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