一种高强塑积中锰钢及其制备方法

本发明属于冶金，具体涉及一种高强塑积中锰钢及其制备方法。

背景技术：

1、目前汽车工业一直致力于提高燃油效率和乘客安全性，因此具有优异的机械性能、可成形性、可回收性和成本相对较低的钢材便备受人们的关注。而其中拥有经济性和安全性的钢板便是现代汽车设计的首选。其通过采用具有高强度和高延展性的先进高强度钢来减少co2排放。目前来说，汽车所用的中锰钢板已经革新到第三代先进汽车用钢，它们表现出拉伸强度和总伸长率的优异组合。研究发现，临界退火的时间与抗拉强度和延伸率成正比关系，最终抗拉强度和延伸率的乘积超过40gpa％。从宏观力学性能方面，相变诱导塑性钢(trip钢)在强度和延伸率之间表现出与孪生诱发塑性钢(twip钢)相似，但合金化成本较低，制造难度较小；从微观组织来说，其保留了更多的具有较高机械稳定性的奥氏体，这对残余奥氏体的数量和稳定性至关重要，从而增强了trip效应。

2、随着技术的发展，越来越多的金属材料新型热处理手段也逐渐涌现。现发现放电等离子体烧结(sps)技术是一种新型热处理手段，具有升温速率快、加热均匀、生产效率高、节约能源等优点，且能对材料在热处理过程中施加一个外力。因此适用于性能较好的金属材料的热处理。目前，sps方法已经广泛用于合成陶瓷材料及轻金属材料及其相关复合材料，并获得了材料优良的综合性能。中锰钢在生产中的关键过程就是临界退火工艺，因为在此过程中，原始马氏体或铁素体转变为奥氏体晶粒，其中一些稳定性较强的晶粒可在环境温度下保留，当mn含量不够高时，为了获得具有大量稳定性较强的残余奥氏体，通常需要较长的临界退火时间，因为临界退火工艺会使铁素体的mn原子到奥氏体中，从而完成元素的配分，增强奥氏体的化学稳定性。但是，有关利用sps的热处理工艺尚未见报道。因此，探索将sps技术与传统热处理工艺进行结合具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高强塑积中锰钢及其制备方法，通过成分和工艺的设计获得针状铁素体+m-a组元的多相复合组织，实现高强度、强韧性与焊接性的良好匹配。

2、本发明主要采用sps技术+临界退火工艺制备出具有粗晶奥氏体与细晶奥氏体组织的多尺度层状中锰钢结构，使得材料获得超高强塑积，有助于提高汽车用钢的强度和韧性。具体方案如下：

3、一种高强塑积中锰钢，中锰钢的化学成分按重量百分比计包括：c：0.09-0.11％、mn：3.6-4.2％、al：2-2.5％、ni：3.5-4.3％、s≤0.006％、p≤0.015％、余量为fe和不可避免的杂质。

4、本发明还提供了该高强塑积中锰钢的制备方法，包括以下步骤：

5、(1)精炼：冶炼铁水，铁水的化学成分按质量百分比计包括：c：0.09-0.11％、mn：3.6-4.2％、al：2-2.5％、ni：3.5-4.3％、s≤0.006％、p≤0.015％、余量为fe和不可避免的杂质；

6、(2)连铸：将铁水采用全程保护浇注方式，得坯料；

7、(3)热轧：将坯料加热至1200±10℃，炉中温度升至1200℃后放入坯料，保温6h后，在850～950℃粗轧，每次下压量≥30％，经3～4道次轧制后得中间坯；在800～850℃对中间坯进行精轧，每次下压量≥15％，10道次轧制后，控制开冷温度760-800℃、返红温度520-570℃、冷速10～30℃/s水冷得中锰钢板材；

8、(4)退火：将中锰钢板材放置sps设备内依次进行等温回火、临界退火，全程施加20-70mpa的外加应力，结束后冷却至室温，得到高强塑积中锰钢。

9、优选的，步骤(4)中，等温回火为：将中锰钢板材放置sps设备内，加热至350-450℃，保温30-200min。

10、优选的，步骤(4)中，临界退火为：将等温回火热处理后的中锰钢板继续加热到600-800℃，保温20-50min。

11、优选的，步骤(3)中，制备得到的中锰钢板材的微观组织包括铁素体和板条状马氏体。

12、优选的，步骤(4)中，制备得到的高强塑积中锰钢的抗拉强度为1100-1500mpa，屈服强度为550-1000mpa，延伸率为27-45％，强塑积为30-50gpa％。

13、优选的，高强塑积中锰钢的微观组织包括：细小的针状铁素体、具有多尺度层状结构的粗晶奥氏体与细晶奥氏体、马氏体。

14、优选的，针状铁素体和马氏体的体积百分比共计70-91％，粗晶奥氏体与细晶奥氏体的体积百分比共计9-30％。

15、在中锰钢的成分设计中，c含量越高，奥氏体晶粒的稳定性越高，ms温度越低。其可以有效提高材料强度，但较高的c含量可能导致焊接性差和铸造过程中严重的c偏析，因此将c含量控制在0.09％≤c≤0.11％。

16、al是铁素体稳定元素，微量的al可有效减少钢中的夹杂物含量，并细化晶粒。它们的加入可以有效防止碳化物的析出，这样c原子便在临界退火时向奥氏体配分。al通过提高c在铁素体中的活性，从而增强了c从铁素体向奥氏体的分配。但al的过量加入将导致凝固过程中形成δ铁素体相，铸造后往往非常粗糙，热轧时难以细化。此外，高al含量也给熔炼、二次精炼和铸造带来了额外的困难。因此将al含量控制在2％≤al≤2.5％。

17、mn主要起固溶强化作用，可以通过增加mn来弥补因c含量降低导致的钢板强度不足。对残余奥氏体晶粒的分数和稳定性都有很大影响，进而影响中锰钢的力学性能。室温下残余奥氏体含量与mn含量成正比。因此，mn含量越低，临界退火后残余的奥氏体比例越小，形成的马氏体比例越高。但较高的mn含量会加剧铸坯的中心偏析，从而造成钢板带状组织严重，影响钢板耐大气腐蚀性能。因此将mn含量控制在3.6％≤al≤4.2％。

18、ni主要作用是增大奥氏体的过冷度，从而细化组织，取得强化效果；另外还能增加钢的耐大气腐蚀能力，提高低温冲击韧性和降低冷脆转变温度，可以使锈层结晶颗粒细化，促进γ-feooh转变为α-feooh稳定相，提高耐大气腐蚀性能；ni显著提高钢的塑、韧性。但含量过高时会增加焊接熔池粘度，不利于气体和夹杂物的排除，造成焊缝夹杂物数量容易增多。因此将ni含量控制在3.5％≤ni≤4.3％的范围。

19、s易形成低熔点共晶，导致热脆，同时降低母材及焊缝的塑性和韧性，还恶化耐候性能，应尽可能降低；p尽管显著提高耐候性能，但含量偏高时极易造成热裂，且磷化物还易造成冷脆，降低塑性和韧性。因此，将s、p含量分别控制在s≤0.006％、p≤0.015％的范围。

20、中锰钢经轧制中采用水冷得到铁素体和板条状马氏体。在临界退火过程中，板条马氏体为奥氏体的形核提供动力，发生逆相变生成板条形态的铁素体与奥氏体，能产生更多室温下稳定的奥氏体。中锰钢轧制后组织中的畸变能较高，退火过程中采用中等冷速，晶粒再结晶形核，实现对c、mn等元素的配分，最终形成针状铁素体+奥氏体+马氏体(少量)的多相复合组织。

21、细小的针状铁素体作为基体可以提供良好的韧性，其内部的位错与马氏体组元配合可以大幅提高强度，奥氏体可通过trip大幅提高材料强度和延伸率。铁素体板条由于细晶强化，有更高的强韧性，内部位错丰富，起位错强化的作用，马氏体组元作为硬质相的引入，细小的马氏体组元也能起到弥散强化的作用，配合位错大幅提高强度，且奥氏体对拉伸性能提高明显，安全性更高。因而获得更高的抗拉强度和延伸率。

22、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

23、1)与其它中锰trip钢相比，本发明无需添加额外的合金元素，成料成本低；

24、2)与传统热处理工艺相比，本发明采用sps烧结技术对钢板在进行热处理的同时施加一个外应力，以在临界退火逆转变过程中为奥氏体形核提供动力，生成更多的逆转变奥氏体，从而在室温下获得更多的奥氏体，增强trip效应，在力学上表现为大幅度提高了材料的机械性能，强塑积更高，使强度≥1000mpa，延伸率≥25％，冲击性能良好；

25、3)与传统临界退火工艺相比，本发明在临界退火过程中加入一个等温过程，从马氏体里过饱和的α-fe中析出了c、mn元素，在后续临界退火过程中为奥氏体提供更多的c、mn元素，更好的形核与长大，以在不延长临界退火时间的情况下提高中锰钢的机械性能，更适合应用于现代工业生产中；

26、4)本发明通过合理设计成分和控制各化学成分的含量，并采用简单易行，易于控制，参数适宜的工艺方法，生产效率高、成本低，发挥各化学成分的协同作用，实现高强度与强韧性的良好匹配。