專利名稱：一種納米晶粒低碳微合金鋼的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低碳超細晶粒鋼的制備方法，具體涉及的是一種納米晶粒低碳微合金鋼的制備方法。
背景技術(shù)：
納米材料的研究已成為21世紀材料研發(fā)領(lǐng)域的熱點。由于納米材料具有獨特的納米晶粒及高濃度晶界特征以及由此而產(chǎn)生的小尺寸量子效應(yīng)和晶界效應(yīng)，使其表現(xiàn)出一系列與普通多晶體和非晶態(tài)固體有本質(zhì)差別的力學(xué)、磁、光、聲等性能。對納米晶鋼的制備、結(jié)構(gòu)、性能及其應(yīng)用展開研究，將有利于開發(fā)鋼鐵材料的性能潛力，拓寬其應(yīng)用范圍，帶來巨大的經(jīng)濟效益，同時有利于拓展納米材料研究的新領(lǐng)域。
然而由于鋼鐵材料在物理和力學(xué)性能方面的特性，獲得納米晶組織相對較難，納米技術(shù)在鋼鐵領(lǐng)域的研究才剛剛開始。國內(nèi)外納米晶鋼的制備方法主要采用強烈塑性變形法，主要包括小球滾動軋制(ball milling)、滑動摩擦(sliding wear)、超聲噴丸處理(ultra-sonic shot peening)、以及高壓扭轉(zhuǎn)(high pressure torsion)等。Y.Xu和M.Mmemoto等采用小球滾動軋制法在具有馬氏體組織的低碳鋼小球表面得到納米晶層。張洪旺、盧柯等采用機械研磨法在AISI不銹鋼表面得到30μm的納米晶層。馮淦、盧柯等對20鋼表面進行超聲噴丸處理，在表層得到厚度為10μm的納米組織。這些方法的共同特點是通過強烈的塑性變形在鋼的表面得到納米晶層，且納米晶層的厚度一般在幾十微米以內(nèi)。M.Mmemoto對各種強烈塑性變形方法進行了考察，發(fā)現(xiàn)強烈塑性變形方法產(chǎn)生納米晶結(jié)構(gòu)所需要的最小真應(yīng)變量一般都在7以上。顯然利用這些方法制備較大尺寸的納米晶鋼是十分困難的。
為了解決強烈塑性變形法應(yīng)變量受限制的問題，N.Tsuji，R.Ueji，Y.Minamino，et al.ANew and Simple Process to Obtain Nano-structured Bulk Low Carbon Steel with SuperiorMechanical Property，Scripta Materialia，2002，46305-310中報導(dǎo)將厚度為2mm的低碳鋼薄板加熱淬火，獲得馬氏體組織，然后將淬火后的低碳鋼板進行變形量為50％的冷軋，冷軋后進行中溫回火，得到了平均晶粒直徑為180nm的多相組織。趙新，荊天輔，王威，周繼鋒等，在鋼鐵研究學(xué)報，2004，16(6)69-73中發(fā)表的板條馬氏體大變形軋制工藝的晶粒細化機制一文中，記載了類似方法，將6mm厚熱軋正火態(tài)Q235鋼板經(jīng)鹽浴加熱并淬火得到板條馬氏體組織，再經(jīng)180℃×90min低溫回火后，進行等效應(yīng)變?yōu)?.1的累積大變形量冷軋，之后于400℃和500℃退火后鐵素體晶粒尺寸分別為52nm和316nm。前一方法在解決應(yīng)變量受限制這一問題上取得了一定進展，但是對硬度和脆性較高的淬火組織進行冷變形仍有一定的難度，尤其后一方法冷軋變形量為3.1，仍然很大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種制備納米晶粒低碳微合金鋼的新方法，主要是以含微鈮或微鈮、釩、鈦的低碳鋼為基本成分，利用變形和相變原理，結(jié)合熱處理的技術(shù)和垂直雙向變形工藝，制造出晶粒尺寸在納米級的低碳微合金鋼，其金相組織為晶粒尺寸為50～70nm的鐵素體和含有少量馬氏體的復(fù)相組織。
本發(fā)明納米晶粒低碳微合金鋼的制備方法，包括低碳鋼化學(xué)組成成分的設(shè)定，鋼的冶煉、澆鑄鋼坯，熱軋鋼鑄坯工序，要點是設(shè)定的低碳鋼的化學(xué)組成成分，有兩種，按重量百分配比一種是C 0.12～0.20％，Si 0.13～1.56％，Mn 1.30～1.85％，P≤0.015％，S≤0.007％，Nb 0.02～0.051％，其余為鐵Fe；第二種是除C、Si、Mn、P、S、Nb與上述成分相同外，還含有V 0.066～0.071％，Ti 0.047～0.06％，其余為鐵Fe；選上述組成成分之一或之二的鋼鑄坯，熱軋成板坯，之后執(zhí)行如下工藝制度1)奧氏體/鐵素體相變前奧氏體晶粒度的控制工藝將熱軋板坯加熱至500℃，進行5～10道次軋制，累積壓下量為80％；然后，在50～300℃溫度條件下，垂直于上述500℃溫軋方向壓下變形20％～40％，即對材料實施垂直雙向變形；之后以100℃/S的速度升溫到900℃奧氏體區(qū)，短時保溫1S；或者在對熱軋板坯實施500℃溫軋后，不經(jīng)過50～300℃的變形，直接以100℃/S的速度升溫到900℃，保溫1S；2)過冷奧低體冷卻過程晶粒度的控制工藝以20℃/S的速度將上述升溫至900℃的板坯冷卻至650～700℃，再沿垂直于500℃溫軋方向壓下變形，最后此方向上累積變形量為80～90％，之后進行空冷或水霧冷卻至室溫，最終獲取納米晶粒低碳微合金鋼產(chǎn)品。
前面所述的按設(shè)定化學(xué)組成成分低碳鋼，是先經(jīng)冶煉、澆鑄成圓柱形鋼鑄坯，然后將鋼鑄坯加熱至1200℃，保溫2小時后熱軋成一定厚度的板坯，然后再按上述兩道工藝制度執(zhí)行，最終獲取金相組織為晶粒尺寸在50～70nm的鐵素體和含少量馬氏體的復(fù)相組織的納米晶粒低碳微合金鋼產(chǎn)品。
本發(fā)明具有顯著的優(yōu)點和積極效果1)本發(fā)明晶粒細化效果好，可將微合金低碳鋼的晶粒尺寸控制在50～70nm；2)本發(fā)明強調(diào)對奧氏體/鐵素體相變前的奧氏體晶粒進行細化，通過調(diào)節(jié)合金成分、低溫大變形、快速升溫、低溫奧氏體化及短時保溫等方法，可將相變前奧氏體晶粒尺寸控制在0.5～1μm左右，有利于借助冷卻過程中的相變進行組織控制，從而有助于開發(fā)出具有良好綜合性能的納米晶鋼。
具體實施例方式
實施例1設(shè)定化學(xué)組成成分重量百分比為C 0.12％，Si 0.13％，Mn 1.30％，P 0.015％，S 0.007％，Nb 0.02％，其余為鐵Fe；在50Kg實驗電爐上冶煉，澆鑄成φ150mm×500mm的圓柱形鑄坯。將此鑄坯經(jīng)1200℃加熱保溫2小時后，在φ450軋機上經(jīng)8道次軋制成厚40mm的板坯。將此板坯加熱至500℃保溫1小時，在φ300軋機上經(jīng)6道次軋制，累積壓下量80％，獲得板坯厚度為8mm。利用此板坯制成φ6×12的圓柱形熱模擬試樣，以下過程在Gleeble1500熱模擬機上進行。熱模擬試樣以100℃/S的速度加熱到900℃且保溫1S，之后以20℃/S的速度冷卻到650℃，在此溫度下，沿試樣的縱向，即垂直之前500℃溫軋方向上，對試樣壓下變形80％，之后水霧冷卻到室溫。可獲得平均晶粒尺寸70nm的等軸鐵素體晶粒，同時，此鐵素體基體中含有很少量的馬氏體組織。
實施例2設(shè)定化學(xué)組成成分重量百分比為C 0.16％，Si 1.497％，Mn 1.842％，P 0.011％，S0.005％，Nb 0.05％，Ti 0.047％，V 0.066％，其余為鐵Fe；在50Kg實驗電爐上冶煉，澆鑄成φ150mm×500mm的圓柱形鑄坯。將此鑄坯經(jīng)1200℃加熱保溫2小時后，在φ450軋機上經(jīng)8道次軋制成厚40mm的板坯。此板坯加熱至500℃保溫1小時，在φ300軋機上經(jīng)8道次軋制，累積壓下量80％，獲得板坯厚度為8mm。利用此板坯制成φ6×12的圓柱形熱模擬試樣，以下過程在Gleeble1500熱模擬機上進行。50℃條件下，沿試樣的縱向，即垂直之前500℃溫軋方向上，壓下變形30％。以100℃/S的速度加熱到900℃且保溫1S，之后以20℃/S的速度冷卻到700℃，在此溫度下，繼續(xù)沿試樣的縱向即垂直之前500℃溫軋方向壓下變形，最終此方向上累積壓下變形量90％，之后水霧冷卻到室溫。可獲得平均晶粒尺寸約50nm的等軸鐵素體晶粒，同時，此鐵素體基體中含有很少量的馬氏體組織。
實施例3設(shè)定化學(xué)組成成分重量百分比為C 0.19％，Si 1.56％，Mn 1.64％，P 0.012％，S0.0057％，Nb 0.051％，Ti 0.058％，V 0.071％，其余為鐵Fe；在50Kg實驗電爐上冶煉，澆鑄成φ150mm×500mm的圓柱形鑄坯。將此鑄坯經(jīng)1200℃加熱保溫2小時后，在φ450軋機上經(jīng)8道次熱軋成厚40mm的板坯。然后將此熱軋板坯加熱到500℃保溫1小時，在φ300軋機上經(jīng)10道次軋制，累積壓下量為80％，獲得板坯厚度為8mm。利用此板坯制成φ6×12的圓柱形熱模擬試樣，以下過程在Gleeble1500熱模擬機上進行。300℃時，沿試樣的縱向，即垂直之前500℃溫軋方向中，壓下變形40％。再以100℃/S的速度加熱到900℃且保溫1S，之后以20℃/S的速度冷卻到680℃，在此溫度下，沿試樣的縱向，即垂直之前500℃溫軋方向上對試樣壓下變形，最終此方向上的總變形量為90％，之后水霧冷卻到室溫?？色@得平均晶粒尺寸約50nm的等軸鐵素體晶粒，同時，此鐵素體基體中含有很少量的馬氏體組織。
實施例4設(shè)定化學(xué)組成成分重量百分比為C 0.19％，Si 1.56％，Mn 1.64％，P 0.012％，S0.0057％，Nb 0.051％，Ti 0.058％，V 0.071％，其余為鐵Fe；在50Kg實驗電爐上冶煉，澆鑄成φ150mm×500mm的圓柱形鑄坯。將此鑄坯經(jīng)1200℃加熱保溫2小時后，在φ450軋機上經(jīng)8道次熱軋成厚40mm的板坯。然后將此熱軋板坯加熱到500℃保溫1小時，在φ300軋機上經(jīng)10道次軋制，累積壓下量為80％，獲得板坯厚度為8mm。利用此板坯制成φ6×12的圓柱形熱模擬試樣，以下過程在Gleeble1500熱模擬機上進行。150℃時，沿試樣的縱向，即垂直之前500℃溫軋方向中，壓下變形20％。再以100℃/S的速度加熱到900℃且保溫1S，之后以20℃/S的速度冷卻到680℃，在此溫度下，沿試樣的縱向，即垂直之前500℃溫軋方向上對試樣壓下變形，最終此方向上的總變形量為90％，之后水霧冷卻到室溫?？色@得平均晶粒尺寸約50nm的等軸鐵素體晶粒，同時，此鐵素體基體中含有很少量的馬氏體組織。
權(quán)利要求
1.一種納米晶粒低碳微合金鋼的制備方法，包括低碳鋼化學(xué)組成成分的設(shè)定，鋼的冶煉、澆鑄鋼坯，熱軋鋼鑄坯工序，其特征在于設(shè)定的低碳鋼的化學(xué)組成成分有兩種，按重量百分配比一種是C 0.12～0.20％，Si 0.13～1.56％，Mn 1.30～1.85％，P≤0.015％，S≤0.007％，Nb 0.02～0.051％，其余為鐵Fe；第二種是除C、Si、Mn、P、S、Nb與上述成分相同外，還含有V 0.066～0.071％，Ti 0.047～0.06％，其余為鐵Fe；選上述組成成分之一或之二的鋼鑄坯，熱軋成板坯，之后執(zhí)行如下工藝制度1)奧氏體/鐵素體相變前奧氏體晶粒度的控制工藝將熱軋板坯加熱至500℃，進行5～10道次軋制，累積壓下量為80％；然后，在50～300℃溫度條件下，垂直于上述500℃溫軋方向壓下變形20％～40％，之后以100℃/S的速度升溫到900℃奧氏體區(qū)，保溫1S；或者在對熱軋板坯實施500℃溫軋后，直接以100℃/S的速度升溫到900℃，保溫1S；2)過冷奧氏體冷卻過程晶粒度的控制工藝以20℃/S的速度將上述升溫至900℃的板坯冷卻至650～700℃，再沿垂直于500℃溫軋方向壓下變形，最后此方向上累積變形量為80～90％，之后進行空冷或水霧冷卻至室溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米晶粒低碳微合金鋼的制備方法，其特征在于所述的熱軋板坯是將澆鑄鋼坯加熱至1200℃，保溫2小時后熱軋而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米晶粒低碳微合金鋼的制備方法，其特征在于納米晶粒低碳微合金鋼的晶粒尺寸控制在50～70nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米晶粒低碳微合金鋼的制備方法，設(shè)定低碳鋼的化學(xué)成分按重量百分配比是C 0.12～0.20％，Si 0.13～1.56％，Mn 1.30～1.85％，P≤0.015％，S≤0.007％，Nb 0.02～0.051％，或者還含有V 0.066～0.071％和Ti 0.047～0.06％，其余為鐵Fe；選上述組成成分之一的熱軋板坯加熱至500℃，5～10道次軋制，累積壓下量為80％；在50～300℃下，垂直上述500℃溫軋方向壓下變形20～40％，之后以100℃/S的速度升溫到900℃，保溫1S；或經(jīng)500℃溫軋后直接將溫軋板坯以100℃/S的速度升溫到900℃，保溫1S；之后以20℃/S速度冷卻至650～700℃，再沿垂直于500℃溫軋方向壓下變形，此方向累積變形80～90％，之后空冷或水霧冷卻至室溫。本發(fā)明鋼的晶粒尺寸控制在50～70nm，其產(chǎn)品具有相對小的變形量有利于實現(xiàn)工程應(yīng)用。
文檔編號C22C38/14GK1765568SQ20051004774
公開日2006年5月3日 申請日期2005年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月18日
發(fā)明者杜林秀, 熊明鮮, 王國棟, 劉相華 申請人:東北大學(xué)