超细化完整铁素体晶粒及残余奥氏体钢的生产方法 [技术领域]
本发明涉及一种超细化完整铁素体晶粒及残余奥氏体钢的生产方法，属于低合金钢制造领域。这里所谓“完整”晶粒泛指晶粒内缺陷如位错等较少、晶内异类原子如C原子较少或相对纯净的晶粒。缺陷较少的晶粒不仅强度高，而且韧脆转变温度低。残余奥氏体的存在可以抑制钢中裂纹的萌生和扩展进而明显提高钢的塑性。[背景技术]
在本发明以前，有如文献ISIJ Int.，Vol.41(2001)，No.3，pp.290-297公开的韩国埔项钢铁有限公司Seung Chui BAIK等人的论文“合金元素对冷轧TRIP钢力学性能和相变的影响”，其研究的含残余奥氏体钢存在的不足之处在于钢中添加了微合金化元素Nb，给钢材的冶炼和轧制工艺带来一定的难度；同时，采用了冷轧和退火工艺，对热轧钢板而言，生产成本相对较高；另外，组织晶粒尺寸没有达到5μm以下超细化的水平，铁素体晶粒也没有完整化的要求。又如文献ISIJ Int.，Vol.40(2000)，No.9，pp.902-908刊登的日本信州大学Koh-ichi SUGIMOTO等人的论文“TRIP型贝氏体钢的残余奥氏体特性和拉伸性能”，其不足之处同样在于生产过程也经过了冷轧和退火工艺，铁素体晶粒尺寸和形态也没有达到超细化和完整化的水平。
除了成本、工艺和设备等因素存在的不足以外，在已有工艺条件下生产的钢种都只是单纯地具有一定数量的残余奥氏体或超细化晶粒，而没有同时具备残余奥氏体和晶粒超细化、乃至完整铁素体晶粒的组织特性。
本发明地目的是提供一种超细化完整铁素体晶粒及残余奥氏体钢的生产方法，即提供对轧制设备和工艺控制没有苛刻要求、仅通过低廉的生产成本就能获得具有超细化的特征、又有完整形态的铁素体晶粒及一定数量残余奥氏体组织结构的高强度、塑性、高韧性和低屈强比钢的生产方法。[发明内容]
为了达到上述目的，本发明设计了一种超细化完整铁素体晶粒及残余奥氏体钢的生产方法，真空冶炼、开坯轧制，轧后冷却、卷取，其特征在于钢坯原料在冶炼后浇铸成钢锭，钢的化学成分(wt％)为C：0.10～0.20，Si：1.0～2.0，Mn：1.0～2.0，Al：0.005～0.03，P、S≤0.025，余量为Fe及不可避免的夹杂；钢的轧制包括开坯轧制和控轧控冷两个阶段：开坯轧制工艺的加热温度1170～1200℃，开轧温度1120～1150℃，终轧温度850～900℃，轧制后空冷；控轧控冷工艺过程为先将钢坯加热，保温，进行多道次、快速的往返轧制，采用水喷控制冷却至卷取温度，最后进行卷取、保温和空冷。
本发明是一种硅锰系铁素体晶粒超细化及完整化的含残余奥体钢的生产方法，控制冶炼质量和开坯粗轧的原料准备阶段，是本发明钢的一个重要部份。本发明钢的生产方法主要包括冶炼、开坯和控轧控冷的成型两阶段。
本发明的超细化完整铁素体晶粒及残余奥氏体钢的生产方法，其特征在于所述的控轧控冷工艺，具体步骤为：
(1)板坯首先加热到1170～1200℃，保温时间50～60min；
(2)开轧温度为1120～1150℃，终轧温度为850～900℃，轧制后采用水喷控制冷却至卷取温度，冷却速率10～20℃/s；
(3)形变过程采用往返轧制，形变道次为14～16道，道次变形量为13％～15％，形变道次停留时间小于0.3s；
(4)卷取温度为400～450℃，保温时间为50～60min，随后空冷至室温。
本发明钢中C含量选择在0.10％～0.20％，与传统低碳钢通过C含量提高强度意义完全不同，而是利用一定数量的C获得要求的残余奥氏体体积分数，钢的强度主要由晶粒超细化来获得。在现行生产工艺条件下，C小于0.10％，残余奥氏体比例较少，数量在5％以下；C大于0.20％，残余奥氏体数量较多，在5％以上；继续增加C含量超过0.20％，残余奥氏体数量增加有限。本发明钢的残余奥氏体数量达到了最高值11.4％
本发明钢中Si含量选择在1.0％～2.0％，一方面是因为Si可以增加残余奥氏体数量，同时，Si还可以促进铁素体完整晶粒的形成。所以，本发明中Si的作用也完全不同于传统低合金钢，不是为了单纯提高钢的强度。Si并不直接增加残余奥氏体的数量，而是通过提高C在铁素体中的聚集或浓度来间接增加残余奥氏体的稳定性和数量。同时，Si通过自身对铁素体的净化作用，来促进铁素体完整晶粒的形成。因此，1.0％～2.0％的Si是本发明钢获得完整铁素体晶粒的化学成分基础。Si在本发明钢中对残余奥氏体获得和铁素体完整晶粒的形成具有双重作用。
本发明中Mn含量在1.0％～2.0％，主要为了利用Mn扩大奥氏体区、提高奥氏体稳定性的特性来增加残余奥氏体的数量。就残余奥氏体数量而言，Mn与C的综合作用要强于C或Mn的单独作用。因此，C、Si、Mn对残余奥氏体的形成具有各自不同的作用机理；相对较高的C、Si、Mn含量是残余奥体形成的化学成分基础。
除了化学成分以外，用本发明方法生产的钢中一定数量残余奥氏体、铁素体晶粒超细化和完整化的形成，关键还在于热轧各个工艺参数的有效控制。热轧采用控轧控冷工艺具有以下技术特点：
(1)本发明方法的终轧温度较高，为850～900℃，比常规的超细晶钢高50℃以上，正好处于通用轧机适宜的轧制温度范围。而传统超细晶钢多采用低温大压下量轧制，其终轧温度低于820℃或更低，因此加大了轧制负荷，不仅增加了轧机负担，也不利于轧制工艺控制。而且较低的终轧温度，同样由于轧制负荷较大而增加晶粒内的缺陷，不利于完整晶粒的获得。因此，较高的终轧温度是获得完整铁素体晶粒的工艺基础。
(2)本发明的方法采用高温条件下、多道次、小变形量的快速返往式轧制，明显不同于常规超细化钢的低温大压下量轧制。这种高温再结晶区内的轧制有利于形变晶粒的反复再结晶，最终获得充分细化的超细晶组织；尤其重要的是，每道次轧制之间只有极短的时间间隔，最大限度地减缓了再结晶晶粒的长大。高温小形变量及快速轧制是本发明方法生产的钢获得超细化晶粒的两个关键的工艺因素。
(3)本发明的方法中钢的卷取温度只有400～450℃，低于常规钢板550℃以上的卷取温度，其目的在于获得一定数量的残余奥氏体。较低的卷取温度是残余氏体形成的一个主要工艺基础。
(4)本发明的方法冷却工艺特点是：轧制后冷却速度为10～20℃/s，可以避免珠光体的形成。珠光体组织为本发明中所要避免的，因为珠光体中的渗碳体消耗了过多的碳原子，不利于残余奥氏体的形成。同时，冷却速度在10～20℃/s，可以获得贝氏体组织，而贝氏体组织的形成，有利于钢中奥氏体的残留。所以，终轧以后适当的冷却速度是获得一定数量残余奥氏体的另一个重要工艺基础。
本发明钢的生产方法具有如下突出的优点：
1.就铁素体晶粒超细化和完整化而言，本方法无需采用目前对轧制设备能力和生产工艺控制要求较高的热轧低温大压下量轧制，仅采用了高温再结晶的小变形量及快速轧制技术，既获得了晶粒的超细化，也保证了铁素体晶粒的完整性，从而获得了比常规超细化晶粒钢更优异的组织结构。
2.用本方法生产的钢，简洁的C、Si、Mn成分便于生产冶炼和工艺操作；同时，与冷轧高强钢相比，以热轧态交货的特性，使生产工艺得以简化。另外，本方法生产的钢不含特殊合金元素和微量元素，与传统低合金高强度钢和超细晶钢相比，生产成本低廉，具有显著的经济效益和强劲的市场竞争力。
3.本方法具有工艺适应性和控制性强的优点，用本方法生产的钢集高强度、高塑性和高韧性于一体，既可以减轻各种构件的自重，如减轻汽车零件的自重20％以上，节省了汽车生产厂制造原材料，降低了汽车使用者的燃料消耗，而且具有较高的抗冲击能力，使汽车的安全性和保险性得以增强，给制造厂家和用户带来了更大的经济效益和社会效益。【具体实施方式】
实施例1：采用本发明的方法生产超细化完整铁素体晶粒残余奥氏体钢，先在真空炉冶炼，然后浇铸成50kg的钢锭，钢的化学成分(wt％)为C：0.19、Si：1.48、Mn：1.97、P：0.009、S：0.01，余量为Fe及不可避免的夹杂。钢的轧制分为开坯轧制和控轧控冷两个阶段：开坯轧制工艺的加热温度1200℃，开轧温度1150℃，终轧温度880℃，轧后空冷，获得的板坯厚度为20mm，长度和宽度规格为400×100mm；控轧控冷工艺的加热温度1200℃，保温时间60min，开轧温度1150℃，终轧温度880℃，轧制道次为15道，每道次变形量为15％，每道次时间间隔0.25s，轧制后控制喷水冷却速度为10℃/s，在450℃的温度下卷取，保温时间为60min，最后空冷至室温，获得的钢板成品厚度规格为2.5mm。钢的组织结构为：铁素体+贝氏体+残余奥氏体+少量马氏体，其中，铁素体以完整晶粒形态为主，晶粒尺寸仅为3.0μm，残余奥氏体体积分数为11.4％，马氏体以岛状形式存在于残余奥氏体中。钢的力学性能为：屈服强度560MPa，抗拉强度775MPa，延长率保持在(δ50)为29％的较高水平，屈强比减少到0.72，低温韧脆转变温度降低到-60℃。
本方法具有生产成本低、工艺适应性和控制性强的优点，所生产的钢最适于制造汽车保险杠、车门内支撑件、煤矿安全构件、框架及低温输油输气管道。