热轧，先开轧再终轧，开轧温度为1200℃，终轧温度为1000℃，轧制时间控制在30min以内，终轧后得到厚度为30mm的钢板；
[0068]
(4)淬火-动态配分-回火：将步骤(3)热轧后的钢板空冷至室温进行淬火处理，淬火转移时间控制在15s以内，空冷过程中随着温度的下降，合金钢板先后经过马氏体转变开始温度ms和马氏体转变终止温度mf，即，经过马氏体转变温度区间(ms～mf温度区间)，完成马氏体的转变和碳的配分，当经过马氏体转变温度区间时，冷却速率为0.2℃/s，具体的，本实施例中ms为386℃，mf为176℃；然后室温放置12h再回火处理，回火处理的具体步骤为，以15℃/min的速率加热到450℃，保温1h后再空冷到室温，即得最终产品。
[0069]
本实施例制备得到的钢板，根据国标gb/t 228.1-2010，经检测，屈服强度为1200～1250mpa，抗拉强度1450～1500mpa，延伸率18.0～19.0％，强塑积26.0～28.0gpa
·
％。
[0070]
对比例2
[0071]
对比例2为将实施例2化学成分的原料采用现有技术中dq-dp工艺进行制备，且不经回火处理。
[0072]
将对比例1不经回火处理得到的产品与实施例1中经过回火处理后得到的产品进行性能测试，结果如图6、7、8所示，其中图6为实施例2和对比例2的xrd图，从图6的xrd分析结果可以看出，回火后残余奥氏体含量为5.8％左右，说明实施例2的残余奥氏体含量也比较高，较高的残余奥氏体含量也是使实施例2具有优良塑性的主要原因。实施例2产品和对比例2产品的显微组织如附图7所示，可以看出，回火后组织仍以马氏体板条和位于板条间的薄膜状或块状残余奥氏体为主，回火后点状或薄膜状残余奥氏体相的比例有所上升。实施例2产品和对比例2产品的应力应变曲线如图8所示，图8中可以看出回火后延伸率得以大幅度改善。
[0073]
实施例2与对比例2进行力学性能比较结果如表2所示。
[0074]
表2
[0075][0076]
从表1中可以看出，经淬火处理后，碳得到合理配分，实施例2中钢的奥氏体含量也有一定程度增加，其延伸率上升6％左右，强塑积提高24％左右。
[0077]
从图6、7、8和表2中，可以看出，对比例2中未经回火处理时，材料的延伸率较差且屈服强度较低，实施例2中在经回火处理后，钢的抗拉强度略有下降，但屈服强度和延伸率显著提高，这是因为回火过程中，马氏体部分逆转变为奥氏体，继而室温下稳定存在的残余
奥氏体含量增多，同时析出小部分碳化物，在抗拉强度稍有降低的情况下，显著的改善了材料的塑性和屈服强度，继而显著地提高了强塑积。实施例2中回火前后对比，材料的综合性能提高22％左右，同样取得良好的性能效果。
[0078]
本发明所述钢板在生产过程中不需精准控制淬火中止温度，或者在线升温、保温的设备，即可实现淬火和碳配分的同步进行，既保证了淬火效果，又能使足够含量的残余奥氏体奥氏体稳定到室温，不需复杂等温控制工艺即可得到马氏体加残余奥氏体的室温组织，极大的简化生产工艺流程，从而能够保证制备得到的合金钢板具有较高的强度和塑韧性，在桥梁、建筑和工程结构用钢方面应用广泛，具有良好的发展前景。
[0079]
以上对本发明的具体实施案例进行了描述，需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式。本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。