具体实施方式
在下文中,将结合示例性实施例及附图来详细说明本发明的超高强度、超高成型性热轧纳米贝氏体钢和其生产方法以及汽车大梁的制造方法。
发明人在充分了解现有技术存在的纳米贝氏体钢的成分高、加工工艺复杂、效率低等情况下,经过反复研究,最终通过适当的合金元素设计、以及基于该成分设计的热轧、卷曲和冷却等条件控制,从而制得了能够适合高强度或超高强度汽车大梁要求的超高强度、超高成型性热轧纳米贝氏体钢。
在本发明的一个示例性实施例中,制备超高强度超高成型性热轧纳米贝氏体钢板的方法由按顺序进行的以下步骤构成:冶炼钢水,形成板坯,例如,可以通过吹氧炼钢、炉外精炼和连铸等步骤得到板坯,所述板坯的化学成分按重量百分比计为0.35~0.55%的C、0.5~2.0%的Mn、0.8~2.5%的Si+Al、S≤0.005%、P≤0.010%、N≤0.005%以及余量Fe和不可避免的杂质;对板坯进行热轧,控制热轧终轧温度≥800℃;以≥10℃/s(例如,10~100℃/s)的冷却速率快速冷却至贝氏体相变区(例如,贝氏体相变区的温度区间可以为280~450℃,优选为330~400℃);在280~450℃之间卷取,获得热轧卷板;对热轧卷板进行自然冷却,或者对热轧板卷进行保温后自然冷却,从而获得超高强度超高成型性热轧纳米贝氏体钢板。例如,本发明的热轧纳米贝氏体钢板的厚度范围可以为2.5mm~10mm。
这里,终轧温度需不小于800℃,例如,840~900℃,控制这一终轧温度范围的作用或好处是:确保终轧后热轧板组织均为奥氏体,避免出现铁素体以影响板材的性能,如强度降低。终轧温度过高,则铸坯在加热时温度高,能耗大,低于800℃时可能会产生铁素体,降低材料强度。在快速冷却至贝氏体相变区步骤中,将冷却速率控制为≥10℃/s,例如,10~100℃/s,冷速过低会产生铁素体影响材料的性能,冷速过高会导致温降太大,工业生产时无法控制。将卷取温度控制为280~450℃,因为这个温度区间也是贝氏体反应时间区间,利于形成期望量的贝氏体铁素体。卷曲温度过高会产生铁素体,卷曲温度过低,则不利于贝氏体反应且可能会产生过多的马氏体,恶化板材的韧性。热轧板卷可直接冷却;热轧板卷也可进行保温后自然冷却,对热轧板卷进行保温,有利于形成力学性能更加优良的钢板。
在本发明的另一个示例性实施例中,板坯的化学成分包括:0.35~0.55%的C、0.5~2.0%的Mn、0.8~2.5%的Si+Al、S≤0.005%、P≤0.010%、N≤0.005%、选自下面的(a)、(b)、(c)、(d)和(e)项中的至少一项、以及余量Fe和不可避免的杂质,其中:(a)Cr:0.01~2.0%;(b)Mo:0.01~2.0%和/或W:0.01~2.0%;(c)Ti:0.001~0.4%、Nb:0.001~0.4%、Zr:0.001~0.4%和V:0.001~0.4%中的至少一种元素;(d)Cu:0.005~2%和/或Ni:0.005~3.0%,;(e)B:0.0001~0.005%。
本发明中,将钢中碳(C)含量控制为0.35~0.55%,优选为0.38~0.45%。其原因包括:C作为钢中最经济、最基本的强化元素,固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用,在贝氏体转变中碳通过扩散并富集到奥氏体中;并且碳含量的升高会强烈降低Ac3,从而降低加热温度节约能源。碳含量高对钢的延性、韧性和焊接性有负面影响。
本发明中,将钢中锰(Mn)含量控制为0.5~2.0%,优选为0.8~1.2%。其原因包括:作为良好的脱氧剂和脱硫剂,一定量的Mn能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性,改善钢的热加工性能;Mn还是扩大奥氏体区的元素,使γ区下移,降低Ar3温度,增大奥氏体过冷度,因而利于晶粒细化;Mn能有效的降低脆性转变温度,但Mn含量升高会降低钢的抗氧化性,同时恶化焊接性能和成型性能。此外,Mn能够防止因钢中杂质元素硫导致的脆性,并使S形成熔点较高的MnS。
本发明中,将钢中含有硅(Si)和铝(Al),并且Si和Al的含量之和控制为0.8~2.5%,优选为1.2~2.0%。其原因包括:Si和Al作为脱氧剂加入钢中,能抑制渗碳体的析出,限制渗碳体的形核和相变驱动力,而使碳配分到残余奥氏体中,提高奥氏体稳定性,提高钢的强塑积;Si含量高延长贝氏体反应时间且恶化钢的表面性能;添加适量的Al能够细化晶粒,改善钢材的强韧性能;同时Al能加速贝氏体转变速率,使贝氏体转变充分进行。此外,太低的Al含量脱氧效果不明显,贝氏体转变速率低;太高的Al含量会提高马氏体开始转变温度,从而影响卷曲温度,不利于贝氏体反应的进行,并产生夹杂。
本发明中,硫、氮、磷(S、N、P)作为钢中的杂质元素,其含量分别控制为S≤0.005%,N≤0.005%,P≤0.010%,当然,硫、氮、磷在钢中的含量越低越好。优选地,本发明中S含量控制在0.001%左右,P含量控制在0.008%左右。
以下说明本发明的钢中的可选合金元素的含量及其作用。
本发明中,将钢中铬(Cr)含量控制为0.01~2.0%,优选为0.03~0.095%,也可以为1.1~1.8%。其原因包括:铬能提高抗氧化性和耐腐蚀性,铬是中强碳化物形成元素,其不仅能通过固溶强化提高钢的强度和硬度,而且其在奥氏体中的扩散速度较慢,并阻碍碳的扩散,因而提高了奥氏体稳定性,提高钢的淬透性。
本发明中,将钢中钼(Mo)含量控制为0.01~2.0%,优选为0.04~0.18%,也可以为0.7~1.5%。钢中钨(W)含量控制为0.01~2.0%,优选为0.2~0.9%,也可以为1.1~1.8%。其原因包括:Mo、W提高钢的淬透性可有效提高钢的强度。浓度低于0.01%时,则不能获得足够的淬透性,即使大于2.0%的情况下,也不能获得额外的效果,反而会增加成本。
本发明中,可将钢中钛、铌、锆、钒含量分别控制为Ti:0.001~0.4%、Nb:0.001~0.4%、Zr:0.001~0.4%、V:0.001~0.4%;优选地,Ti含量可以为0.04~0.15%,也可以为0.20~0.35%,Nb含量可以为0.04~0.15%,也可以为0.20~0.35%,Zr含量可以为0.05~0.15%,也可以为0.20~0.35%,V含量可以为0.05~0.15%,也可以为0.20~0.35%。其原因包括:Ti、Nb、Zr、V能够使钢的晶粒细化、强度升高并且获得良好的热处理特性。Ti、Nb、Zr、V的浓度过低则起不到作用,而大于0.4%则会增加不必要的成本。
本发明中,可将钢中铜、镍含量分别控制为Cu:0.005~2%、Ni:0.005~3.0%;优选地,Cu含量可以为0.10~0.90%,也可以为1.1~1.7%,Ni含量可以为0.15~0.95%,也可以为1.3~2.5%。其原因包括:Cu能提高强度和韧性,特别是大气腐蚀性能;Cu的含量大于2.0%,则加工性可能劣化;Ni能提高钢的强度,而又保持良好的塑性和韧性;Ni的含量低于0.005%则得不到应有的作用,Ni的浓度大于2.0%,则会增加成本。
本发明中,可将钢中硼(B)含量控制为0.0001~0.005%,优选为0.0002~0.004%。其原因包括:B能抑制先析铁素体析出,细化晶粒,进一步提高钢的强度。
在本发明的另一个示例性实施例中,超高强度超高成型性热轧纳米贝氏体钢的化学成分按重量百分比计为0.35~0.55%的C、0.5~2.0%的Mn、0.8~2.5%的Si+Al、S≤0.005%、P≤0.010%、N≤0.005%以及余量Fe和不可避免的杂质,并且其微观组织以面积计由10~30%的残余奥氏体、70~90%的贝氏体铁素体、以及低于5%的铁素体和/或马氏体构成,或者其微观组织以面积计由10~30%的残余奥氏体和70~90%的贝氏体铁素体构成。优选地,超高强度超高成型性热轧纳米贝氏体钢的微观组织以面积计由13~22%的残余奥氏体、78~87%的贝氏体铁素体、以及低于3%的铁素体和/或马氏体构成。
在本发明的另一个示例性实施例中,超高强度超高成型性热轧纳米贝氏体钢的化学成分0.35~0.55%的C、0.5~2.0%的Mn、0.8~2.5%的Si+Al、S≤0.005%、P≤0.010%、N≤0.005%、选自下面的(a)、(b)、(c)、(d)和(e)项中的至少一项、以及余量Fe和不可避免的杂质,其中:(a)Cr:0.01~2.0%;(b)Mo:0.01~2.0%和/或W:0.01~2.0%;(c)Ti:0.001~0.4%、Nb:0.001~0.4%、Zr:0.001~0.4%和V:0.001~0.4%中的至少一种元素;(d)Cu:0.005~2%和/或Ni:0.005~3.0%;(e)B:0.0001~0.005%。
本发明的超高强度超高成型性热轧纳米贝氏体钢中,残余奥氏体以板条或薄膜形式存在,并且残余奥氏体宽度为20~300nm,且主要分布在100~200nm(例如,宽度在100~200nm的残余奥氏体占残余奥氏体总量约70%以上);贝氏体铁素体呈板条状,其宽度在50~300nm之间;贝氏体铁素体板条之间无碳化物析出。
总的来说,传统的纳米贝氏体钢成分合金化元素较高,增加了材料的成本,然而,本发明通过中碳成分,不加入或少加Cr、Mo、Nb等合金元素,再加入一定量的Al和Si,并综合控制热轧、卷取和冷却方式等加入工艺,从而有利于贝氏体反应充分进行,最终获得由细小的板条状纳米贝氏体铁素体以及残余奥氏体构成的复相组织。也就是说,本发明是发明人为了制造满足新型汽车大梁的性能要求而设定的,其钢材成分和加工及冷却工艺彼此相辅相成、密切关联,构成了一个整体,从而能够使得热轧板具有优良的强度、延展性、焊接性能和深冲成型性能。
下面将结合具体示例来说明本发明的示例性实施例及其技术效果。
表1示出了示例1至9的超高强度、超高成型性热轧纳米贝氏体钢的具体化学成分。表2示出了示例1至7的超高强度、超高成型性热轧纳米贝氏体钢的微观组织和力学性能情况。
示例1至3
按表1中的化学成分配比进行冶炼、浇铸成坯。随后进行热轧得到4mm厚的热轧板,热轧终轧温度为900℃,以20℃/s的冷速快冷至贝氏体相变区400±10℃后卷曲,示例1卷取温度为375±10℃,示例2的卷取温度为400±10℃,示例3的卷取温度为420±10℃,随后,自然冷却。
经检测,本示例的微观组织和力学性能情况如表2所示。示例1的热轧纳米贝氏体钢的微观组织由50~300nm宽的贝氏体铁素体板条及宽度为60~200nm的薄膜或板条状残余奥氏体组成,贝氏体铁素体板条之间无碳化物析出。示例2的热轧纳米贝氏体钢的微观组织由50~300nm宽的贝氏体铁素体板条及宽度为60~200nm的薄膜或板条状残余奥氏体组成,贝氏体铁素体板条之间无碳化物析出。示例3的热轧纳米贝氏体钢的微观组织由50~300nm宽的贝氏体铁素体板条及宽度为60~200nm的薄膜或板条状残余奥氏体组成,贝氏体铁素体板条之间无碳化物析出。
表1 本发明各示例的热轧纳米贝氏体钢的化学成分
注:“-”表示基本不含有该元素。
表2 本发明各示例的热轧纳米贝氏体钢的微观组织和力学性能
注:“含量”以面积%计。
示例4-5
按表1中的化学成分配比进行冶炼、浇铸成坯。随后进行热轧得到3mm厚的热轧板,热轧终轧温度为880℃,以30℃/s的冷速快冷至贝氏体相变区400±10℃后卷曲,卷取温度为400±10℃,随后,自然冷却。
经检测,本示例的微观组织和力学性能情况如表2所示。示例4-5的热轧纳米贝氏体钢的微观组织由纳米尺度50~200nm的贝氏体铁素体板条及宽度为60~300nm薄膜或板条状残余奥氏体组成,贝氏体铁素体板条之间无碳化物析出。
本示例的热轧纳米贝氏体钢可通过冲压成型制造新型超高强度汽车大梁。
示例6-7
按表1中的化学成分配比进行冶炼、浇铸成坯。随后进行热轧得到4mm厚的热轧板,热轧终轧温度为900℃,以40℃/s的冷速快冷至贝氏体相变区400±10℃后卷曲,卷取温度为400±10℃,随后,在缓冷坑中自然冷却。
经检测,本示例的微观组织和力学性能情况如表2所示。本示例的热轧纳米贝氏体钢的微观组织由纳米尺度50~300nm的贝氏体铁素体板条及宽度为60~200nm薄膜或板条状残余奥氏体组成,贝氏体铁素体板条之间无碳化物析出。
示例8-9
按表1中的化学成分配比进行冶炼、浇铸成坯。随后进行热轧得到4mm厚的热轧板,热轧终轧温度为900℃,以20℃/s的冷速快冷至贝氏体相变区400±10℃后卷曲,卷取温度为400±10℃,随后,在缓冷坑中自然冷却。
经检测,本示例的微观组织和力学性能情况如表2所示。本示例的热轧纳米贝氏体钢的微观组织由纳米尺度50~300nm的贝氏体铁素体板条及宽度为60~200nm薄膜或板条状残余奥氏体组成,贝氏体铁素体板条之间无碳化物析出。
由表2可见,本发明的热轧纳米贝氏体钢具有优异的力学性能,例如,其屈服强度可以≥730MPa,抗拉强度可以≥1020MPa,总延伸率≥26%。本示例的热轧纳米贝氏体钢可通过冲压成型制造新型超高强度汽车大梁。
示例1至9的热轧纳米贝氏体钢均可通过冲压成型制造质量合格的新型超高强度汽车大梁。
综上所述,本发明的超高强度、超高成型性热轧纳米贝氏体钢及其生产方法具有以下有益效果:成品为热轧板,无需额外的热处理,节约了加热成本;钢的微观组织为含有残余奥氏体的复相组织,通过复相效应获得高的强度,以残余奥氏体的TRIP效应提高材料延性,以获得良好的强度与延性的匹配;钢中的残余奥氏体具有很高的稳定性,对提高材料的延性起到很好的作用;力学性能优异,冲压成型性能优异,尤其适合于制作高强度或超高强度汽车大梁。
尽管上面已经结合附图和示例性实施例描述了本发明,但是本领域普通技术人员应该清楚,在不脱离权利要求的精神和范围的情况下,可以对上述实施例进行各种修改。