CN104233059A - 一种抗延迟断裂型高强twip钢 - Google Patents

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刘仁东
郭金宇
王旭
王科强
林利
孙成钱
徐鑫
韩斌
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Abstract

本发明提供一种抗延迟断裂型高强TWIP钢,钢的化学成分重量百分比为:0.65%~0.95%C,Si<0.4%,15%~20%Mn,P <0.04%,S<0.02%,0.02%~0.4%Al,0.01%~0.06% N,0.2%~0.4%V,0.001%~0.003%B,余量为Fe。利用添加钒元素与C元素形成细小的碳化钒质点,提供足够数量的氢陷阱固定钢中的氢,防止氢脆,从而提高TWIP钢的抗延迟断裂能力,并利用VC质点进一步提高TWIP钢的强度。所有成分试验钢的抗拉强度均在1000MPa以上。

Description

一种抗延迟断裂型高强TWIP钢
技术领域
本发明属于钢铁材料制造领域,具体为一种抗延迟断裂型高强TWIP钢。
背景技术
众所周知,钢铁材料是汽车工业使用最广泛的材料。近年来,由于人类生存环境的恶化及能源的短缺,迫使汽车工业向轻量化方向发展。有研究表明,汽车质量每减少1%,将节省燃油0.6%-1.0%。因此高强钢已经在汽车中大量应用,特别是兼具高强度(>1000MPa)、高塑性(延伸率>60%)及更高的吸收能量值的TWIP钢不仅能够有效地减少汽车的质量,而且使汽车具有更高的安全性能,日益受到汽车制造商的重视,国内外各大知名钢铁企业竞相研发。
目前,进行商业生产的TWIP钢为Mn-Si-Al系。TWIP钢因为Mn含量高(一般在15%以上 ),其组织为单一奥氏体,通过孪生发生塑性形变(即TWIP效应),因此,TWIP钢具有高塑性。同时,由于大量孪生晶体的存在,极大地细化了奥氏体晶粒,根据动态霍尔佩奇公式,使TWIP钢有较高的抗拉强度。
TWIP钢由于其合金含量高,氢脆敏感性强(抗延迟断裂能力差),使用前需要进行去氢处理。即使如此,仍然无法保证TWIP钢在使用过程中不接触氢介质而发生氢致开裂破坏。目前公布的专利中,均没有提到TWIP钢抗延迟断裂能力,也没有针对氢脆提出具体的技术措施。各类技术文献,也没有提及提高TWIP钢的抗延迟断裂能力的技术措施。
专利号CN200710178352.6,“一种铜、镍合金化的孪晶诱导塑性钢铁材料及制备工艺”采用超低碳、高锰、高铝、高硅及铜、镍合金化设计,并没有解决TWIP钢氢脆敏感性的技术措施。而且由于铝的含量高(2.5%-3%),使这种成分的TWIP钢不适合连铸生产,成本相对较高。
专利号CN200810012979.9,“一种轻质、高性能孪晶诱导塑性钢及其制备方法”,尽管采用低铝硅的设计方案,但增加了稀土元素的使用,而且没有专门的提高TWIP钢抗延迟断裂能力的技术方案。因此,使用该种TWIP钢时仍然有氢致失效的安全风险。
专利号CN200810156785.6,“高强塑积合金钢及其热处理工艺”,采用30%的Mn、3%的铝、3%的硅的成分设计,不但连铸困难,也极大地增加了冶炼难度,提高了钢的成本,并且也不具备抗氢脆的能力。
专利号CN200810239893.X,“一种磷强化的孪晶诱导塑性钢铁材料及其制备工艺”,在高铝、硅基础上加入磷元素以提高TWIP钢的强度。这种设计效率较低,因为磷是强化铁素体最有效的元素,其在奥氏体中有较大的溶解度,强化效果不如在铁素体中的强化效果,而且磷容易发生偏聚,并降低钢的耐蚀性。
在TWIP钢中加入钒,利用碳化钒质点作为氢陷阱来提高TWIP钢的延迟断裂能力并增加强度,并没检索到相关专利和其它技术文献。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗延迟断裂型高强TWIP钢,利用添加钒元素与C元素形成细小的碳化钒质点,提供足够数量的氢陷阱固定钢中的氢,防止氢脆,从而提高TWIP钢的抗延迟断裂能力,并利用VC质点进一步提高TWIP钢的强度。
本发明主要内容:抗延迟断裂型高强TWIP钢成分控制范围。
一种抗延迟断裂型高强TWIP钢,钢的化学成分重量百分比为:0.65%~0.95%C,Si<0.4%,15%~20%Mn,P <0.04%,S<0.02%,0.02%~0.4%Al, 0.01%~0.06% N,0.2%~0.4%V,0.001%~0.003%B,余量为Fe。
C:C元素开启奥氏体相区、稳定奥氏体最重要的元素,为了获得TWIP钢全奥氏体组织,必须有足够的C含量。另外,足够的C含量也是保证VC在奥氏体中析出的必要条件。但是C含量过高,将增加TWIP钢连铸的难度,并影响TWIP效应,也不利于TWIP钢的焊接。因此,本发明要求C元素含量为0.65%~0.95%。
Mn:Mn是本发明的最主要的合金元素,决定着产品的力学性能。Mn是扩大奥氏体相区最有效的金属元素,也是保证TWIP钢获得全奥氏体的关键元素。Mn增加TWIP钢的层错能,只有足够量的 Mn才能保证TWIP效应而不发生TRIP效应。另外,Mn也是重要的固溶强化元素,足够量的 Mn也有助于提高TWIP钢的强度。考虑到冶炼、连铸及成本因素,将Mn含量设定在15%~20%。
Si:尽管Si元素是很好的固溶强化元素,也能抑制渗碳体的析出。但随着Si含量的增加,会导致钢板表面质量下降,同时Si缩小奥氏体相区,不利于获得全奥氏体组织。因此,本发明要求Si含量控制在0.4%以下。
P:作为有害元素,恶化TWIP钢的综合性能,因此将其控制在0.04%以下。
S:S元素是钢板中的有害元素,本发明要求S元素控制在0.02%以下,在0.01%以下更优。
Al:Al是炼钢中的脱氧元素,有抑制渗碳体析出的能力。当Al元素低于0.02%时,脱氧能力不足,但当Al元素含量超过0.4%时,则会影响产品的表面质量。因此本发明将Al的含量设计在0.02%~0.4%之间。
N:N与C一样,同为开启奥氏体相区的元素,可以提高钢的耐蚀性,并且有利于V的析出。但过高的N极大地增加冶炼难度,也会降低B的收得率。为 此,本发明要求N元素含量控制在0.01%~0.06%。
V:本发明主要是通过V元素的弥散析出来强化提高TWIP钢的强度及提供足够的氢陷阱来提高TWIP钢的抗延迟断裂性能。由于发明中的C含量高,使V元素可以在奥氏体中析出。考虑到强度级别及成本因素,本发明中的V的优选含量为0.2%~0.4%。
B: 在常规钢中作为提高淬透性元素加入,其机理是B偏聚在奥氏体晶界,提高铁素体的形核功,抑制先共析铁素体析出,从而提高钢的淬透性。同时B也是强化晶界最有效的元素。如果B含量超过0.004%,则会形成粗大的B的化合物,严重恶化TWIP钢的性能,因此本发明将B控制在0.001%~0.003%。
本发明的抗延迟断裂型高强TWIP钢同时适用于热轧及冷轧产品生产。
通过微合金化元素V的加入,形成大量VC质点,作为氢陷阱,能够有效提高TWIP钢的抗延迟断裂(氢脆)性能。含钒0.2%、0.3%、0.4%的TWIP实验钢,经大变形冲压成的汽车零售部件均未发生延迟断裂,显示了较好的抗延迟断裂性能。热轧TWIP钢延伸率A50 在60%以上,冷轧退火TWIP钢A50在60%以上。
VC质点作为氢陷阱的同时,产生强烈的析出强化作用。B作为晶界强化元素,也有效地提高了TWIP钢的强度。所有成分试验钢的抗拉强度均在1000MPa以上。
附图说明
图1 热轧TWIP钢拉伸曲线;
图2 冷轧TWIP钢拉伸曲线;
图3 形变前TWIP钢组织形态;
图4 形变后TWIP钢组织形态;
图5 形变前TWIP钢精细结构;
图6 形变后TWIP钢精细结构;
图7 TWIP钢大量VC析出;
图8 VC析出相电子衍射谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明:
TWIP钢由转炉冶炼并经真空脱气处理,经连铸工艺生产连铸坯,钢水化学成分如表1所示。
表1 抗延迟断裂型高强TWIP钢化学成分(wt%)
实施例 C Si Mn P S Als N V B Fe
1 0.78 0.3 18.1 0.02 0.01 0.03 0.03 0.30 0.002 余量
2 0.75 0.38 16.8 0.025 0.008 0.02 0.04 0.20 0.003 余量
3 0.82 0.35 18.5 0.018 0.009 0.032 0.04 0.36 0.002 余量
4 0.67 0.38 20.0 0.016 0.007 0.026 0.033 0.38 0.003 余量
5 0.80 0.33 18.0 0.022 0.012 0.029 0.026 0.27 0.018 余量
6 0.88 0.28 17.1 0.019 0.013 0.035 0.052 0.40 0.015 余量
热轧板坯加热温度1180~1250℃,保温2-3小时。经粗轧、精轧、层流冷却后卷取,获得热轧TWIP钢。终轧温度890~930℃,卷取温度680~720℃,热轧板冷到室温后进行酸洗冷轧,工艺参数及热轧板力学性能见表2、3。
表2热轧工艺参数
实施例 出炉温度(℃) 终轧温度(℃) 卷取温度(℃) 冷轧压下率(%)
1 1180 890 685 75
2 1195 905 700 70
3 1210 915 720 68
4 1185 890 690 67
5 1220 925 710 73
6 1190 905 700 71
表3 热轧抗延迟断裂型高强TWIP钢力学性能
实施例 Rp0.2(MPa) Rm(MPa) A50(%)
1 405 1047 68
2 400 1044 64
3 398 1074 69
4 410 1077 71
5 402 1069 68
6 415 1065 65
将冷轧TWIP钢在连退机组进行清洗、退火、平整,退火温度800~850℃,保温时间90~200秒,冷却速度40~60℃/秒,工艺参数见表4,冷轧TWIP钢的性能见表5。
表4 连退及平整工艺参数
实施列 退火温度(℃) 退火时间(s) 冷却速度(℃/s) 平整延伸(%)
1 840 115 45 0.5
2 830 120 44 0.4
3 835 125 50 0.4
4 845 110 55 0.3
5 850 105 60 0.2
6 815 160 42 0.4
表5冷轧退火TWIP力学性能
实施例 Rp0.2(MPa) Rm(MPa) A50(%)
1 384 1016 68
2 383 1058 67
3 395 1025 66
4 378 1044 65
5 388 1066 67
6 386 1070 73
形变前后TWIP钢显微组织和精细结构观察表明:设计成分的TWIP钢具有单一的奥氏体组织,如图3、5所示;形变过程中具有明显的TWIP效应,如图4、6所示。拉伸曲线(如图1、2所示)也具备典型的TWIP效应特征。另外钢中具有大量作为氢陷阱的VC粒子,如图7、8所示,使设计成分的TWIP钢具有优良的抗延迟断裂性能。

Claims (2)

1.一种抗延迟断裂型高强TWIP钢,其特征在于钢的化学成分重量百分比为:0.65%~0.95%C,Si<0.4%,15%~20%Mn,P <0.04%,S<0.02%,0.02%~0.4%Al, 0.01%~0.06% N,0.2%~0.4%V,0.001%~0.003%B,余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种抗延迟断裂型高强TWIP钢,其特征在于钢的抗拉强度在1000MPa以上,热轧TWIP钢延伸率A50 在60%以上,冷轧退火TWIP钢A50在60%以上。
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