CN101263233B - 生产铁-碳-锰奥氏体钢板材的方法和如此生产的板材 - Google Patents

生产铁-碳-锰奥氏体钢板材的方法和如此生产的板材 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于生产耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧板材的方法，其包括以下步骤：提供板材，该板材的化学组成包括，含量以重量计：0.35％≤C≤1.05％，16％≤Mn≤24％，该组成的余量由铁和由熔炼产生的不可避免的杂质组成；冷轧该板材；在炉中对所述板材进行再结晶退火处理，该炉具有相对于铁为还原性和相对于锰为氧化性的气氛，所述退火的参数的选择要使得所述板材在其两面上覆盖有基本上无定形的(Fe，Mn)O氧化物次层和结晶氧化锰MnO外层，这两层的总厚度大于或等于0.5微米。

Description

生产铁-碳-锰奥氏体钢板材的方法和如此生产的板材
技术领域
本发明涉及经济生产具有非常高机械性质和非常好耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧板材。
背景技术
某些应用，尤其是在汽车领域中的某些应用，要求使用兼具高断裂强度和大变形性能的结构材料。在厚度为0.2mm～6mm的冷轧板材的情况下，这些应用例如涉及有助于机动车安全性和耐久性的部件，或者涉及外表部件。为了同时满足强度和延性的要求，现已知具有完全奥氏体结构的钢，例如任选含有其它元素如硅、镍或铬的Fe-C(最高达1.5％)-Mn(15～35％)钢(含量以重量计)。
这种冷轧和退火的钢卷形式的钢板材可以具有例如基于锌的耐腐蚀涂层的形式交付使用，或者“裸露地”交付使用到汽车工业中。后一种情况例如在不太暴露于腐蚀条件的汽车部件的生产中会遇到，其中简单地进行磷化和阳离子电泳类型的处理，而不需要锌涂层。如果用户自己进行或者使得进行涂层处理，例如热浸镀锌处理或电镀锌处理，则也可裸露地交付钢板材。
因此，当Fe-C-Mn奥氏体钢板材必须裸露地交付给用户时，则施涂临时保护层，例如油膜，以防止在产品进行冷轧和退火的时刻与它实际用于生产部件的时刻之间的表面氧化。这是因为，在钢卷的储存或运输过程中，可能会交替出现有利于产生表面氧化(这对应用有害)的温度和气氛循环。此外，临时保护油膜可能会在被处理时由于摩擦或接触而局部地改变，因此可能会降低耐腐蚀性。因此非常期望提供一种生产方法，该方法可以避免在冲压之前或之后、在熨平(ferrage)之前或之后以及在涂覆操作之前毛坯或部件氧化的风险。
而且，如前面已经提到的，在其中使用条件在腐蚀方面不那么苛刻的应用的情况下，期望提供一种生产具有高机械性质的钢的方法，这种钢在退火状态下或者在随后的磷化和阳离子电泳涂覆类型的处理之后提供令人满意的耐腐蚀性。
发明内容
因此，本发明的目的是提供经济生产的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧板材，其具有高强度和有利的强度-伸长率组合，并且在没有金属涂层如锌基涂层的情况下具有非常好的耐腐蚀性。
没有获得通过锌基涂层所赋予的耐腐蚀性，本发明的主题是非常显著地改进裸板材的加工条件的保护。
为此，本发明的主题是一种用于生产耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧板材的方法，其包括以下步骤：
-提供板材，该板材的化学组成包括，含量以重量计：0.35％≤C≤1.05％，16％≤Mn≤24％，该组成的余量由铁和由熔炼产生的不可避免的杂质组成；冷轧该板材；在炉中对所述板材进行再结晶退火处理，该炉具有相对于铁为还原性和相对于锰为氧化性的气氛，所述退火的参数的选择要使得所述板材在其两面上覆盖有基本上无定形的(Fe，Mn)O氧化物次层和结晶氧化锰MnO外层，这两层的总厚度大于或等于0.5微米。
有利地，板材的组成包括：Si≤3％、Al≤0.050％、S≤0.030％、P≤0.080％、N≤0.1％和任选的一种或多种元素如Cr≤1％、Mo≤0.40％、Ni≤1％、Cu≤5％、Ti≤0.50％、Nb≤0.50％、V≤0.50％。
优选地，板材的化学组成具有的碳重量含量为0.5≤C≤0.7％。
有利地，板材的化学组成具有的碳重量含量为0.85≤C≤1.05％。
根据优选的实施方式，板材的化学组成具有的锰重量含量为20≤Mn≤24％。
有利地，板材的化学组成具有的锰重量含量为16≤Mn≤19％。
优选地，在退火过程中形成的两个氧化物表面层的总厚度等于或大于1.5微米。
根据优选的特征，在炉中对该板材进行再结晶退火处理，该炉具有相对于铁为还原性和相对于锰为氧化性的气氛，其中氧气分压等于或大于2×10-17Pa。
有利地，在炉中进行退火处理，该炉具有相对于铁为还原性和相对于锰为氧化性的气氛，其中氧气分压大于5×10-16Pa。
还优选地，在退火过程中形成的基本上无定形的(Fe，Mn)O氧化物次层具有连续的特性。
根据优选的实施方式，结晶氧化物MnO层具有连续的特性。
还优选地，在紧凑型(compacte)连续退火装置中进行再结晶退火。
根据优选的实施方式，对所述板材进行随后的磷化处理。
还优选地，对所述板材进行随后的阳离子电泳处理。
本发明的主题还在于耐腐蚀性铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧和退火的板材，其化学组成包括，含量以重量计：0.35％≤C≤1.05％，16％≤Mn≤24％，该组成的余量由铁和由熔炼产生的不可避免的杂质组成，所述板材在其两面上覆盖有基本上无定形的(Fe，Mn)O氧化物次层和结晶氧化锰MnO外层，这两层的总厚度等于或大于0.5微米。
有利地，该化学组成包括以下元素：Si≤3％、Al≤0.050％、S≤0.030％、P≤0.080％、N≤0.1％和任选的一种或多种元素如：Cr≤1％、Mo≤0.40％、Ni≤1％、Cu≤5％、Ti≤0.50％、Nb≤0.50％、V≤0.50％。
优选地，板材的化学组成具有的碳重量含量为0.5≤C≤0.7％。
有利地，板材的化学组成具有的碳重量含量为0.85≤C≤1.05％。
根据优选的实施方式，板材的化学组成具有的锰重量含量为20≤Mn≤24％。
有利地，板材的化学组成具有的锰重量含量为16≤Mn≤19％。
根据本发明优选的特征，这两层的总厚度等于或大于1.5微米。
根据优选的特征，基本上无定形的(Fe，Mn)O氧化物次层具有连续的特性。
优选地，结晶氧化物MnO外层具有连续的特性。
优选地，板材包括叠置于结晶氧化物MnO外层上的磷化层。
还优选地，板材包括叠置于磷化层上的阳离子电泳层。
本发明的主题还在于通过以上方法生产的板材用于生产汽车结构组件或外表部件的用途。
本发明的主题还在于上述板材在汽车领域中用于生产结构组件或外表部件的用途。
具体实施方式
通过举例的方式，本发明的其它特征和优点将在以下的描述过程中变得显而易见。
在经过许多试验之后，本发明人已经表明，以上所述的各种要求通过遵循以下条件得以满足：
关于钢的化学组成，碳在微观结构的形成中起着非常重要的作用，它提高堆垛层错能并促进奥氏体相的稳定性。结合16～24重量％范围的锰含量，对于0.35％或更高的碳含量可获得这种稳定性。尤其是当碳含量为0.5％～0.7％时，奥氏体的稳定性更大并且强度增加。此外，当碳含量大于0.85％时，则获得甚至更大的机械强度。但是，当碳含量大于1.05％时，则变得难以防止碳化物析出，该碳化物析出发生在工业制造中的某些热循环过程中，尤其是在卷绕之后冷却时发生，这会降低延性和韧性。
锰也是用于增加强度、提高堆垛层错能和使奥氏体相稳定化的基本元素。锰还在连续退火步骤过程中对于特定氧化物的形成起着非常重要的作用，这些氧化物对于随后的腐蚀和可涂覆性起着保护的作用。如果其锰含量小于16％，则有形成马氏体相的危险，这会显著降低变形性。增加到19％的锰含量可以生产具有更大堆垛层错能的钢，这有利于通过双晶作用的变形方式。当锰含量为20～24％时，结合碳含量，则获得适合于生产具有高机械性质的部件的变形性。
但是，当锰含量大于24％时，环境温度下的延性变差。此外，由于成本的原因，不期望锰含量高。
铝是对于使钢脱氧特别有效的元素。像碳一样，它提高堆垛层错能。但是，它在具有高锰含量的钢中的过量存在是有缺点的：这是因为，锰增加氮在液态铁中的溶解度，并且如果过大量的铝存在于钢中，则与铝结合的氮以氮化铝的形式析出，这妨碍热转化过程中晶界的迁移，并且非常显著地增加出现破裂的危险。不超过0.050％的Al含量可防止AlN析出。因此，氮含量不超过0.1％，以防止这种析出和凝固过程中体积缺陷(气孔)的形成。
硅也是对于使钢脱氧和固相硬化有效的元素。但是，超出3％的含量，往往形成不期望的氧化物，因此该含量必须保持在此限度以下。
硫和磷是使晶界变脆的杂质。它们各自的含量必须分别不超过0.030％和0.080％，以保持足够的热延性。
铬和镍可任选地用于通过固溶体硬化而增加钢的强度。但是，由于铬降低堆垛层错能，它的含量必须不超过1％。镍有助于获得高的断裂伸长率，并且尤其是增加韧性。但是，由于成本的原因，也期望限制镍的含量至不超过1％的最大含量。由于类似的原因，可以以不超过0.40％的量加入钼。
同样，任选地加入不超过5％含量的铜是通过析出金属铜而使钢硬化的一种措施。但是，超过这个含量，铜是引起在热轧片材中出现表面缺陷的原因。
钛、铌和钒也是可任选地用于通过碳氮化物的析出而使钢硬化的元素。但是，当Nb或V或Ti含量大于0.50％时，碳氮化物的过度析出会导致韧性降低，这是必须要避免的。
如下进行本发明的生产方法：
熔炼具有以上给出的组成的钢。然后热轧钢板材，从而获得厚度为约0.6～10mm范围的产品。然后将该钢板材冷轧至约0.2～6mm的厚度。冷轧之后，钢的各向异性微观结构由高度变形的晶粒构成，并且延性降低。根据本发明，除了获得令人满意的机械性质之外，接下来的再结晶退火的目标是赋予特别高的耐腐蚀性。
通常，为了给钢板材赋予特定的微观结构和特定的机械性质，钢板材进行再结晶退火。在工业条件下，在炉中进行这种再结晶退火，在该炉中占优势的是相对于铁为还原性的气氛。为此，该板材穿过由与外部气氛隔离的腔室构成的炉，在该炉中流动的是还原性气体。例如，该气体可选自氢和氮/氢混合物，并且可具有-40℃～-15℃的露点。
本发明人已经证实，当精确地选择退火条件以在板材的两面上获得具有等于或大于0.5微米总厚度的表面氧化物层时，则获得增加的耐腐蚀性。该表面氧化物层自身由以下物质形成：
-与基材接触的连续或不连续的混合氧化物(Fe，Mn)O次层，所述次层具有基本上无定形的特性。后一术语所指的情况是：次层由大于95％的无定形特性的混合氧化物构成；和
-连续或不连续的具有结晶特性的氧化锰MnO层。
已经证实，当基本上无定形的(Fe，Mn)O表面氧化物层是连续的时，耐腐蚀性是特别高的。这种特征提高了耐腐蚀性，晶界被证明是具有较低耐腐蚀性的区域。
本发明人还证实，在相对于铁为还原性和相对于锰为氧化性的气氛下，用于连续退火铁-碳-锰奥氏体钢板材的特定条件导致了形成这种表面层。
特别地，本发明的生产方法之一是当氧气分压为2×10-17Pa(约2×10-22巴)或更高时在炉中退火。例如，气体可选自氢气或包括20～97体积％氮气且余量为氢气的混合物。对于给定的气氛，本领域技术人员将会根据常识调整退火炉的操作参数(例如退火温度或露点)以获得大于2×10-17Pa的氧气分压。
正如后面将会解释的，为了获得甚至更有利的耐腐蚀性，具有等于或大于1.5微米厚度的层可能是期望的。本发明的生产方法之一是在氧气分压为5×10-16Pa(约5×10-21巴)或更高的炉中退火。
在紧凑型连续退火装置中的气氛中快速退火(包括例如通过感应加热的方式来快速加热和/或快速冷却)可被有利地用于实施本发明。
作为实例，以下实施方式将示出本发明提供的其它优点：
以热轧板材的形式生产奥氏体Fe-C-Mn钢(其组成在表1中以重量百分比的形式给出)，然后将其冷轧至1.5mm的厚度。
  C   Mn   Si   S   P   Al   Cu   Cr   Ni   Mo   N
  0.61   21.5   0.49   0.001   0.016   0.003   0.02   0.053   0.044   0.009   0.01
然后使钢板材在含15体积％氢气的氮气气氛中，在以下条件下进行再结晶退火处理60s：
-对应于常规条件的退火：温度：810℃；露点：-30℃；氧气分压低于1.01×10-18Pa；和
-本发明的退火：温度：810℃；露点：+10℃；氧气分压大于5.07×10-16Pa。
这些退火条件对应于1000MPa的强度和大于60％的断裂伸长率。
在常规条件下，氧化物表面层的总厚度为0.1微米。在显著高于通常条件的露点下在810℃进行退火的情况下，形成的表面氧化物层(基本上无定形的(Fe，Mn)O次层和结晶MnO层)具有1.5微米的总厚度。具有基本上无定形特性的(Fe，Mn)O层优选是连续的。
然后使用0.5g/m2量的
Figure G2005841866620070608D000071
N6130临时保护油将退火的板材涂油。此操作旨在再现在钢铁厂中生产冷轧裸钢卷和其随后的应用之间所经过的时间周期中钢卷的临时保护。对200mm×100mm的样品进行热/湿腐蚀试验。此试验的目的是确定气候变化过程中的耐腐蚀性，在此试验中热/湿阶段(在100％相对湿度下40℃下8小时)与室温阶段(16h)交替进行。
随后记录出现红锈的条件或者这种红锈在试验样品10％的表面上展开的条件，红锈是钢基材腐蚀的特征。
结果如下所示，以出现红锈或10％覆盖的循环次数表示：
  氧化物层(Fe，Mn)O和MnO的总厚度   出现红锈的循环次数   导致10％被红锈覆盖的循环次数
  0.1微米   6   11
  1.5微米(*)   ＞18   ＞20
(*)：本发明
因此，本发明的退火板材具有非常高的耐腐蚀性，红锈出现以前的时间几乎为两倍长。
在汽车工业中通常的做法是规定最小耐腐蚀性，其由热/湿腐蚀试验中样品10％覆盖之前的循环次数表示。常常要求15次循环的最小耐腐蚀性。
本发明人已经证实，当氧化物层((Fe，Mn)O和MnO)的总厚度等于或大于1微米时，则获得15次循环的最小耐腐蚀性。
而且，对于上述退火条件进行了穿孔耐腐蚀性试验。以2或5次循环(一次循环包括：35℃/4h暴露于盐雾下，接着是60℃/2h干燥阶段和50℃/2h暴露于95％相对湿度下)之后红锈的百分比表示的结果如下表所示：
  氧化物层(Fe，Mn)O和MnO的总厚度  2次循环后红锈的比例  5次循环后红锈的比例
  0.1微米  100％  100％
  1.5微米(*)  30％  80％
(*)：本发明
这些结果表明了本发明所给出的穿孔耐腐蚀性的提高。特别地，当氧化物层的厚度等于或大于1.5微米时，大大延迟了氧化反应的发生。
本发明的冷轧和退火的板材可有利地经受磷化处理。具体地，本发明人已经证明，外部MnO层的结晶特性及其性质非常有利于通过磷化处理来涂覆。当该外部结晶层形成连续膜时，此特性更加明显，这导致通过磷化处理的非常均匀的保护。
在磷化处理之后，通过阳离子电泳用涂料进行的随后涂覆使得可生产令人满意的耐腐蚀性组件。这样获得的部件将有利地用于耐腐蚀性要求不太严格的应用中。
当板材的储存和运输条件需要特别注意氧化的风险时，本发明的方法将特别有利地用于生产裸露的冷轧Fe-C-Mn奥氏体钢板材。

Claims (27)

1.一种用于生产耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧板材的方法，其包括以下步骤：
-提供板材，该板材的化学组成包括，含量以重量计：
0.35％≤C≤1.05％
16％≤Mn≤24％
该组成的余量由铁和由熔炼产生的不可避免的杂质组成；
-冷轧所述板材；并且
-在炉中对所述板材进行再结晶退火处理，该炉具有相对于铁为还原性和相对于锰为氧化性的气氛，所述退火的参数的选择要使得所述板材在其两面上覆盖有基本上无定形的(Fe，Mn)O氧化物次层和结晶氧化锰MnO外层，这两层的总厚度大于或等于0.5微米。
2.如权利要求1所述的生产耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧板材的方法，其特征在于所述板材的化学组成包括，含量以重量计：
Si≤3％
Al≤0.050％
S≤0.030％
P≤0.080％
N≤0.1％，
和任选的一种或多种选自以下的元素：
Cr≤1％
Mo≤0.40％
Ni≤1％
Cu≤5％
Ti≤0.50％
Nb≤0.50％
V≤0.50％。
3.如权利要求1或2所述的生产耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧板材的方法，其特征在于所述板材的化学组成具有的碳含量以重量计为大于或等于0.5％且小于或等于0.7％。
4.如权利要求1或2所述的生产耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧板材的方法，其特征在于所述板材的化学组成具有的碳含量以重量计为大于或等于0.85％且小于或等于1.05％。
5.如权利要求1～2中任一项所述的生产耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧板材的方法，其特征在于所述板材的化学组成具有的锰含量以重量计为大于或等于20％且小于或等于24％。
6.如权利要求1～2中任一项所述的生产耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧板材的方法，其特征在于所述板材的化学组成具有的锰含量以重量计为大于或等于16％且小于或等于19％。
7.如权利要求1～2中任一项所述的生产耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧板材的方法，其特征在于所述退火的参数的选择要使得所述两层的总厚度等于或大于1.5微米。
8.如权利要求1～2中任一项所述的生产耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧板材的方法，其特征在于在炉中对所述板材进行再结晶退火处理，该炉具有相对于铁为还原性和相对于锰为氧化性的气氛，其中氧气分压等于或大于2×10-17Pa。
9.如权利要求7所述的生产耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧板材的方法，其特征在于在炉中对所述板材进行所述再结晶退火处理，该炉具有相对于铁为还原性和相对于锰为氧化性的气氛，其中氧气分压大于5×10-16Pa。
10.如权利要求1～2中任一项所述的生产耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧板材的方法，其特征在于所述基本上无定形的(Fe，Mn)O氧化物次层具有连续的特性。
11.如权利要求1～2中任一项所述的生产耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧板材的方法，其特征在于所述结晶氧化锰MnO外层具有连续的特性。
12.如权利要求1～2中任一项所述的生产耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧板材的方法，其特征在于所述再结晶退火在紧凑型连续退火装置中进行。
13.如权利要求1～2中任一项所述的生产耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧板材的方法，其特征在于在所述板材的所述再结晶退火之后进行磷化处理。
14.如权利要求13所述的生产耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧板材的方法，其特征在于对所述板材进行随后的阳离子电泳处理。
15.耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧和退火的板材，其化学组成包括，含量以重量计：
0.35％≤C≤1.05％
16％≤Mn≤24％
-该组成的余量由铁和由熔炼产生的不可避免的杂质组成，所述板材在其两面上覆盖有基本上无定形的(Fe，Mn)O氧化物次层和结晶氧化锰MnO外层，这两层的总厚度大于或等于0.5微米。
16.如权利要求15所述的耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧和退火的板材，其特征在于所述板材的化学组成包括，含量以重量计：
Si≤3％
Al≤0.050％
S≤0.030％
P≤0.080％
N≤0.1％
和任选的一种或多种选自以下的元素：
Cr≤1％
Mo≤0.40％
Ni≤1％
Cu≤5％
Ti≤0.50％
Nb≤0.50％
V≤0.50％。
17.如权利要求15或16所述的耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧和退火的板材，其特征在于所述板材的化学组成具有的碳含量以重量计为大于或等于0.5％且小于或等于0.7％。
18.如权利要求15或16所述的耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧和退火的板材，其特征在于所述板材的化学组成具有的碳含量以重量计为大于或等于0.85％且小于或等于1.05％。
19.如权利要求15～16中任一项所述的耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧和退火的板材，其特征在于所述板材的化学组成具有的锰含量以重量计为大于或等于20％且小于或等于24％。
20.如权利要求15～16中任一项所述的耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧和退火的板材，其特征在于所述板材的化学组成具有的锰含量以重量计为大于或等于16％且小于或等于19％。
21.如权利要求15～16中任一项所述的耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧和退火的板材，其特征在于所述两层的总厚度等于或大于1.5微米。
22.如权利要求15～16中任一项所述的耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧和退火的板材，其特征在于所述基本上无定形的(Fe，Mn)O氧化物次层具有连续的特性。
23.如权利要求15～16中任一项所述的耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧和退火的板材，其特征在于结晶氧化锰MnO外层具有连续的特性。
24.如权利要求15～16中任一项所述的耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧和退火的板材，其特征在于磷化层被叠置于结晶氧化锰MnO外层上。
25.如权利要求24所述的耐腐蚀性的铁-碳-锰奥氏体钢的冷轧和退火的板材，其特征在于阳离子电泳层随后被叠置于所述磷化层上。
26.通过如权利要求1～14中任一项所述的方法生产的板材的用途，用于生产汽车领域中的结构组件或外表部件。
27.如权利要求15～25中任一项所述的板材的用途，用于生产汽车领域中的结构组件或外表部件。
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