CN101111622B - 具有高的强度和可成形性的奥氏体钢，制造所述钢的方法及其应用 - Google Patents

具有高的强度和可成形性的奥氏体钢，制造所述钢的方法及其应用 Download PDF

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Abstract

用于冷轧的具有高强度和良好可成形性的基本上为奥氏体的钢，其包含(以重量百分比计)：0.05-1.0％的C、11.0-14.9％的Mn、1.0-5.0％的Al、0-2.5％的Ni、余量为铁和不可避免的杂质，其中显微组织包含至少75体积％的奥氏体，且其中(Ni+Mn)为11.0-15.9％。

Description

具有高的强度和可成形性的奥氏体钢,制造所述钢的方法及其应用
本发明涉及一种用于冷轧的具有高强度和良好可成形性的基本上为奥氏体的钢。本发明还涉及制造所述钢的方法及其应用。
长期以来具有高强度的奥氏体钢已为人们所公知，例如包含锰(11-14％)和碳(1.1-1.4％)作为其主要合金化元素的哈德菲尔(Hadfield)钢。Robert Hadfield在1882年发明了含有约1.2％的C和12％的Mn的最初的哈德菲尔钢。这种钢将高韧性和合理的延展性与高的加工硬化能力以及通常良好的耐磨损性相结合。然而，由于大量的脆性碳化物，哈德菲尔钢不具有良好的可成形性。由于高的加工硬化速率，该钢难于机加工。GB297420公开了一种添加有铝以便改良可机加工性的铸造哈德菲尔型钢。铝的添加导致改良可机加工性(尤其是通过材料分离工具的可机加工性)的颗粒的形成。
这些类型钢的缺点是它们难于冷轧。高的加工硬化速率和脆性碳化物的存在使得钢非常迅速地加工硬化。美国专利2,448,753试图通过对热轧材料进行反复加热、淬火、酸洗和冷轧直至达到所需的冷轧厚度来解决这一问题。然而，这是一种成本非常高的方法。
US5,431,753公开了一种用于制造具有15-35％的锰含量、至多1.5的碳和0.1-3.0％的铝的冷轧钢的方法。公开了更低的锰含量是不希望的。
本发明的目的是提供一种具有高强度和良好可成形性的基本上为奥氏体的钢，其能够被冷轧至其最终厚度而无需中间退火步骤。
本发明的另一目的是提供一种具有改良的强度和可成形性的基本上为奥氏体的钢。
本发明的又一目的是提供一种能够以经济方式制造的具有高的强度和可成形性的基本上为奥氏体的钢。
通过用于冷轧的包含如下成分的钢可以实现这些目的中的至少一个(以重量百分比计)：
-0.05-1.0％的C
-11.0-14.9％的Mn
-1.0-5.0％的Al
-0-2.5％的Ni
余量为铁和不可避免的杂质，其中显微组织包含至少75体积％的奥氏体，且其中(Ni+Mn)为11.0-15.9％。
根据本发明的钢的碳含量远低于已知为约1.2％的哈德菲尔钢的碳含量。认为该合金化元素的贡献如下文所述。碳通过提高层错能(SFE)抑制ε-马氏体的形成。层错是ε-马氏体的前体，从而提高SFE会降低形成ε-马氏体的倾向。较低的碳含量导致在轧制后的冷却期间形成脆性相和/或析出物的较低倾向，并且与哈德菲尔钢相比较低的碳含量对于钢的可焊性也是有益的。另外，由于碳是一种奥氏体稳定元素，因此添加碳改良了奥氏体的稳定性。
根据本发明的奥氏体钢中的主要变形机制是应变感生孪晶化和转变感生塑性。
锰通过取代硬化改良钢的强度，并且它是一种奥氏体稳定元素。降低锰含量导致合金的SFE的降低并因此导致促进应变感生孪晶化。根据本发明的锰范围提供了室温下稳定或亚稳定的奥氏体。
铝降低根据本发明钢中的奥氏体内的碳的活性。碳活性的降低增加了碳在奥氏体中的溶解度，从而通过减小碳的过饱和，降低了碳化物、尤其是(FeMn)-碳化物析出的驱动力。铝还降低碳在奥氏体中的扩散率，从而降低在例如冷轧的变形处理期间对动态应变时效的敏感性。更低的扩散率还导致更缓慢的碳化物形成，从而防止或至少阻碍粗析出物的形成。由于较高的铝含量还导致较高的SFE，因此在增加铝水平时降低了应变感生孪晶化的倾向。因此，关于抑制ε-马氏体的形成和防止或阻碍脆性碳化物尤其是(FeMn)-碳化物的形成，铝含量的增加能够补偿碳含量的降低。认为这些碳化物会导致本发明钢的不良可加工性，所以应避免它们的形成。因此减小的碳活性和降低的碳扩散率的组合导致减少的脆性碳化物形成或不形成脆性碳化物，尤其是(FeMn)-碳化物，从而导致改良的可成形性以及改良的可冷轧性。据发现，在低于1％铝时，对ε-马氏体的抑制是不足的，而在超过5％的铝水平下，SFE变得过高，从而不利影响孪晶化变形机制。
由于铝还是一种铁素体稳定元素，因此铝添加物对奥氏体稳定性的影响必须被锰和其它奥氏体稳定元素来补偿。可用同样促进奥氏体稳定性的元素例如镍来至少部分替代锰。据认为镍对伸长率值和冲击强度具有有益影响。
由于在维持有利的冷轧和机械性能的同时，保持合金化添加物的量尽可能地低，因此奥氏体是亚稳的并且钢的显微组织可能不是完全奥氏体的。作为组成函数的本发明钢中的显微组织，可包含具有马氏体组分的铁素体和奥氏体的混合物。
在使根据本发明的钢变形时，孪晶化感生的塑性和由变形影响下的转变感生的塑性的变形机制的有益组合提供了优异的可成形性，然而，与常规哈德菲尔钢相比的较低应变硬化和加工硬化速率，兼之对铝添加引起的动态应变时效的较低敏感性，以及不存在粗和/或脆性的碳化物，导致良好的冷轧和成形性能。已发现，当显微组织包含至少75体积％的奥氏体时，获得了有利的冷轧和机械性能。作为不存在作为合金化元素的硅(即就出于合金化目的而有意添加硅的意义而言)的结果，根据本发明的钢还具有良好的可镀锌性(galvanisability)。另外，不存在低熔点氧化硅的风险，从而防止在热轧带材的表面上出现粘性的氧化硅。应当指出的是，该钢不仅具有优异的可冷轧性，而且在其冷轧前状态即例如在其刚热轧的状态下，以及在冷轧和退火之后的再结晶状态下，获得了强度和可成形性方面的类似的优异性能。
在本发明的一个实施方案中(Ni+Mn)为最多14.9％。由于减少了昂贵的合金化元素的量，这个实施方案允许以更经济的方式制造该钢。
在本发明的一个实施方案中，显微组织(特别是在冷轧和退火之后)包含至少80体积％、优选至少85体积％、更优选至少90体积％且甚至更优选至少95体积％的奥氏体。本发明人发现，如果对钢进行选择使得显微组织中的奥氏体含量包含至少80体积％、优选至少85体积％、更优选至少90体积％且甚至更优选至少95体积％的奥氏体，则能够获得冷轧和机械性能的进一步改良。由于奥氏体的亚稳定性，和转变感生塑性的出现，在后续加工步骤期间，奥氏体的量趋于降低。为了确保良好的可成形性和高的强度，即使在较后或其最后的加工步骤期间，也希望在加工的任何阶段特别是在冷轧和退火之后都具有尽可能高的奥氏体含量。
据发现通过选择碳含量为至少0.10％或至少0.15％、但优选为至少0.30％且更优选至少0.50％，可有利地影响奥氏体的量。
在本发明的一个实施方案中，钢的碳含量为最多0.78％、优选最多0.75％、更优选最多0.70％。据发现通过限定碳含量改良了钢的可焊性。据发现，具有最多0.78％、优选最多0.75％、更优选最多0.70％或甚至更优选最多0.65％的碳含量的钢提供了机械性能与马氏体形成风险之间的良好平衡。在本发明的实施方案中，碳含量为0.15-0.75％，优选0.30-0.75％。从经济观点、性能观点和工艺控制观点来看，这个范围提供了稳定的状态。
在本发明的一个实施方案中，镍含量为最多1.25％。据认为镍对伸长率值和冲击强度具有有益的作用。据发现，当镍添加超过2.5％时，该作用饱和。由于镍也是一种昂贵的合金化元素，因此如果对伸长率值和/或冲击强度的要求不很严格时，使镍的量保持尽可能低。在本发明的实施方案中，镍含量为最多0.10％，优选最多0.05％。
在本发明的一个实施方案中，铝含量为最多4.0％。这个实施方案通过添加铝限制了层错能量的增加，同时仍维持有利的性能。
在本发明的一个实施方案中，锰含量为至少11.5％，优选至少12.0％。这个实施方案容许形成更稳定的奥氏体。
在本发明的一个实施方案中，锰含量为最多14.7％。这个实施方案允许进一步降低根据本发明的钢的成本。
在一个实施方案中，以典型厚度为100-350mm的连铸板坯形式，或者以典型厚度为50-100mm的连铸薄板坯形式提供根据本发明的钢。优选地，以连铸和/或热轧带材的形式提供根据本发明的钢，该带材优选具有0.5-20mm、更优选0.7-10mm的典型厚度。更为优选该带材具有最多8mm或甚至最多6mm的厚度。
在一个实施方案中，以厚度为0.5-20mm、优选0.7-10mm的热轧钢的形式提供根据本发明的钢，更优选该带材的厚度为最多8mm或甚至更优选0.8-5mm。
发现这种类型的热轧钢具有优异的拉伸强度和可成形性，这使其特别适用于要求这些性能的应用，例如在汽车和其它运输应用中。
在一个实施方案中，以冷轧带材的形式、或者以冷轧并退火(连续或分批退火)带材的形式提供根据本发明的钢，该带材可涂覆有包含一个或多个金属和/或有机层的涂层体系。可以在热浸生产线和电涂覆生产线中，而且也可以在CVD或PVD工艺中或甚至通过包覆来提供金属涂层。
优选地，轧制和退火以及任选的涂覆之后的冷轧钢显微组织的显微组织包含至少80体积％、优选至少85体积％、更优选至少90体积％且甚至更优选至少95体积％的奥氏体。据发现，当轧制和退火以及任选的涂覆之后的冷轧钢显微组织的显微组织仅包含或基本上仅包含奥氏体时，轧制和退火后的冷轧钢具有最佳的可成形性，。
根据本发明的第二方面，提供了一种制造具有如上所述的奥氏体含量的基本上为奥氏体的钢带材的方法，包括步骤：
-提供具有如上所述组成的钢液；
-将所述钢铸造成锭料、或连铸板坯、或连铸薄板坯或带坯连铸(strip-cast)带材；
-通过将锭料、连铸板坯、连铸薄板坯或带坯连铸带材热轧至所需的热轧厚度来提供热轧带材。
考虑到根据本发明的钢的组成，最有可能通过EAF-方法来提供钢液。随后将钢液浇注在铸型中，以便获得适合于热轧的形式的凝固钢。这种形式可以是锭料，其在板坯轧制或重新加热之后适合于热轧。其也可是具有50mm-300mm的典型厚度的连铸厚或薄的板坯。另外，适合于热轧的形式可以是连铸带材，例如在使用诸如双辊连铸、带式连铸或鼓式铸造的一些形式的带坯连铸装置进行带坯连铸之后所获得的连铸带材。为了将铸造显微组织转变为形变显微组织，需要热变形例如凝固钢的轧制。这可在包含单个常规轧制机架或多个轧制机架的常规轧机中进行，在后一情形中，通常在串联配置(tandem set-up)中进行。如果必须使用低的厚度减薄量来实现铸钢的变形，例如在带坯连铸之后，则可以使用EP1449596A1中公开的方法来在钢带中产生大量变形而不将带材厚度减至相同的程度。这种方法包括这样的轧制工艺：其中使钢产品在轧机机架的一组旋转辊之间通过以便轧制该钢产品，其特征在于轧机机架的辊具有不同的圆周速率，使得一个辊是较快移动的辊，而另一个辊是较慢移动的辊，其特征还在于较快移动的辊的圆周速率比较慢移动的辊的圆周速率高至少5％且最多高100％，在于每个道次钢产品的厚度被减薄最多15％，并且在于该轧制发生在1350℃的最大温度下。
在本发明的一个实施方案中，将热轧带材冷轧至所需的最终厚度，优选其中冷轧减薄率为10-90％、更优选30-85％、甚至更优选45-80％。
在本发明的一个实施方案中，在冷轧至所需的最终厚度之后，以连续或分批退火工艺对冷轧带材退火。这种退火处理产生充分再结晶的产品。
在本发明的一个实施方案中，冷轧带材是镀锌的。不存在作为合金化元素的硅(即就出于合金化目的而有意地添加硅的意义而言)对于奥氏体钢的可镀锌性是有益的。因此极大地提高了锌层与基材的附着性。
可以在550-1100℃、优选650-1100℃的退火温度下以分批退火工艺对根据本发明的钢进行退火，在该情形中，最高退火温度优选为550-800℃、优选650-800℃且更优选至少为700℃和/或低于780℃，或者以连续退火工艺进行退火，在该情形中，最高退火温度为至少600℃，优选其中的最高退火温度为700-1100℃，更优选低于900℃。在冷轧步骤和/或退火步骤之后，可以对带材进行平整轧制处理。
根据第三方面，提供了根据上述方法制造的如上所述的奥氏体钢带材或片材。这些钢在任何工艺阶段都提供了优异的强度和良好的可成形性。
得到的钢带可被加工成适于进一步处理(例如以已知方式进行冲压操作或压制操作)的坯料。
该钢可用来制造用于汽车应用的部件，不但可用于承重部件例如底盘部件或车轮，而且可用于外部部件例如车身部件。该钢还适合于(特别是用于低温应用的)管材(tube)和导管(pipe)的制造。由于其大的成形潜力，该钢非常适合于通过液压成形或类似方法来进行成形。它的高加工硬化潜力和加工硬化速率使得该钢适合于制造其中钢经受冲击载荷的产品。
下面将参考下列非限制性的实施例和钢来更详细地说明本发明，在表1中给出了这些钢的组成(短横线表示该元素仅作为不可避免的杂质存在和/或在铝的情形中用于使钢镇静(killing))。
表1：根据本发明的钢(以重量％计)
    材料     C     Mn     Al     Ni
  Hadfield     1.2     12     -     -
    1     0.63     13.2     2.6     -
    2     0.63     14.5     2.6     -
    3     0.55     14.5     3.5     -
    4     0.30     13.9     4.5     -
    5     0.90     14.5     1.5     -
    6     0.63     12     2.6     2.5
    7     0.15     14.2     4.5     -
    8     0.05     14.5     4.5     -
    9     0.66     14.1     2.2     -
    10     0.52     14.9     3.2     -
    11     0.59     11.9     2.4     2.6
    12     0.95     14.5     2.5     -
将30mm厚的轧制锭料再加热至1220℃的温度(除钢12外，其中考虑到该钢的延展性而使用1070℃的再加热温度)并随后使用7道次轧制规程将其热轧至3mm的规格。使用900℃的终轧温度。卷取温度为600℃-680℃。在下表2中汇总了最终规程的详细内容。
表2：热轧汇总
再加热温度 轧制规程 终轧温度 卷取温度
1220℃ 30>22>15>10>7>5>3.8>3(mm) 900℃ 680-600℃
由于仔细选择的化学组成，特别是低的C水平或Al添加，因此证实不需要为了避免碳化物脆化而在卷取之后进行淬火。
可以容易地进行3mm热轧样品的冷轧，以提供规格分别为1.5mm、1.3mm或1mm的冷轧样品。在不同条件下对小样品进行退火随后用硬度测试确定再结晶的程度，以便确定分批退火的条件。这显示700℃的最低温度和4小时的均热时间对于获得基本上完全的再结晶是足够的。为了提供合理的安全限度，对于分批式退火，优选715℃的最低退火温度持续4小时或730℃持续4小时，以便提供完全的再结晶。应当指出的是，用于分批退火的退火时间和退火温度在一定程度上是可交换的，参见EP0876514。
从所有板材上取下样品并对这些样品进行分批退火(见表4)。
在表3和4中示出了钢1和钢9-12在轧制方向上的拉伸性能。不同的冷减薄水平看来对再结晶的驱动力几乎没有影响。卷取温度在600℃与680℃之间的波动也看来几乎没有影响。除钢12使用50mm规格长度外，在标准拉伸试样上进行拉伸测试并且使用80mm规格长度。依照EN10002-1在纵向进行拉伸测试。
表3：热轧样品的拉伸结果
表4：冷轧样品的拉伸结果
Figure S06803885420070806D000091
当然可以理解，本发明不限于所描述的实施方案和上述的实施例而是包括本说明书和下面的权利要求书的范围内的任何和所有实施方案。

Claims (19)

1.用于冷轧的具有高强度和良好可成形性的基本上为奥氏体的钢的带材，以重量百分比计其组成为：
-0.05-0.75％的C
-11.0-14.9％的Mn
-1.0-5.0％的Al
-0-1.25％的Ni
余量为铁和不可避免的杂质，其中显微组织包含至少80体积％的奥氏体，且其中(Ni+Mn)为11.0-15.9％。
2.根据权利要求1的钢带材，其中显微组织包含至少85体积％的奥氏体。
3.根据权利要求1的钢带材，其中显微组织包含至少90体积％的奥氏体。
4.根据权利要求1的钢带材，其中显微组织包含至少95体积％的奥氏体。
5.根据权利要求1或2的钢带材，其中碳含量为0.30-0.75％。
6.根据权利要求1或2的钢带材，其中镍含量为最多0.05％。
7.根据权利要求1或2的钢带材，其中铝含量为最多4.0％。
8.根据权利要求1或2的钢带材，其中锰含量为至少11.5％。
9.根据权利要求1或2的钢带材，其中锰含量为至少12.0％。
10.根据权利要求1或2的钢带材，其中锰含量为最多14.7％。
11.根据权利要求1或2的钢带材，以具有0.5-20mm的厚度的热轧钢形式提供所述钢带材。
12.根据权利要求1或2的钢带材，以具有0.7-10mm的厚度的热轧钢形式提供所述钢带材。
13.根据权利要求1或2的钢带材，以热轧钢形式提供所述钢带材，且所述钢带材厚度为0.5-8mm。
14.根据权利要求1或2的钢带材，以热轧钢形式提供所述钢带材，且所述钢带材厚度为0.8-5mm。
15.根据权利要求1或2的钢带材，其中以冷轧带材形式、或者以冷轧并连续退火或分批退火带材形式提供所述钢，且所述钢带材任选涂覆有包含一个或更多金属和/或有机层的涂层体系。
16.根据权利要求15的钢带材，其中在轧制和退火之后的显微组织包含至少80体积％的奥氏体。
17.根据权利要求15的钢带材，其中在轧制和退火之后的显微组织包含至少85体积％的奥氏体。
18.根据权利要求15的钢带材，其中在轧制和退火之后的显微组织包含至少90体积％的奥氏体。
19.根据权利要求15的钢带材，其中在轧制和退火之后的显微组织包含至少95体积％的奥氏体。
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