CN106636899A - 一种1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢的制造方法 - Google Patents

一种1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢的制造方法 Download PDF

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Abstract

一种1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢的制造方法，包括以下步骤：（1）熔炼并浇铸铸坯，成分为C 0.19~0.25%，Si 1.3~1.6%，Mn 1.5~1.75%，Nb 0.045~0.05%，Al 0.01~0.05%，P≤0.010%，S≤0.010%，其余为Fe；（2）在1200±30℃加热2~3h后热轧；（3）酸洗后冷轧；（4）870~950℃保温5~120s进行奥氏体化；（5）冷却至360~420℃并保温150~500s后，再冷却至室温。本发明通过合理优化成分设计，利用快速加热和后续的超快速冷却连续退火工艺，可细化组织，提高组织的均匀性，保证材料的高的强塑性和局部成形性。

Description

一种1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢的制造方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢的制造方法。
背景技术
汽车的行驶阻力与车重成正比，车重增加，会使油耗大部分消耗在自重上，在100公里时速以下，重量因素决定80%的油耗。国际铝业协会报告指出，汽车自重每减少10%，燃油消耗可降低6~8%。因此轻量化是节油的重要途径；《中国制造2025》十大领域之节能与新能源汽车领域明确提出发展轻量化材料，形成从关键零部件到整车的完整工业体系和创新体系。当前汽车发展的新方向电动化、智能化、轻量化，智能化与互联网相结合更好的服务人类，而电动化、轻量化主要是更有效的节能减排，同时轻量化又是助力电动化发展的重要因素。目前电动化技术不完善且整个车身重量中钢铁占约70%，因此迫切需要开发高强钢取代传统钢达到节能减排的同时提高碰撞安全性能。
目前轻量化主要通过轻量化材料、汽车车身结构、新的加工工艺，但是随着先进高强钢的应用，原有的汽车加工工艺已不在适用，高强钢板成形时相对低碳钢容易出现破裂、起皱和回弹缺陷，冲压成形难度大，如汽车零部件在扩孔翻边或弯曲加工时局部易发生开裂，从而影响整个零件的冲压效果，导致报废。随着汽车设计对底盘结构的要求日益提高，零件成形更加复杂，对钢板的翻边和扩孔性能要求有所提高。高扩孔高强钢已成为汽车钢板的一个重要品种之一。
美国专利US20050167007A1介绍了一种高强度钢板的制造方法，其化学成分重量百分比，C：0.05-0.13 ％，Si：0.5-2.5 ％，Mn：0.5-3.5 ％，Cr：0.05-1 ％，Mo：0.05-0.6％，Al≤0.1 ％，S≤0.005％，N≤0.01％，P≤0.03％ ，添加Ti ：0.005-0.05％或Nb ：0.005-0.05％或V：0.005-0.2％。该钢经Ar3 温度以上热轧，450-700℃卷取，退火后以100℃/s 的冷速从700-600℃冷却淬火，然后在 180-450℃之间回火。最终得到抗拉强度780Mpa， 扩孔率≥50％的高强钢；但是该方法制造的钢板抗拉强度仅为780MPa，很难满足汽车厂高强度的要求。
中国专利CN105543674A，介绍了一种高局部成形性能的冷轧超高强双相钢的制造方法，工艺步骤为 ：（1）按照重量百分比为 ：C：0.08-0.12%，Si：0.1-0.5%，Mn：1.5-2.5%，Al：0.015-0.05%，其余为 Fe 及不可避免杂质元素的化学成分选配原料，熔炼成铸坯 ；（2）将铸坯在1150-1250℃加热1.5-2 小时后进行热轧，轧后以50-200℃/s 的冷却速度冷却至450-620℃进行卷取 ；（3）将热轧钢板进行冷轧，随后以 50-300℃/s 的速度加热至 740-820℃进行退火，以 2-6℃/s的冷速冷至 620-680℃，之后以30-100℃ /s 的冷速冷至250-350℃过时效3-5min，得到超高强双相钢。但是该方法获得双相钢组织铁素体和马氏体强度差别太大，在成形复杂零件时存在易开裂的问题。
中国专利CN105648317A介绍了一种高强度高塑性中锰 Q&P 钢冷轧退火板及其制备工艺，退火板化学组分及重量百分含量分别为：C： 0.1-0.3%，Si：0.8-2.0%，Mn：4.0-8.0%，P≤ 0.01%，S≤ 0.01%，N ≤0.01%，其余为铁以及不可避免的杂质 ；制备工艺包括冶炼、热轧、退火、冷轧和最终热处理。，钢板抗拉强度900-1300MPa，塑性24-37%；但是该方法添加了如此高的Mn含量，极易造成带状组织，不利于保证组织均匀性，易造成局部成形开裂问题。
中国专利CN105506478A，介绍了一种高成形性的冷轧超高强度钢板、钢带及其制造方法，成分重量百分比为：C：0.15-0.35％，Si：1.0-2.0 ％，Mn：1.6-2.6 ％，Mo：0.1-0.4％，P≤0.02％，S≤0.004％，N≤0.005％，Nb：0.015-0.04％，Ti：0.02-0.06 ％，Al ：0.015-0.045％，B：0.0003-0.001％，且，B≥ P％/30，其余为 Fe和不可避免杂质，该方法冷轧超高强钢板抗拉强度≥980MPa，延伸率≥15％，扩孔率≥40％，性能均衡；但是为了最终获得该发明钢低屈服、高延伸和高扩孔率的均衡性性能，该发明钢中还添加 Mo、B、Ti、Nb 等合金元素和微合金元素，增加了钢厂的生产成本，不利于大规模工业化生产。
中国专利CN 103602890 A，介绍了一种抗拉强度 540MPa 级高扩孔钢板及其制造方法，其化学成分重量百分比为：C：0.02~0.1%，Si ：0.1~1.2%，Mn ：1.5 ~2.20%，P ≤0.02%， S ≤ 0.003%， Al ：0.020~0.060%，Nb ：0.005~0.05%， Ca≤ 0.0050% 其余是 Fe和不可避免的杂质 ，虽然该方法高扩孔钢板扩孔率λ≥45%，但是抗拉强度最大仅为570MPa，远远没有达到1000MPa级。
发明内容
本发明的目的在于提供一种1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢的制造方法，通过成分设计及轧制工艺及退火处理的整合，保证产品性能的同时，降低生产成本，提高生产效率。
本发明的方法包括以下步骤：
（1）按设定成分熔炼并浇铸制成铸坯，其成分按重量百分比含C 0.19~0.25%，Si 1.3~1.6%，Mn 1.5~1.75%，Nb 0.045~0.05%，Al 0.01~0.05%，P≤0.010%，S≤0.010%，其余为Fe及不可避免杂质；
（2）将铸坯在1200±30℃加热2~3h后进行热轧，开轧温度为1150~1180℃，终轧温度为850~900℃，总压下量91~93%，获得热轧钢板；
（3）将热轧钢板经酸洗后进行冷轧，总压下率为65~89%，获得冷轧钢板；
（4）将冷轧钢板以50~300℃/s的速度升温至870~950℃，保温5~120s进行奥氏体化；
（5）将奥氏体化后的冷轧钢板以80~150℃/s的速度冷却至360~420℃，并保温150~500s后，再冷却至室温，制成抗拉强度1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢。
上述的1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢的组织由板条贝氏体、板条间残余奥氏体以及少量块状马氏体组成，残余奥氏体的体积分数在9.6~17.2%。
上述的1000级高扩孔型冷轧贝氏体钢的抗拉强度≥1023MPa，延伸率≥17.6%，延伸凸缘性性能（扩孔率）≥56%。
上述的1000级高扩孔型冷轧贝氏体钢沿轧制方向180°冷弯曲不开裂。
本发明的钢板中各种合金元素的主要作用在于：
C：一方面因固溶强化和析出强化而确保钢的高强度；另一方面，保证奥氏体因富碳而稳定至室温，获得残余奥氏体；
Mn：一方面提高淬透性；另一方面也是是奥氏体稳定化元素，可以提高室温下奥氏体的稳定性，提高残余奥氏体的含量；
Si和Al：在贝氏体相变时，抑制渗碳体的析出，保证获得无碳化物贝氏体，提高延伸凸缘性能；
Nb：析出强化元素，起到细化晶粒和调节强度的作用，对组织均匀性有一定益处。
本发明的设计思路如下：
制造1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢的关键在于奥氏体化前后的加热速率和冷却速率，钢板冷轧过程中位错密度大量增殖，形成位错墙、位错胞等亚结构为奥氏体形核提供更多形核点；
通过提高加热速率，抑制升温过程的回复、推迟再结晶（或相变）等而使材料组织演变具有高温、高变形储能的典型特征，大大促进再结晶（或相变）动力学，在再结晶形核开始时由于之前没有足够时间回复而保留较高的位错密度或晶体缺陷，这些位置将成为有效的形核地点，而高的均热温度也大大促进了形核率的提高，从而细化原奥氏体晶粒，进而提高材料的强塑性；
高的加热速率细化了奥氏体晶粒，提高了其稳定性，降低了Ms点温度；因此需要超快速冷却，才能够避开铁素体和珠光体转变区，从而保证中温相变后获得力学性能均匀的板条贝氏体组织，避免室温下组织中含有强度差异大的铁素体和马氏体（铁素体/马氏体相界面易形成微孔洞），进而保证了材料高的成形性能。
本发明的具体制造方法及各主要参数选择的原理如下：
按照上述成分，采用真空感应炉冶炼并浇铸成铸锭，加热至1200±30℃保温，从而保证在较高温度下合金元素和组织的均匀化；
将加热后钢坯进行热轧，开轧温度控制在1150~1180℃，终轧温度控制在850~900℃，终轧温度太低，会造成轧机负荷提高，终轧温度太高会造成热轧后组织粗大且能耗太大；热轧钢板经酸洗后进行冷轧，冷轧过程中位错密度大量增殖，形成位错墙、位错胞等亚结构为奥氏体形核提供更多形核点，通过冷轧可提供连续退火薄带钢板；
冷轧板快速加热进行退火保温，一方面是为了保证退火组织完全奥氏体化，碳化物完全溶解，能够有效获得希望的残余奥氏体；另一方面，高的加热速率通过抑制升温过程的回复、推迟再结晶（或相变）等而使材料组织演变具有高温、高变形储能的典型特征，这将大大促进再结晶（或相变）动力学，在再结晶形核开始时由于之前没有足够时间回复而保留较高的位错密度或晶体缺陷，这些位置将成为有效的形核地点，同时该退火温度也大大促进形核率的提高，保温过程中，可以使奥氏体组织均匀化，同时缩短保温时间，抑制奥氏体晶粒长大，起到细化晶粒的作用，此外，提高加热速率还可以提高工业生产速度。
随后超快速冷却速度冷却至Ms点以上，一方面避免铁素体相变和珠光体相变；另一方面冷却至贝氏体转变中温区发生贝氏体相变；超快速冷却对获得以板条贝氏体铁素体为母相的Trip型贝氏体钢至关重要；利用相变仪分析此成分贝氏体相变动力学，为保证板条贝氏体中过饱和的C充分扩散到附近过冷奥氏体中，形成富碳的奥氏体，保温时间至少为150s；另外为防止残余奥氏体的分解和提高工业生产效率，保温时间不能太长，优选保温时间参数150~500s；随后冷却至室温，在这一冷却过程中，远离板条贝氏体的奥氏体稳定性不高，因而会随着冷却过程发生马氏体转变；最终得到室温下组织为板条贝氏体和板条间残余奥氏体以及少量块状马氏体，从而获得1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢。
本发明的优势和有益效果在于：通过合理优化成分设计，紧添加常规元素C、Si、Mn、Al、Nb，不增加原料成本以及常规的热轧和冷轧工艺即可获得冷轧板，工艺窗口大；利用快速加热和后续的超快速冷却连续退火工艺，可细化组织，提高组织的均匀性，并获得力学性能均匀的板条贝氏体以及板条间薄膜状的残余奥氏体，从而保证材料的高的强塑性和局部成形性，满足汽车厂对高扩孔高强汽车钢的需求，快速加热和超快速冷却可提高工业生产效率，缩短生产周期。
附图说明
图1为本发明实施例1中的1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢的室温下组织电子探针照片图；其中板条状的为贝氏体；
图2为本发明实施例1中的1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢的室温下组织TEM照片图，左图为明场，右图为暗场，其中在板条贝氏体间薄膜状的为残余奥氏体。
具体实施方式
本发明实施例中熔炼步骤采用的熔炼炉为135kg真空感应熔炼炉。
本发明实施例中热轧步骤采用的热轧机为Φ450mm可逆式热轧机。
本发明实施例中冷轧步骤采用的冷轧机为直拉式四辊可逆冷轧机。
本发明实施例中退火步骤采用的连续退火机为多功能保护气氛连续退火机。
本发明实施例中观测组织采用的设备为JEOL JXA 8530F场发射电子探针和FEITecnaiG2 F20型透射电镜。
本发明实施例中的1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢的厚度为0.8~2.4mm。
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
按设定成分熔炼并浇铸制成铸坯，其成分按重量百分比含：C 0.19%，Si 1.3%，Mn 1.5%，Al 0.01%，Nb 0.045%，P≤0.010%，S≤0.010%，其余为Fe及不可避免杂质；
将铸坯在1200±30℃加热2~3h后进行热轧，开轧温度为1150~1180℃，终轧温度为850~900℃，总压下量91%，获得热轧钢板；
将热轧钢板经酸洗后进行冷轧，总压下率为65%，获得冷轧钢板；
将冷轧钢板碱洗去除轧制油，以50℃/s的速度升温至870℃，保温5s进行奥氏体化；
将奥氏体化后的冷轧钢板以80℃/s的速度冷却至360℃，并保温150s后，再冷却至室温，制成抗拉强度1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢，其组织由板条贝氏体、板条间残余奥氏体以及少量块状马氏体组成，残余奥氏体的体积分数9.6%，抗拉强度Rm=1023MPaMPa，延伸率A50mm=25.3%，扩孔率56%，沿轧制方向180°冷弯曲不开裂；电子探针照片如图1所示，组织TEM照片如图2所示。
实施例2
方法同实施例1，不同点在于：
（1）铸坯成分按重量百分比含：C 0.25%，Si 1.6%，Mn 1.75%，Al 0.05%，Nb 0.05%，P≤0.010%，S≤0.010%，其余为Fe及不可避免杂质；
（2）铸坯在1200±30℃加热2~3h后进行热轧，开轧温度1180℃，终轧温度900℃，总压下量93%；
（3）冷轧总压下率为89%；
（4）以300℃/s的速度升温至950℃，保温120s进行奥氏体化；
（5）冷轧钢板以150℃/s的速度冷却至420℃，并保温500s后，再冷却至室温，制成抗拉强度1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢，残余奥氏体的体积分数17.2%，抗拉强度Rm=1135MPa，延伸率A50mm=17.6%，扩孔率=62%。
实施例3
方法同实施例1，不同点在于：
（1）铸坯成分按重量百分比含：C 0.20%，Si 1.40%，Mn 1.6%，Al 0.03%，Nb 0.045%，P≤0.010%，S≤0.010%，其余为Fe及不可避免杂质；
（2）铸坯在1200±30℃加热2~3h后进行热轧，开轧温度1150℃，终轧温度880℃，总压下量92.5%；
（3）冷轧总压下率为79%；
（4）以80℃/s的速度升温至900℃，保温30s进行奥氏体化；
（5）冷轧钢板以100℃/s的速度冷却至400℃，并保温180s后，再冷却至室温，制成抗拉强度1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢，残余奥氏体的体积分数16.1%，抗拉强度Rm=1043MPa，延伸率A50mm=24.7%，扩孔率=58%。
实施例4
方法同实施例1，不同点在于：
（1）铸坯成分按重量百分比含：C 0.22%，Si 1.31%，Mn 1.52%，Al 0.015%，Nb 0.048%，P≤0.010%，S≤0.010%，其余为Fe及不可避免杂质；
（2）铸坯在1200±30℃加热2~3h后进行热轧，开轧温度1175℃，终轧温度900℃，总压下量91.5%；
（3）冷轧总压下率为76%；
（4）以250℃/s的速度升温至950℃，保温100s进行奥氏体化；
（5）冷轧钢板以120℃/s的速度冷却至370℃，并保温450s后，再冷却至室温，制成抗拉强度1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢，残余奥氏体的体积分数在10.4%，抗拉强度Rm=1089MPa，延伸率A50mm=20.8%，扩孔率=58%。
实施例5
方法同实施例1，不同点在于：
（1）铸坯成分按重量百分比含：C 0.20%，Si 1.38%，Mn 1.51%，Al 0.015%，Nb 0.045%，P≤0.010%，S≤0.010%，其余为Fe及不可避免杂质；
（2）铸坯在1200±30℃加热2~3h后进行热轧，开轧温度1180℃，终轧温度870℃，总压下量92.3%；
（3）冷轧总压下率为81%；
（4）以100℃/s的速度升温至920℃，保温60s进行奥氏体化；
（5）冷轧钢板以140℃/s的速度冷却至390℃，并保温200s后，再冷却至室温，制成抗拉强度1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢，残余奥氏体的体积分数14.8%，抗拉强度Rm=1096MPa，延伸率A50mm=20.1%，扩孔率=60%。
实施例6
方法同实施例1，不同点在于：
（1）铸坯成分按重量百分比含：C 0.23%，Si 1.43%，Mn 1.55%，Al 0.03%，Nb 0.05%，P≤0.010%，S≤0.010%，其余为Fe及不可避免杂质；
（2）铸坯在1200±30℃加热2~3h后进行热轧，开轧温度1150℃，终轧温度900℃，总压下量91.8%；
（3）冷轧总压下率为80%；
（4）以200℃/s的速度升温至950℃，保温120s进行奥氏体化；
（5）冷轧钢板以150℃/s的速度冷却至390℃，并保温400s后，再冷却至室温，制成抗拉强度1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢，残余奥氏体的体积分数13.5%，抗拉强度Rm=1100MPa，延伸率A50mm=19.6%，扩孔率=63%。
实施例7
方法同实施例1，不同点在于：
（1）铸坯成分按重量百分比含：C 0.19%，Si 1.38%，Mn 1.50%，Al 0.025%，Nb 0.046%，P≤0.010%，S≤0.010%，其余为Fe及不可避免杂质；
（2）铸坯在1200±30℃加热2~3h后进行热轧，开轧温度1160℃，终轧温度880℃，总压下量92.4%；
（3）冷轧总压下率为80%；
（4）以150℃/s的速度升温至900℃，保温100s进行奥氏体化；
（5）冷轧钢板以130℃/s的速度冷却至400℃，并保温250s后，再冷却至室温，制成抗拉强度1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢，残余奥氏体的体积分数15.3%，抗拉强度Rm=1076MPa，延伸率A50mm=22.4%，扩孔率=66%。
实施例8
方法同实施例1，不同点在于：
（1）铸坯成分按重量百分比含：C 0.24%，Si 1.52%，Mn 1.65%，Al 0.01%，Nb 0.047%，P≤0.010%，S≤0.010%，其余为Fe及不可避免杂质；
（2）铸坯在1200±30℃加热2~3h后进行热轧，开轧温度1170℃，终轧温度890℃，总压下量93%；
（3）冷轧总压下率为75%；
（4）以200℃/s的速度升温至950℃，保温80s进行奥氏体化；
（5）冷轧钢板以120℃/s的速度冷却至370℃，并保温300s后，再冷却至室温，制成抗拉强度1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢，残余奥氏体的体积分数11.8%，抗拉强度Rm=1128MPa，延伸率A50mm=18.4%，扩孔率=66%。
实施例9
方法同实施例1，不同点在于：
（1）铸坯成分按重量百分比含：C 0.21%，Si 1.42%，Mn 1.65%，Al 0.03%，Nb 0.049%，P≤0.010%，S≤0.010%，其余为Fe及不可避免杂质；
（2）铸坯在1200±30℃加热2~3h后进行热轧，开轧温度1170℃，终轧温度860℃，总压下量92.1%；
（3）冷轧总压下率为81%；
（4）以150℃/s的速度升温至950℃，保温40s进行奥氏体化；
（5）冷轧钢板以100℃/s的速度冷却至380℃，并保温250s后，再冷却至室温，制成抗拉强度1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢，残余奥氏体的体积分数12.3%，抗拉强度Rm=1080MPa，延伸率A50mm=21.1%，扩孔率=61%。

Claims (3)

1.一种1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）按设定成分熔炼并浇铸制成铸坯，其成分按重量百分比含C 0.19~0.25%，Si 1.3~1.6%，Mn 1.5~1.75%，Nb 0.045~0.05%，Al 0.01~0.05%，P≤0.010%，S≤0.010%，其余为Fe及不可避免杂质；
（2）将铸坯在1200±30℃加热2~3h后进行热轧，开轧温度为1150~1180℃，终轧温度为850~900℃，总压下量91~93%，获得热轧钢板；
（3）将热轧钢板经酸洗后进行冷轧，总压下率为65~89%，获得冷轧钢板；
（4）将冷轧钢板以50~300℃/s的速度升温至870~950℃，保温5~120s进行奥氏体化；
（5）将奥氏体化后的冷轧钢板以80~150℃/s的速度冷却至360~420℃，并保温150~500s后，再冷却至室温，制成抗拉强度1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢。
2.根据权利要求1所述的一种1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢的制造方法，其特征在于所述的1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢的组织由板条贝氏体、板条间残余奥氏体以及少量块状马氏体组成，残余奥氏体的体积分数在9.6~17.2%。
3.根据权利要求1所述的一种1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢的制造方法，其特征在于所述的1000MPa级高扩孔型冷轧贝氏体钢的抗拉强度≥1023MPa，延伸率≥17.6%，延伸凸缘性性能即扩孔率≥56%。
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