CN103805838A - 一种高成形性超高强度冷轧钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种高成形性超高强度冷轧钢板及其制造方法，其成分重量百分比为：C0.15~0.25%，Si1.00~2.00%，Mn1.50~3.00%，P≤0.015%，S≤0.012%，Al0.03~0.06%，N≤0.008%，其余为Fe和不可避免的杂质；制造方法包括如下步骤：1）冶炼、铸造；2）加热，加热至1170～1230℃，保温；3）热轧，终轧温度880±30℃，550～650℃卷取；4）酸洗、冷轧、退火，冷轧变形量40～60%，860～920℃退火，以3～10℃/s冷速缓冷至690～750℃；再快冷至240～320℃，冷却速度≥50℃/s，然后再加热至360～460℃、保温100~500s，最后冷却至室温。最终获得屈服强度在600～900MPa、抗拉强度980～1150MPa、延伸率17～25%、成形性优越、低回弹特性的超高强度冷轧钢板。

Description

一种高成形性超高强度冷轧钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及冷轧钢板，特别涉及一种高成形性超高强度冷轧钢板及其制造方法，冷轧超高强度钢板的屈服强度600～900MPa、抗拉强度980～1150MPa、延伸率17～25%，具有良好塑性、低回弹特性。
背景技术
据评估，汽车重量每减轻10%，可节约燃油消耗5%～8%，同时可相应减少CO2温室气体以及NOx、SO2等污染物的排放。我国自主品牌乘用车的车重较国外同档次的汽车重约10%，而商用汽车重量的差距则更大。汽车钢板作为车身的主要原材料，约占车身重量的60～70%。大量使用强度在590～1500MPa级别的高强度和超高强度钢板替代传统汽车用钢，是汽车实现“减重节能、提高安全性和降低制造成本”的最佳材料解决方案，对建设低碳社会意义重大。因此提高钢板的强度以减薄钢板的厚度是近年来钢板的一种发展趋势。其中以相变强化为主的先进高强度汽车用钢的开发和应用已经成为世界各大钢铁公司研究的主流课题之一。
传统的超高强钢利用马氏体、贝氏体等高强度相结构实现高强度，但是同时带来了塑性和成形性能的明细下降。在马氏体或者贝氏体组织中引入一定量的残余奥氏体成为实现高强度和高塑性材料的有效技术路径。例如TRIP钢由铁素体，贝氏体和残余奥氏体组成，其强度和塑性都较高，但是这种相结构限制了其强度的进一步提高。因此以马氏体代替贝氏体作为主要的强化相开始受到人们的重视。
中国专利CN 102409235A公开了一种高强度冷轧相变诱导塑性钢板及其制造方法，其成分：C：0.1%～0.5%、Si：0.1%～0.6%、Mn：0.5%～2.5%、P：0.02%～0.12%、S≤0.02%、Al：0.02%～0.5%、N≤0.01%、Ni：0.4~0.6，Cu：0.1%～1.0%，其余为Fe。其加工方法为：(a)冶炼满足成分条件的钢水，浇铸成坯；(b)轧制：加热温度1100～1250℃，保温时间1～4h，开轧温度1100℃，终轧温度750～900℃，卷取温度＜700℃；热轧板厚2～4mm；冷轧累积压下量40%～80%；(c)连续退火：退火温度700～Ac3+50℃，保温时间30～360s，冷却速率10～150℃/s，时效温度250～600℃，时效时间30～1200s，再以5～100℃/s的冷却速率冷却至室温。本发明钢板屈服强度为380～1000MPa，抗拉强度为680～1280MPa，延伸率为15～30%。该发明可在1000MPa的抗拉强度级别上实现20%左右的延伸率，具有较好的综合性能。但是该发明钢中需要添加较多的Cu、Ni等合金元素，大幅度增加了材料成本，对于成本要求极为苛刻的汽车领域应用将受到较大限制。
日本专利JP2005-232493公开了一种具有高强度与高成形性能的冷轧钢板的成分及工艺。材料成分为C：0.02-0.25%，Si：0.02-4.0%，Mn：0.15-3.5%，余量为Fe。材料的组织为铁素体与马氏体两相，其中铁素体含量为30~60%。残余奥氏体含量少于1.0%。热轧板卷曲温度为500℃，冷轧后加热到900~950℃，并缓冷到640℃，随后快冷到350℃，最后缓冷至室温。经过上述工艺，可获得屈服强度850MPa左右、抗拉强度1000MPa左右、延伸率14%的钢板。该发明钢成分简单，成本较低，但是14%左右的延伸率对于满足汽车用高强钢的成形性仍显不足。
中国专利CN200510023375.0公开了一种低碳低硅冷轧相变塑性钢及其制备方法。该发明的低碳低硅冷轧相变塑性钢，其组成成分和重量百分含量：C 0.1-0.2%，Si 0.1-0.5%，Mn 0.5-2.0%，Al 0.5-1.5%，V 0.05-0.5%，S，P，N微量，Fe余量。经处理的低碳低硅冷轧相变塑性钢具有良好的强塑性，其抗拉强度为650-670MPa，延伸率为32.5-34%。该发明抗拉强度较低，不能满足汽车用超高强钢的性能要求，而且需要加入一定量的Cr，不适合作为成本控制要求非常严格的汽车用钢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高成形性超高强度冷轧钢板及其制造方法，该冷轧钢板的屈服强度在600～900MPa，抗拉强度980MPa以上，延伸率17～25%，成形性优越、低回弹特性，适用于汽车的结构件和安全件。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
现有有关高强度钢的制造方法较多，但这些发明为了保证钢板的达到要求的强度和成形性能，大多采用在现有碳锰钢的成分基础上，加入较多的Cr、Nb、B等合金元素，不仅增加了钢材的生产成本，同时还也可能降低了产品的可制造性，增加了炼钢、连铸等工序的生产难度。C、Si、Mn是钢铁中最有效、成本最低的强化元素，在现有碳锰钢的基础上，通过成分-工艺-组织-性能的综合优化设计，以实现比现有汽车钢板更好的综合性能，将是一个极具优势的汽车用高强钢解决方案。
本发明采用普通碳锰钢成分设计，充分利用Si、Mn等合金元素的对材料相变行为的影响规律，通过优化的淬火-配分技术对材料的最终组织进行精细控制，以实现超高强度和高塑性统一的优越性能，获得性能优越、成本低廉的超高强钢板产品。
具体地，本发明的高成形性超高强度冷轧钢板，其成分重量百分比为：C：0.15~0.25%，Si：1.00~2.00%，Mn：1.50~3.00%，P≤0.015%，S≤0.012%，Al：0.03~0.06%，N≤0.008%，其余为Fe和不可避免的杂质。钢板室温组织为铁素体15%~35%+马氏体55~75%+残余奥氏体5~15%；屈服强度600～900MPa，抗拉强度980～1150MPa，延伸率17～22%。
优选地，所述的钢板成分中，C含量为0.18~0.22%，以重量百分比计。
优选地，所述的钢板成分中，Si含量为1.4~1.8%，以重量百分比计。
优选地，所述的钢板成分中，Mn含量为1.8~2.3%，以重量百分比计。
优选地，所述的钢板成分中，P≤0.012%，S≤0.008%，以重量百分比计。
在本发明钢化学成分设计中：
C：是钢中最基本的强化元素，也是奥氏体稳定化元素，在奥氏体中较高的C含量有利于提高残余奥氏体分数和材料性能。但是较高的C含量会恶化钢材的焊接性能。因此，C含量需控制在一个合适的范围。
Si：是抑制碳化物形成元素，在碳化物中的溶解度极小，能够有效抑制或者推迟碳化物的形成，有利于在配分过程中形成富碳奥氏体，并作为残余奥氏体保留至室温。但是较高的Si含量会降低材料的高温塑性，增加炼钢、连铸和热轧过程的缺陷发生率。因此同样需要把Si控制在合适的范围内。
Mn：是奥氏体稳定化元素。Mn的存在可降低马氏体转变温度Ms,使残余奥氏体的含量增加。此外Mn是固溶强化元素，对提高钢板的强度有利。但是过高的Mn含量会导致钢材的淬透性过高，不利于材料组织的精细控制。
P：其作用与Si相似，主要是起到固溶强化和抑制碳化物形成，提高残余奥氏体稳定性的作用。P的加入会显著恶化焊接性能，增加材料的脆性，在本发明中将P作为杂质元素，尽量控制在低水平。
S：作为杂质元素其含量尽量控制在较低的水平。
Al：其作用与Si相似，主要是起到固溶强化和抑制碳化物形成，提高残余奥氏体稳定性的作用。但Al的强化效果弱于Si。
N：在本发明钢中不是特别控制的元素。为降低N对夹杂物控制的不利影响，在冶炼时尽量把N控制在较低的水平。
本发明的高成形性超高强度冷轧钢板的制造方法，包括如下步骤：
1)冶炼、浇铸
按上述成分冶炼、浇铸成板坯；
2)板坯加热到1170～1230℃并保温；
3)热轧
终轧温度为880±30℃，卷取温度550～650℃；
4)酸洗、冷轧
冷轧变形量40～60%，形成钢带；
5)连续退火
退火温度860～920℃，以3～10℃/s的冷速缓冷至690～750℃，使材料中获得一定比例的铁素体；再快冷至240～320℃，冷却速度≥50℃/s，使奥氏体部分转变为马氏体；然后再加热至360～460℃、保温100~500s，最后冷却至室温；
最终获得屈服强度在600～900MPa、抗拉强度980～1150MPa、延伸率17～25%、成形性优越、低回弹特性的超高强度冷轧钢板。
优选地，步骤2）板坯加热到1170~1200℃。
优选地，步骤3）热轧卷取温度550~600℃。
优选地，步骤5）退火温度为860~890℃；
优选地，步骤5）退火后缓冷至700~730℃。
优选地，步骤5）快冷至280~320℃。
优选地，步骤5）快冷后再加热至390~420℃，保温180~250s。
本发明采用热轧高温加热炉保温，有利于C和N化合物的充分溶解，卷取采用较低的卷取温度有利于获得细小的析出物。
本发明采用常规的酸洗和冷轧工艺。
本发明退火工艺采用连续退火，采用较高的退火温度，形成均匀化的奥氏体组织，有利于提高钢的强度；之后以＜10℃/s的冷速缓冷至690~750℃，以获得一定量的铁素体，有利于提高钢的塑性；之后快冷至至Ms和Mf之间某一温度，奥氏体部分转变为马氏体，有利于提高钢的强度；然后再加热至360~460℃并保温100~300s，使碳在马氏体和奥氏体中发生再分配，形成高稳定性的富碳奥氏体，从而在最终组织中获得一定量的残余奥氏体，有利于提高加工硬化能力和成形性能。钢板的最终组织由铁素体+马氏体+残余奥氏体组成。由于采用高Si设计，使钢中已经形成的马氏体在配分过程中基本不发生分解，以保证最终获得所需的组织形态。
本发明钢经上述处理后，可以获得屈服强度在600～900MPa，抗拉强度980～1150MPa，延伸率在17～25%。
另外，由于配分之后马氏体中C含量降低，因此降低了马氏体在冷变形时的滞弹性，使得本发明钢的回弹特性得到显著改善。
本发明与现有技术相比：
中国专利CN201010291498.3公开的一种高强度连续退火冷轧相变诱导塑性钢板可在1000MPa的抗拉强度级别上实现20%左右的延伸率，具有较好的综合性能。但是该发明钢中需要添加较多的Cu、Ni、Cr等合金元素，大幅度增加了材料成本，对于成本要求极为苛刻的汽车领域应用将受到较大限制。
日本专利JP2005-232493公开了一种具有高强度与高成形性能的冷轧钢板，其成分简单，成本较低，但是14%左右的延伸率对于满足汽车用高强钢的成形性仍显不足。
美国专利US6210496公开的一种冷轧高强度高成形性钢，该发明抗拉强度较低，不能满足汽车用超高强钢的性能要求，而且需要加入一定量的Cr，不适合作为成本控制要求非常严格的汽车用钢。
本发明通过适当的成分设计，使得在热轧和冷轧工艺条件下，采用连续退火生产超高强度冷轧钢板，不需要添加任何昂贵的合金元素，仅适当的提高Mn含量再结合独有的连续退火工艺就可以实现强度的大幅度挺高，且仍保持较好的塑性；同时不需要特殊的生产装备，生产成本低。
本发明钢在经冶炼、热轧、冷轧、退火、平整后在汽车安全结构件中具有较好的应用前景，特别适合于制造形状较为复杂、对成形性能要求较高的车辆结构件和安全件，如车门防撞杆、保险杠及B柱等。
附图说明
图1为本发明钢制造的轿车B柱（厚度2.0mm）。
图2为本发明钢与商用980MPa级别双相钢（DP980）的回弹特性对比（厚度都是1.2mm）。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
表1给出了本发明钢的实施例的化学成分。经冶炼、热轧、冷轧、退火和平整后得产品，其退火工艺及力学性能情况如表2所示。从表2可看出，本发明经过适当的工艺配合，可得到屈服强度600～900MPa、抗拉强度980～1150MPa、延伸率17～25%的超高强度冷轧钢板。
表1                单位：wt%
  C   Si   Mn   Cr   Cu   Ni   P   S   Al   N
 实施例1   0.22   1.8   2.1   -   -   -   0.005   0.004   0.042   0.0032
 实施例2   0.15   2.0   1.5   -   -   -   0.010   0.012   0.030   0.0051
 实施例3   0.20   1.3   3.0   -   -   -   0.008   0.005   0.050   0.0068
 实施例4   0.18   1.6   2.7   -   -   -   0.007   0.007   0.060   0.0046
 实施例5   0.25   1.0   2.3   -   -   -   0.012   0.006   0.050   0.0077
 实施例6   0.21   1.4   1.9   -   -   -   0.015   0.008   0.040   0.0039
 比较例1   0.35   0.52   1.50   0.3   0.5   0.3   0.05   0.001   0.035   0.0020
 比较例2   0.17   1.35   2.00   -   -   -   0.015   0.001   0.040   0.0025
 比较例3   0.21   1.05   2.02   0.33   -   -   0.041   -   0.051   -
表2
本发明钢特别适合于制造形状较为复杂、对成形性能要求较高的车辆结构件和安全件，如车门防撞杆、保险杠及B柱等。
参见图1、图2，图1为本发明钢制造的轿车B柱（厚度2.0mm），由图1可见，本发明钢具有优异的成形性能。
图2为本发明与商用980MPa级别双相钢（DP980）的回弹特性对比（厚度都是1.2mm）。说明在相同的成形工艺下，本发明钢的回弹量明显低于DP980。

Claims (12)

1.一种高成形性超高强度钢板，其化学成分重量百分比为：
C：0.15~0.25wt%
Si：1.00~2.00wt%
Mn：1.50~3.00wt%
P≤0.015wt%
S≤0.012wt%
Al：0.03~0.06wt%
N≤0.008wt%
其余为Fe和不可避免杂质；
钢板室温组织为铁素体10%~30%+马氏体60~80%+残余奥氏体5~15%；屈服强度600～900MPa，抗拉强度980～1150MPa，延伸率15～22%。
2.如权利要求1所述的高成形性超高强度钢板，其特征是，所述的钢板成分中，C含量为0.18~0.22%，以重量百分比计。
3.如权利要求1所述的高成形性超高强度钢板，其特征是，所述的钢板成分中，Si含量为1.4~1.8%，以重量百分比计。
4.如权利要求1所述的高成形性超高强度钢板，其特征是，所述的钢板成分中，Mn含量为1.8~2.3%，以重量百分比计。
5.如权利要求1所述的高成形性超高强度钢板，其特征是，所述的钢板成分中，P≤0.012%，S≤0.008%，以重量百分比计。
6.如权利要求1~5中任何一项所述的高成形性超高强度钢板的制造方法，包括如下步骤：
1)冶炼、浇铸
按上述成分冶炼、浇铸成板坯；
2)板坯加热到1170～1230℃并保温；
3)热轧
终轧温度为880±30℃，卷取温度550～650℃；
4)酸洗、冷轧
冷轧变形量40～60%，形成钢带；
5)连续退火
退火温度860～920℃，以3～10℃/s的冷速缓冷至690～750℃，使材料中获得一定比例的铁素体；再快冷至240～320℃，冷却速度≥50℃/s，使奥氏体部分转变为马氏体；然后再加热至360～460℃、保温100~500s，最后冷却至室温；最终获得屈服强度在600～900MPa、抗拉强度980～1150MPa、延伸率17～25%、成形性优越、低回弹特性的超高强度冷轧钢板。
7.如权利要求6所述的高成形性超高强度钢板的制造方法，其特征是，步骤2）板坯加热到1170~1200℃。
8.如权利要求6所述的高成形性超高强度钢板的制造方法，其特征是，步骤3）热轧卷取温度550~600℃。
9.如权利要求6所述的高成形性超高强度钢板的制造方法，其特征是，步骤5）退火温度860~890℃；
10.如权利要求6或9所述的高成形性超高强度钢板的制造方法，其特征是，步骤5）退火后缓冷至700~730℃。
11.如权利要求6所述的高成形性超高强度钢板的制造方法，其特征是，步骤5）快冷至280~320℃。
12.如权利要求6或11所述的高成形性超高强度钢板的制造方法，其特征是，步骤5）快冷后再加热至390~420℃，保温100~300s。
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