具有亚微米晶粒的低碳钢或低合金钢钢板的制造方法 【技术领域】
本发明涉及一种低碳钢或低合金钢钢板制造方法，特别涉及亚微米晶粒(即晶粒直径在1.0μm～0.1μm范围内)的低碳钢或低合金钢。
背景技术
低碳钢和低合金钢是钢铁材料应用领域中使用量最广泛的钢种。为了提高钢材的强度，通常的做法是添加Mn、Si等合金元素或进行控制轧制、控制冷却、热处理等，亦或添加Nb、V等微合金元素。但是对于钢材而言，不仅要求具有高的强度、高的韧性等其他良好的综合性能，而且还需考虑到节约资源(合金元素少)和可持续使用(易回收再利用)等方面的问题。晶粒细化是为数不多的有效手段之一。但现有工业化生产超细晶粒钢板的制造方法大多能获得的晶粒最小尺寸大于4～5μm的钢板。而有关超细晶粒钢的最新专利也主要集中在微米级超细晶粒钢上。如，成为超细晶粒钢研究热点地应变诱导动态相变技术，能够获得的最小铁素体晶粒通常在1μm以上。也有不采用轧制方法，如欧洲专利申请号EP0903412公开的一种方法，首先将＜0.3％C钢加热到Ac3以上温度进行奥氏体化，然后在Ar3以上温度压下50％以上，压下时要求X、Y和Z三个方向同时或连续施压，最后以高于3℃/s的速度冷却，可以获得晶粒尺寸小于3μm的超细组织。
要将大尺寸钢铁结构材料的晶粒细化到1μm以下是有相当难度的。迄今为止，获得大尺寸纳米及亚微米钢铁结构材料的方法可以归结为“强烈塑性变形”以及“大变形结合相变”两大类。
强烈塑性变形是制备致密亚微米晶粒大尺寸块体钢铁材料的主要方法，包括：旋挤、等角挤压、累积叠轧焊(accumulative roll-bonding)和多轴变形加工等。旋挤制备的材料通常是碟状的，直径和厚度分别为10～20mm和0.2～0.5mm。等角挤压制备的通常是圆棒或方棒，长70～100mm，截面直径或对角线＜20mm。由Saito等[Scripta Materialia，39(1998)：1221]提出的累积叠轧焊方法将薄板反复叠片、轧制并使其自动焊合。晶粒平均直径27μm的含钛IF钢板，在500℃经过5次叠轧循环后，晶粒尺寸减小到0.5μm以下。但该方法不仅工序烦琐，而且由于叠轧的各层之间存在界面而导致塑性恶化(拉伸延伸率比常规IF钢低一个数量级)。利用多轴变形加工(或三维压力加工、多次间断压力加工)也可以将晶粒细化到亚微米级。Belyakov等[Materialia Transactions JIM，41(2000)：476]在600℃(0.5Tm)以10-3s-1的应变速率对AISI 304奥氏体不锈钢进行多次压缩，结果发现在低应变至中应变范围内，显微组织的特征取决于具有高密度位错墙拉长亚晶粒的演化过程。随着应变的进行，这些亚晶粒越来越趋向于等轴晶，同时亚晶界的位向差也逐渐增大，最终导致位向差20°以上、平均晶粒尺寸只有0.3μm超细组织的产生。不过，多轴变形加工方法能够适应的试样尺寸有限。
大变形结合相变方法则利用了变形和相变两者在细化组织方面的各自特点。Hayashi等[CAMP-ISIJ(The Iron and Steel Institute of Japan)，11(1998)：1031]先将0.05％C-2.0％Mn钢奥氏体化后水淬获得马氏体，640℃保温后1道轧下50％，再加热到640℃压下50％或80％。结果表明，两道轧制的方向一致的试样形成沿轧制方向伸长的纤维状晶粒组织；第二道轧制翻转了90°角的试样，总压下量75％者形成了1μm的等轴晶，而总压下量90％者形成了平均晶粒尺寸0.77μm的等轴亚微米晶。
使用大变形结合相变方法也可以获得平均尺寸小于0.2μm的钢铁材料。例如，中国专利申请号CN1272554公开的一种使用成分为C：0.05～0.35、Mn＜1.0、Si＜0.30、Cr＜3.0、Mo＜1.0、V＜0.30的7mm厚钢板，通过热处理获得低碳板条马氏体、回火板条马氏体或下贝氏体预备组织，板条的宽度要求控制在0.5μm以下；然后，在720℃以下多道次或单道次温轧或冷轧，总压下量要求大于65％；最后，在550～720℃再结晶退火1.5～24小时。结果可以获得晶粒尺寸小于50nm的钢板。使用类似方法，Tsuji等[Scr.Mater.，46(2002)：305]首先在1000℃将2mm厚的SS400钢试板保温0.5小时，然后水淬获得低碳板条马氏体组织，相应的原奥氏体晶粒直径为200μm。接着，将试板冷轧50％，再在200～700℃退火0.5小时，最终获得晶粒直径约为0.18μm的超细组织。但是，当基体相晶粒如此细小(平均尺寸在0.2μm以下)时，反而会出现致命弱点—塑性不稳定性，即在屈服后只有很小的加工硬化效应，从而导致低的均匀拉伸延伸率和高的屈服强度比(屈服强度与抗拉强度之比往往高于0.9)[Jingtianfu等Journal of Materials Science Letters，16(1997)：485、Tsuji等Scr.Mater.，46(2002)：305]。因此，基体相晶粒过于细小的钢铁材料不仅制造困难或制造成本高，而且存在严重的缺陷和应用局限性。综上所述，现有的各种亚微米晶粒钢的制备方法中，有些不具备规模工业化生产；有些则在规模工业化生产上实施存在着难以克服的困难，如制造工艺过于复杂、对设备工艺要求过高、以及对原始坯料厚度有一定的要求而停留在非生产阶段。
【发明内容】
鉴于现有亚微米晶粒钢在制造方面存在的技术问题，本发明的目的在于具有亚微米晶粒的低碳钢或低合金钢钢板制造方法，可利用普通轧机，获得的低碳钢或低合金钢的晶粒尺寸为亚微米级，即晶粒直径在1.0μm～0.1μm范围内，亚微米晶粒分布于钢板表面至板厚中心的全板厚截面上，同时具有良好的组织稳定性，晶粒不易长大；且生产率高、适应性强。
为达到上述目的，本发明亚微米晶粒低碳钢或低合金钢钢板制造方法，包括如下步骤：
a.奥氏体化处理：将原始钢坯料在Ac3温度以上保温一定时间使钢坯料完全奥氏体化；
b.热轧：在高于Ar3温度下进行热轧，累积压下量在40～90％；
c.快速冷却：热轧后进行快速冷却，至600℃到室温的温度范围；
d.温轧或冷轧：在600℃至室温的温度范围内进行温轧或冷轧，累积压下量在40％以上；
e.轧制结束后，可以立即进行冷却或保温一定时间进行组织调整，然后再进行冷却或卷板。
其中，Ac3为珠光体向奥氏体转变的起始温度，Ar3为奥氏体向珠光体转变的起始温度。
上述步骤中，在步骤a的奥氏体化处理阶段，首先将钢坯料在Ac3之上的某一温度，以便完全奥氏体化。既可以将板坯料重新加热至上述温度区间，也可以将连铸坯直接冷却到上述温度区间，或将经过粗轧后的板坯冷却到上述温度区间。为了避免奥氏体晶粒粗化，温度不宜太高；同时，选择合理的保温时间以保证奥氏体的均匀化以及抑制奥氏体晶粒长大。
步骤b对坯料进行热轧，以进一步细化晶粒。轧制过程中，如温度在Tnr(Tnr为奥氏体非再结晶温度)以上，则晶粒会发生动态再结晶，奥氏体晶粒被细化。热轧温度在Tnr之下且在Ar3之上时，轧后奥氏体晶粒由于没有发生再结晶而被拉长，且在相变温度以上的冷却过程中保持不变；但冷却到相变温度之下后会发生相转变，仍可促使晶粒得到细化。上述热轧的终轧温度应在Ar3相变点以上，如终轧温度低于Ar3，会危害钢板最终的塑性和韧性，也会增加轧机的负荷。
热轧既可以单道次进行，也可以分若干道次进行。但轧制道次会影响晶粒的细化程度。当在动态再结晶温度区域(Tnr以上)轧制时，发生动态再结晶的次数越多，奥氏体晶粒细化越好。因此，连续多道次轧制是合适的，但需综合考虑轧制过程中存在的种种影响因素，以确定最佳连续轧制道次的次数。通常情况下，连续1～4道次轧制是理想的。
压下量也是热轧过程中影响晶粒细化程度的重要因素。当在再结晶温度区域(Tnr以上)轧制，如每道次压下量太小，不会产生动态再结晶。而当在非再结晶温度区域(Tnr～Ar3)轧制，如累积压下量不够，奥氏体晶粒变形量小，从而影响相变后晶粒的细化程度。因此为获得良好细化的晶粒，轧制过程中每道次压下量与累积压下量必须要足够大：每道次压下量应大于20％，累积压下量在40～90％。
热轧结束后需快速冷却，冷却速度应大于50℃/s。此时，钢的显微组织中至少含有马氏体相或贝氏体相中的一种；显微组织的组成依赖于钢的化学组成、热轧工艺以及随后的冷却工艺。通常，经上述热轧及快速冷却后得到微米级(即晶粒直径在1.0μm以上)晶粒尺寸的显微组织。
上述微米晶粒钢板仍需在600℃至室温的温度范围内作进一步轧制，累积压下量需在40％以上。轧制过程中，大变形的晶粒可能会发生动态再结晶；或者，在随后过程以及后续热处理中也可能会发生再结晶，进而得到亚微米晶粒钢板。在上述轧制过程以及热处理过程中，形成的细小弥散分布的渗碳体(尺寸小于0.2μm)能够提高再结晶的形核率和阻碍晶界的移动，起到细化晶粒作用。同时也可以提高显微组织的稳定性，显著抑制亚微米晶粒的长大。
步骤d的温轧或冷轧既可以单道次进行，也可以分若干道次进行。鉴于温度较低，为降低对使用轧制设备的过高要求，采用连续多道次轧制是适宜的。但累积压下量必须要在40％以上。
上述轧制结束后既可以立即进行冷却或卷板，也可在某一温度下保持一定时间，进行组织调整，然后再进行冷却或卷板。
经上述步骤得到的钢板，还可以利用热处理工艺作进一步处理，以获得更为理想的综合机械性能；但热处理温度不宜超过600℃，保温时间不宜超过1.5小时。
本发明的有益效果，与现有超细晶粒钢制备方法相比，
1.现有方法制备的钢板基体相的晶粒通常直径为微米级，本发明制备的钢板基体相的晶粒直径在1.0μm～0.2μm范围；同时，本发明制备的钢板的基体相中还存在弥散分布的直径小于0.2μm的渗碳体颗粒(尺寸小于0.2μm)来阻止晶粒长大、提高晶粒细化程度并提高组织稳定性。
2.本发明的制造方法，首先利用热轧快冷工艺初步细化晶粒并得到理想显微组织，具有较宽的热轧温度范围，而其它现有技术通常因为对热轧的温度范围要求比较苛刻，往往在轧制过程中由于温度降低过快而影响了晶粒细化，所以会需要其它辅助加热装置。本发明则突破了这种限制。
3.本发明的制造方法，热轧快冷结束后，直接在600℃至室温温度范围进行温轧或冷轧便可获得亚微米晶粒钢板，而无需进行其它工艺处理(如热处理)，方法简便易行；且放宽了对温轧或冷轧工艺之前板坯中显微组织结构的要求。
4.本发明的制造方法，600℃及其以下温度温轧后可与卷板工艺连接组合进行，能够显著提高生产效率。
5.本发明的制造方法可得到表面至心部的全板厚截面上晶粒的平均直径均在亚微米级钢板；同时，所获得的亚微米晶粒具有良好的组织稳定性，晶粒长大倾向小。
【附图说明】
图1为本发明实施例EX3组沿轧制方向板纵截面钢板试样中心区扫描电子显微镜照片。
图2为本发明实施例EX3组平行于轧制面方向钢板试样中心区透射电子显微镜照片。
图3为本发明实施例EX4组沿轧制方向板纵截面钢板试样中心区扫描电子显微镜照片。
【具体实施方式】
实施例EX1～8的钢板的化学成分参见表1，工艺条件参数参见表2。在钢板板厚中心处取样，使用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)进行分析，观察亚微米晶粒钢板的晶粒大小及其形貌。
因为本发明方法制备的钢板的亚微米晶粒大小沿板厚方向由表面至心部是逐渐变大的，即：近表面处晶粒较细，板厚中心区较粗；所以本专利的实施例在这些钢板板厚中心处取样，着重观察亚微米晶粒钢板心部晶粒的尺寸大小。晶粒尺寸采用体视金相学中的截点法测定，板厚中心区晶粒平均直径尺寸测试结果列于表2中的最后一列。
图1给出了实施例EX3组试样的SEM照片，图中弥散分布的白色颗粒为渗碳体，渗碳体颗粒直径均小于0.2μm；可见，各区域的晶粒沿轧制方向都有不同程度的拉长，呈纤维状。同时，钢板中存在着弥散分布的尺寸小于0.2μm的细小渗碳体颗粒。然而，用TEM观察，这些纤维状晶粒中还包含有小晶粒，如图2所示，这些晶粒都是在制备过程中形成的等轴晶。
图3给出了使用本发明制造方法制备的、并进一步采用550℃保温1小时后续热处理工艺获得的钢板(EX4组试样)组织的SEM照片(图中弥散分布的白色颗粒为渗碳体)。从中看出：经过550℃保温1小时退火后，钢板晶粒的平均直径由轧制态的0.40μm增大到0.70μm，仍然保持在亚微米尺度；并且均为等轴晶。同样，钢板中存在着弥散分布的尺寸小于0.2μm的细小渗碳体颗粒。可见，本发明获得的亚微米超细晶粒具有非常好的组织稳定性。
综上所述，本发明的制造方法不仅具有着良好的晶粒细化效果，而且所形成的晶粒细小、均匀、稳定好。
表1
合金 种类 化学 成分 编号 化学成分(wt％) C Si Mn S P Ni Cr Mo Cu Nb Ti V Al 低碳钢 A 0.18 ＜0.03 0.70 0.005 0.011 0.02 ＜0.02 -- 0.02 ＜0.01 0.001 0.01 0.035 低合 金钢 B 0.084 0.21 1.53 0.005 0.018 0.21 0.02 -- 0.22 0.041 0.02 0.062 -- 低合 金钢 C 0.07 0.31 0.31 0.004 0.082 0.11 0.6 0.46 0.24 0.02 0.002 -- 0.02
表2 实施例的参数及其测试结果
实施 例 组号 化 学 成 分 编 号 坯料 厚度 (mm) 热轧工艺 温轧或冷轧工艺 热处理工艺 钢板 厚度 (mm) 平均 晶粒 直径 (μm) 轧制 温度 (℃) 保温 时间 (min) 累积 压下 量 (％) 道 次 冷却 方式 轧制 温度 (℃) 保温 时间 (min) 累积 压下 量 (％) 道 次 冷却 方式 保温 温度 (℃)保温时间(min)冷却方式 EX1 A 15.7 900 25 50 1 水冷 500 25 74 4 水冷 ------ 2.5 0.40 EX2 A 15.7 900 25 72 3 水冷 500 25 58 3 水冷 ------ 1.8 0.50 EX3 A 15.7 1000 20 52 1 水冷 500 30 81 4 卷取 ------ 1.5 0.40 EX4 A 15.7 1000 20 52 1 水冷 500 30 81 4 水冷 55060水冷 1.5 0.70 EX5 A 15.7 1000 23 54 1 水冷 室温 30 60 11 空冷 ------ 2.8 0.40 EX6 B 15 1000 30 80 1 水冷 500 30 45.3 1 水冷 ------ 1.64 0.60 EX7 B 15 1000 30 80 1 水冷 500 30 45.3 1 水冷 45060水冷 1.64 0.80 EX8 C 14 1000 25 48 1 水冷 600 35 73 3 风冷 ------ 2.1 0.50