CN106119493A - 具有优良塑性的超高强度中锰汽车钢板及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有优良塑性的超高强度中锰汽车钢板及制备方法，属于第三代高强汽车用钢板卷的生产技术领域，化学成分百分数为：0.3‑0.5wt％C，8‑12wt％Mn，1.8‑3.5wt％Al，0.25‑0.7wt％V，P≤0.008wt％，S≤0.08wt％，余量为Fe及不可避免的不纯物。通过合理的化学成分和工艺设计实现析出强化、形变诱导相变强化、孪晶强化等多种强化机制的综合应用，进而获得超高强度。通过热轧→酸洗→温轧→罩式退火工艺可以获得抗拉强度超过1500MPa、强塑积20‑40GPa％的钢板；或者热轧→热轧退火→酸洗→冷轧→连续退火工艺可以获得抗拉强度超过1200MPa、强塑积35‑65GPa·％的冷轧钢板。

Description

具有优良塑性的超高强度中锰汽车钢板及制备方法
技术领域
本发明属于第三代高强汽车用钢板卷的生产技术领域，特别是提供了一种具有优良塑性的超高强度中锰汽车钢板及制备方法。是基于多种强化机制，将成分与组织控制相结合的设计理念来开发的新钢种，着重通过不同的轧制工艺控制和成分设计获得超细晶粒和亚微米级析出相，并且采用适宜的临界区退火处理获得铁素体和奥氏体等多相组织，通过析出强化、形变诱导相变强化和孪晶强化手段获得的新型具有优良塑性的超高强度汽车钢板的制备工艺。
背景技术
随着汽车工业的飞速发展，人们在享受交通便利的同时，也遭受着汽车带来的大气污染和资源浪费。汽车钢轻量化、高强化是汽车安全、长寿、低成本和节能减排的必然趋势。第一代汽车钢(AHSS，IF，BH，DP，TRIP和马氏体钢等)平均15-20GPa·％的强塑积不能满足日益增长的汽车安全碰撞系数和冲压零部件优良成型性的需求，第二代汽车钢(TWIP，奥氏体不锈钢等)具有优良的机械性能强塑积可达60GPa·％，但由于材料成本或工艺成本过高难以大规模生产。在此基础上美国的Krupitzer和Heimbuch提出第三代汽车钢的概念，即该钢不但具有良好的强度和塑性(强塑积可达到30GPa·％)，而且其合金含量远远低于第二代汽车钢，实现了轻量化、低成本、高安全的多重要求。锰含量为5％～12％的中锰钢以其低廉的成本、相对小的密度和优良的力学性能受到了各国科学家的广泛关注，并被认为是最有前景的第三代先进汽车用钢之一。现有中锰钢的研究大多采用不同的技术手段进行组织控制获得含有稳定残余奥氏体的复相组织，通过变形过程中残奥的TRIP效应提升汽车钢板的强度和成型性。
目前针对中锰体系的汽车用钢国内学者已经进行了深入的研究，比如中国专利文献中申请号为201310507894.9的专利公开了0.1-0.4％C+3-8％Mn成分体系的中锰钢经热连轧→冷轧→连续退火可以得到抗拉强度980MPa和1180MPa两种级别的钢板；申请号201210429409.6的专利公开了0.05-0.45％C+2.5-8％Mn的中锰钢经热轧→退火或者热轧→冷轧→两段式退火可得到强度在0.6-1.2GPa，延伸率范围45-20％的钢板；200910091129.7和201110005359.4的专利公开了0.01-0.50％C+3.50-9％Mn的中锰钢经经热轧→罩式退火→冷轧→罩式退火或连续退火可以得到强度0.7-1.3GPa，延伸率55-30％的钢板；201210261920.X的专利公开了0.11-0.30％C+0.1-2.0％Si+5-10％Mn的中锰钢经热轧→卷取→罩式炉退火→冷轧→连续退火工艺可以得到抗拉强度1000MPa级别、强塑积30GPa％的钢板。
由上可见，虽然中锰TRIP钢通过不超过9％Mn含量的成分，可以获得良好的塑性，且强塑积达到了30GPa·％以上，但是其屈服强度一般<700MPa，且抗拉强度一般在1000Pa之内，不超过1300MPa以下，严重阻碍了汽车进一步轻量化的进程。因此在更高强度级别的汽车用钢板技术还是个空白。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有优良塑性的超高强度中锰汽车钢板及制备方法，解决了上述问题。
本发明采用成分与组织控制相结合的设计理念，在进一步优化和窄化中锰钢碳和锰成分含量基础上，添加微合金强化元素V，通过显著的析出强化效果提高屈服和抗拉强度(图1)；并且通过热-机械处理和临界退火处理获得超细晶粒、双相组织，并使C和Mn元素在残留奥氏体相中富集到一定程度，导致残余奥氏体有足够的稳定性以保证钢板在变形过程中奥氏体相会发生TRIP(相变诱导塑性)或TWIP(孪生诱导塑性)效应(图2-3)，从而最终获得超高强度且塑性优良的汽车钢板。本发明设计了两种工艺得到不同拉伸性能结合的钢板，一是温轧钢板经过罩式退火5h以上后，得到超高强度1500MPa级别钢板，其屈服强度≥1000MPa，抗拉强度≥1500MPa，延伸率为15％-22％，强塑积为20-40GPa·％；二是冷轧钢板经700-800℃连续退火5-10min后，得到强度级别1200MPa以上的超高强度高塑性钢板，其屈服强度为750-1100MPa，抗拉强度为1200-1600MPa，延伸率为20-50％，强塑积达到20-70GPa·％。
本发明的创新之处在于将多种强化手段(细晶强化、沉淀强化、形变诱导相变强化和孪晶强化)与双相钢的生产工艺相结合，着重通过改变不同的轧制和退火工艺在显著提高汽车钢板强度的同时，保证了良好的成型性。
本发明的钢板化学成分设计
钢板的化学成分借鉴罗海文教授等开发的双相、孪生诱导塑性、超高强度汽车钢板(申请公开号为201410669029.9)的化学成分基础上进行优化，添加合金元素V，各个元素的比例为：0.3-0.5wt％C，8-12wt％Mn，1.8-3.5wt％Al，0.25-0.7wt％V，P≤0.008wt％，S≤0.08wt％，余量为Fe及不可避免的不纯物。其中V元素的添加一方面可以细化晶粒，另一方面通过形成纳米尺度的析出物起到沉淀强化的作用，之前的应用V的微合金化多用于BCC类型组织的钢中进行沉淀强化，而多相组织钢的屈服通常都是在较软相中开始的，因此只进行某一相的选择性强化可能并不会显著提高钢的屈服强度；而本发明中V的添加可导致FCC和BCC类型两种不同结构的组织中都可以进行纳米尺度的析出沉淀强化，从而使得基体的屈服强度大幅度提高。
该钢板还可以包括以下Ni：0.1-3.0wt％、Cr：0.2-3.0wt％、Mo：0.1-0.8wt％、Si：0.3-2.3wt％、Cu：0.5-2.0wt％、B：0.0005-0.005wt％、Nb：0.02-0.10wt％、[N]：0.002-0.25wt％、Ti：0.05-0.25wt％、RE稀土：0.002-0.005wt％或Ca：0.005-0.03wt％中的一种或多种混合。
通过合理的化学成分和工艺设计实现析出强化、形变诱导相变强化、孪晶强化等多种强化机制的综合应用，进而获得超高强度。通过热轧→酸洗→温轧→罩式退火工艺可以获得抗拉强度超过1500MPa、强塑积20-40GPa％的钢板；或者热轧→热轧退火→酸洗→冷轧→连续退火工艺可以获得抗拉强度超过1200MPa、强塑积35-65GPa·％的冷轧钢板。
本发明的超高强汽车板的制备工艺
步骤1按照上述化学成分百分比分别称取原料，通过转炉、电炉或感应炉冶炼获得钢液；
步骤2将步骤1所获得的钢液，通过连铸生产得到铸坯或模铸生产得到铸锭；
步骤3热轧。将铸坯或铸锭经1100-1250℃加热，经粗轧机进行3-10道次轧制，热轧到30-50mm厚度规格，在温度为1000-1100℃进入热连轧机组进行5-7道次轧制到3-10mm，轧后在550-700℃卷取。
步骤4本步骤分为两个工艺路线，温轧→罩式退火或者冷轧→连续退火。
温轧：首先将步骤3制得的热轧板卷进行酸洗处理，然后将酸洗过后的热轧板卷在250℃-700℃之间某一温度保温5-10min，在冷轧机带温轧制到1.5-2mm后，卷取，然后空冷至室温。当加热温度较高时(500-700℃)，需要注意钢板离开加热炉后温降明显，其具体加热温度的选择要保证钢卷在出炉后，经过温降，仍能保证至轧机时的第一道次轧制温度≥450℃，在高加热温度时的保温时间要短于低加热温度，避免在加热时钢板氧化。经过3-8道次轧制到1.5-2mm后，温轧压下率在30-70％之间，卷取，然后空冷至室温。
冷轧：首先将步骤3制得的热轧板卷在650-700℃罩式退火5-10h，空冷至室温，然后对热轧板进行酸洗处理，将酸洗过后的热轧板卷进行5-25道次冷轧，至1.5-2.0mm，冷轧压下率在50-65％之间。
步骤5将温轧后的板卷在600-650℃罩式退火5-50h，然后空冷至室温，得到屈服强度：1000-1200MPa，抗拉强度:1500-1800MPa，延伸率为15％-22％，强塑积为20-40GPa·％的10Mn超高强汽车钢板；冷轧钢板在700-800℃连续退火5-10min后得到屈服强度为750-1100MPa，抗拉强度为1100-1600MPa，延伸率为35-65％，强塑积达到35-65GPa·％的具有优良塑性的超高强汽车钢板；
温轧板罩式退火或者冷轧板连续退火后，优秀的力学性能归因于热-机械处理获得的超细晶双相组织和V的添加带来的沉淀强化效应，其适当的奥氏体稳定性可以在变形过程中发生TRIP或TWIP效应，同时提高汽车钢板的强度和塑性，而温轧工艺获得的强度更高，是由于温轧时的再结晶可得到更为细小的铁素体和奥氏体晶粒，在退火后还很稳定，有助于屈服强度的进一步提高。
本发明生产的汽车钢板的屈服强度可以达到了千兆帕级，且抗拉强度已经明显超越了现有汽车用马氏体钢，并且延伸率明显高于马氏体钢。这为汽车钢的进一步轻量化提供了生产依据。
附图说明
图1为本发明生产的温轧板中含V析出相均匀弥散的分布在奥氏体和铁素体晶粒内的透射电镜照片。
图2为本发明生产的温轧板断口附近的相变马氏体组织(a)及其衍射斑点(b)的透射电镜照片。
图3为本发明生产的温轧板断口附近的形变孪晶组织(a)和其衍射斑点(b)的透射电镜照片。
具体实施方式
实施例
下面就实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
表1发明钢化学成分
成分 C％ Mn％ Al％ P％ S％ V％ Nb％
A 0.47 9.97 1.85 <0.005 <0.005 0.7 -
B 0.38 11.69 3.14 <0.005 <0.005 0.72 0.1
C 0.30 8.96 2.5 <0.005 <0.005 0.3 -
D 0.35 8.21 2.56 <0.005 <0.005 0.31 0.03
1冶炼浇铸：实施例采用表1所示化学成分百分比称取原料，通过感应炉冶炼浇注成锭后，热锻成50mm厚的板坯；
2粗轧：将热锻后的板坯在1150℃固溶2.5个小时，开轧温度1000℃，4-7道次轧完，终轧温度800℃(4mm厚)，轧后在550-700℃卷取；
3温轧或冷轧：将A，B钢热轧板卷酸洗后在250℃，400℃，600℃，750℃，800℃进行不同压下量(50％，63％)的温轧处理；将C钢的热轧板卷在650℃软化退火10h，D钢热轧板卷700℃软化退火5h，然后酸洗后都进行冷轧，压下量分别为50％，63％。
4退火：将经过不同温轧工艺轧制的A钢和B钢在600-650℃之间不同的退火温度进行罩式退火5h，C钢和D钢在700-800℃之间进行5-10min的连续退火，空冷后加工成标准样品进行拉伸实验。表2中试验号中字母对应的是表1中的各个成分。四个成分不同退火和轧制试验方案所获得的机械性能也列入表2，力学性能指标均是取自2-3个拉伸试样的平均值。
表2A，B，C和D钢板经过不同轧制工艺和亚临界退火后的力学性能
(表中试验号字母对应表1中的成分)
由表2看出，其中A1、A4、A5、A8、A9、A10、A11、A12、A14、B2、B4、B5、B6温轧板经过罩式退火后的屈服强度均超过1GPa，抗拉强度在1500MPa以上，其强度性能接近现有的热成型钢，而同时都有良好的塑性，其强塑积在30GPa·％附近；C2、C3、C4、C5、D2、D3、D4和D5的冷轧板经过短时间连续退火后的强度在1200-1600MPa之间，并且有非常出众的延展性，强塑积最高可以达到65GPa·％。上述两个工艺所得到的钢板的力学性能要领先于现有报道的产品性能。

Claims (3)

1.一种具有优良塑性的超高强度中锰汽车钢板，其特征在于，钢板的化学成分比例为：0.3-0.5wt％C，8-12wt％Mn，1.8-3.5wt％Al，0.25-0.7wt％V，P≤0.008wt％，S≤0.08wt％，余量为Fe及不可避免的不纯物。
2.如权利要求1所述的具有优良塑性的超高强度中锰汽车钢板，其特征在于，该钢板还包括Ni：0.1-3.0wt％、Cr：0.2-3.0wt％、Mo：0.1-0.8wt％、Si：0.3-2.3wt％、Cu：0.5-2.0wt％、B：0.0005-0.005wt％、Nb：0.02-0.10wt％、[N]：0.002-0.25wt％、Ti：0.05-0.25wt％、RE稀土：0.002-0.005wt％或Ca：0.005-0.03wt％中的一种或多种混合。
3.一种权利要求1或2所述的具有优良塑性的超高强度中锰汽车钢板的制备方法，其特征在于，工艺步骤及控制的技术参数如下：
(1)按化学成分百分比分别称取原料，通过转炉、电炉或感应炉冶炼获得钢液；
(2)将步骤(1)所获得的钢液，通过连铸生产得到铸坯或模铸生产得到铸锭；
(3)热轧：将铸坯或铸锭经1100-1250℃加热，经粗轧机进行3-10道次轧制，热轧到30-50mm厚度规格，在温度为1000-1100℃进入热连轧机组进行5-7道次轧制到3-10mm，轧后在550-700℃卷取；
(4)温轧→罩式退火或者冷轧→连续退火：
温轧：首先将步骤3制得的热轧板卷进行酸洗处理，然后将酸洗过后的热轧板卷在250℃-700℃之间某一温度保温5-10min，在冷轧机带温轧制到1.5-2mm后，卷取，然后空冷至室温；当加热温度500-700℃时，需要注意钢板离开加热炉后温降明显，其具体加热温度的选择要保证钢卷在出炉后，经过温降，仍能保证至轧机时的第一道次轧制温度≥450℃；在高加热温度时的保温时间要短于低加热温度，避免在加热时钢板氧化；经过3-8道次轧制到1.5-2mm后，温轧压下率在30-70％之间，卷取，然后空冷至室温；
冷轧：首先将步骤3制得的热轧板卷在650-700℃罩式退火5-10h，空冷至室温，然后对热轧板进行酸洗处理，将酸洗过后的热轧板卷进行5-25道次冷轧，至1.5-2.0mm，冷轧压下率在50-65％之间。
步骤5将温轧后的板卷在600-650℃罩式退火5-50h，然后空冷至室温，得到屈服强度：1000-1200MPa，抗拉强度:1500-1800MPa，延伸率为15％-22％，强塑积为20-40GPa·％的10Mn超高强汽车钢板；
冷轧钢板在700-800℃连续退火5-10min后得到屈服强度为750-1100MPa，抗拉强度为1100-1600MPa，延伸率为35-65％，强塑积达到35-65GPa·％的具有优良塑性的超高强汽车钢板。
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