專利名稱：超細(xì)晶粒的非合金鋼或低合金鋼的生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超細(xì)晶粒的非合金鋼或低合金鋼的生產(chǎn)方法。所述鋼通常為亞共析型，但也可以是共析型的。
非合金鋼和低合金鋼是工業(yè)領(lǐng)域所采用的重要的金屬分類。它們的特性根據(jù)碳的含量、合金元素含量和鋼的制造過程中的處理而變化。強(qiáng)度、韌性和焊接性是低碳鋼(C＜0.25％)最重要的特性，因此它們被廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)中。中碳鋼(C＝0.25～0.60％)、例如淬火鋼和回火鋼由于具有高強(qiáng)度和良好的韌性而被廣泛采用。然而，由于較高的碳含量引起的變硬的趨勢(shì)，使得它們的焊接性較差。高碳鋼(C＞0.60％)更硬并且更耐磨，但是它們的韌性和焊接性比碳含量較低的鋼更差。


圖1表示碳含量在0到1.0％的鐵碳相圖。在Ac1溫度以下緩慢加熱的過程中，鋼的結(jié)構(gòu)自然地形成鐵素體(a-Fe)和、或珠光體(a-Fe+Fe3C)。在溫度Ac1和Ac3之間，除了鐵素體之外在結(jié)構(gòu)中還形成奧氏體(g-Fe)，溫度越高結(jié)構(gòu)中形成的奧氏體越多，并且在Ac3溫度以上時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)完全成為奧氏體。隨著緩慢加熱，Ac1溫度大約為730℃，而Ac3溫度根據(jù)碳的含量而變化。純鐵的Ac3溫度大約為910℃，含有0.1％碳的鋼大約為880℃，含有0.75％碳的鋼大約為730℃。
在傳統(tǒng)冷卻或快冷過程中，直到比Ac3溫度低幾十到二百度的Ar3溫度為止，不會(huì)開始奧氏體向鐵素體和珠光體的轉(zhuǎn)變。相應(yīng)地，相轉(zhuǎn)變的停止溫度Ar1明顯低于Ac1溫度。
在含有超過0.1％碳的鋼中，特別是如果其含有足夠的增強(qiáng)淬硬性的合金元素、例如錳、鉻、鎳或鉬，則奧氏體向鐵素體和珠光體的轉(zhuǎn)變變慢，并且還可能由于快冷而被部分或完全的阻礙。在該結(jié)構(gòu)的冷卻中，在較低的溫度時(shí)還隨后形成貝氏體和/或馬氏體，這些相比鐵素體-珠光體結(jié)構(gòu)更強(qiáng)但通常韌性不夠。在非常快速的冷卻中、例如在淬硬過程中，對(duì)于中碳鋼或高碳鋼的目標(biāo)是獲得完全的馬氏體結(jié)構(gòu)。
通常要生產(chǎn)非合金鋼和低合金鋼，所以，需要鑄造熔融的鋼，然后通常將適當(dāng)尺寸的板坯加熱到1200到1300℃并軋制減薄，同時(shí)使鋼冷卻。最后，板材、棒材等可以被冷卻或加速冷卻到室溫。在熱軋之后，一些鋼在大約Ac3溫度以上被進(jìn)一步正火或奧氏體化以便硬化。例如，被正火的鋼通常僅被冷卻到500℃，在該溫度下于一個(gè)加熱爐中加熱到高于Ac3溫度大約30到50℃(通常在800到920℃的范圍內(nèi))，然后通常被冷卻。
中碳鋼和高碳鋼在硬化前的奧氏體化也在Ac3溫度以上實(shí)現(xiàn)，但隨著加速水冷或油冷，該結(jié)構(gòu)被硬化，例如主要變成馬氏體。有時(shí)候鋼可能被用于需要良好耐磨性的條件下，雖然其結(jié)構(gòu)的韌性很差。如果對(duì)于馬氏體鋼還需要良好的韌性，則其必須在大約550到650℃的溫度下回火。然后，形成非常適用于例如對(duì)強(qiáng)度和韌性均有要求的傳動(dòng)軸的調(diào)質(zhì)(QT)鋼。
鋼的強(qiáng)度和韌性特性可以通過減小微觀結(jié)構(gòu)的晶粒尺寸得以提高。奧氏體晶粒尺寸越小及/或在冷卻和相變前奧氏體的變形越大，則最終的鐵素體-珠光體結(jié)構(gòu)的晶粒尺寸越小。并且，當(dāng)晶粒尺寸減小時(shí)，貝氏體、馬氏體和QT結(jié)構(gòu)也以相同的方式得以改善。
例如，可通過向熔融的鋼中添加少量、通常小于0.1％的微合金元素、例如鈮、鈦或釩來試圖獲得較小的晶粒尺寸。于是，在鋼的相變過程中，在結(jié)構(gòu)中形成這些合金元素的非常小的碳化物、氮化物和碳氮化物沉淀。晶界的運(yùn)動(dòng)受到這些小沉淀的阻礙，并因此使高溫下的晶粒長(zhǎng)大減速。上述微合金元素合金化的鋼通常被稱為細(xì)晶粒鋼。
鋼的晶粒尺寸還可以通過改善熱軋、所謂熱機(jī)械軋制(thermomechanical rolling)(TMCP)來減小。這些所謂的TM鋼被用于有非常要求的應(yīng)用、例如橋梁結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)楫?dāng)涉及到低碳鋼時(shí)，通過這些鋼可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度、韌性和焊接性的最佳結(jié)合。TM鋼通常也是微合金鋼。
熱機(jī)械軋制是在比正常軋制低的溫度下進(jìn)行的，即低于1200℃，并且軋制在Ar3溫度附近結(jié)束，或者是略高于這一溫度、結(jié)構(gòu)仍然是奧氏體，或者略微地低于這一溫度、結(jié)構(gòu)中已經(jīng)包含有一些鐵素體。奧氏體在最后軋制道次之前的晶粒尺寸大約為20μm或更大，軋制之后的加工晶粒通常由于低于軋制溫度而沒有產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)的再結(jié)晶而被拉長(zhǎng)。
與熱機(jī)械軋制相關(guān)的還有軋制后加速冷卻到500℃并最終緩慢冷卻到室溫。在低碳鋼和高碳鋼中，拉長(zhǎng)的晶粒在冷卻過程中轉(zhuǎn)變成鐵素體和珠光體。當(dāng)傳統(tǒng)軋制鋼的鐵素體晶粒尺寸為10到30μm時(shí)，TM鋼的晶粒尺寸通常在5到10μm之間，并且最佳時(shí)為4μm。
已經(jīng)通過采用各種方法獲得了較小的微觀結(jié)構(gòu)晶粒尺寸，于是可以探討具有超細(xì)晶粒尺寸的鋼。大多數(shù)UFF(超細(xì)鐵素體)鋼已經(jīng)被處理。對(duì)于不同的微觀結(jié)構(gòu)，難以確定超細(xì)晶粒尺寸的上限，但是對(duì)于鐵素體鋼，在各種情況下其均小于5μm并且優(yōu)選為1到3μm。珠光體、還有貝氏體和馬氏體是以不同于鐵素體的方式形成的，并且它們的晶粒尺寸通常略大，這對(duì)于具有超細(xì)晶粒尺寸的鋼而言也是正確的。
在美國(guó)專利US4466842(Yada等人)中提出了一種與碳含量低的碳鋼或碳-錳鋼的熱軋相結(jié)合的方法，其中在Ar3溫度附近的熱軋最終階段中進(jìn)行了較大程度的加工。在減薄大約40％之后獲得大約4μm、在減薄大約60％之后獲得大約3μm、在減薄大約75％或更多之后獲得大約2μm的鐵素體晶粒尺寸。
在一些情況下，鋼的熱處理可使晶粒尺寸達(dá)到3μm那么小。在本申請(qǐng)人的國(guó)際專利申請(qǐng)PCT/FI98/00334中提出了一種方法，利用該方法，根據(jù)鋼的型號(hào)和進(jìn)行熱處理的可能性，對(duì)于一些鋼和工藝參數(shù)可獲得大約5μm的晶粒尺寸，甚至可獲得達(dá)到3μm的晶粒尺寸。該方法在例如加熱和冷卻過程中通常需要快速或非?？焖俚臏刈儯虼似湓趯?shí)際生產(chǎn)過程中的實(shí)現(xiàn)通常是有問題的。
本發(fā)明的目的是提供一種簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)并且可以被盡可能廣泛地用于使鋼產(chǎn)生超細(xì)晶粒尺寸的方法。
根據(jù)本發(fā)明的方法的特征由所附權(quán)利要求的權(quán)利要求1限定。在其它權(quán)利要求中限定了本發(fā)明的各種實(shí)施例。
根據(jù)本發(fā)明的方法可以被用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱機(jī)械處理和晶粒細(xì)化處理，或者可以與它們一起采用，以便提高非合金或低合金亞共析或共析鋼(碳含量不超過0.8％)的特性、特別是強(qiáng)度和韌性。必要的處理可以容易地與傳統(tǒng)制造工藝的最終階段中的簡(jiǎn)單操作一起進(jìn)行。不需要任何特殊的加工方法或非常難的加工。在處理之后，鋼的微觀結(jié)構(gòu)可包含鐵素體、珠光體、貝氏體和/或馬氏體。
下面將參考附圖進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明及其一些實(shí)施例。
圖1作為幫助理解本發(fā)明的說明的信息，表示對(duì)于0到1.0％的碳含量時(shí)在緩慢加熱過程中的Fe-C平衡圖；圖2(a)和2(b)是示意性表示根據(jù)本發(fā)明的方法的一些實(shí)施例的圖示；圖3和4分別表示在傳統(tǒng)熱軋之后和在采用根據(jù)本發(fā)明的方法之后的鋼的微觀結(jié)構(gòu)。
鋼的相變和相關(guān)溫度Ac1和Ac3在引言中已經(jīng)參考圖1作了說明。
如已經(jīng)在引言中提到的那樣，奧氏體向鐵素體和珠光體的轉(zhuǎn)變?cè)趥鹘y(tǒng)或快速冷卻中直到低于Ac3溫度幾十到兩百度的溫度Ar3為止才開始。相比而言，相變的結(jié)束溫度Ar1明顯低于Ac1溫度。除了這些溫度之外，圖2(a)和2(b)的圖表還包括溫度Tnr(nr＝無再結(jié)晶)，低于該溫度則變形的奧氏體晶粒不會(huì)進(jìn)一步再結(jié)晶。非合金鋼的Tnr溫度通常大約為800℃。這里，Ar3和Ar1的示范值分別為大約680℃和大約500℃。微合金鋼的Tnr溫度可以非常高，一直達(dá)到1050℃。
在根據(jù)本發(fā)明的處理中，其實(shí)施例由圖2(a)和2(b)的圖表表示，首先在階段1中將鋼加熱到Ac3之上的溫度T1，以便使微觀結(jié)構(gòu)(鐵素體、珠光體等)基本上完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。溫度T1被控制地足夠低以便阻礙過強(qiáng)的奧氏體晶粒長(zhǎng)大。對(duì)于低碳鋼和中碳鋼的適當(dāng)溫度通常大約為900℃，即使是低合金鋼也不高于1150℃?？刂撇嚎sAc3溫度之上(階段2)的保持時(shí)間d1，以抑制奧氏體的晶粒長(zhǎng)大。在這一階段，試圖將奧氏體的晶粒尺寸保持在15μm或更小，并且通?？蓪⑵浔３衷?0μm的范圍內(nèi)。
在經(jīng)過一個(gè)壓縮的保持時(shí)間之后，在階段3中將鋼冷卻到溫度Tnr以下。在Ac3之上退火2的過程中和在冷卻階段3的過程中不進(jìn)行加工，直到低于溫度Tnr為止才開始進(jìn)行軋制，在低于Tnr溫度時(shí)，由于不再發(fā)生奧氏體再結(jié)晶，所以?shī)W氏體晶粒在軋制過程中被拉長(zhǎng)并保持扁平。在圖2(a)的實(shí)施例中，軋制4a在Ar3溫度以上或者在奧氏體開始向例如鐵素體轉(zhuǎn)變的區(qū)域中結(jié)束。在圖2(b)的實(shí)施例中，軋制4b將持續(xù)到奧氏體結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全分解、即轉(zhuǎn)變?yōu)槔玷F素體和珠光體的溫度Ar1。所述軋制進(jìn)行一或更多道次。在軋制之后，在階段5中鋼被冷卻或允許冷卻。鋼最終的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)受到冷卻速率，自然還有軋制特性如壓下量的影響。
實(shí)際上，軋制可以在溫度Tnr和Ar1之間進(jìn)行，例如可以從800到500℃。當(dāng)軋制持續(xù)到溫度Ar3以下時(shí)，早期變形的奧氏體晶粒以及最近轉(zhuǎn)變的新的鐵素體晶粒(和在更低溫度下產(chǎn)生的珠光體團(tuán))將產(chǎn)生變形。當(dāng)溫度接近溫度Ar1時(shí)，只有所有晶粒的一少部分是奧氏體晶粒。它們已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和珠光體。
這些溫度邊界對(duì)于鋼而言完全是特定的。溫度Tnr、Ar3和Ar1的精確量化必須通過實(shí)際努力獲得。對(duì)此通常采用數(shù)學(xué)公式。
根據(jù)新方法的處理例如可以與正火處理結(jié)合使用。因而，奧氏體晶粒尺寸通常小于10μm。當(dāng)這種類型的晶粒細(xì)化微觀結(jié)構(gòu)在Tnr以下但遠(yuǎn)離Ar3的溫度下、即在奧氏體區(qū)中被軋制時(shí)，小奧氏體晶粒被拉長(zhǎng)并在冷卻到相變溫度的過程中保持不變。例如，含碳量為0.33％的中碳鋼的Tnr和Ar3溫度分別為840℃和630℃。根據(jù)進(jìn)行的試驗(yàn)，相變后的低碳鋼和中碳鋼的鐵素體晶粒尺寸為大約2到3μm，或者僅為傳統(tǒng)方式中的熱機(jī)械軋制的鋼板的晶粒尺寸的一半。這些超細(xì)晶粒鋼的強(qiáng)度和沖擊韌性本質(zhì)上優(yōu)于傳統(tǒng)方式中的熱機(jī)械軋制的鋼。
在圖3中表示在傳統(tǒng)熱軋后的上述中碳鋼的微觀結(jié)構(gòu)的顯微照片，而在圖4中表示在根據(jù)本發(fā)明的處理之后的微觀結(jié)構(gòu)的顯微照片。
下面，表示出通過對(duì)不同類型的鋼應(yīng)用本發(fā)明的方法所獲得的試驗(yàn)結(jié)果的一些例子例1.熱軋?zhí)?錳鋼(SFS-EN 10025-S355J0)
這種鋼的碳含量為0.15％，錳含量為1.2％。軋前的試樣尺寸為厚度8mm、寬度30mm、長(zhǎng)度140mm。試樣以相當(dāng)與在正火過程中加熱并退火的方式在880℃的空氣爐中保持40分鐘。在這一時(shí)期之后，試樣被緩慢冷卻到軋制溫度，在一種情況下被冷卻到800℃而在另外兩種情況下被冷卻到750℃。利用實(shí)驗(yàn)室軋機(jī)進(jìn)行一道次軋制，其壓縮比為45％。在軋制之后，采用加速空冷將兩個(gè)試樣被冷卻到室溫(從750℃和800℃，冷卻速率大約為15℃/s)。一個(gè)試樣在軋制后被緩慢冷卻(從750℃，冷卻速率大約為4℃/s)。
在根據(jù)新方法的處理前的鋼的微觀結(jié)構(gòu)為鐵素體-珠光體，并且鐵素體晶粒尺寸大約為15μm(ASTM No.9)。在處理之后，當(dāng)采用加速空冷時(shí)，鐵素體晶粒尺寸為2.5到3.0μm(ASTM No.14)。當(dāng)軋制溫度為750℃時(shí)獲得最小晶粒尺寸(2.5μm)，在軋制溫度為800℃時(shí)獲得最大晶粒尺寸(3.0μm)。當(dāng)在750℃下的另一個(gè)試樣在軋制后被緩慢冷卻到室溫(冷卻速率大約為4℃/s)時(shí)，鐵素體晶粒尺寸為3.5μm(ASTMNo.13)。
例2.高強(qiáng)度微合金鋼(SFS-EN 10149-2-S650MC)這種鋼的碳含量為0.08％，硅含量為0.20％，錳含量為1.7％。另外，該鋼含有少量用于減小晶粒尺寸的微合金元素。
對(duì)于這種鋼，進(jìn)行與例1類似試驗(yàn)。在進(jìn)行根據(jù)新方法的處理之后的鐵素體晶粒尺寸，當(dāng)采用加速空冷時(shí)為2.4到2.8μm，當(dāng)采用緩慢冷卻時(shí)為3.6μm。
例3.熱軋條件下的中碳鋼這種中碳鋼的碳含量為0.33％，硅含量0.3％，錳含量為1.2％。這種鋼是在正常的熱軋、正火、淬火或回火條件下獲得的。這種鋼除硅和錳以外不含有任何其它合金元素。
試驗(yàn)中采用的鋼最初處于熱軋條件下(圖3)。
試樣在880℃的空氣爐中保持40分鐘，之后一個(gè)試樣在800℃、另一個(gè)在720℃被冷卻并軋制。壓縮比為45％。在軋制之后進(jìn)行加速空冷，冷卻速率大約為8℃/s。當(dāng)軋制溫度為720℃(圖4)時(shí)，微觀結(jié)構(gòu)含有珠光體和鐵素體，并且鐵素體晶粒尺寸大約為2μm(ASTM No.15)。如可以從圖4中看出的那樣，白色鐵素體小于灰色或黑色的珠光體團(tuán)。
除了上述實(shí)驗(yàn)室軋制試驗(yàn)之外，還采用熱機(jī)械模擬設(shè)備進(jìn)行了許多其它模擬軋制試驗(yàn)。同樣在這些試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可以證實(shí)采用相當(dāng)小的壓縮比也可以獲得超細(xì)晶粒尺寸這一驚人的發(fā)現(xiàn)。以試驗(yàn)為基礎(chǔ)可以作出結(jié)論，為了在鋼中獲得超細(xì)晶粒尺寸(1到3μm)，總壓縮比必須至少為15％。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，為了確保獲得超細(xì)晶粒尺寸，軋制后的冷卻速率必須至少為5℃/s。
新方法的基本特征為，在軋前盡可能抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大。于是，晶粒尺寸優(yōu)選不超過大約15μm。在正火過程中的奧氏體晶粒尺寸甚至可以小于10μm。通過采用快速加熱和較短的退火時(shí)間，也可以獲得較小的奧氏體晶粒尺寸，甚至使軋前奧氏體晶粒尺寸小于6μm。
本發(fā)明可以被廣泛應(yīng)用于例如非合金或低合金亞共析或共析鋼的板材、棒材和線材的工業(yè)生產(chǎn)。根據(jù)本發(fā)明的方法非常適合用于生產(chǎn)的最終階段，用以提高鋼的特性，例如硬度、抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性。
上面描述了本發(fā)明及其一些實(shí)施例，并且提出了基于關(guān)于其在一些鋼種的制造中的實(shí)現(xiàn)和效果的試驗(yàn)結(jié)果的例子。對(duì)于這些說明和例子，顯然本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)可以根據(jù)例如鋼的碳含量等進(jìn)行非常大的改變。類似地，鋼的冷卻速率會(huì)影響可包含鐵素體、珠光體、貝氏體和/或馬氏體的相結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明可以在所附權(quán)利要求確定的范圍內(nèi)進(jìn)行改變。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)的非合金或低合金亞共析或共析鋼的方法，其特征在于，該方法包括以下幾個(gè)步驟將鋼加熱(1、2)到Ac3溫度以上的一個(gè)溫度(T1)，以便其結(jié)構(gòu)完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體結(jié)構(gòu)，借助溫度(T1)和在溫度(T1)下的保持時(shí)間(d1)強(qiáng)制阻礙奧氏體的晶粒長(zhǎng)大，將鋼冷卻(3)到Tnr溫度以下而不對(duì)其進(jìn)行加工，在Tnr溫度以下開始鋼的軋制(4a、4b)，并且持續(xù)到Tnr和Ar3溫度之間的區(qū)域中，在該區(qū)域中，鋼的結(jié)構(gòu)基本上為奧氏體但不發(fā)生奧氏體再結(jié)晶，將鋼進(jìn)一步冷卻(5)到Ar3和Ar1溫度以下。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，鋼的軋制持續(xù)到溫度Ar3和Ar1之間的區(qū)域。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，Ac3溫度以上的溫度(T1)不超過1150℃。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，奧氏體結(jié)構(gòu)的晶粒尺寸不超過15μm。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在鋼生產(chǎn)工藝的最后階段執(zhí)行該方法，所述最后階段中鋼的溫度上升到Ac3溫度以上。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法與一個(gè)傳統(tǒng)的熱處理、例如正火或淬火軟化處理結(jié)合進(jìn)行。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，處理后的鋼的微觀結(jié)構(gòu)包含鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體中的一個(gè)或多個(gè)相，微觀結(jié)構(gòu)依賴于鋼的組成和鋼從軋制溫度到室溫的冷卻速率。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在處理過程中的總壓縮比至少為15％。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，軋后的鋼冷卻速率至少為5℃/s。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，鋼的碳含量不超過0.8％。
全文摘要
一種生產(chǎn)超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)的非合金或低合金鋼的方法,其特征在于,包括以下幾個(gè)步驟:將鋼加熱(1、2)到Ac3溫度以上的一個(gè)溫度(T1),以便其結(jié)構(gòu)完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體結(jié)構(gòu),借助溫度(T1)和在溫度(T1)下的保持時(shí)間(d1)的水平來阻礙奧氏體的晶粒長(zhǎng)大,使鋼沒有任何變形地冷卻(3)到Tnr溫度以下,在Tnr溫度以下開始軋制(4a、4b),并且持續(xù)到Tnr和Ar3溫度之間的溫度范圍中,在該范圍中,鋼的結(jié)構(gòu)基本上為奧氏體但不發(fā)生奧氏體再結(jié)晶,將鋼進(jìn)一步冷卻到Ar3和Ar1溫度以下。本發(fā)明的方法適于用在生產(chǎn)的最終階段,特別是用以提高鋼的一些特性,例如硬度、抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性。
文檔編號(hào)C21D8/02GK1382224SQ00814559
公開日2002年11月27日 申請(qǐng)日期2000年10月18日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月19日
發(fā)明者約科·萊諾寧 申請(qǐng)人:阿斯帕克特有限公司