CN103534372B - 耐撞性优良的热硬化钢及使用其制造热硬化部件的方法 - Google Patents

耐撞性优良的热硬化钢及使用其制造热硬化部件的方法 Download PDF

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Abstract

公开了耐撞性优良的热硬化钢及使用其制造热硬化部件的方法。根据本发明的热硬化钢以重量百分比计包含C：0.12～0.8%；Cr：0.01～2%；Mo：0.2%以下；B：0.0005～0.08%；Ca：0.01以下；Sb：1.0%以下；以及Ti和/或Nb：0.2%；以及其余为Fe和不可避免的杂质。此外，所述热硬化钢满足以下条件i）至iv）中任一种；其中，条件i）包含Si：0.5～3%；Mn：1～10%；和Al：0.05～2%；条件ii）包含Si：1%以下；Mn：0.5～5%；Al：0.1～2.5%；和Ni：0.01～8%；条件iii）包含Si：0.5～3%；Mn：1～10%；Al：0.1%以下；和Ni：0.01～8%；以及条件iv）包含Si：0.5～3%；Mn：1～10%；Al：0.1～2.5%；和Ni：0.01～8%。

Description

耐撞性优良的热硬化钢及使用其制造热硬化部件的方法
技术领域
本发明涉及一种使用热处理硬化钢来制造高强度构件的技术，更具体地，本发明涉及一种热处理之后具有高强度和耐撞性的热处理硬化钢以及使用其来制造热处理硬化构件的方法。
背景技术
近来，为改善燃料效率已经开发了重量轻且高强度的汽车构件。
近来，随着制造汽车构件技术的发展，已开发了热冲压。热冲压是一旦拉伸强度约500MPa的材料被加热至约900℃形成所需的形状，就通过淬火以形成马氏体微观结构来制造高强度构件的工艺。热冲压可用于生产拉伸强度为1000MPa以上的高强度构件。
用于热冲压的钢以重量百分比（wt%）计包含C：0.23%；Si：0.24%；Mn：1.2%；Cr：0.18%；Mo：0.0025%；Al：0.03%；Ti：0.035%；B：0.002%，以及余量的Fe和不可避免的杂质。
取决于工艺条件，具有上述组成的钢可表现出490MPa至590MPa的拉伸强度，20%至30%的伸长率。当上述钢被加热到约900℃时，该钢可表现出100MPa至200MPa的拉伸强度和50%至60%的伸长率，从而易于成形。然后，当该钢在模具中成形和淬火时，形成的钢具有接近于全马氏体的微观结构，从而成品构件具有约1470MPa的超高拉伸强度。制备的构件可具有超高强度，因此不需要单独的增强材料来增加强度。
因此，通过取消诸如增强材料等组分，热冲压有利于减轻重量且降低焊缝数量，从而在降低制造成本的同时，提高生产率。
然而，通过该工艺制造的构件具有如下缺点，由于有利于确保高强度的接近于全马氏体的微观结构，这样的构件具有6%至7%的低伸长率。
当对上述构件施加外部撞击时，由于对撞击的不充分吸收，此低伸长率导致构件的脆性断裂。
发明内容
技术问题
本发明的一个方面是提供一种通过在热处理之后调整合金组分而表现出高的延展性和韧性及高强度，从而改善耐撞性的热处理硬化钢。
本发明的另一方面是提供一种使用上述热处理硬化钢来制造热处理硬化构件的方法。
技术方案
根据本发明的一个方面，热处理硬化钢以重量百分比（wt%）计包含C：0.12～0.8%；Cr：0.01～2%；Mo：0.2%以下；B：0.0005～0.08%；Ca：0.01以下；Sb：1.0%以下；Ti和Nb中至少一种：0.2%以下；满足以下组成i）至iv）中任一种的各组分；余量的Fe和不可避免的杂质。
以wt%计，
i）Si：0.5～3%；Mn：1～10%；和Al：0.05～2%；
ii）Si：1%以下；Mn：0.5～5%；Al：0.1～2.5%；和Ni：0.01～8%；
iii）Si：0.5～3%；Mn：1～10%；Al：0.1%以下；和Ni：0.01～8%；
iv）Si：0.5～3%；Mn：1～10%；Al：0.1～2.5%；和Ni：0.01～8%
该钢在其表面上可具有选自Al-Si镀层、镀锌层及高温耐氧化涂层之中的层。
根据本发明的另一方面，制造热处理硬化构件的方法包括：（a）制备由上述热处理硬化钢形成的坯料；（b）加热所述坯料；（c）在模具中使该加热的坯料热成形和淬火；以及（d）对在（c）热成形和淬火中形成的成形体进行后处理。
根据本发明的又一方面，制造热处理硬化构件的方法包括：（a）制备由上述热处理硬化钢形成的坯料；（a’）通过冷加工使所述坯料进行初次成形；（b）加热在（a’）进行初次成形中形成的初次成形体；（c）在模具中使加热的初次成形体进行二次成形和淬火；以及（d）对在（c）进行二次成形和淬火中形成的二次成形体进行后处理。
有益效果
根据本发明的热处理硬化钢可通过热冲压来提供高强度、高韧性和高延展性的构件，该构件具有1000MPa以上的拉伸强度、800MPa以上的屈服强度、10%以上的伸长率。因此，通过根据本发明的方法制造的构件由于高强度和优异的撞击吸收能力而可表现出改善的耐撞性。
附图说明
图1是根据本发明的一种实施方式的用于制造热处理硬化构件的方法的示意性流程图。
图2是根据本发明的另一种实施方式的用于制造热处理硬化构件的方法的示意性流程图。
图3示出在比较例1中制备的试样的微观结构。
图4示出在实施例1中制备的试样的微观结构。
具体实施方式
从结合附图的以下实施方式的详细描述中，本发明的上述和其他方面、特征及优点将变得清晰。
应当明白本发明并不限于以下实施方式，而可以以不同的方式来实施，并且还应当明白提供这些实施方式是为了充分公开并使本领域技术人员完全理解本发明。本发明的范围将仅由权利要求来限定。
在下文中将详细描述根据本发明的耐撞性优良的热处理硬化钢和使用该热处理硬化钢来制造热处理硬化构件的方法。
热处理硬化钢
根据本发明的热处理硬化钢以wt%计包含C：0.12～0.8%；Cr：0.01～2%；Mo：0.2%以下；Ti和Nb中至少一种：0.2%以下；B：0.0005～0.08%；和Sb：1.0%以下。
此外，上述热处理硬化钢满足以下组成i）至iv）中的至少一种：
以wt%计，
i）Si：0.5～3%；Mn：1～10%和Al：0.05～2%；
ii）Si：1%以下；Mn：0.5～5%；Al：0.1～2.5%和Ni：0.01～8%；
iii）Si：0.5～3%；Mn：1～10%；Al：0.1%以下和Ni：0.01～8%；以及
iv）Si：0.5～3%；Mn：1～10%；Al：0.1～2.5%和Ni：0.01～8%。
上述热处理硬化钢还包含余量的Fe和不可避免的杂质。
现在将更详细地描述包含在根据本发明的热处理硬化钢中的各组分的量和功能。
碳（C）
加入碳（C）以确保钢强度。另外，根据在奥氏体相中富集的碳量，碳起到稳定奥氏体相的作用。
优选地，基于钢的总重量，碳以0.12wt%到0.8wt%的量存在。如果碳含量小于0.12wt%，难以确保足够的强度。相反，如果碳含量超过0.8wt%，尽管强度增加，但钢在韧性和焊接性方面会显著劣化。
铬（Cr）
铬（Cr）通过稳定铁素体晶粒而改善伸长率，并通过增加在奥氏体相中富集的碳量来稳定奥氏体而增加强度。
优选地，基于钢的总重量，铬以0.01wt%到2wt%的量存在。如果铬含量小于0.01wt%，加入的铬未提供其足够功能。相反，铬含量大于2wt%使得难以在热处理之后确保足够的屈服强度且使润湿性劣化。
钼（Mo）
钼（Mo）是通过析出强化和固溶强化来提高钢强度的有效元素。但是，如果钼含量超过0.2wt%，钢会在加工性方面劣化。
因此，基于钢的总重量，钼优选以0.2wt%以下的量存在。
钛（Ti）、铌（Nb）
钛（Ti）和铌（Nb）是碳氮化物形成元素且起到提高钢强度的作用。但是，如果钛和铌的总量超过0.2wt%，钢会在韧性方面劣化。因此，基于钢的总重量，钛或铌优选以0.2wt%以下的总量存在。
硼（B）
硼（B）通过淬火能力来提高钢强度。
优选地，基于钢的总重量，硼以0.0005wt%到0.08wt%的量存在。如果硼含量小于0.0005wt%，硼未提供其功能。相反，如果硼含量超过0.08wt%，由于淬火能力过度增加，钢会在韧性方面显著劣化。
锑（Sb）
通过防止硅和锰在晶界的富集，锑（Sb）提高钢的涂覆性能。但是，如果锑的含量超过1%，钢会遭受开裂和二次加工脆化。
因此，基于钢的总重量，锑优选以1%以下的量来使用。
硅（Si）、锰（Mn）、铝（Al）、镍（Ni）
通过长期研究，本发明的发明人已经发现，满足以下组成i）至iv）中的至少一种的硅、锰、铝和镍在热处理之后提高拉伸强度、屈服强度和伸长率。
以wt%计，
i）Si：0.5～3%；Mn：1～10%和Al：0.05～2%；
ii）Si：1%以下；Mn：0.5～5%；Al：0.1～2.5%和Ni：0.01～8%；
iii）Si：0.5～3%；Mn：1～10%；Al：0.1%以下和Ni：0.01～8%；
iv）Si：0.5～3%；Mn：1～10%；Al：0.1～2.5%和Ni：0.01～8%。
在组成i）至iv）中，硅（Si）担当脱氧剂且通过固溶强化来提高钢强度。如果硅含量超过组成i）至iv）中每种组成提供的范围，钢会在焊接性和涂覆性能方面劣化。另外，在组成i）、iii）和iv）的情况下，如果硅含量小于建议的范围，钢会在焊接性方面劣化。
在组成i）至iv）中，锰（Mn）通过稳定奥氏体来提高钢强度。如果锰含量小于组成i）至iv）中每种组成建议的范围，稳定奥氏体相的效果变得不足。相反，如果锰含量超过组成i）至iv）中每种组成提供的范围，有在焊接性和韧性方面劣化的问题。
在组成i）至iv）中，铝（Al）起到防止氢脆化的作用。如果铝含量小于i）至iv）中每种组成建议的范围，通过加入铝而提供的效果变得不足。相反，如果铝含量超过i）至iv）中每种组成提供的范围，铝形成多余的夹杂物，从而使钢的延展性和韧性劣化。
在组成ii）至iv）中，镍（Ni）在确保钢强度和韧性方面是有利的。如果镍含量小于组成ii）至iv）中每种组成建议的范围，通过加入镍而提供的效果变得不足。相反，如果镍含量超过组成ii）至iv）中每种组成提供的范围，通过加入镍而提供的效果变得饱和，从而显著增加制造成本。
根据本发明的具有上述组成的热处理硬化钢可生产为热轧钢板、热轧镀钢板、冷轧钢板、冷轧镀钢板、高温耐氧化涂覆钢板等形式。在本文中，根据本发明的热处理硬化钢在其表面上可具有Al-Si类涂层、镀锌层或高温耐氧化涂层以防止在如下所述的用于制造构件的热冲压工艺中脱碳和氧化。上述Al-Si类涂层和镀锌层一般用于冷轧镀钢板，但不限于此。此外，该镀锌层可通过诸如热浸镀锌、热浸镀锌退火、电镀锌等多种方法而形成。
在本文中，当根据本发明的热处理硬化钢是冷轧镀钢板时，可在650℃至850℃的温度范围内进行退火。如果退火温度低于650℃，即使通过退火也难以获得需要的效果，如延展性的改善等。相反，如果退火温度超过850℃，即使通过加入锑，也有硅、锰等在晶界富集的较高可能性，从而导致涂覆性能劣化。
另一方面，根据工艺条件即热轧、冷轧、退火等，根据本发明的具有上述组成的热处理硬化钢可具有490MPa至980MPa的拉伸强度、370MPa至600MPa的屈服强度和20%至50%的伸长率。虽然热处理硬化钢并不需要有这些机械性能，但具有这些机械性能的热处理硬化钢在制造构件中通过热冲压而成形方面是有利的。
此外，根据本发明的具有上述组成和机械性能的热处理硬化钢在热处理之后可具有包括马氏体和残留的奥氏体的复合微观结构。
此外，根据本发明的具有上述组成和机械性能的热处理硬化钢在热处理之后可具有1000Mpa以上的拉伸强度、800MPa以上的屈服强度和10%以上的伸长率，因为即使热冲压之后，残留的奥氏体结构也包括在微观结构中。
制造热处理硬化构件的方法
图1是根据本发明的一种实施方式的用于制造热处理硬化构件的方法的示意性流程图。
在本文中，术语“构件”可以指汽车的碰撞元件，但不限于此。
参照图1，用于制造热处理硬化构件的方法包括制备坯料（S110）、加热所述坯料（S120）、成形/淬火（S130）和后处理（S140）。
在制备坯料（S110）的操作中，坯料由根据本发明的具有上述组成的热处理硬化钢来制备。
如上所述，该热处理硬化钢可具有490MPa至980MPa的拉伸强度、370MPa至600MPa的屈服强度和20%至50%的伸长率。此外，考虑到在下文中描述的坯料加热（S120）和成形/淬火（S130），该钢可具有在其表面上形成的Al-Si类涂层、镀锌层及高温耐氧化涂层等。
接下来，在加热坯料（S120）的操作中，将该坯料加热至适合热冲压的温度。加热可在用于热冲压即成形/淬火的模具外进行，也可在模具外进行加热至预定温度之后再在模具内进行。
加热温度可在700℃到1100℃范围内。如果加热温度低于700℃，奥氏体的形成变得不足，从而导致在成形/淬火（S130）操作之后强度不足。相反，如果加热温度超过1100℃，由于在成形/淬火（S130）操作之后残留的奥氏体部分不足而难以确保高延展性，从而导致耐撞性劣化。
接下来，在成形/淬火（S130）的操作中，在模具中加热的坯料形成具有预定形状的成形体，接着在模具内经受淬火以确保需要的性能。
淬火可进行至马氏体转变开始温度以下，例如，进行至约80℃至约500℃的温度范围内以确保马氏体部分。此外，淬火可在10℃/秒至300℃/秒的冷却速度下进行。如果冷却速度小于10℃/秒，难以确保足够的强度。相反，如果淬火速度超过300℃/秒，难以确保韧性和延展性。
成形/淬火之后，成形体可具有包括马氏体和残留的奥氏体的复合微观结构。结果，通过成形/淬火而形成的成形体可具有1000MPa以上的拉伸强度、800MPa以上的拉伸强度和10%以上的伸长率。
在后处理（S140）中，通过成形/淬火而形成的成形体经受激光加工以进行修整（trimming）、穿孔（piercing）等。
图2是根据另一种实施方式的用于制造热处理硬化构件的方法的示意性流程图。
参照图2，用于制造热处理硬化构件的方法包括制备坯料（S210）、冷加工（S215）、加热所述坯料（S220）、成形/淬火（S230）和后处理（S240）。
在图2示出的实施方式中，该方法还包括冷轧（S215）。在冷轧（S215）的操作中，坯料通过冷加工而经受初次成形。在这种情况下，在通过冷加工而初次成形的过程中，通过成形、修整、穿孔等来制备初次成形体。因此，在后处理（S240）中，在二次成形体的一部分上进行激光加工，其中，该二次成形体通过成形/淬火在模具内经受二次成形（S230）。
实施例
接下来，将参照实施例对本发明进行更详细的描述。在本文中，仅为了示例的目的而提供下面的实施例，而不应该以任何方式将这些实施例视为限制本发明。
对本领域技术人员来讲显而易见的细节描述将被省略。
1、试样的制备
为了根据合金组成来研究钢的热处理硬化性能，将实施例1～4和比较例1的试样的组成列于表1中，热处理之前的机械性能和加热至900℃放置5分钟，然后以50℃/秒的平均冷却速度冷却至100℃的机械性能列于表2中。
表1（单位：wt%）
C Si Mn Cr Mo Al Ti Nb B Ni Sb
比较例1 0.229 0.238 1.19 0.183 0.0025 0.03 0.036 - 0.002 - -
实施例1 0.3 1.0 7.5 0.3 0.01 1.5 0.05 - 0.003 - 0.8
实施例2 0.3 0.4 3.0 0.3 0.01 2.0 0.05 0.01 0.005 2.0 0.8
实施例3 0.4 1.5 5.5 0.2 0.01 0.05 0.05 0.05 0.003 3.0 0.8
实施例4 0.4 1.7 6.0 0.2 0.01 2.0 - 0.10 0.002 3.0 0.8
2、机械性能
表2示出在热处理之前和之后实施例1～4和比较例1的试样的机械性能。
表2
参照表2，实施例1～4和比较例1的试样在热处理之前表现出类似的机械性能。
然而，在热处理之后，比较例1的试样尽管具有非常高的拉伸强度，但仅具有6%的低伸长率。相反，虽然实施例1～4的试样相比比较例1的试样具有稍微较低的拉伸强度，但这些试样具有约15%的伸长率且表现出相对高的屈服强度。
因此，在施加外部撞击时，比较例1的试样由于与拉伸强度相比相对低的屈服强度和伸长率而发生脆性断裂，而实施例1～4的试样由于相对高的屈服强度和伸长率而能够充分地吸收撞击。
此外，为了测量残留的奥氏体部分而进行了多种测试，例如显微镜观察、磁性测量、X-射线衍射分析等。结果，虽然根据测量方法实施例1～4的试样具有不同的值，但这些试样在至少1%或更大的面积部分中包括残留的奥氏体。
然而，通过任何测量方法，比较例1的试样都在小于1%的面积部分中包括残留的奥氏体，因此具有全马氏体结构。
通过最终微观结构的差异可以确定热处理之后实施例1～4和比较例1的试样之间的物理性能差异。
图3示出在比较例1中制备的试样的微观结构，且图4示出在实施例1中制备的试样的微观结构。
参照图3，比较例1的试样具有接近于全马氏体的微观结构。另一方面，参照图4，可以看出实施例1的试样除马氏体外还包括残留的奥氏体（γ）。
通过这些微观结构，比较例1的试样尽管具有非常高的屈服强度但具有非常低的伸长率，而实施例1的试样具有高的伸长率。
虽然在本文中已经公开了一些实施方式，但应该明白这些实施方式仅为示例的目的而提供，且可进行多种修改、变化、改变和等同的实施方式而不背离本发明的范围。因此，本发明的范围和精神应当仅由所附权利要求及其等同物来限定。

Claims (11)

1.一种热处理硬化钢，以重量百分比计包含C：0.12～0.8％；Cr：0.01～2％；Mo：0.2％以下；B：0.0005～0.08％；Ca：0.01以下；Sb：1.0％以下；Ti和Nb中至少一种：0.2％以下；满足以下组成i)至iv)中任一种的各组分；以及余量的Fe和不可避免的杂质，
以重量百分比计，
i)Si：0.5～3％；Mn：1～10％；和Al：0.05～2％；
ii)Si：1％以下；Mn：0.5～5％；Al：0.1～2.5％；和Ni：0.01～8％；
iii)Si：0.5～3％；Mn：1～10％；Al：0.1％以下；和Ni：0.01～8％；
iv)Si：0.5～3％；Mn：1～10％；Al：0.1～2.5％；和Ni：0.01～8％，
其中，所述钢在热处理之后具有 1000MPa以上的拉伸强度、800MPa以上的屈服强度和10％以上的伸长率，
其中，所述钢在热处理之后具有完全由马氏体和残留的奥氏体组成的复合微观结构。
2.根据权利要求1所述的热处理硬化钢，其中，所述钢在热处理之前具有490MPa至980MPa的拉伸强度、370MPa至600MPa的屈服强度和20％至50％的伸长率。
3.根据权利要求1所述的热处理硬化钢，其中，所述钢在其表面上具有选自Al-Si类涂层、镀锌层和高温耐氧化涂层中的至少一层。
4.一种用于制造热处理硬化构件的方法，包括：
(a)制备由热处理硬化钢形成的坯料；
所述热处理硬化钢以重量百分比计包含C：0.12～0.8％；Cr：0.01～2％；Mo：0.2％以下；B：0.0005～0.08％；Ca：0.01以下；Sb：1.0％以下；Ti和Nb中至少一种：0.2％以下；满足以下组成i)至iv)中任一种的各组分；以及余量的Fe和不可避免的杂质，
以重量百分比计，
i)Si：0.5～3％；Mn：1～10％；和Al：0.05～2％；
ii)Si：1％以下；Mn：0.5～5％；Al：0.1～2.5％；和Ni：0.01～8％；
iii)Si：0.5～3％；Mn：1～10％；Al：0.1％以下；和Ni：0.01～8％；
iv)Si：0.5～3％；Mn：1～10％；Al：0.1～2.5％；和Ni：0.01～8％，
(b)加热所述坯料；
(c)在模具中使该加热的坯料热成形和淬火；以及
(d)对在(c)热成形和淬火中形成的成形体进行后处理，
其中，所述钢在热处理之后具有完全由马氏体和残留的奥氏体组成的复合微观结构。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过将所述坯料加热至温度700℃到1100℃来进行(b)加热。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，在(c)热成形和淬火中，通过以10℃/秒至300℃/秒的速度在模具中将加热的坯料冷却至所述热处理硬化钢的马氏体转变开始温度以下来进行淬火。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述热处理硬化钢在其表面上具有选自Al-Si类涂层、镀锌层和高温耐氧化涂层中的至少一层。
8.一种用于制造热处理硬化构件的方法，包括：
(a)制备由热处理硬化钢形成的坯料；
所述热处理硬化钢以重量百分比计包含C：0.12～0.8％；Cr：0.01～2％；Mo：0.2％以下；B：0.0005～0.08％；Ca：0.01以下；Sb：1.0％以下；Ti和Nb中至少一种：0.2％以下；满足以下组成i)至iv)中任一种的各组分；以及余量的Fe和不可避免的杂质，
以重量百分比计，
i)Si：0.5～3％；Mn：1～10％；和Al：0.05～2％；
ii)Si：1％以下；Mn：0.5～5％；Al：0.1～2.5％；和Ni：0.01～8％；
iii)Si：0.5～3％；Mn：1～10％；Al：0.1％以下；和Ni：0.01～8％；
iv)Si：0.5～3％；Mn：1～10％；Al：0.1～2.5％；和Ni：0.01～8％，
(a’)通过冷加工使所述坯料进行初次成形；
(b)加热在(a’)进行初次成形中形成的初次成形体；
(c)在模具中使加热的初次成形体进行二次成形和淬火；以及
(d)对在(c)进行二次成形和淬火中形成的二次成形体进行后处理，
其中，所述钢在热处理之后具有完全由马氏体和残留的奥氏体组成的复合微观结构。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，通过将所述坯料加热至温度700℃到1100℃来进行(b)加热。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，在(c)进行二次成形和淬火中，通过以10℃/秒至300℃/秒的速度在模具中将加热的坯料冷却至所述热处理硬化钢的马氏体转变开始温度以下来进行淬火。
11.根据权利要求8所述的方法，所述热处理硬化钢在其表面上具有选自Al-Si类涂层、镀锌层和高温耐氧化涂层中的至少一层。
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