CN103320701B - 一种铁素体贝氏体先进高强度钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁素体贝氏体先进高强度钢板，其主要成分以重量百分比计包括：C：0.05～0.10、Si：0.35～1.55、Mn：1.52～1.85、P：£0.015、S：£0.005、Al：0.015～0.040、N：£0.006，余量为铁和不可避免杂质。所述钢板制造方法为钢坯经1100～1200℃加热后在板带轧机或厚板轧机上进行多道次轧制，总压下率≥70%，终轧温度≥840℃；轧后进行分段冷却：第一段水冷速度50‑100℃/s快速冷却至650‑700℃，在该温度保持空冷时间3‑5s，第二段水冷速度大于等于30℃/s，终冷温度450‑550℃；终冷后的钢板空冷至室温。

Description

一种铁素体贝氏体先进高强度钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种先进高强度钢板，具体地说是涉及一种组织为铁素体和贝氏体的先进高强度钢板及其制造方法。该钢板具有较好的成形、扩孔、冷弯和低温冲击韧性，可用于汽车、工程机械等行业。

背景技术

先进高强度钢作为一种重要的钢铁材料，被广泛应用于汽车、工程机械等行业。随着我国汽车、工程机械等行业的飞速发展，以及各类军用及民用设备的复杂化、大型化及轻量化对该类钢提出了更高的要求，即用于制造这些设备的先进高强度钢板不但要求具有更高的硬度、强度，而且还要求良好的成形、扩孔、冷弯、低温冲击韧性等诸多性能。近几十年来，先进高强度钢板的开发与应用发展很快。这类钢是在低合金高强度可焊接钢的基础上发展起来的，其生产工艺相对低合金高强度钢而言更加复杂，一般采用轧后分段冷却或直接淬火加回火的方式生产。

传统板带轧机或厚板轧机在生产汽车、工程机械用先进高强度钢板时，多添加较多的Cu、Ni、Cr和Mo等贵重合金元素，成本较高。随着热轧或厚板轧机轧制及冷却技术装备的发展，分段冷却控制技术、超快冷和在线感应加热回火已成为可能。利用这些冷却控制技术及在线回火技术，可有效降低先进高强度钢中的贵重合金元素含量，对于一些热轧薄板而言，甚至无需添加贵重合金元素，仅需碳、硅、锰、铝即可实现钢板的各项组织、性能要求。目前先进高强度钢开始向低成本经济型和高性能方向发展。国内钢厂生产先进高强度钢所加的合金元素多为Nb、V、Ti等微合金元素。对于强度级别更高的汽车、工程机械等行业用高强度钢，还需要补充一定量的Cu、Ni、Cr、Mo等元素提高性能。值得一提的是，近几年中国在先进高强度钢领域的技术发展取得了长足进步，宝钢、鞍钢等热轧和中厚板厂均能够生产汽车、工程机械行业使用的先进高强度钢板。国内先进高强度钢成分设计总体采用低碳及Si-Mn-Cr-Mo-Nb-Ti-V组合方式，大多以控轧、直接淬火+离线回火或离线淬火+离线回火状态交货。

传统的汽车用热轧双相钢大多为铁素体马氏体组织，其强化相为马氏体组织。而采用铁素体贝氏体双相组织，其强化相贝氏体相对于马氏体而言，具有更好的翻边、扩孔、拉伸以及冲击韧性。所以，铁素体贝氏体双相钢可用于较厚的且成形性复杂的汽车及工程机械零部件，如车轮等等。

目前，国际上有关屈服强度在500MPa左右及以上的铁素体贝氏体先进高强度钢板的制造方法已经形成多项专利。经检索，相关的专利列于表1和表2。以下从冶金生产的合金设计、工艺控制和产品性能对相关专利进行详细的比较。

CN101643880、CN101603153A和CN101603150A均采用轧后的分段冷却获得铁素体贝氏体双相组织，成分主要以碳硅锰为主添加一定的Cr、Nb以及其它合金元素。其中CN101643880获得的抗拉强度仅为490MPa及以上。

CN101914723A是一种抗大应变管线输送用钢，也能获得类似铁素体贝氏体双相组织的低屈强比。但其添加的合金元素很多，且生产工艺复杂，轧后需空冷待温20-100s，大大降低了轧线的生产效率，且成分中添加的Nb含量较高。

WO9820180A1、US6190469B1是一种TRIP钢，组织中除了铁素体贝氏体外，还含有一定量的残余奥氏体。成分中添加了较多的贵重合金元素Cu、Ni，且该钢终轧温度较低，对轧机设备的要求较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁素体贝氏体先进高强度钢板及其制造方法，所述钢板的屈服强度大于等于500MPa。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种铁素体贝氏体先进高强度钢板，其主要成分以重量比计包括：C：0.05～0.10%、Si：0.35～1.55%、Mn：1.52～1.85%、P：£0.015%、S：£0.005%、Al：0.015～0.040%、N：£0.006%，余量为铁和不可避免杂质。

本发明所述钢板成分根据板厚和性能要求还可选择添加Nb：£0.025%、Ti：£0.02%、Cr：£0.30%中的一种或以上。

本发明所述铁素体贝氏体先进高强度钢板的制造方法，包括以下步骤：

（1）钢水经真空脱气处理后进行连铸或模铸，模铸后需经初轧成钢坯；

（2）连铸坯或钢坯经1100～1200℃加热后在板带轧机或厚板轧机上进行多道次轧制，总压下率≥70%，终轧温度≥840℃；

（3）轧后进行分段冷却：第一段水冷速度50-100℃/s快速冷却至650-700℃，在该温度保持空冷处理时间3-5s，第二段水冷速度大于等于30℃/s，终冷温度450-550℃；

（4）对于板厚大于6mm，成分中添加了Nb、Cr、Ti中的一种或以上的钢板可在快速感应加热炉中进行615℃短时间15-30s回火；

（5）终冷后的钢板或回火后的钢板空冷至室温。

所述步骤3第二段水冷速度30-70℃/s。

所述步骤2终轧温度840-870℃。

所述钢板的屈服强度大于等于500MPa。

所述钢板的组织为铁素体和贝氏体双相组织。

下面对本发明铁素体贝氏体先进高强度钢板的主要化学成分作用及制造工艺过程对本发明产品的影响作详细叙述。

主要化学成分作用：

碳：确保钢板组织和强度的关键元素。对于要获得组织为铁素体贝氏体双相钢板而言，碳是最重要的元素，其可以决定先共析铁素体的析出。碳含量的提高不利于铁素体的析出；同时碳含量不能太低，一定厚度的钢板为了保证强度级别需要一定含量的碳。所以如果钢板既要获得高强度，又要具备一定量的铁素体，那么碳含量必须综合考虑。对于本发明的屈服强度500MPa强度级别铁素体贝氏体双相钢板而言，碳含量0.05-0.10%是合适的。

硅：硅促进铁素体的析出，对于获得铁素体和贝氏体双相而言，硅的含量比较重要。但硅含量不宜太高，过高的硅含量会使钢板加热时的氧化皮粘度较大，出炉后除鳞困难，导致轧后钢板表面红色氧化皮严重，表面质量较差。且高硅不利于焊接性能。综合考虑硅各方面的影响，本发明硅含量为0.35-1.55%。

锰：锰稳定奥氏体组织，其能力仅次于合金元素镍，是廉价的稳定奥氏体与强化合金元素，同时锰增加钢的淬透性，降低贝氏体和马氏体形成的临界冷速。能有效降低轧后分段冷却中第一段水冷的冷却速度，利于得到贝氏体或者马氏体组织。但锰具有较高的偏析倾向，所以其含量不能太高，一般低碳微合金钢中锰含量不超过2.0%。锰的加入量主要取决于钢的强度级别。本发明锰的含量应控制在1.52～1.85%。锰在钢中还和铝一起共同起到脱氧的作用。

硫和磷：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，因此硫的含量应尽可能地低。磷也是钢中的有害元素，严重损害钢板的塑性和韧性。对于本发明而言，硫和磷均是不可避免的杂质元素，应该越低越好，考虑到钢厂实际的炼钢水平，本发明要求P：£0.015%、S：£0.005%。

铝：强脱氧元素。为了保证钢中的氧含量尽量地低，铝的含量控制在0.015～0.040%。脱氧后多余的铝和钢中的氮元素能形成AlN析出物，提高强度并且在热处理加热时能细化钢的元素奥氏体晶粒度。

钛：钛是强碳化物形成元素，钢中加入微量的Ti有利于固定钢中的N，形成的TiN能使钢坯加热时奥氏体晶粒不过分涨大，细化原始奥氏体晶粒度。钛在钢中还可分别与碳和硫化合生成TiC、TiS、Ti₄C₂S₂等，它们以夹杂物和第二相粒子的形式存在。钛的这些碳氮化物析出物在焊接时还可阻止热影响区晶粒长大，改善焊接性能。目前，微钛处理已成为大部分低合金高强度钢的常规工艺。本发明可添加不大于0.02%的钛。

铬：铬提高钢的淬透性，促进贝氏体或马氏体的形成。铬在奥氏体中溶解度很大，稳定奥氏体，快速冷却后在贝氏体或者马氏体中大量固溶，并在空冷过程中会部分析出碳化物，提高钢的强度。为了保持钢的强度级别，铬可以部分代替锰，减弱高锰的偏析倾向。根据板厚，本发明可适当添加不大于0.30%的铬。

铌：能显著提高钢的再结晶温度和细化晶粒。热轧过程中铌的碳化物应变诱导析出能阻碍形变奥氏体的回复和再结晶，经控轧和控冷后的形变奥氏体组织得到细小的相变产物。本发明中为了得到低屈强比的铁素体贝氏体组织，>6mm厚板保证强度级别，可添加不大于0.025%的铌，较高的铌含量不利于低的屈强比的获得。

氮：氮作为钢中的残余气体元素，小于等于0.006%是钢厂钢水冶炼很容易达到的水平。本发明不要求添加氮作为合金元素。

制造工艺过程对本发明产品的影响：

转炉吹炼和真空处理：目的是确保钢液的基本成分要求，去除钢中的氧、氢等有害气体，并加入锰、钛等必要的合金元素，进行合金元素的调整。

连铸或模铸：保证铸坯内部成分均匀和表面质量良好，模铸的钢锭需轧制成钢坯。

加热和轧制：连铸坯或钢坯在1100～1200℃的温度下加热，一方面获得均匀的奥氏体化组织，另一方面使铝、钛、铬、铌等合金元素的化合物部分或全部溶解。在奥氏体再结晶和未再结晶温度范围内经多道次轧制成钢板，总压下率不低于70%，终轧温度≥840℃，终轧温度840-870℃；轧后进行分段冷却：第一段水冷速度50-100℃/s快速冷却至650-700℃，接着中间空冷处理时间3-5s，第二段水冷速度要求大于30℃/s，水冷速度为30-70℃/s，终冷温度450-550℃。对于板厚大于6mm，成分中添加了Nb、Cr、Ti中的一种或以上的钢板可在快速感应加热炉中进行615℃短时间15-30s回火；回火有助于消除快速冷却时产生的内应力以及消除贝氏体板条内或之间的微裂纹，弥散析出部分碳化物强化，提高强塑型、韧性和成形性能。终冷后的钢板或回火后的钢板空冷至室温即可。

本发明通过合适的成分设计、加热、控制轧制、轧后分段冷却工艺（部分厚度钢板可附加短时间回火），使钢板实现细晶强化、相变强化、析出强化，提高了钢板的强度、硬度和成形性能，组织呈现为铁素体+贝氏体。2～20mm厚钢板屈服强度³500MPa，延伸率³20%。2～6mm钢板成形、扩孔性能优良；>6-20mm钢板冷弯、冲击性能优良。满足了汽车、工程机械等行业对先进高强度高韧性钢板的较高要求。

本发明针对屈服强度500MPa级别，采用了较廉价的合金元素Si、Mn和少量的Cr、Nb、Ti（仅针对厚度6mm以上钢板），与现有相关专利相比，本发明具备明显的成本优势和更高的强度级别。

采用上述成分设计和工艺控制方法制造的铁素体贝氏体双相钢板，用于汽车、工程机械等形状复杂的零部件，由于钢板具备较高的强度、塑型和成形性能，优良的冷弯性能，用户加工成型方便。

附图说明

图1是实施例2的4mm厚钢板的典型金相组织照片。

图2是实施例4的12mm厚钢板的典型金相组织照片。

图3是实施例5的20mm厚钢板的典型金相组织照片。

具体实施方式

以下用实施例对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。

实施例的钢板化学成分及碳当量见表3，工艺参数见表4，实施例中所得钢板的性能和组织见表5。

实施例1将按表3配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸或模铸，板坯厚度100mm，所得坯料于1200℃加热后，在奥氏体再结晶和未再结晶温度范围内经多道次轧制，轧制成厚度为2mm的钢板，总压下率98%，终轧温度为840℃，然后以100℃/s水冷至650℃空冷4秒，再以70℃/s水冷至450℃空冷至室温，不回火。

实施例2-5的详细成分和工艺参数见表3和表4，其实施过程与实施例1相类似，在实施例4和5中需进行回火处理，所有实施例所得钢板性能见表5。本发明实施例的部分钢板金相组织如图1、图2和图3所示。

表3 本发明实施例1-5的化学成分、Ceq（wt%）

* Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/14

表4 本发明实施例1-5的加热、轧制、冷却、回火相关工艺参数及钢板厚度

试验例1：钢板的力学性能

按照GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法、GB 2106-1980金属夏比V型缺口冲击试验方法、GB/T 24524-2009金属材料扩孔试验方法测定本发明实施例1-5钢板的屈服强度、抗拉强度、延伸率、2-6mm板的扩孔率、>6-20mm的-60℃冲击韧性、冷弯等力学性能，其结果见表5。按照GB/T 232-2010金属材料弯曲试验方法，对本发明实施例1-5钢板进行横向冷弯d=2a,180°试验，其结果见表5。

表5 本发明钢板的力学性能和组织

试验例2：金相组织

利用光学显微镜测定本发明实施例钢板的金相组织，其结果见表5，均为铁素体+贝氏体。

图1是本发明实施例2钢板的金相组织照片。

图2是本发明实施例4钢板的金相组织照片。

图3是本发明实施例5钢板的金相组织照片。

其他实施例也能得到类似的金相组织照片。

从图中可见，本发明钢板的组织为铁素体+贝氏体。

从以上实施例可以看出，采用上述的成分和工艺参数进行加工，2～20mm厚成品钢板的屈服强度³500MPa，延伸率A₅₀³20%。2～6mm钢板成形、扩孔性能优良；>6-20mm钢板冷弯、冲击性能优良，组织呈现为铁素体+贝氏体。钢板满足了汽车及工程机械等行业形状复杂零件的加工要求，具有广的应用价值和市场前景。

Claims (3)

1.一种铁素体贝氏体先进高强度钢板的制造方法，其特征是：所述钢板的主要成分以重量比计包括：C：0.05～0.10％、Si：0.35～1.55％、Mn：1.52～1.85％、P：≤0.015％、S：≤0.005％、Al：0.015～0.040％、N：≤0.006％，还有Nb：≤0.025％、Ti：≤0.02％、Cr：≤0.30％中的一种或以上，余量为铁和不可避免杂质；

所述钢板的制造方法包括以下步骤：

(1)钢水经真空脱气处理后进行连铸或模铸，模铸后需经初轧成钢坯；

(2)连铸坯或钢坯经1100～1200℃加热后在板带轧机或厚板轧机上进行多道次轧制，总压下率≥70％，终轧温度≥840℃，板厚大于6mm；

(3)轧后进行分段冷却：第一段水冷速度50-60℃/s快速冷却至650-700℃，在该温度保持空冷处理时间3-5s，第二段水冷速度大于等于30℃/s，终冷温度495-550℃；

(4)在快速感应加热炉中进行615℃短时间15-30s回火；

(5)回火后的钢板空冷至室温。

2.根据权利要求1所述的铁素体贝氏体先进高强度钢板的制造方法，其特征是：所述步骤(3)第二段水冷速度30-50℃/s。

3.根据权利要求1所述的铁素体贝氏体先进高强度钢板的制造方法，其特征是：所述步骤(2)终轧温度840-870℃。