CN101270436B - 一种热轧多相钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热轧多相钢板及其制备方法。本发明钢成分设计经济、合理、环保，有利于资源的有效利用和回收，易于实施和控制，工艺控制简便易行。钢板强度高，具有良好的冷弯和焊接性能。板厚2.5mm～6mm热轧钢板的抗拉强度大于1000MPa，屈服强度大于等于500MPa，屈强比低，最低为0.51，不超过0.80，延伸率A80(JIS13A标距80mm试样)大于等于11％，最高达20％，冷弯纵横向满足d＝4t不开裂的要求，组织主要为贝氏体和马氏体(大于90％)和少量铁素体(可能有残余奥氏体)。

Description

一种热轧多相钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及钢板材料技术，更具体地，本发明涉及抗拉强度超过1000MPa的钢板材料技术。

背景技术

随着汽车产业的发展，对车辆安全性的要求越来越高，同时能源的紧缺和环保的需求也要求车辆减轻自重以减少燃油消耗，因此对车辆所用钢板的强度要求不断提高，同时对不同部位钢板的性能要求分工也越来越多、越细，先进的高强度钢(AHSS)或者超高强度钢(Ultra-HSS)应运而生。通常抗拉强度大于700MPa的钢种可归为超高强度钢。超高强度具有非常高的抗拉强度和高的形变吸收能，适合制造结构件、加强件、安全件等构件。

一般采用添加Nb、Ti、Ni、Cr、Mo和Cu等合金元素，通过固溶强化、析出强化和沉淀强化等强化方式来提高钢的强度，这样就导致生产工艺复杂和钢铁成本增加，也不利于钢铁的可回收利用。随着人们对绿色冶金和循环经济的重视，如何有效利用资源、降低制造成本成为研究的热点。本发明者充分利用“水作为合金元素”的设计思想，仅以碳、锰、硅的经济合理成分，尽可能少添加贵重合金元素，通过控制轧后冷却方式获得超高强度钢多相钢，其主要组织为贝氏体和马氏体与细小弥散分布的铁素体(有可能含有少量的残余奥氏体)，抗拉强度高于1000MPa，屈强比低，延伸率达20％，且具有良好的冷弯性能。

国际上有关热轧高强度钢板的制造方法已经形成多项专利，但主要集中于低合金高强度钢(HSLA)、双相钢(DP)和相变诱发塑性钢(TRIP)，对于汽车用超过1000MPa的热轧超高强度钢板(板厚1.5mm～6mm)，尚未统一标准。

本发明者对国内外专利文献作了初步检索，结果如下：

1.Hotrolling high-strength steel structural members，PATENT(No，Date)：US570499819980106

此专利是一种屈服强度630MPa抗拉强度840MPa的热轧高强度结构钢板，且碳含量很高，为0.30～0.65％，依靠高含量的碳得到马氏体组织以获得高强度的结构钢。然而其碳含量过高，给冶炼和焊接带来困难。

2.高抗拉强度钢及其生产方法，中国专利：98802878.6

由埃克森美孚和住友金属联合申请的“高抗拉强度钢及其生产方法”，钢板的成分C：0.02～0.10％，Mn：0.2～2.5％，抗拉强度等级为900MPa，该钢板添加了贵重合金元素，如镍，其含量为0.2～1.2，产品成本高。

3.High tensile strength hot rolled steel sheet having excellent workability and working methodtherefor，PUB.NO.：2003-321738[JP2003321738A]

介绍了一种热轧相变诱发塑性钢的生产方法，组织为铁素体、贝氏体、残奥(三相)，或四相(含马氏体)。C：0.1～0.2％，Si：0.5～2.0％，Mn：0.5～1.7％，Al：≤0.06％，N：≤0.006％，Mo：0.1～0.5％，Ti：0.05～0.2％。也添加了贵重合金元素Mo。

4.ULTRA-HIGH STRENGTH STEELS WITH EXCELLENT CRYOGENICTEMPERATURE TOUGHNESS，PublicationNumber：WO200039352

由Exxonmobil Upstream Res公司申请的专利，一种低温用钢，用较低含碳量(0.03％～0.12％)和高镍含量(不小于1.0％)的方法生产低温韧性好的高强度钢，其采用较低的冷却速率(10℃/s)，其抗拉强度只能达到830MPa以上。需要添加Mo、V、Cu和Ni等贵重的合金元素，钢材成本增加；要求轧后以较慢的冷却速度10℃/s冷却到较低的卷取温度，这样导致降低生产效率，增加钢材生产成本。

5.ULTRA-HIGH STRENGTH，WELDABLE STEELS WITH EXCELLENTULTRA-LOW TEMPERATURE TOUGHNESS，PublicationNumber：WO9905335

由Exxonmobil Upstream Res和新日铁合作申请的低合金超高强度钢板专利WO9905335中，与WO20003935相比，组织与生产方法都类似，但成分上减少了Ni含量，增加了Cr含量，抗拉强度达到930MPa以上。同样添加了大量贵重合金元素，钢材成本增加。

本发明者旨在寻求一种降低钢材成本的同时提高其抗拉强度的钢板设计及制备方法，通过不断探索，最终获得了成功。与高强度的热轧TRIP钢相比，本发明钢板虽然其延伸率较低，但抗拉强度较高，且不用添加较高含量的碳元素或其它合金元素来提高强度，其制造方法也较简单，对轧后冷却的各项工艺参数的控制不如生产TRIP钢要求严格。与高强度的马氏体钢相比和复相钢相比，本发明钢延伸率高，比如Arcelor公司标准要求900MPa级的复相钢延伸率>10％，低于本发明1000MPa级多相钢的延伸率。从而完成了本发明。

因此，本发明的第一个目的是提供一种热轧多相钢板。第二个目的是提供一种热轧多相钢板的制备方法。

发明内容

本发明一方面提供一种热轧多相钢板，所述热轧多相钢板包括以下组成元素：C：0.08％～0.25％，Si：0.5～2.0％，Mn：0.5～2.0％，Al：0.010～0.060％，N：≤0.010％，P：≤0.020％，S：≤0.005％，Ti：≤0.03％，Nb：≤0.03％，其余为铁和不可避免的杂质；所述钢板组织中含贝氏体和马氏体组织及少量铁素体，其中贝氏体和马氏体组织大于90％；所述钢板组织由终轧后以不低于20℃/s的冷速先冷却至650℃～750℃的温度停留2～10秒、再以不低于50℃/s的冷却速度冷却至230℃～450℃的冷却终止温度并卷取成钢卷的工艺制得。

当硫含量≥0.003％时，组成元素还包括0.001％～0.005％的Ca。

具体来说，本发明旨在尽量减少添加合金元素，仅通过简单成分设计(合适含量的C、Si、Mn元素)和分段控制冷却工艺，获得贝氏体+马氏体+铁素体+少量残余奥氏体组织。其主要的基本元素有以下几个方面：

碳：是钢中最经济、最基本的强化元素，碳含量的高低很大程度地决定了钢板的强度级别，因为碳是奥氏体转变成马氏体、贝氏体等钢中的强化相所必不可少的元素。碳是决定碳当量大小的最主要的元素，而碳当量是影响钢的强度和焊接性等的重要指标。本发明碳的控制范围为0.08％～0.25％，碳低于0.08％则钢中没有足够的碳化物和固溶碳，在奥氏体转变为马氏体过程中不能产生足够的畸变以强化马氏体组织从而获得钢板的强度；由于有些部位不要求焊接性能，所以可通过适当提高碳含量来提高钢的强度，所以，将最高碳含量定为0.25％。在要求焊接性能时，碳含量必须在0.08～0.20％之间。

锰：锰是置换型合金元素，通过固溶强化细化晶粒而提高钢的强度，是含贝氏体和马氏体钢中补偿因C含量降低而引起强度损失的最主要且最经济的强化元素，能提高淬火后钢板的强度。锰是稳定奥氏体的元素，能降低奥氏体的相变温度，促进碳在奥氏体中的溶解，提高钢的淬透性。但要避免过高的锰含量，因为锰含量过高会降低奥氏体中碳的活度，这样促进了碳化物的形成，并阻碍铁素体相变，使冷却过程中碳的富集降到最低，无法淬火得到马氏体。过高的锰还易于偏析，恶化钢的性能。关于硅和锰，必须调整添加的相对量以控制相的分布和体积分数。

硅：硅在钢中起固溶强化作用，含量较多时能抑制碳化物的析出，促进铁素体形成，从而使碳扩散到奥氏体中。硅或类似元素充当铁素体稳定剂的作用，不仅加速先共析铁素体的形成，而且在贝氏体形成期间阻碍渗碳体的析出，加速碳扩散到奥氏体相中，提高钢的淬透性。添加硅并配合分段冷却工艺可以促进铁素体析出，有利于降低钢的屈服强度和屈强比，并使得钢在相变结束后，可能保留有少量的残余奥氏体，使钢在强度高的同时还具有一定的塑性。由于本发明不添加Nb、V和Ti也能获得延伸性能好的超高强度的钢，因此，要求添加硅元素，硅含量为0.5～2.0％。

铌：铌对晶粒细化的作用很明显，通过热轧过程中NbC应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，经控制轧制和控制冷却使非再结晶区轧制的形变奥氏体组织在相变时转变为细小的相变产物，提高钢的强度。

钛：是强的固N元素，Ti/N一般为3.42，利用0.02％左右的Ti就可固定钢中60ppm以下的N，同时还要看钢中的硫含量，本钢种希望硫越少越好。在板坯连铸时可形成细小的高温稳定的TiN析出相，适量的钛(0.005％～0.03％)可以显著细化晶粒而且显著地提高钢板的焊接性。

氮：在加钛的钢中，适量的氮与钛形成氮化钛，这种易在高温析出的第二相有利于强化基体，在板坯加热时部分未溶解的颗粒能细化原始奥氏体晶粒，同样道理，在钢板焊接时能提高钢板的焊接性能。但如果氮过高，如高于0.010％，会在钢中形成粗大的氮化钛，或者过多的固溶氮，这将会严重地损害钢的塑性和韧性。

硫和磷：硫和磷是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好。硫在钢中与锰等化合形成塑性夹杂物硫化锰，尤其对钢的横向塑性和韧性不利，因此希望越低越好。。磷也是钢中的有害元素，严重损害钢板的塑性和韧性。如硫含量大于等于0.003％时，为避免MnS类的夹杂物对横向性能的不良影响，需在冶炼时采用Ca处理工艺，Ca的控制范围：0.0010～0.0050％。

铝：本发明钢板加入铝含量为0.010～0.060％。铝是钢中的主要脱氧元素，有利于细化晶粒，一般的钢中均含有一定量。本发明中加入的铝主要用来脱氧和细化晶粒。

钢中含有较高硅元素的时候，再加热温度不能太高，否则钢的表面氧化铁皮又多又粘，不易去除，影响表面质量，实验表明在1150±20℃时比较合适。为了充分发挥各元素在轧制和冷却过程中的作用，必须保证钢坯在这个再加热温度下所有碳氮化物完全溶解，如果添加Nb，其中碳含量与钢板中加入的铌尽可能保证按溶度积公式Lg[Nb][C]＝2.96-7510/T计算的T小于1423K(1150℃)。加入的元素钛与氮含量尽可能保证Ti/N≥3.42，让钛完全固定氮，使铌能形成足够的NbC强化；钢中的硫含量尽可能低，以保证钢板的横向冷弯性能满足要求。钢中的C、Si、Mn含量不可同时接近上限或者下限，这样做的目的是保证强度和碳当量。对以上所述元素的适当控制，目的在于用较低的合金成本，精确的成分配比，简单的炼钢、轧制与冷却工艺获得较好的力学、冷弯、焊接等综合性能。

本发明另一方面提供一种热轧多相钢板的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

1)冶炼、铸造；

2)板坯再加热：加热温度为1130℃～1170℃；

3)轧制：在奥氏体可发生再结晶的温度范围内初轧热变形，在低于奥氏体发生再结 晶但高于Ar3转变点的温度范围内，采用一个或多个道次，进行终轧；终轧温度为800℃～880℃；

4)冷却：第一阶段，以≥20℃/s的冷却速度先冷却至650℃～750℃；第二阶段，以≥50℃/s的冷却速度冷却至230℃～450℃。

其中，在板坯再加热步骤中，保温时间按有效厚度1～1.5分钟/毫米计算。

其中，在冷却步骤中，第一阶段冷却与第二阶段冷却之间停留2～10秒。

超高强度钢主要通过相变强化(贝氏体和马氏体)来获得高强度，并要求有较高的延伸率，所以希望组织中有软相即铁素体。由于强度高于1000MPa，因此铁素体含量不能太高。解决这个问题的关键是在终轧后的冷却过程中，获得比例合适的各相组织：贝氏体、贝氏体和一定含量的铁素体，有可能还含有少量残余奥氏体。因此在冷却过程中，需要以下相变过程：终轧后迅速将钢冷却到奥氏体和铁素体两相区温度区间；由于硅元素有助于促进铁素体相变，在此温度区间空冷可迅速发生铁素体相变，相变过程中碳和锰元素扩散进入剩余的奥氏体中；空冷后将钢板强制冷却到低温进行卷取，在第二段强制冷却过程中，发生贝氏体和马氏体相变。

经未再结晶区终轧后，钢的组织由变形的奥氏体组成。终轧后以不低于20℃/s的冷速先冷却至650℃～750℃的温度停留2～10秒，再以不低于50℃/s的冷速冷却至230～450℃的冷却终止温度并卷取成钢卷。详细的轧制、冷却工艺示意图见图1。

有益效果：

本发明是一种具有良好延伸性能和成形性能的以贝氏体和马氏体组织(两者百分含量之和为90％左右)为主，含有少量铁素体(可能含有残余奥氏体)的热轧超高强度多相钢板(板厚2.5mm～6.0mm)的成分设计及制造方法，通过合理廉价的合金成分设计和轧后分段冷却工艺使热轧钢板的抗拉强度达到大于等于1000MPa，屈服强度大于等于500MPa，低屈强比，延伸率A80(JIS13A标距80mm试样)大于等于11％。并具有良好的冷弯性能。可用于汽车的加强件和安全件。

本发明所提供的钢板成分设计经济、合理、环保，有利于资源的有效利用和回收，易于实施和控制，工艺控制简便易行，由于采用轧后分段冷却，利用卷取对材料进行回火处理，因而轧制周期短，轧制效率高。钢板强度高，具有良好的冷弯和焊接性能。经过上述所述成分和工艺过程后，板厚2.5mm～6mm热轧钢板的抗拉强度大于1000MPa，屈服强度大于等于500MPa，屈强比低，最低为0.51，不超过0.80，延伸率A80(JIS13A标距80mm试样)大于等于11％，最高达20％，冷弯纵横向满足d＝4t不开裂的要求，组织主要为贝氏体和马氏体(大于90％)和少量铁素体(可能有残余奥氏体)。

附图说明

图1轧制、冷却工艺示意图。

图2实施例3钢板的典型金相组织。

图3实施例9钢板的典型金相组织。

具体实施方式

下面用实施例对本发明作进一步阐述，但这些实施例绝非对本发明有任何限制。本领域技术人员在本说明书的启示下对本发明实施中所作的任何变动都将落在权利要求书的范围内。

实施例1

按表1所示化学成分进行冶炼、铸造形成钢坯，随后将钢坯加热至1170℃。钢板厚度为2.5mm。在奥氏体可发生再结晶的温度范围内粗轧热变形，在低于奥氏体发生再结晶但高于Ar3转变点的温度范围内，采用一个或多个道次，将上述钢板炸制成最终厚度的钢板。终轧温度为800℃。随后进入分段式冷却过程。第一阶段冷却速度为20℃/s，在750℃空冷(中间停留)10秒，第二阶段冷却速度为80℃/s，一直冷却至终冷温度230℃，获得成品钢板。力学性能：见表11。

表1实施例1钢板的化学成分

实施例2

按表2所示的化学成分进行钢板制造，制造过程与实施例1相同。钢坯加热温度为1170℃；钢板厚度为3.0mm；终轧温度为820℃；第一阶段冷却速度为30℃/s，在720℃空冷(中间停留)6秒，第二阶段冷却速度为58℃/s，一直冷却至终冷温度330℃。力学性能：见表11。

表2实施例2钢板的化学成分

实施例3

按表3所示的化学成分进行钢板的制造，制造过程与实施例1相同。钢坯加热温度为1170℃；钢板厚度为2.5mm；终轧温度为850℃；第一阶段冷却速度为40℃/s，在689℃空冷(中间停留)8秒，第二阶段冷却速度为50℃/s，一直冷却至终冷温度440℃。力学性能：见表11。

表3实施例3钢板的化学成分

实施例3钢板的典型金相组织见图2。

实施例4

按表4所示的化学成分进行钢板的制造，制造过程与实施例1相同。钢坯加热温度为1130℃；钢板厚度为3.0mm；终轧温度为820℃；第一阶段冷却速度为20℃/s，在680℃空冷(中间停留)3秒，第二阶段冷却速度为80℃/s，一直冷却至终冷温度230℃。力学性能：见表11。

表4实施例4钢板的化学成分

实施例5

按表5所示的化学成分进行钢板的制造，制造过程与实施例1相同。钢坯加热温度为1170℃；钢板厚度为6.0mm；终轧温度为880℃；第一阶段冷却速度为20℃/s，在650℃空冷(中间停留)3秒，第二阶段冷却速度为50℃/s，一直冷却至终冷温度350℃。力学性能：见表11。

表5实施例5钢板的化学成分

实施例6

按表6所示的化学成分进行钢板的制造，制造过程与实施例1相同。钢坯加热温度为1150℃；钢板厚度为4.0mm；终轧温度为820℃；第一阶段冷却速度为40℃/s， 在740℃空冷(中间停留)10秒，第二阶段冷却速度为70℃/s，一直冷却至终冷温度390℃。力学性能：见表11。

表6实施例6钢板的化学成分

实施例7

按表7所示的化学成分进行钢板的制造，制造过程与实施例1相同。钢坯加热温度为1150℃；钢板厚度为3.5mm；终轧温度为830℃；第一阶段冷却速度为21℃/s，在705℃空冷(中间停留)3秒，第二阶段冷却速度为80℃/s，一直冷却至终冷温度360℃。力学性能：见表11。

表7实施例7钢板的化学成分

实施例8

按表8所示的化学成分进行钢板的制造，制造过程与实施例1相同。钢坯加热温度为1150℃；钢板厚度为4.8mm；终轧温度为850℃；第一阶段冷却速度为24℃/s，在710℃空冷(中间停留)4秒，第二阶段冷却速度为60℃/s，一直冷却至终冷温度370℃。力学性能：见表11。

表8实施例8钢板的化学成分

实施例9

按表9所示的化学成分进行钢板的制造，制造过程与实施例1相同。钢坯加热温度为1170℃；钢板厚度为6.0mm；终轧温度为810℃；第一阶段冷却速度为35℃/s，在680℃空冷(中间停留)6秒，第二阶段冷却速度为70℃/s，一直冷却至终冷温度300℃。力学性能：见表11。

表9实施例9钢板的化学成分

实施例9钢板的典型金相组织见图3。

实施例10

按表10所示的化学成分进行钢板的制造，制造过程与实施例1相同。钢坯加热温度为1170℃；钢板厚度为3.0mm；终轧温度为850℃；第一阶段冷却速度为30℃/s，在700℃空冷(中间停留)4秒，第二阶段冷却速度为60℃/s，一直冷却至终冷温度350℃。力学性能：见表11。

表10实施例10钢板的化学成分

表11实施例1-10钢板的力学性能

由表11可见，实施例1-10钢板的纵向屈服强度均大于500MPa，抗拉强度大于1000MPa，延伸率A80大于等于11％，可达20％，纵横向的冷弯d＝4t均合格。是一种抗拉强度大于1000MPa级的热轧超高强度多相钢板。

Claims (5)

1.一种热轧多相钢板，其特征在于，包括以下组成元素：C：0.08％～0.25％，Si：0.5～2.0％，Mn：0.5～2.0％，Al：0.010～0.060％，N：≤0.010％，P：≤0.020％，S：≤0.005％，Ti：≤0.03％，Nb：≤0.03％，其余为铁和不可避免的杂质；所述钢板组织中含贝氏体和马氏体组织及少量铁素体，其中贝氏体和马氏体组织大于90％；所述钢板组织由终轧后以不低于20℃/s的冷速先冷却至650℃～750℃的温度停留2～10秒、再以不低于50℃/s的冷却速度冷却至230℃～450℃的冷却终止温度并卷取成钢卷的工艺制得。

2.如权利要求1所述的热轧多相钢板，其中，当硫含量≥0.003％时，组成元素还包括0.001％～0.005％的Ca。

3.权利要求1所述热轧多相钢板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)冶炼、铸造；

2)板坯再加热：加热温度为1130℃～1170℃；

3)轧制：在奥氏体可发生再结晶的温度范围内初轧热变形，在低于奥氏体发生再结晶但高于Ar3转变点的温度范围内，采用一个或多个道次，进行终轧；终轧温度为800℃～880℃；

4)冷却：第一阶段，以≥20℃/s的冷却速度先冷却至650℃～750℃；第二阶段，再以≥50℃/s的冷却速度冷却至230℃～450℃。

4.如权利要求3所述的制备方法，其中所述板坯再加热步骤中，保温时间按有效厚度1～1.5分钟/毫米计算。

5.如权利要求3所述的制备方法，其中所述冷却步骤中，第一阶段冷却与第二阶段冷却之间停留2～10秒。

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