CN105316597A - 高强度热轧钢材 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强度热轧钢材，以总重为100wt％计算，包括0.01～0.25wt％的碳、0.50～3.00wt％的锰、0.3～1.0wt％的铜、0.2～0.5wt％的镍、0.05～0.30wt％的钛、0.02～0.07wt％的钒、0.1～0.3wt％的铬以及0.0020～0.0150wt％的氮，而钛与氮的含量比值大于3.42，且该钢材的显微结构包含肥粒铁相及高碳相，该肥粒铁相的面积比率为90％以上。由此，可产生非常大量的析出物，而发挥最大的析出强化效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢材，特别涉及一种高强度热轧钢材。
背景技术
已知的高强度汽车用钢材的开发，大多朝向晶粒细化来发展。通常欲获得粒径小于5微米的晶粒，较常使用的方式是采用相变化来达成，例如添加钼、硼等元素来产生变韧铁相变化。然而，研究结果发现，以变韧铁为主要显微组织的钢材的伸长率不佳，因此，于常温下不易加工成形，故目前冷加工成形的高强度钢材已多数转为以肥粒铁为主要相的方向进行发展。
现有以肥粒铁为主要相的冷加工成形高强度钢材，以双相钢(Dual-PhaseSteel)最为著名，双相钢主要是通过轧延时的冷却控制，而在肥粒铁的基相中散布着10～30％的麻田散铁，此双相钢的抗拉强度为300MPa～900MPa。然而，实际使用时发现，当麻田散铁等低温相变化产物的含量越多时，虽可有效增加强度，却会导致加工性变差，因此，双相钢需运用阶段冷却方式来控制钢材中的麻田散铁的量，以取得符合后续应用的强度及加工性。然而，对热轧的连续轧延、冷却及盘卷制程而言，阶段冷却的控制相当不易，通常无法取得符合业界要求的加工性。
台湾公告专利第I373532号“高强度热轧钢材及其制法”公开了一种晶粒微米化与析出纳米化的冶金设计，其利用Ti-V复合添加的方式制作热轧钢材，不过此种设计钢材的抗拉强度达880Mpa时，就几乎已经达到极限，若要进一步增加强度就必须再增加Ti、V、C的添加量，因为其强度增加主要来自于碳化物的产生，碳化物析出量越多，强度越高。只是，Ti-V的添加量增加，钢胚在热轧时的再热温度就必须设定越高，以将钢胚中的(Ti,V)C固溶，而太高的再热温度除了消耗更多的能源，同时也可能造成晶粒的不正常成长。此外，为了促进碳化物析出而提高碳含量，也可能促进晶界上析出雪明碳铁，造成使用伸长率下降，并导致加工性不佳。
因此，有必要提供一种创新且具进步性的高强度热轧钢材，以解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种高强度热轧钢材，以总重为100wt％计算，包括0.01～0.25wt％的碳、0.50～3.00wt％的锰、0.3～1.0wt％的铜、0.2～0.5wt％的镍、0.05～0.30wt％的钛、0.02～0.07wt％的钒、0.1～0.3wt％的铬以及0.0020～0.0150wt％的氮，而钛与氮的含量比值大于3.42，且该钢材的显微结构包含肥粒铁相及高碳相，该肥粒铁相的面积比率为90％以上。
本发明的高强度热轧钢材可产生非常大量的析出物，而发挥最大的析出强化效果。此外，由于本发明的高强度热轧钢材组织主要是肥粒铁相(90％以上)，因此可具备良好的冷加工成形性。
为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明所述目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举优选实施方案，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1显示本发明高强度热轧钢材的显微组织照片；及
图2显示本发明高强度热轧钢材中大量析出物的显微照片。
具体实施方式
本发明提供一种高强度热轧钢材，以总重为100wt％计算，包括0.01～0.25wt％的碳、0.50～3.00wt％的锰、0.3～1.0wt％的铜、0.2～0.5wt％的镍、0.05～0.30wt％的钛、0.02～0.07wt％的钒、0.1～0.3wt％的铬以及0.0020～0.0150wt％的氮。该钢材的显微结构包含肥粒铁相及高碳相，该肥粒铁相的面积比率为90％以上，且该肥粒铁相的粒径为1至5微米。在本实施方案中，该高强度热轧钢材还具有多个分散于该肥粒铁相中的析出物，这些析出物含有碳化物及富铜相(ε-Cu)粒子。优选地，碳化物的粒径为20纳米以下，而富铜相(ε-Cu)粒子的粒径为30纳米以下。
上述提及的各种成分分别具有不同的作用，在本发明中，除了碳、锰、铜、镍、钛、钒、铬及氮为主要成分之外，其余成分可依据实际需要进行添加。以下分别针对各种成分及其含量比例对该高强度热轧钢材的影响进行说明：
碳：为钢材中重要的强化元素，且也是决定纳米析出物的重要元素。当碳含量太低时，析出物不易生成。当碳含量太高时，则析出物容易粗化，使得钢材强度太强，也可能会使钢材的硬化能提高而容易产生变韧铁或麻田散铁，进而使得该钢材的伸长率降低。因此，优选地，碳含量应控制在0.01～0.25wt％。
锰：为钢材中重要的固溶强化元素，用以提高钢材强度。当锰含量太高时，会造成钢材的成形性不佳。因此，优选地，锰含量应控制在0.50～3.00wt％。
铜：为钢材中重要的固溶强化与耐候元素，本发明利用铜(Cu)在500～650℃所产生的富铜相(ε-Cu)析出物来提高钢材强度。优选地，铜含量应控制在0.3～1.0wt％。
镍：为钢材中重要的固溶强化元素，添加镍可避免因铜的添加而造成钢胚于高温产生热裂。优选地，镍含量应控制在0.2～0.5wt％，且镍含量应为铜含量的1/2。
氮：为固溶强化元素，且氮与钛的结合性良好，在超过1400℃以上的高温就会开始形成氮化钛(TiN)。本发明主要通过氮化钛的生成及运用氮化钛的高温稳定性，在热轧加热炉内阻止沃斯田铁晶粒的过度成长。然而，当氮含量太高时，会造成氮化钛过度粗化而成为破坏起始源。因此，优选地，氮含量应控制在0.0020～0.0150wt％。
钛：为常用的析出强化元素，钛除了可于高温产生氮化钛外，也可在喷水冷却的热轧盘卷过程中，产生碳化钛(TiC)析出。优选地，钛与氮的含量比值大于3.42，以使钛的过饱和度提高，并可在短时间内大量成核产生纳米级析出物，进而达到析出强化的目的。然而，当钛含量太高时，会使得析出的碳化钛粗化，并让析出强化效果下降。因此，优选地，钛含量应控制在0.05～0.30wt％。
硅：为固溶强化元素，硅可延迟雪明碳铁的析出，使得过饱和的碳得以产生大量纳米级析出物。
磷：属于钢材中的不纯物，容易偏析至晶界，造成晶界脆化。当磷含量过高时，容易造成热轧延时的边裂，且产品在使用时也会产生脆性问题。因此，优选地，磷含量应控制在0.02wt％以下。
硫：属于钢材中的不纯物，在高温时可能产生TiS、Ti4C2S2与MnS，其中TiS及Ti4C2S2会消耗所添加的钛，而MnS受轧延后会呈长条状，成为破坏起始源。因此，优选地，硫含量应控制在0.005wt％以下。
钒：为常用的析出强化元素，当添加适量钒时，可延后TiC析出物的粗大，使得TiC可保持纳米级尺寸并大量分散于肥粒铁相中。然而，当钒含量太高时，则容易让析出物粗化。因此，优选地，钒含量应控制在0.02～0.07wt％。
铬：为提高钢材硬化能与提升耐蚀性的重要元素，同时也是析出强化元素。添加铬的目的是通过铬与碳的良好亲和性，以延迟雪明碳铁的析出。
铝：主要用来作为炼钢时进行脱氧。当铝含量低于0.01wt％时，将造成脱氧不足；当铝含量高于0.30wt％时，将影响成形性。因此，优选地，铝含量应控制在0.01～0.30wt％。
本发明的高强度热轧钢材的制作方式可依据一般熔炼制程进行，例如选用适当含量的元素组分与铁进行熔炼后，再予以造块或连铸成钢胚。
为了让钢胚中的钛能在后续热轧步骤中产生纳米析出物，可先将钢胚放置于再加热炉中，并将再加热温度控制在1150℃以上，以使钢胚中的TiC完全固溶，进而在后续的热轧步骤中，得以重新析出纳米级TiC。且在此高温下，由于还有稳定的TiN存在，故可有效抑制沃斯田铁晶粒成长。优选地，该再加热温度为1150至1300℃。
在钢胚的热轧步骤中，可运用一般轧延机进行热轧，而完轧温度应控制在Ar3温度以上。原因在于当完轧温度低于Ar3温度时，热轧步骤将会在两相区中进行，使得肥粒铁相提早生成而导致肥粒铁相的晶粒产生粗化现象，以致无法获得微米级肥粒铁相晶粒。因此，完轧温度应控制在Ar3温度以上，且优选地，完轧温度为Ar3温度至950℃。
在粗制钢材的冷却步骤中，优选地，完轧后的粗制钢材以每秒20℃的冷却速率进行快速冷却，以避免轧延所产生的缺陷会被回复，同时可降低肥粒铁的变态温度，进而有助于获得1至5微米的肥粒铁晶粒，如图1所示，其显示本发明高强度热轧钢材的显微组织照片。
此外，盘卷温度还需控制在550至680℃，原因在于此温度范围是TiC在肥粒铁相中的主要析出温度，所以在此温度范围进行盘卷后，可运用盘卷后缓慢地冷却，使TiC有足够的时间大量析出，同时通过其他组分来避免析出物过度成长，因而可获得粒径为20纳米以下的碳化物，如图2所示，其显示本发明高强度热轧钢材中大量析出物的显微照片。另外，在盘卷缓冷的过程中，富铜相(ε-Cu)粒子也会产生析出，其粒径为30纳米以下。
现在以下列实施例予以详细说明本发明，但并不意味本发明仅局限于这些实施例所公开的内容。
[发明例1～2及比较例1～2]
依据表1的成分进行调配，再预先进行真空熔炼并浇铸制得钢胚。钢胚在高温炉中，以1200℃的再热温度进行加热，以获得经加热的钢胚。在轧延机中对经加热的钢胚进行热轧步骤，再以870℃的完轧温度将钢胚轧延至5毫米厚，以获得完轧钢材。完轧钢材以每秒30℃的冷却速率进行冷却步骤及以570℃的盘卷温度进行盘卷步骤，最后制得发明例1～2及比较例1～2的热轧钢材。
表1.发明例1～2及比较例1～2的钢材成分及测试结果
[测试]分别针对发明例1～2及比较例1～2的以下性质进行测试：
1.屈服强度(YieldStrength)：依据标准方法CNS2112,G2014进行测试，单位为MPa。
2.抗拉强度(TensileStrength)：依据标准方法CNS2112,G2014进行测试，单位为MPa。
3.伸长率(Elongation)：依据标准方法CNS2112,G2014进行测试。
发明例1～2及比较例1～2的测试结果如表1所示。由表1的测试结果可发现，发明例1～2的屈服强度及抗拉强度皆明显优于比较例1～2，且发明例1～2的伸长率皆大于16％。
上述结果证明本发明的高强度热轧钢材因可产生非常大量的析出物，故可发挥最大的析出强化效果。此外，由于本发明的高强度热轧钢材组织主要是肥粒铁相(90％以上)，因此可具备良好的冷加工成形性。
上述实施例仅用于说明本发明的原理及其功效，并非限制本发明，因此本领域技术人员对上述实施例进行修改及变化仍不脱本发明的精神。本发明的权利范围应如所附权利要求书所列。
Claims (6)
1.一种高强度热轧钢材，以总重为100wt％计算，包括0.01～0.25wt％的碳、0.50～3.00wt％的锰、0.3～1.0wt％的铜、0.2～0.5wt％的镍、0.05～0.30wt％的钛、0.02～0.07wt％的钒、0.1～0.3wt％的铬以及0.0020～0.0150wt％的氮，而钛与氮的含量比值大于3.42，且该钢材的显微结构包含肥粒铁相及高碳相，该肥粒铁相的面积比率为90％以上。
2.权利要求1的高强度热轧钢材，
其中该肥粒铁相的粒径为1至5微米。
3.权利要求1的高强度热轧钢材，
还具有多个分散于该肥粒铁相中的析出物，这些析出物含有碳化物及富铜相(ε-Cu)粒子。
4.权利要求3的高强度热轧钢材，
其中碳化物的粒径为20纳米以下。
5.权利要求3的高强度热轧钢材，
其中富铜相(ε-Cu)粒子的粒径为30纳米以下。
6.权利要求1的高强度热轧钢材，
其中镍含量为铜含量的1/2。
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