一种纳米增强抗氢脆中锰钢及其制备方法

文献发布时间：2023-06-19 11:50:46

技术领域

本发明涉及高强钢制造技术领域，具体涉及一种纳米增强抗氢脆中锰钢及其制备方法。

背景技术

汽车行业对国家经济发展和社会进步的促进作用越来越重要，已成为国民经济的主要支柱之一。然而，汽车行业的发展带来了一系列的环境污染和能源短缺等问题。在解决能源短缺的诸多措施中，汽车轻量化效果最为显著。基于材料轻量化选择和设计的角度，中锰钢具有优异的综合力学性能和较低的生产成本，得到了工业界和学术界的重视。但是一直以来，氢脆问题是制约中锰钢发展的瓶颈。

微合金元素Nb-Mo复合添加能通过细晶强化和析出强化等强化机制改善钢铁材料力学性能，但现有技术的研究主要限于不同Nb/Mo含量对材料力学性能的影响，没有关注微合金元素Nb-Mo(铌-钼)复合添加对提高材料力学性能和抗氢脆性能的协同作用。此外，现有Nb-Mo微合金化中锰钢的制备工艺主要为“热轧+冷轧+临界热处理”，该工艺存在两个不足：(1)微合金元素Nb-Mo的最佳析出温度一般在500℃～750℃温度区间，而现有工艺制备温度不在500℃～750℃温度区间，这不能有效利用轧制形变促进纳米微合金元素Nb-Mo析出物的析出，进而充分发挥微合金Nb/Mo对氢脆的抑制作用；(2)现有工艺制备的微观组织形貌为等轴状，不利于残余奥氏体机械稳定性分布在较大的范围内，这将使大量残余奥氏体在较小的应变区间发生马氏体相变，使奥氏体中大量的氢原子聚集到晶界，增加中锰钢的氢脆倾向。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种纳米增强抗氢脆中锰钢及其制备方法。

本发明采用的技术方案是：

一种纳米增强抗氢脆中锰钢，所述中锰钢的化学成分按质量百分数计为：C 0.1～0.3％；Mn 4～8％；Al 0～3％；Nb 0.05～0.15％；Mo 0.10～0.3％；其余为Fe及不可避免杂质；所述中锰钢的微观组织为超细多尺度等轴状和板条状奥氏体和铁素体，所述奥氏体和铁素体上均匀分布有(Nb,Mo)(C,N)纳米析出物。

进一步地，所述微观组织的晶粒长度及宽度在0.2μm～2μm的范围内。

进一步地，所述(Nb,Mo)(C,N)纳米析出物的平均尺寸在1～20nm，其体积分数≥10

进一步地，所述不可避免杂质为P、S、N和O，所述不可避免杂质的质量含量＜0.01％。

一种上述纳米增强抗氢脆中锰钢的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，真空冶炼：按质量百分比配比冶炼浇铸获得钢锭；

步骤2，锻造：将钢锭加热到1200℃～1250℃，保温2～3h，锻造成钢坯；

步骤3，低温热轧：将钢坯加热到850℃～900℃，保温2h，经6～7道次低温热轧，轧制温度区间为600℃～800℃，总压下率为90％～95％，随后空冷至室温，得到低温热轧板；

步骤4，临界热处理：将低温热轧板加热至600℃～700℃，随后水冷或空冷至室温，获得分布有(Nb,Mo)(C,N)纳米析出物的超细多尺度等轴状和板条状奥氏体和铁素体。

优选步骤2中，钢坯的截面积为100mm×40mm。

优选步骤3中，低温热轧板厚度为0.5mm～1.5mm。

优选步骤4中，加热时间为10min～1h。

本发明的有益效果：

1、本发明通过采用真空冶炼、锻造、低温热轧、临界热处理工艺获得具有高密度纳米微合金(Nb,Mo)(C,N)析出物的中锰钢，其微观组织形貌为多尺度板条和等轴状奥氏体和铁素体；微合金(Nb,Mo)(C,N)纳米析出物的细晶功能和形成的大量氢陷阱，以及奥氏体和铁素体的特殊形貌，提高了中锰钢的综合力学性能和抗氢脆性能，这对提高中锰钢的服役性能具有重大意义。

2、通过中锰钢Nb-Mo微合金化设计和制备工艺的优化，充分发挥了Mo元素能降低(Nb,Mo)(C,N)析出物和基体界面能的作用，及轧制变形对析出的促进作用，进而提高了纳米微合金(Nb,Mo)(C,N)析出物的密度，降低了纳米微合金(Nb,Mo)(C,N)析出物的平均尺寸，最终提高了中锰钢强韧性和抗氢脆性能。

3、通过工艺参数的优化，使实验钢中残余奥氏体具有多尺度等轴和板条状微观组织特征，这将使残余奥氏体的机械稳定性分布在较大的应变范围，促使残余奥氏体中的氢原子在较大的应变的范围内聚集到晶界，进而提高材料的抗氢脆性能。

4、本发明的发明人经研究发现在高温轧制过程中，微合金元素Nb-Mo的最佳析出温度区间在500℃～750℃，低于500℃或高于750℃，微合金(Nb,Mo)(C,N)析出物的析出量均大幅减小，且在500℃～750℃温度范围内，纳米微合金(Nb,Mo)(C,N)析出物的平均尺寸较小，可形成大量的氢陷阱，与多尺度等轴和板条状微观组织的奥氏体和铁素体配合，提高了中锰钢强韧性和抗氢脆性能。

5、本发明所得中锰钢的屈服强度为921MPa～1054MPa，抗拉强度为1200MPa～1386MPa，延伸率为23％～43％，在0.05M H

附图说明

图1是实施例1及对比例1的中锰钢临界退火后试样冲氢前的拉伸曲线。

图2是实施例1的纳米增强抗氢脆中锰钢临界退后试样中高密度纳米(Nb,Mo)(C,N)析出物分布图。

图3是实施例1及对比例1的中锰钢临界退火后试样冲氢后的拉伸曲线。

图4是实施例2的纳米增强抗氢脆中锰钢临界退后试样中高密度纳米(Nb,Mo)(C,N)析出物分布图。

图5是实施例3的纳米增强抗氢脆中锰钢临界退后试样中高密度纳米(Nb,Mo)(C,N)析出物分布图。

图6是实施例4的纳米增强抗氢脆中锰钢临界退后试样中高密度纳米(Nb,Mo)(C,N)析出物分布图。

图7是实施例5的纳米增强抗氢脆中锰钢临界退后试样中高密度纳米(Nb,Mo)(C,N)析出物分布图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种纳米增强抗氢脆中锰钢，由中锰钢基体和均匀分布其中的(Nb,Mo)(C,N)纳米析出物组成，其化学成分及其含量是：C为0.18wt％，Mn为6.1wt％，Al为1.1wt％，Nb为0.05wt％，Mo为0.19wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。

对比例1

一种中锰钢，其化学成分按质量百分数计：C为0.19wt％，Mn为6.1wt％，Al为1.1wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。

上述实施例和对比例的中锰钢的制备方法包括：

步骤1，冶炼：通过真空熔炼，真空度约为80Pa，将原料熔化和微合金化操作，浇铸得到所需铸锭；

步骤2，锻造：将钢锭加热到1200℃，保温2h，锻造成截面积为100mm×40mm钢坯；

步骤3，低温热轧：钢坯加热到900℃，保温2h，经7道次热轧，初始轧制温度为800℃，终轧温度630℃，总压下率为95％，随后空冷至室温，得到1.5mm厚低温热轧板；

步骤4，临界热处理：将冷轧加热至650℃，随后水冷至室温，得产品。

借助线切割将热处理后的实验钢按照ASTM-E8-E8M标准和沿轧制方向加工成热拉伸试样，随后按照1.5mm/min拉伸速率进行拉伸性能测试。实施例1所得纳米增强抗氢脆中锰钢的屈服强度为1054MPa，抗拉强度为1386MPa，延伸率为43％，如图1所示。对比例1所得中锰钢的屈服强度为921MPa，抗拉强度为1216MPa，延伸率为40％，如图1所示。

借助线切割制备10mm×10mm的热处理试样，用不同型号的砂纸将样品逐级研磨至50μm～55μm，并在冲孔器上冲出直径为3mm的圆片，随后采用3000#砂纸继续研磨至40μm～45μm；采用电解双喷方式进行减薄穿孔，电解液为5％高氯酸和95％冰醋酸混合溶液；借助透射电镜对热处理后的试样进行(Nb,Mo)(C,N)析出物形貌分析。实施例1所得纳米增强抗氢脆中锰钢热处理后试样中高密度纳米(Nb,Mo)(C,N)析出物形貌如图2所示。

将热处理后的低温热轧板在0.05M H2SO4和0.5g/l硫脲溶液中和800℃冲氢1h，借助线切割将冲氢的实验钢按照ASTM-E8-E8M标准和沿轧制方向加工成热拉伸试样，随后按照1.5mm/min拉伸速率进行拉伸性能测试。实施例1所得锰钢冲氢后的屈服强度为1050MPa，抗拉强度为1400MPa，延伸率为36％，如图3所示。对比例1所得锰钢的屈服强度为921MPa，抗拉强度为1096MPa，延伸率为24％，如图3所示。

从图1及图3中可以看出，实施例1所得中锰钢的力学性能及抗氢脆性能均优于对比例1。从图2可以看出，实施例1所得中锰钢的微观组织为分布有高密度(Nb,Mo)(C,N)纳米析出物的超细多尺度等轴状和板条状奥氏体和铁素体

通过EBSD技术测定实施例1所得纳米增强抗氢脆中锰钢的晶粒平均长度为0.4μm，平均宽度为1μm。

通过TEM技术统计方法测定实施例1所得纳米增强抗氢脆中锰钢的(Nb,Mo)(C,N)纳米析出物的平均尺寸在10.5nm，其体积分数为3×10

实施例2

一种纳米增强抗氢脆中锰钢，由中锰钢基体和均匀分布其中的(Nb,Mo)(C,N)纳米析出物组成，其化学成分及其含量是：C为0.1wt％，Mn为4.0wt％，Nb为0.15wt％，Mo为0.3wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。

对比例2

一种中锰钢，其化学成分及其含量是：C为0.1wt％，Mn为4.0wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。

上述中锰钢的制备步骤包括：

步骤1，冶炼：通过真空熔炼，真空度约为80Pa，将原料熔化和微合金化操作，浇铸得到所需铸锭；

步骤2，锻造：将钢锭加热到1200℃，保温2h，锻造成截面积为100mm×40mm钢坯；

步骤3，低温热轧：钢坯加热到850℃，保温2h，经7道次热轧，初始轧制温度为800℃，终轧温度600℃，总压下率为95％，随后空冷至室温，得到1.5mm厚低温热轧板；

步骤4，临界热处理：将冷轧加热至650℃，随后水冷至室温。

借助线切割将冲氢的实验钢按照ASTM-E8-E8M标准和沿轧制方向加工成热拉伸试样，随后按照1.5mm/min拉伸速率进行拉伸性能测试。

将热处理后的低温热轧板在0.05M H2SO4和0.5g/l硫脲溶液中和800℃冲氢1h，借助线切割将冲氢的实验钢按照ASTM-E8-E8M标准和沿轧制方向加工成热拉伸试样，随后按照1.5mm/min拉伸速率进行拉伸性能测试。

实施例2及对比例2所得中锰钢的力学性能及抗氢脆性能如表1所示。实施例2冲氢前屈服强度为992MPa、拉伸强度1616MPa和延伸率35％，冲氢后屈服强度为991MPa、拉伸强度1301MPa和延伸率23％。对比例2冲氢前屈服强度为856MPa、拉伸强度1123MPa和延伸率27％，冲氢后屈服强度为849MPa、拉伸强度1104MPa和延伸率11％。对比可知，Nb-Mo复合微合金化能够提高中锰钢的力学性能，还能提高中锰钢的抗氢脆性能。

表1

通过EBSD技术测定实施例2所得纳米增强抗氢脆中锰钢的晶粒平均长度为0.2μm，平均宽度为2μm，的范围内。

通过TEM技术统计方法测定实施例2所得纳米增强抗氢脆中锰钢的(Nb,Mo)(C,N)纳米析出物的平均尺寸在15nm，其体积分数为1×10

实施例3

一种纳米增强抗氢脆中锰钢，由中锰钢基体和均匀分布其中的(Nb,Mo)(C,N)纳米析出物组成，其化学成分及其含量是：C为0.10wt％，Mn为7.0wt％，Nb为0.15wt％，Mo为0.3wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。

对比例3

一种中锰钢，其化学成分及其含量是：C为0.1wt％，Mn为7.0wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。

上述中锰钢的制备步骤包括：

步骤1，冶炼：通过真空熔炼，真空度约为80Pa，将原料熔化和微合金化操作，浇铸得到所需铸锭；

步骤2，锻造：将钢锭加热到1200℃，保温2h，锻造成截面积为100mm×40mm钢坯；

步骤4，临界热处理：将冷轧加热至650℃，随后水冷至室温。

实施例3及对比例3所得中锰钢的力学性能及抗氢脆性能如表2所示。实施例3冲氢前屈服强度为1001MPa、拉伸强度1316MPa和延伸率38％，冲氢后屈服强度为998MPa、拉伸强度1311MPa和延伸率24％。对比例3冲氢前屈服强度为910MPa、拉伸强度1200MPa和延伸率27％，冲氢后屈服强度为908MPa、拉伸强度1178MPa和延伸率12％。对比可知，Nb-Mo复合微合金化能够提高中锰钢的力学性能，还能提高中锰钢的抗氢脆性能。

表2

通过EBSD技术测定实施例3所得纳米增强抗氢脆中锰钢的晶粒平均长度为1μm，平均宽度为2μm，的范围内。

通过TEM技术统计方法测定实施例3所得纳米增强抗氢脆中锰钢的(Nb,Mo)(C,N)纳米析出物的平均尺寸在20nm，其体积分数为1×10

实施例4

一种纳米增强抗氢脆中锰钢，由中锰钢基体和均匀分布其中的(Nb,Mo)(C,N)析出物组成，其化学成分及其含量是：C为0.30wt％，Mn为8.0wt％，Al为3.0wt％，Nb为0.1wt％，Mo为0.1wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。

对比例4

一种中锰钢，其化学成分及其含量是：C为0.30wt％，Mn为8.0wt％，Al为3.0wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。

上述中锰钢的制备步骤包括：

步骤1，冶炼：通过真空熔炼，真空度约为80Pa，将原料熔化和微合金化操作，浇铸得到所需铸锭；

步骤2，锻造：将钢锭加热到1200℃，保温2h，锻造成截面积为100mm×40mm钢坯；

步骤3，低温热轧：钢坯加热到800℃，保温2h，经7道次热轧，初始轧制温度为800℃，终轧温度600℃，总压下率为95％，随后空冷至室温，得到1.5mm厚低温热轧板；

步骤4，临界热处理：将冷轧加热至700℃，随后水冷至室温。

借助线切割将热处理后的实验钢按照ASTM-E8-E8M标准和沿轧制方向加工成热拉伸试样，随后按照1.5mm/min拉伸速率进行拉伸性能测试。

实施例4及对比例4所得中锰钢的力学性能及抗氢脆性能如表3所示。实施例4冲氢前屈服强度为1012MPa、拉伸强度1200MPa和延伸率41％，冲氢后屈服强度为1000MPa、拉伸强度1211MPa和延伸率32％。对比例4冲氢前屈服强度为745MPa、拉伸强度987MPa和延伸率34％，冲氢后屈服强度为740MPa、拉伸强度980MPa和延伸率17％。对比可知，Nb-Mo复合微合金化能够提高中锰钢的力学性能，还能提高中锰钢的抗氢脆性能。

表3

通过EBSD技术测定实施例4所得纳米增强抗氢脆中锰钢的晶粒平均长度为2μm，平均宽度为0.2μm。

通过TEM技术统计方法测定实施例4所得纳米增强抗氢脆中锰钢的(Nb,Mo)(C,N)纳米析出物的平均尺寸在6nm，其体积分数为1×10

实施例5

一种纳米增强抗氢脆中锰钢，由中锰钢基体和均匀分布其中的(Nb,Mo)(C,N)纳米析出物组成，其化学成分及其含量是：C为0.30wt％，Mn为8.0wt％，Al为2.0wt％，Nb为0.1wt％，Mo为0.1wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。

对比例5

一种中锰钢，其化学成分及其含量是：C为0.30wt％，Mn为8.0wt％，Al为2.0wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。

上述中锰钢的制备步骤包括：

步骤1，冶炼：通过真空熔炼，真空度约为80Pa，将原料熔化和微合金化操作，浇铸得到所需铸锭；

步骤2，锻造：将钢锭加热到1200℃，保温2h，锻造成截面积为100mm×40mm钢坯；

步骤4，临界热处理：将冷轧加热至700℃，随后水冷至室温。

实施例5及对比例5所得中锰钢的力学性能及抗氢脆性能如表4所示。实施例5冲氢前屈服强度为1000MPa、拉伸强度1211MPa和延伸率32％，冲氢后屈服强度为1005MPa、拉伸强度1228MPa和延伸率24％。对比例5冲氢前屈服强度为740MPa、拉伸强度980MPa和延伸率17％，冲氢后屈服强度为740MPa、拉伸强度1158MPa和延伸率8％。对比可知，Nb-Mo复合微合金化能够提高中锰钢的力学性能，还能提高中锰钢的抗氢脆性能。

表4

通过EBSD技术测定实施例5所得纳米增强抗氢脆中锰钢的晶粒平均长度为2μm，平均宽度为0.2μm，的范围内。

通过TEM技术统计方法测定实施例5所得纳米增强抗氢脆中锰钢的(Nb,Mo)(C,N)纳米析出物的平均尺寸在5nm，其体积分数为4.8×10

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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该技术已申请专利。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系技术所有人。
专利发明人：潘海军;李新宇;江鹏;吴王平;王知贽;苗乃明;
专利申请人：常州大学;

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