CN109957716A - 一种高强度高扩孔性单一铁素体析出钢板及其制备方法 - Google Patents

一种高强度高扩孔性单一铁素体析出钢板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高强度高扩孔性单一铁素体析出钢板及其制备方法。钢中含有C：0.05％～0.12％、Si：0.1％～0.7％、Mn：0.8％～2.2％、Ti：0.05％～0.10％、P<0.035％、S<0.035％、Als：0.015％～0.060％，Ca：0.0015％～0.0050％，Mg<0.0050％，N＜0.005％，还含有Cr：0.15％～0.3％、Mo：0.05％～0.3％中的至少一种以及Nb：0.02％～0.06％、V：0.05％～0.25％中的至少一种，其余为Fe和不可避免的杂质。喂硅钙线速度≥3.5m/s，钢水过热度≤30℃；铸坯加热温度1150～1250℃，多道次轧制总压下率≥80％，热轧终轧温度850～950℃，轧后冷却速度15～45℃/s，卷取温度550～650℃。成品钢板具有良好的扩孔性能。

Description

一种高强度高扩孔性单一铁素体析出钢板及其制备方法
技术领域
本发明属于钢材制造技术领域，具体涉及一种采用控制轧制和控制冷却方式生产扩孔性能良好的铁素体析出钢的方法。
背景技术
现代汽车制造业致力于提高汽车的安全性和碰撞性能，减少燃油消耗，从而提高乘用安全性和降低对环境的影响。高强汽车钢的研发应用是实现汽车轻量化的有效手段，符合新一代汽车节能、降耗、环保和安全的发展趋势，是未来材料技术发展的主导方向。但是随着汽车设计要求的日益提高，零件形状更加复杂，对材料的延伸率和扩孔性能要求也随之增加。众所周知，钢铁材料的强韧性是相互矛盾的，因此兼具强度和成形性以及扩孔性能的新型钢铁材料是汽车钢板的重要品种。
公开号CN101928881A的专利申请公开了一种抗拉强度为590MPa热轧高扩孔钢板的生产方法。该发明钢种的化学成分为：C：0.02％～0.10％、Si：0～1.6％、Mn：0.8％～2.0％、P：<0.035％、S：<0.010％、Al：0.025％～0.060％，N≤0.0060％、Nb 0～0.10％、Ti：0～0.04％，Ca:0～0.0050％，其余为Fe和不可避免的杂质。通过在C-Si-Mn成分***中添加Nb、Ti元素，在热轧后采用分段冷却模式，制得的高扩孔钢抗拉强度在590MPa以上，扩孔率为75％以上。扩孔率性能良好，适宜于制造形状复杂的汽车底盘零部件。但该钢种的强度偏低，并且该专利热轧后采用两段式层流冷却，对各段冷速要求严格，而在实际生产中，热轧带钢带速变化大，无法精确控制各段冷速，钢板实际温度波动大，易导致钢卷通卷性能不均匀，头中尾性能波动大。
公开号CN103602895A的发明专利公开了一种抗拉强度780MPa级高扩孔钢板的制造方法。该发明采用低碳含Si、Mn、Nb、Ti、成分，不含Mo、Cr等元素，通过控制钢质纯净度和采用细晶强化的方法，得到了均匀铁素体单相组织的高扩孔钢，其抗拉强度>780MPa，扩孔率≥50％。单一形态铁素体组织屈服强度、抗拉强度和扩孔率较低。
公开号CN102676926A的发明专利公开了一种复相钢板及其制造方法，该专利公布了一种贝氏体+马氏体(可能含有少量铁素体)复相钢板的生产方法。该钢种通过采用廉价的合金元素Si、Mn和少量Nb，充分利用现代热轧机组较强的水冷能力和多种水冷模式，严格控制冷却过程中的冷却速度和冷却时间，获得贝氏体+马氏体(可能含有少量铁素体)复相组织，使得钢的屈强比较低、成型性较好。产品厚度为1.8～6mm，屈服强度≥625MPa，抗拉强度≥900MPa，延伸率A80mm≥10％。但是该专利需要成分与工艺的有效配合并需要对冷却速度和温度的精准控制，对实际生产设备要求较高，虽未提及产品相关扩孔性能指标，但根据其组织推断其扩孔性能不高。
公开号CN103380217A的发明专利公开了一种由复相钢制成的热轧钢板产品及其制造方法，提出了一种抗拉强度≥1100MPa并具有良好延展性能和良好变形能力的复相钢热轧产品的生产方法。其化学成分为C：0.13％～0.20％、Si：0.70％～1.3％、Mn：1.8％～2.5％、P：<0.10％、S：<0.01％、Al：0.01％～0.10％，Cr 0.25％～0.70％(可选择Mo；对此Cr、Mo含量总计为0.25％～0.70％)、Ti：0.08％～0.2％，B:0.0005％～0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质。其生产工艺为加热温度为1150～1350℃，终轧温度为800～950℃，轧后冷却速度>30℃/s，卷取温度为400～570℃。该铁素体析出钢由体积分数分别为<10％的奥氏体、10％～60％的马氏体、<30％的铁素体和>10％的贝氏体的各项组织构成。该专利未提及产品相关扩孔性能指标，但根据其组织推断其扩孔性能不高。虽然该专利产品抗拉强度较高，并且生产工艺简单，但是其<10％的奥氏体、10％～60％的马氏体、<30％的铁素体和>10％的贝氏体组织构成中含有太多强度不一的相，不利于提高扩孔性能。
公开号CN 103667948A的发明专利公开了一种复相钢及其制备方法，采用C-Si-Mn合金体系中添加少量Cr、Ti元素的化学成分设计，通过相变强化和细晶强化，获得了屈服强度为430～590MPa，抗拉强度达到600～700MPa，延伸率达到20～35％，扩孔率达到80％以上的铁素体析出钢组织。其组织特点为以多边形铁素体为主，弥散分布一定量的贝氏体组织和马氏体。本发明的多边形铁素体组织强度较低，而弥散分布的贝氏体组织和马氏体组织会降低其扩孔性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种强度为780MPa级、扩孔性能良好的单一铁素体析出钢热轧板及其生产方法。通过向低碳铁素体钢中添加Cr、Mo元素以及Nb、V、Ti等微合金，并采用大压下率轧制在细化的铁素体基体中产生大量位错，结合高温卷取工艺使得在铁素体基体上析出大量微合金碳化物颗粒，从而获得足够的强度。单一的铁素体组织具有良好的延伸率和扩孔率，这样就能获得一种扩孔性能良好的高强度铁素体析出钢板。该钢种兼具高的强度和良好的成型性，适合制造汽车底盘结构件、加强件、安全件等构件，如保险杠、B柱加强件。
具体的技术方案是：
一种高强度高扩孔性单一铁素体析出钢板，其化学成分按重量百分比为：C：0.05％～0.12％、Si：0.1％～0.7％、Mn：0.8％～2.2％、Ti：0.05％～0.10％、P<0.020％、S<0.010％、Als：0.015％～0.060％，Ca：0.0015～0.0050％，Mg：0.0015％～0.0050％，N＜0.005％，还含有Cr：0.15％～0.3％、Mo：0.05％～0.3％中的至少一种元素以及Nb：0.02％～0.06％、V：0.05％～0.25％中的至少一种元素，其余为Fe和不可避免的杂质，钢板的组织按体积百分比计全部为单一铁素体，其中准多边形铁素体占55％以上，钢板的抗拉强度达780MPa级以上。
本发明中化学成分的作用机理如下：
碳：确保钢板组织和强度的关键元素。C含量大于0.12％时，一方面会引起焊接性能的恶化，另一方面易于生成珠光体组织，影响扩孔性能。对于本发明的抗拉强度780MPa强度级别铁素体析出钢板而言，碳含量控制在0.05％～0.12％是合适的。
硅：是一种廉价的合金元素，它作为铁素体形成元素，溶入铁素体中起到固溶强化作用，并改善超高碳钢的超塑性。但硅含量过高，会导致轧后钢板表面出现红色氧化铁皮，恶化表面质量。损害钢种的焊接性能和涂覆性能，因此本发明中将硅含量控制在0.1％～0.7％。
锰：该元素能稳定奥氏体组织，其能力仅次于元素镍，是廉价的稳定奥氏体与强化合金元素。它的存在可以使钢的C曲线向右推移，强烈增加淬透性，易于在较低冷速下生成准多边形铁素体。但锰具有较高的偏析倾向，所以其含量不能太高，考虑到钢种的强度级别，综合考虑其含量应控制在0.8％～2.2％，高于上限时钢中易形成脆性相，恶化性能。
铬：是碳化物形成元素，可推迟珠光体转变。铬含量过高，会使材料的加工、成型性变差。含铬量的选择原则是促进准多边形铁素体的形成，并避免过多马氏体组织的形成对延伸率和扩孔性能产生不利影响，因此本发明的铬含量的选择在0.15％～0.3％的范围。
钼：Mo是显著提供淬透性元素，推迟珠光体生成，并有利于准多边形铁素体的形成。因此，本发明将钼含量控制为Mo：0.05％～0.30％。
铌：铌可显著提高钢的再结晶温度并实现晶粒细化。在热轧过程中铌的碳化物可阻碍形变奥氏体的再结晶。该元素的加入可进一步细化铁素体钢的显微组织，提高钢的强韧性。本发明将铌的含量控制在0.02％～0.06％。
钛：是强碳化物形成元素，在钢中加入微量的Ti有利于固定钢中的N，所形成的TiN能使钢坯加热时奥氏体晶粒不过分长大，从而起到细化原始奥氏体晶粒的目的。钛在钢中还可以第二相粒子的形式存在，强化铁素体相，起到沉淀强化作用。本发明中钛添加量为0.05％～0.10％。
钒：该元素的加入可进一步细化显微组织，提高钢的析出强化性能。钒太高组织会形成大量碳化物，而使基体中碳含量降低，以至于强度减小影响扩孔性能。本发明将钒的含量控制在0.05％～0.25％范围内。
铝：属于强脱氧元素。通过添加一定含量的铝元素，可保证钢中的氧含量尽可能的低。脱氧后多余的铝可以和钢中的氮元素形成AlN析出物，提高钢板强度，并在热处理加热时细化钢的奥氏体晶粒度。因此，本发明中将Als含量控制在0.015％～0.060％。
磷和硫为杂质元素，原则上是越低越好，考虑到成本，本发明将磷和硫的含量控制为P≤0.020％、S≤0.010％。
钙：可改变钢中硫化物的形态，提高钢板的塑性和韧性，有助于提高钢板的扩孔率。本发明将钙含量控制为Ca：0.0015％～0.0050％。
镁：微量Mg的添加，使得钢中产生细小的MgO、MgS析出物，成为TiN、TiC析出物的形核点，起到分散和细化TiN、TiC析出物，可改善钢板扩孔率。本发明将镁含量控制为Mg：0.0015％～0.0050％。
氮：是夹杂元素，氮在高温条件下与钛反应形成TiN颗粒析出，过大TiN颗粒会成为钢板局部变形微裂纹的诱发点，影响扩孔率，必须对钢水的氮含量进行控制，氮含量小于0.005％。
本发明还涉及一种高扩率的铁素体析出钢热轧板的生产方法，包括冶炼、连铸、热轧、卷取。钢水经RH和LF真空脱气处理后进行钙处理，喂硅钙线速度≥3.5m/s，喂线后进行弱吹氩处理，吹氩量≤100l/min，钢水过热度≤30℃，并投入电磁搅拌和轻压下，防止铸坯偏析引起产品扩孔率下降，之后连铸成连铸坯；连铸坯的加热温度为1150～1250℃，加热后在轧机上进行多道次轧制，总压下率≥80％，热轧终轧温度为850～950℃，终轧后冷却速度15～45℃/s，卷取温度550～650℃，空冷至室温。
本发明工艺设计理由：
本发明制造方法中，钢水通过转炉冶炼，经过RH和LF处理，确保S含量低于0.035％，降低钢板的夹杂数量，并进行Ca处理改善硫化物形态，使长条的MnS夹杂转化成球状的CaS夹杂，降低MnS为代表的非金属夹杂对基体连续性的破坏，提高产品的扩孔率。并在炼钢过程中施加电磁搅拌和轻压下，使材料的组织均匀，防止带状组织及中心偏析，避免钢板在扩孔过程中开裂，提高扩孔率。
加热温度低于1150℃，微合金元素溶解不充分，未能充分利用微合金元素的作用，强度降低，高于1250℃晶粒容易粗化，对提高钢板韧性不利。
板坯在奥氏体再结晶区进行粗轧，通过轧制变形后的再结晶细化奥氏体晶粒，钢板的变形量在85％以上，细化晶粒，并在铁素体组织中产生高密度位错，提高强度，达到780MPa以上，终轧温度控制在奥氏体未再结晶区850～950℃，通过奥氏体低温区轧制变形，使奥氏体晶粒内形成变形带并因应变诱发微合金元素的碳氮化物沉淀，细化奥氏体的相变产物，提高钢板韧性。
终轧后钢板以15～45℃/s的冷却速度冷却到550～650℃，若卷取温度低于550℃，钢板微观组织中容易出现贝氏体，不利于提高扩孔性，卷取后空冷至室温。并且在此卷取温度区间易于生成纳米级别的碳化物析出颗粒，提高产品强度和扩孔率。
按照本发明的化学成分和制造工艺生产的高扩孔钢板，具有高强度和高韧性的匹配，并且具有很高的扩孔率，使得本发明钢板的冷加工性能优异，在制造形状复杂的高强度汽车零件时，具有独到的优势。
有益效果：
本发明同现有技术相比，有益效果如下：
(1)本发明通过添加含量为0.02％～0.05％的铌元素、0.05％～0.25％的钒元素、0.05％～0.10％的钛元素，实现了铁素体析出钢中铁素体组织的细晶强化和析出强化，通过添加含量为0.15％～0.3％的铬元素、0.05％～0.3％的钼元素可改进铁素体形态，增加晶界面积强化铁素体基体强度，并通过单一铁素体组织强化，改善了铁素体析出钢的扩孔性能和伸长率。
(2)本发明生产的钢中准多边形铁素体占55％以上，准多边形铁素体的组织结构提高了产品强度，单一的相组织避免了钢板在局部变形过程中不同相之间硬度差导致开裂的现象，提高了扩孔性能和伸长率。在钢板厚度为2.0～6.0mm时，抗拉强度≥780MPa，扩孔率达到60％以上，伸长率≥15％。
(3)根据本发明生产的钢材由于兼具了高强度和良好的延伸凸缘性，在制造加工成型性要求严格，强度级别高的高负载型的汽车车身零部件时具有独特优势，适合制造结构件、加强件、安全件等构件，如保险杠、B柱加强件等。
附图说明
图1为实施例1的金相组织；组织全部是由细小的多边形铁素体和准多边形铁素体组成的单一铁素体。
具体实施方式
以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。
表1为实施例钢中各化学元素的质量百分含量；表2为实施例钢板的制造工艺参数；表3为实施例钢板的显微组织和力学性能。
表1实施例钢中各化学元素的质量百分含量(wt％)
实施例 C Si Mn P S Cr Mo Nb Ti Ca Mg V N Als
1 0.05 0.22 2.10 0.014 0.0055 0.28 0.1 0.03 0.05 0.0019 0.0019 0.13 0.0033 0.042
2 0.08 0.61 1.80 0.011 0.0058 0.22 0.05 0.02 0.08 0.0032 0.0032 0.0029 0.042
3 0.10 0.25 2.15 0.012 0.0042 0.3 0.05 0.10 0.0021 0.0021 0.0017 0.035
4 0.12 0.20 1.28 0.013 0.0051 0.2 0.07 0.0041 0.0041 0.2 0.0041 0.029
5 0.12 0.18 1.90 0.011 0.0055 0.3 0.06 0.0017 0.0017 0.25 0.0015 0.040
表2实施例钢板的制造工艺参数
表3实施例钢板的显微组织和力学性能
由表可得，根据本发明生产的铁素体析出钢板，屈服强度＞680MPa，抗拉强度≥790MPa，延伸率A80mm≥15％，扩孔率≥65％，具有良好的扩孔性能。

Claims (4)

1.一种高强度高扩孔性单一铁素体析出钢板，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C：0.05％～0.12％、Si：0.1％～0.7％、Mn：0.8％～2.2％、Ti：0.05％～0.10％、P<0.020％、S<0.010％、Als：0.015％～0.060％，Ca：0.0015％～0.0050％，Mg：0.0015％～0.0050％，N＜0.005％，还含有Cr：0.15％～0.3％、Mo：0.05％～0.3％中的至少一种元素以及Nb：0.02％～0.06％、V：0.05％～0.25％中的至少一种元素，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的一种高强度高扩孔性单一铁素体析出钢板，其特征在于，钢板的抗拉强度≥780MPa，钢板的组织按体积百分比计全部为单一铁素体，其中准多边形铁素体占55％以上。
3.一种如权利要求1或2所述的高强度高扩孔性单一铁素体析出钢板的制备方法，钢板的生产工艺为：冶炼、连铸、热轧、卷取，其特征在于，
钢水经RH和LF真空脱气处理后进行钙处理，喂硅钙线速度≥3.5m/s，钢水过热度≤30℃，并进行电磁搅拌和轻压下，连铸成连铸坯；
连铸坯加热温度为1150～1250℃，加热后在轧机上进行多道次轧制，总压下率≥80％，热轧终轧温度为850～950℃，终轧后冷却速度为15～45℃/s，卷取温度为550～650℃，空冷至室温。
4.如权利要求3所述的高强度高扩孔性单一铁素体析出钢板的制备方法，其特征在于，喂线后进行弱吹氩处理，吹氩量≤100l/min。
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