CN107974631B - 一种多维度增强增塑生产高强塑积超高强度第三代汽车用钢的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多维度增强增塑生产高强塑积超高强度第三代汽车用钢的方法,属于新材料技术领域。该方法以使用性能逆向设计开发了低合金含量的碳‑铬‑锰‑铌微合金钢品种体系,以此为基础提出了以开发第二相粒子增强增塑的原理和适用条件为基础,配合组织细化和多相组织设计的多维度增强增塑的新的技术路线,保证钢铁材料在超高强度条件下实现塑性的提高,突破同时实现钢铁材料的强度和塑性的高性能化的技术难题,从而在1200MPa以上抗拉强度的水平上,实现强塑积达到20GPa%以上的高强塑积目标。本发明利用多种机制在现有装备条件下制备超高强度高强塑积汽车用钢,是一种低成本、低能耗、易于实现,适合第三代汽车用钢大规模工业生产的新方法。
Description
技术领域
本发明属于新材料技术领域,具体涉及一种增强增塑生产高强塑积超高强度第三代汽车用钢的方法,具体用于第三代汽车用钢的开发,满足汽车安全性和轻量化的要求。
背景技术
抗拉强度在1000MPa级以上的超高强度汽车用钢主要用于汽车成员舱和防撞梁等重要结构零部件,对汽车安全性起着决定性的作用。一般而言,材料强度的提升往往以牺牲塑性为代价。因此,现有的超高强汽车用钢的塑性相对偏低,以目前常用的第一代汽车用钢DP980和DP1180等为例,其延伸率往往不足10%。由此,引起两个不容忽视的问题:1)超高强度钢的变形和部件成形困难,容易在成形过程中出现断裂、回弹和模具磨损等问题;2)汽车零部件吸收碰撞过程中强大冲击能量的能力降低,易产生结构破断而造成人员伤害。
如何实现汽车用钢在超高强度条件下的塑性提升已成为国内外的研究热点之一,当前研究工作中,第三代汽车用钢中相对比较典型的钢种主要是淬火-配分钢和中锰钢,但是在淬火-配分工艺中需要高额投资改造专用高强钢生产线;而中锰钢生产技术难度大,因此上述技术路线目前除极个别钢铁企业能够生产较低强度级别的产品外,并未在工业生产中得到大规模生产推广和应用。发明专利(201310121568.4、201310520580.2、201510498959.7)等主要申请了淬火配分(QP)钢的制备和热处理方法。发明专利(201610490062.4、201510112679.8)等主要涉及中锰钢的奥氏体逆相变的制备方法和相关的工艺参数。这些技术路线中塑性提升主要是通过残余奥氏体相变诱发塑性或孪生诱发塑性的机制,没有提及利用多种增塑机制复合效应的多维度增强增塑来提高超高强度条件下塑性的问题,也没有从冷轧退火工艺和热成形工艺的共性方法解决成分设计和工艺设计的关键科学和技术问题。
发明内容
为克服现有技术的不足,本发明要解决的技术问题是提出一种多维度增强增塑生产高强塑积超高强度第三代汽车用钢的方法,该方法立足于现有的工业生产装备和技术条件,提出了通过Nb/Ti微合金化,利用第二相粒子尺寸分布和基体组织细化之间的定量协调作用,使第二相粒子从传统的弥散强化转化成增强增塑,在此基础上配合以组织细化和多相组织调控实现多维度增强增塑。
为了解决以上技术问题,本发明是通过以下技术方案予以实现的。
一种多维度增强增塑生产高强塑积超高强度第三代汽车用钢的方法,该方法通过低温轧制、冷轧退火以及时效处理实现;或通过低温轧制、热成形以及中断淬火实现。
所述第三代汽车用钢的成分,以质量百分比计,碳含量为0.15~0.30%,铬含量为1.5~3.0%,锰含量1.5~3.5%,铌含量为0.03~0.12%,钛含量为0.01~0.05%,氮含量为0.002~0.004%,硅含量为0.05~1.0%。
所述低温轧制温度为850~900℃;所述冷轧退火温度为700~1000℃;所述时效处理温度300~500℃;所述热成形加热温度为930℃;所述中断淬火温度为300℃~400℃。
本发明的技术方案主要从合金化设计、第二相析出和组织细化以及多相组织设计实现多维度增强增塑的。
根据第二相粒子调控、组织细化和多相组织调控的需要,以满足使用性能为目标进行合金体系与成分的逆向设计,综合主要添加元素对淬透性、强化效果、延缓碳化物形成以及抗氧化性等多方面的作用特性,从成分-组织-加工条件-性质-成本多因素出发完成合金设计。基于上述认识,根据元素特性及其对多相组织调控的影响规律的分析结果,提出了C-Cr-Mn-Nb合金体系设计思想,主要成分体系为:含碳量为0.15%-0.30%(重量百分数,以下同),铬含量为1.5%-3.0%,锰含量1.5%-3.5%,铌含量为0.03%-0.12%,钛含量为0.01%-0.05%,氮含量为0.002%-0.004%,硅含量为0.05%-1.0%。
本发明中提出的第二相粒子增强增塑是在位错与第二相粒子的交互作用研究的基础上提出的,基于位错源开动的思想,实现第二相粒子增强增塑需要特定的条件。本发明首次提出,为了实现第二相粒子的增强增塑,要求第二相粒子主要由TiN和NbC以及其复合粒子构成,其尺寸应在10-60纳米,在基体组织的有效晶粒尺寸在3-10微米的条件下,第二相粒子的粒子间距应控制在0.3-3微米;
本发明提出的组织细化,是要通过热轧过程的控制轧制和控制冷却来细化奥氏体的晶粒尺寸。通过热轧过程的控制轧制和控制冷却过程中,采用低温轧制,轧制温度在850℃-900℃,轧制规程的设计,要求终轧时奥氏体的晶粒尺寸应控制在0.5-5微米以下。
本发明提出的多相组织设计主要包括铁素体相和残余奥氏体相的设计。基体组织为板条马氏体。根据性能要求可以引入0-10%体积分数的铁素体起到应变协调提高塑性的作用,需要引入5-30%体积分数的残余奥氏体起到相变诱发塑性或孪生诱发相变的目的。这种多相组织的设计可以通过冷轧退火工艺,根据强塑性调整的要求,其加热温度为700℃-1000℃,时效温度300℃-500℃。也可以通过热成形中断淬火实现,其中断淬火温度为300℃-400℃。
根据上述的第二相粒子设计、组织细化设计和多相组织设计实现多维度增强增塑生产高强塑积超高强度第三代汽车用钢的方法。
本发明的技术原理:
本发明以高强塑积超高强度汽车用钢为目标,提出了利用第二相粒子(零维)与位错(一维)之间的交互作用—第二相粒子增强增塑、晶界(二维)与位错之间的交互作用—组织细化增强增塑,以及多相组织(三维)的应变协调及诱发塑性—多相组织设计增强增塑相结合的实现多维度增强增塑。从技术原理上,多维度增强增塑调动了钢铁材料可能实现塑性增强的多种机制,利用多种机制复合效应增塑。其中,利用第二相粒子与基体之间的相互配合实现可动位错源增殖是一种创新性技术思想和研究成果。
与现有技术相比,本发明具有以下技术效果:
1、充分利用了钢铁材料中各种增强增塑的机制,减少单一机制所需要的高水平合金化设计或/和高生产装备投入,是一种低成本、低能耗、易于实现,适合大规模工业生产推广和应用的第三代汽车用钢研究开发的新方法。
2、建立了一种利用第二相粒子同时实现增强增塑的新的技术方法。
3、通过本发明提出的多维度增强增塑可以使汽车用钢的强度达到1200~1500MPa的超高强度水平,强塑积达到20GPa%以上。
具体实施方式
以下结合具体实施例详述本发明,但本发明不局限于下述实施例。
实施例1
选用0.2%C-1.8%Mn-1.5%Cr-0.03Nb实验用钢,锻坯厚度、宽度和长度分别为30、120和360毫米。经过900℃热轧至4毫米厚度的钢板。然后冷轧至2毫米厚度。其马氏体开始转变温度为430℃。冷轧板加热至930℃后热成形,在350℃中断淬火,其微观组织为板条马氏体和6%残余奥氏体。拉伸试验其抗拉强度为1300MPa,伸长率16%,强塑积21GPa%。
实施例2
选用0.2C-1.8%Mn-1.5%Cr-0.03Nb实验用钢,锻坯厚度、宽度和长度分别为30、120和360毫米。经过900℃热轧至4毫米厚度的钢板。然后冷轧至2毫米厚度。采用连续退火工艺,850℃加热,300℃时效后。拉伸试验其抗拉强度为1240MPa,伸长率20%,强塑积25GPa%。
实施例3
选用0.2C-1.8%Mn-1.5%Cr-0.06Nb实验用钢,煅坯厚度、宽度和长度分别为30、120和360毫米。经过850℃热轧至4毫米厚度的钢板。然后冷轧至2毫米厚度。采用连续退火工艺,850℃加热,300℃时效后。拉伸试验其抗拉强度为1430MPa,伸长率21%,强塑积30GPa%。
Claims (2)
1.一种多维度增强增塑生产高强塑积超高强度第三代汽车用钢的方法,其特征在于,该方法通过低温轧制、冷轧退火以及时效处理实现;
所述第三代汽车用钢的成分,以质量百分比计,碳含量为0.15~0.30%,铬含量为1.5~3.0%,锰含量1.5~3.5%,铌含量为0.03~0.12%,钛含量为0.01~0.05%,氮含量为0.002~0.004%,硅含量为0.05~1.0%;
所述低温轧制温度为850~900℃,终轧时奥氏体的晶粒尺寸应控制在0.5-5微米以下;
所述冷轧退火温度为700~1000℃;
所述时效处理温度300~500℃;
所述第三代汽车用钢的基体组织为板条马氏体,其中,引入0-10%体积分数的铁素体和5-30%体积分数的残余奥氏体;第二相粒子由TiN和NbC以及其复合粒子构成,其尺寸应在10-60纳米,基体组织的有效晶粒尺寸在3-10微米的条件下,第二相粒子的粒子间距应控制在0.3-3微米。
2.一种多维度增强增塑生产高强塑积超高强度第三代汽车用钢的方法,其特征在于,该方法通过低温轧制、热成形以及中断淬火实现;
所述第三代汽车用钢的成分,以质量百分比计,碳含量为0.15~0.30%,铬含量为1.5~3.0%,锰含量1.5~3.5%,铌含量为0.03~0.12%,钛含量为0.01~0.05%,氮含量为0.002~0.004%,硅含量为0.05~1.0%;
所述低温轧制温度为850~900℃,终轧时奥氏体的晶粒尺寸应控制在0.5-5微米以下;
所述热成形加热温度为930℃;
所述中断淬火温度为300℃~400℃;
所述第三代汽车用钢的基体组织为板条马氏体,其中,引入0-10%体积分数的铁素体和5-30%体积分数的残余奥氏体;第二相粒子由TiN和NbC以及其复合粒子构成,其尺寸应在10-60纳米,基体组织的有效晶粒尺寸在3-10微米的条件下,第二相粒子的粒子间距应控制在0.3-3微米。
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