一种低碳420MPa级复合强化超细晶粒带钢 所属技术领域
本发明涉及一种低碳高强度钢，特别是涉及一种低碳结构钢经控轧控冷形成的低碳420MPa级复合强化超细晶粒带钢。
背景技术
目前，钢铁材料仍然是结构材料的主体。但是，随着社会和经济的发展，钢铁工业所面临的节省资源、节约能源、保护环境的压力越来越大。所以，对传统的钢铁材料采用特殊的加工工艺，大幅度提高其性能，延长使用寿命，有效地提高资源的利用率和回收率，已经成为钢铁材料研究领域的热点。
日本、韩国相继于1997年和1998年启动了面向21世纪的结构材料研究计划，其目标是在成分基本不变的前提下，将现有钢材的实用强度和结构寿命提高一倍。所采取的技术路线是低温大变形、多轴压下等极限手段，追求TMCP晶粒细化的极限目标小于1μm。这种加工制造难度极大，而且材料的延伸率下降明显，屈强比过高，在实际应用中受到很大限制。
中国从1998年启动了国家重点基础研究发展计划项目，其目标之一是对现有200MPa级别的普通钢，在成分基本不变的条件下，通过特殊的加工工艺，使屈服强度提高一倍，并且有良好地塑性和韧性。本专利申请人东北大学所属的轧制技术及连轧自动化实验室的研究者们，经过几年的艰苦研制，已初步使普通SS400钢的屈服强度达到400MPa，并在“钢铁”杂志，2001年，第36卷第5期39页中发表了题为“超级super-SS400钢的工业轧制试验”论文。文章中公开了实验经过实验室模拟试验和两次工业实验。其结论是当终轧温度为800℃，卷取温度低于450℃时，super-SS400钢的显微组织为铁素体与珠光体和少量贝氏体，屈服强度超过了400MPa，抗拉强度超过540MPa，延伸率超过27％，宽冷弯合格。但是，从第一次工业实验super-SS400钢的力学性能看，尽管大部分屈服强度达到400MPa以上，但抗拉强度相对较低，这样屈强比较大。从第二次实验力学性能看钢的届服强度大部分低于400MPa，只有一次当卷取温度低于450℃时，屈服强度达到400MPa。无论从上述钢的力学性能还是从钢的金相组织都可说明，实验得到的super-SS400抗拉强度仍然偏低，屈强比较大，使应用中成型性较差；另外从两次试验力学性能数据的差距较大，说明该项技术方案使现有屈强度为200MPa级的碳锰钢提高到400MPa级结构钢的工艺条件仍然有待进一步的研究，加以解决。
【发明内容】
本发明的目的是为了克服上述已知技术不足之处，在super-SS400结构钢的基本成分基础上通过化学成分的重新设计，控轧控冷工艺的进一步完善，达到真正使目前的屈服强度为200MPa级的碳锰结构钢的屈服强度提高一倍以上，达到420～450MPa，抗拉强度在530～550MPa，延伸率在27～32％，同时具有良好使用性能的结构带钢，其金相组织晶粒尺寸为3～5μm的铁素体，5～10％的贝氏体以及＜5％的珠光体的复相组织。
本发明低碳400MPa级复合强化超细晶粒带钢，是由化学成分C、Si、Mn、P、S和Fe化学成分组成，其特征在于化学成分重量配比C：0.10～0.14％，Si：0.18～0.40％，Mn：0.85～1.10％，P＜0.01％，S＜0.01％，其余为平衡量的Fe。其带钢的金相组织为晶粒尺寸3～5μm的铁素体基体，其它为5～10％的贝氏体和＜5％的珠光体的复相组织。
上述本发明的化学成分的设计，尤其是C含量控制在0.10～0.14％是为了保证强度的同时，避免C含量提高对塑性、韧性以及焊接性的损害。Mn含量控制在0.85～1.10％是为了适当扩大奥氏体未在结晶的范围，降低应变诱导的相变发生温度Ad3，以充分利用奥氏体未再结晶控制轧制和轧后控制冷却。
实现本发明低碳420MPa级复合强化超细晶粒带钢，是通过一种新的控轧控冷工艺方法制备而成，其具体工艺方法是：
1)轧制工艺：坯料加热温度为1190～1210℃；在奥氏体再结晶区、未再结晶区及形变诱导相变区控制轧制，粗轧开轧温度为1140～1160℃，粗轧温度为1040～1050℃，中间坯厚度为38～50mm，精轧开轧温度为945～955℃，精轧终轧温度为770～790℃，在精轧机架间进行水冷。
2)轧后冷却工艺：冷却速度为20～30℃/s，卷取温度为430～470℃。
本发明低碳420MPa级复合强化超细晶粒带钢是一种新的组织状态，它不同于一般低碳结构钢和超细晶钢的铁素体珠光组织，而是以超细3～5μm的铁素体为基体，其它为5～10％的贝氏体和＜5％的珠光体的复相组织。
本发明超细晶粒带钢与已知技术相比，具有如下的优点和效果：
由于本发明超细带钢的化学成分设计了合适的配比，以及采用的控轧控冷工艺的依据是：通过高温区的奥氏体再结晶控制轧制，充分细化奥氏体晶粒；通过精轧阶段的道次间水冷，降低轧件温度，增加奥氏体未再结晶区的变形，精轧终轧温度控制在770～790℃，使轧制过程中产生少量形变诱导铁素体；通过轧后快速冷却及较低温度的卷取，得到超细化的铁素体基体上分布适量贝氏体的复相组织。超细化的铁素体基体材料具有较高的屈服强度，良好的塑性，同时材料的韧性，特别是材料的低温韧性得到很大改善。组织中引入适量的贝氏体，可以有效的提高抗拉强度，改善加工硬化能力，降低屈强比，使材料在提高强度的同时，还具有良好的成型性。
基于上述本发明结构的化学成分合理选配及工艺条件的完善，使本发明超细晶粒带钢的综合性能均达到了予求的标准：σs420～450MPa，σb530～550MPa，δ527～32％，Tc-85℃，宽冷变B＝35mm，d＝0.5a，完好。
由于本发明真正使现有200MPa级别的碳素钢屈服强度提高一倍，可以代替同强度级别的低合金高强度钢，开辟了节省合金元素、降低钢材成本，大幅度提高性能，促进钢材品种更新换代的新途径。
【附图说明】
图1是本发明低碳420MPa级复合强化超细晶粒带钢的金相组织图片。
【具体实施方式】
根据本发明超细晶带钢设定的化学成分范围，选取两组，编号为A、B分别在200吨转炉上冶炼，并连铸成250mm×1300mm×10020mm的连铸坯，在2050热连轧机上轧制。所选取的化学成分列入表1，TMCP工艺条件列入表2，相应的机械性能列入表3，金相组织检测结果列入表4，金相组织如图1所示。
表1 实施例超细晶带钢的化学成分(重量，％)
编号 C Si Mn P S Fe
A 0.13 0.20 0.85 0.009 0.01 余量
B 0.10 0.19 1.09 0.007 0.009 余量
表2 TMCP工艺制度
试样 粗轧开轧 粗轧终轧 精轧开轧 精轧终轧 冷却速度 卷取
编号 ℃ ℃ ℃ ℃ ℃/S ℃
A1 1150 1050 950 780 20 430
A2 1150 1050 945 790 24 470
A3 1150 1045 945 785 28 450
B1 1150 1050 950 770 30 450
B2 1150 1040 955 785 21 460
B3 1150 1045 950 790 26 440
表3力学性能检测结果
试样编号 σs σb δ5 akv， 冷变，B＝35，
MPa MPa ％ J/mm2 d＝0.5a
A1 420 540 28 123 合格
A2 430 530 29 130 合格
A3 450 530 30 126 合格
B1 435 546 31 133 合格
B2 429 541 31 145 合格
B3 433 550 30 128 合格
表4金相组织检测结果
铁素体晶粒尺寸， 贝氏体量 珠光体量
试样编号
μm ％ ％
A1 3.0 5.0 5.0
A2 4.5 8.0 4.0
A3 3.8 10.0 3.0
B1 3.5 6.0 3.0
B2 4.8 6.5 4.5
B3 5.0 5.5 5.0