CN102181790B - 抗拉强度1300MPa级汽车安全件用钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及抗拉强度1300MPa级汽车安全件用钢及其生产方法。其组分及重量百分比：C：0.12～0.22％，Si：0.10～0.40％，Mn：1.00～1.60％，Cr：0.10～0.45％，Ti：0.01～0.10％，B：0.0005～0.005％，Als：0.01～0.06％，P：≤0.025％，S：≤0.010％，N：≤0.008％；步骤：转炉冶炼；合金化；真空处理及成分微调；连铸；将铸坯加热到1220～1280℃；粗轧；精扎；层流冷却；卷取；酸洗；冷轧；退火；平整；精整；剪切；在氮气保护气氛下加热奥氏体化；模具成型；淬火；回火；取出构件，待用。本发明具有超高强度，满足汽车工业对车身安全件强度和刚度的要求，能完成复杂变形且无回弹，零件尺寸精度高，并能够在普通的大生产设备上完成工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及汽车用钢及其生产方法，具体属于抗拉强度1300MPa级汽车安全件用钢及其生产方法。
背景技术
随着汽车工业向着节能、环保、安全方向发展，普通高强钢已不能完全满足汽车生产的需要，因此，近年来超高强度钢的开发和应用成为钢铁业和汽车工业关注的焦点。试验证明，采用超高强度钢可使汽车轻量化的同时降低汽车摩擦噪音、降低排放、提高车身的质量。
但是，随着钢板强度不断提高，其延伸率明显下降、成形性能也大大降低，成形过程中易产生开裂和回弹，严重影响零件的形状和尺寸精度。目前，汽车厂只能冲压成形800MPa级左右的高强钢，且存在较大的回弹及零件尺寸达不到要求等问题，对于1300MPa以上的超高强度钢根本无法成形。另外，随着强度的提高，对钢铁企业生产设备的要求也越来越高，特别对于冷轧产品，目前国内外能生产1300MPa级以上超高强度钢的冷轧生产设备基本没有。因此，为满足汽车工业发展的需要，新开发了一种冷轧退火态具有较低的强度便于工业生产，通过特殊的热成形工艺后得到1300MPa以上超高强度的新型汽车用钢。该产品的成功开发和应用既可解决超高强度钢无法成形的问题，又可以满足汽车工业对车身安全件强度和刚度的要求。同时可使零件的厚度减少30％以上，从而实现轻量化目标，降低能耗和排放。
在车身设计上既要轻量化又要提高碰撞安全性的一个重要手段就是采用高强度轻量化材料。目前乘用车达到欧洲碰撞4星和5星级水平的车型，在一些安全件中都采用了抗拉强度1300MPa以上的超高强度钢。但是，如果采用冷成形的超高强度钢就需要2500吨甚至更大吨位的压力机才能勉强成形，但成形后的零件尺寸精度差，回弹严重，达不到车身装配的要求；采用超高强度热成形钢只需800吨或更小吨位的压力机即可完成冲压成形，成形后的零件尺寸精度高，无回弹。
国内目前只有很少的几个钢厂和研究院所开展此类产品的研究工作，更多的是开展冷成形超高强度钢的研究，没有关于抗拉强度1300MPa级热成形钢的文献报道。
[文献9]申请号为200810112022.1的中国专利“一种超高强度热成型马氏体钢”，其化学成分组成(重量％)为：C：0.40%～0.60%，Si：0.50%～2.30%，Mn≤0.25%，Cr：0.50%～1.50%，Ni：0.80%～3.00%，Mo：0.15%～0.40%，P≤0.015%，S≤0.005%，[O]≤0.003%，[N]：0.002%～0.015%，余为Fe及不可避免的不纯物。另外，还添加Nb：0.02%～0.10%，V：0.02～0.15%中的任一种或两种。该钢是在实验室条件下采用了大量的合金设计，抗拉强度在1900～2500MPa。
[文献11]申请号为JP022859861的日本专利“一种生产具有高强度、韧性、延展性的马氏体钢”，该热成形马氏体钢含有化学成分（重量%）为：C>0.005％，Si>0.2％，Mn>0.2％，P>0.05％，S>0.05％，10.0~21.0%的Ni，5.0~15.0%的Co，3.0~12.0%的Mo，0.2~1.6%的Ti，Al>0.30%，剩余为Fe。该钢加入大量合金，且需要进行多次热处理。
而现有的1300MPa级超高强度冷成形马氏体钢，其存在的不足：成形难度大，成形后回弹严重，零件尺寸精度差，合格率低，不能满足用户要求；另外，对工业生产设备要求较高，现有的生产设备无法完成工业生产，必须采用专业的高强钢生产线才能完成工业生产，并且在后期汽车厂的落料过程中必须采用大吨位的落料设备才能完成。
发明内容
本发明的目的在于克服目前不足，提供一种屈服强度Rp0.2：950～1250MPa，抗拉强度Rm≥1300MPa，延伸率A80mm≥4.5％，能完成复杂变形且无回弹，零件尺寸精度高，中间工序强度低，易加工成型的抗拉强度1300MPa级汽车安全件用钢及其生产方法。
实现上述目的的技术措施：
抗拉强度1300MPa级的汽车安全件用钢，其组分及重量百分比为：C：0.12～0.22%，Si：0.10～0.40%，Mn：1.00～1.60%，Cr：0.10～0.45%，Ti：0.01～0.10%，B：0.0005～0.005%，Als：0.01～0.06%，P：≤0.025%，S：≤0.010%，N：≤0.008%，其余为Fe及不可避免的杂质；屈服强度Rp0.2在：950～1250MPa，抗拉强度Rm≥1300MPa，延伸率A80mm≥4.5％；生产方法：
1）铁水脱硫并进行转炉冶炼，控制冶炼终点的C：0.04～0.06%，P：≤0.008%，S：≤0.003%，N：≤0.005%，O：≤0.005%；
2）进行合金化；
3）进行真空处理及成分微调；
4）进行连铸；
5）将铸坯加热到1220～1280℃；
6）进行粗轧，控制粗轧出口温度在1070～1130℃；
7）进行精轧，控制精轧的终轧温度在870～920℃；
8）进行层流冷却，控制冷却速度在8～20℃/秒；
9）进行卷取，卷取温度控制在640～700℃；
10）进行酸洗；
11）进行冷轧，总压下率在60～72%；
12）进行退火，退火温度控制为710～820℃，控制温降速度在6～15℃/秒；
13）进行平整，控制平整延伸率在1.0～1.4%，控制抗拉强度小于700MPa；
14）进行精整；
15）进行剪切；
16）在氮气或氮气与氢气混合气的保护气氛下加热奥氏体化，加热温度为850～950℃，控制保温时间在3～8分钟；氮气与氢气混合气中氮气重量浓度在95～99.5%；
17）进行模具成型，控制钢板出炉至置入模具时间不超过5秒；
18）进行淬火，控制其冷却速度在25～60℃/秒；
19）进行回火，温度控制在180～220℃并保持至少10秒钟；
20）取出构件，待用。
其特征在于：C：0.15～0.20%。
其特征在于：Cr：0.16～0.22%。
其特征在于：Ti：0.015～0.045%。
其特征在于：B：0.002～0.0035%。
生产抗拉强度1300MPa级的汽车安全件用钢的方法，其步骤：
1）铁水脱硫并进行转炉冶炼，控制冶炼终点的C：0.04～0.06%，P：≤0.008%，S：≤0.003%，N：≤0.005%，O：≤0.005%；
2）进行合金化；
3）进行真空处理及成分微调；
4）进行连铸；
5）将铸坯加热到1220～1280℃；
6）进行粗轧，控制粗轧出口温度在1070～1130℃；
7）进行精轧，控制精轧的终轧温度在870～920℃；
8）进行层流冷却，控制冷却速度在8～20℃/秒；
9）进行卷取，卷取温度控制在640～700℃；
10）进行酸洗；
11）进行冷轧，总压下率在60～72%；
12）进行退火，退火温度控制为710～820℃，控制温降速度在6～15℃/秒；
13）进行平整，控制平整延伸率在1.0～1.4%，控制抗拉强度小于700MPa；
14）进行精整；
15）进行剪切；
16）在氮气或氮气与氢气混合气的保护气氛下加热奥氏体化，加热温度为850～950℃，控制保温时间在3～8分钟；氮气与氢气混合气中氮气重量浓度在95～99.5%；
17）进行模具成型，控制钢板出炉至置入模具时间不超过5秒；
18）进行淬火，控制其冷却速度在25～60℃/秒；
19）进行回火，温度控制在180～220℃并保持至少10秒钟；
20）取出构件，待用。
各合金元素的作用及机理
C：C是廉价的固溶强化元素，对超高强度的获得起决定作用，含量愈高，热轧后钢中珠光体或贝氏体、马氏体含量愈高，强度愈高，同时变形抗力增大，塑性降低，进行冷加工困难。所以在保证热处理强化的前提下，碳含量不易过高。故将其含量限定在0.12～0.22%范围。
Si：Si有较强的固溶强化效果，可提高钢的强度，同时能提高钢的疲劳极限，但其在一定程度上降低钢的韧性和塑性。其含量过高时，使钢的冷脆转变温度和时效敏感性提高，恶化冷加工性能。另外硅能提高钢的淬透性，有减少奥氏体向马氏体转变时体积变化的作用；可有效的防止淬火裂纹的产生；在回火时能阻碍碳的扩散，延缓马氏体分解及碳化物聚集长大的速度，使钢在回火时硬度下降较慢，显著提高钢的回火稳定性及强度。所以，将其含量限定在0.10～0.40%范围。
Mn： Mn起固溶强化作用，同时能清除钢中的FeO，显著改善钢的质量。还能与硫化物生成高熔点的MnS，在热加工时，MnS有足够的塑性，使钢不产生热脆现象，减轻硫的有害作用，提高钢的热加工性能。锰能降低相变驱动力，使“C”曲线右移，提高钢的淬透性，扩大γ相区，另它可降低钢的Ms点，故可保证在合适的冷却速度下得到马氏体。所以，将其含量限定在1.00～1.60%范围。
Cr：Cr能降低相变驱动力，也降低相变时碳化物的形核长大，所以提高钢的淬透性。另外，铬能提高钢的回火稳定性。更主要的是Cr能使“C”曲线右移，使试验钢在较大的冷却速度范围内冷却均可得到全马氏体组织，而无珠光体和贝氏体产生。当其含量低于0.10%时，上述效果不明显；当其含量高于0.45%时，会使钢的塑性和韧性降低，所以，将其含量限定在0.10～0.45%范围。
B：B是强烈提高淬透性元素，钢中加入微量的硼元素能显著提高钢的淬透性。但是其含量低于0.0005％，或者高于0.0050％，对提高淬透性的作用不明显。所以，将其含量限定在0.0005～0.005%范围。另外，Cr和B同时加入钢中后，可使钢在较大的冷却速度范围内得到全马氏体组织，且可阻碍奥氏体晶粒长大，从而使钢获得细的板条马氏体，从而实现超高强度的目的。
Ti：Ti是强氮化物形成元素，钢中加入Ti的目的是固定钢中的N元素，从而避免N与B元素结合而削弱B在钢中的作用，但是过量的Ti会与C结合从而降低试验钢淬火后的强度。另外，钛固溶于奥氏体中对钢的淬透性有一定的贡献。所以，将其含量限定在0.010～0.100%范围。
Al：Al在钢中起脱氧作用，应保证钢中有一定量的酸溶铝，否则不能发挥其效果，但过多的铝也会使钢中产生铝系夹杂，且不利于钢的冶炼和浇铸。同时钢中加入适量的铝可以消除钢中氮、氧原子对性能的不利影响。故将其含量限定在0.010～0.060％范围。
P：P是钢中的有害元素，易引起铸坯中心偏析。在随后的热连轧加热过程中易偏聚到晶界，使钢的脆性显著增大。同时基于成本考虑且不影响钢的性能，将其含量控制在0.025%以下。
S：S是非常有害的元素。钢中的硫常以锰的硫化物形态存在，这种硫化物夹杂会恶化钢的韧性，并造成性能的各向异性，因此，需将钢中硫含量控制得越低越好。基于对制造成本的考虑，将钢中硫含量控制在0.010%以下。
N：N在加钛的钢中可与钛结合形成氮化钛，这种在高温下析出的第二相有利于强化基体，并提高钢板的焊接性能。但是氮含量高于0.008％，氮与钛的溶度积较高，在高温时钢中就会形成颗粒粗大的氮化钛，严重损害钢的塑性和韧性；另外，较高的氮含量会使稳定氮元素所需的微合金化元素含量增加，从而增加成本。故将其含量控制在0.008％以下。
本发明与现有的1300MPa级超高强度冷成形马氏体钢相比，既具有超高强度，满足汽车工业对车身安全件强度和刚度的要求，又能完成复杂变形，且无回弹，零件尺寸精度高，并且能够在普通的大生产设备上完成工业生产。
附图说明
附图为本发明的金相组织为全马氏体组织的图。
具体实施方式
下面进行详尽描述：
表1为各实施例的组分及重量百分比取值；
表2为按照以下生产步骤所选的主要工艺参数；
生产抗拉强度1300MPa级的汽车安全件用钢的方法，其步骤：
1）铁水脱硫并进行转炉冶炼，控制冶炼终点的C：0.04～0.06%，P：≤0.008%，S：≤0.003%，N：≤0.005%，O：≤0.005%；
2）进行合金化；
3）进行真空处理及成分微调；
4）进行连铸；
5）将铸坯加热到1220～1280℃；
6）进行粗轧，控制粗轧出口温度在1070～1130℃；
7）进行精轧，控制精轧的终轧温度在870～920℃；
8）进行层流冷却，控制冷却速度在8～20℃/秒；
9）进行卷取，卷取温度控制在640～700℃；
10）进行酸洗；
11）进行冷轧，总压下率在60～72%；
12）进行退火，退火温度控制为710～820℃，控制温降速度在6～15℃/秒；
13）进行平整，控制平整延伸率在1.0～1.4%，控制抗拉强度小于700MPa；
14）进行精整；
15）进行剪切；
16）在氮气或氮气与氢气混合气的保护气氛下加热奥氏体化，加热温度为850～950℃，控制保温时间在3～8分钟；氮气与氢气混合气中氮气重量浓度在95～99.5%；
17）进行模具成型，控制钢板出炉至置入模具时间不超过5秒；
18）进行淬火，控制其冷却速度在25～60℃/秒；
19）进行回火，温度控制在180～220℃并保持至少10秒钟；
20）取出构件，待用。
表3为各实施例对应的力学性能检测值。
表1 本发明钢的化学成分（wt.%）
| 成分 | C | Si | Mn | P | S | Als | Cr | Ti | B | N | Ni |
| 1 | 0.22 | 0.10 | 1.21 | 0.012 | 0.004 | 0.030 | 0.15 | 0.010 | 0.003 | 0.001 | |
| 2 | 0.21 | 0.15 | 1.32 | 0.013 | 0.005 | 0.026 | 0.10 | 0.024 | 0.003 | 0.002 | |
| 3 | 0.12 | 0.40 | 1.60 | 0.006 | 0.004 | 0.036 | 0.27 | 0.055 | 0.0035 | 0.004 | |
| 4 | 0.19 | 0.27 | 1.00 | 0.006 | 0.004 | 0.060 | 0.20 | 0.067 | 0.0005 | 0.004 | |
| 5 | 0.17 | 0.24 | 1.30 | 0.006 | 0.003 | 0.010 | 0.35 | 0.049 | 0.002 | 0.004 | |
| 6 | 0.15 | 0.25 | 1.45 | 0.005 | 0.007 | 0.046 | 0.45 | 0.10 | 0.005 | 0.002 | |
| 对比例1 | 0.19 | 0.55 | 1.61 | 0.003 | 0.006 | 0.040 | 0.02 | 0.003 | 0.006 | 0.05 | |
| 对比例2 | 0.18 | 0.57 | 1.45 | 0.006 | 0.002 | 0.040 | 0.01 | 0.003 | 0.003 | 0.04 |
表2各实施例的对应主要工艺参数
表3各实施例的对应力学性能
从表3可知，产品都能满足汽车工业对超高强度的要求，且易成形。因为当钢板加热到850～950℃奥氏体化之后，抗拉强度只有90~160MPa，此时钢板极易完成复杂变形，在成形过程及成形后在模具内快速冷却就得到1300MPa以上的超高强度。但对于对比例，其在冷轧退火态具有1400MPa的强度，此时进行冷冲压成形极其困难，即使能勉强成形，其成形后的回弹较为严重，零件尺寸达不到要求；但将对比例采用本发明同样的办法成形后，如表3所示，其抗拉强度只有1130~1150MPa，达不到1300MPa以上的强度要求。
Claims (6)
1.抗拉强度1300MPa级的汽车安全件用钢，其组分及重量百分比为：C：0.12～0.22%，Si：0.10～0.40%，Mn：1.00～1.60%，Cr：0.10～0.45%，Ti：0.01～0.10%，B：0.0005～0.005%，Als：0.01～0.06%，P：≤0.025%，S：≤0.010%，N：≤0.008%，其余为Fe及不可避免的杂质；屈服强度Rp0.2在：950～1250MPa，抗拉强度Rm≥1300MPa，延伸率A80mm≥4.5％；生产方法：
1）铁水脱硫并进行转炉冶炼，控制冶炼终点的C：0.04～0.06%，P：≤0.008%，S：≤0.003%，N：≤0.005%，O：≤0.005%；
2）进行合金化；
3）进行真空处理及成分微调；
4）进行连铸；
5）将铸坯加热到1220～1280℃；
6）进行粗轧，控制粗轧出口温度在1070～1130℃；
7）进行精轧，控制精轧的终轧温度在870～920℃；
8）进行层流冷却，控制冷却速度在8～20℃/秒；
9）进行卷取，卷取温度控制在640～700℃；
10）进行酸洗；
11）进行冷轧，总压下率在60～72%；
12）进行退火，退火温度控制为710～820℃，控制温降速度在6～15℃/秒；
13）进行平整，控制平整延伸率在1.0～1.4%，控制抗拉强度小于700MPa；
14）进行精整；
15）进行剪切；
16）在氮气或氮气与氢气混合气的保护气氛下加热奥氏体化，加热温度为850～950℃，控制保温时间在3～8分钟；氮气与氢气混合气中氮气重量浓度在95～99.5%；
17）进行模具成型，控制钢板出炉至置入模具时间不超过5秒；
18）进行淬火，控制其冷却速度在25～60℃/秒；
19）进行回火，温度控制在180～220℃并保持至少10秒钟；
20）取出构件，待用。
2.如权利要求1所述的抗拉强度1300MPa级的汽车安全件用钢，其特征在于：C：0.15～0.20%。
3.如权利要求1所述的抗拉强度1300MPa级的汽车安全件用钢，其特征在于：Cr：0.16～0.22%。
4.如权利要求1所述的抗拉强度1300MPa级的汽车安全件用钢，其特征在于：Ti：0.015～0.045%。
5.如权利要求1所述的抗拉强度1300MPa级的汽车安全件用钢，其特征在于：B：0.002～0.0035%。
6.生产权利要求1所述的抗拉强度1300MPa级的汽车安全件用钢的方法，其步骤：
1）铁水脱硫并进行转炉冶炼，控制冶炼终点的C：0.04～0.06%，P：≤0.008%，S：≤0.003%，N：≤0.005%，O：≤0.005%；
2）进行合金化；
3）进行真空处理及成分微调；
4）进行连铸；
5）将铸坯加热到1220～1280℃；
6）进行粗轧，控制粗轧出口温度在1070～1130℃；
7）进行精轧，控制精轧的终轧温度在870～920℃；
8）进行层流冷却，控制冷却速度在8～20℃/秒；
9）进行卷取，卷取温度控制在640～700℃；
10）进行酸洗；
11）进行冷轧，总压下率在60～72%；
12）进行退火，退火温度控制为710～820℃，控制温降速度在6～15℃/秒；
13）进行平整，控制平整延伸率在1.0～1.4%，控制抗拉强度小于700MPa；
14）进行精整；
15）进行剪切；
16）在氮气或氮气与氢气混合气的保护气氛下加热奥氏体化，加热温度为850～950℃，控制保温时间在3～8分钟；氮气与氢气混合气中氮气重量浓度在95～99.5%；
17）进行模具成型，控制钢板出炉至置入模具时间不超过5秒；
18）进行淬火，控制其冷却速度在25～60℃/秒；
19）进行回火，温度控制在180～220℃并保持至少10秒钟；
20）取出构件，待用。
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