CN106906418A - 一种汽车用180bh冷轧烘烤硬化高强钢的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冶金材料领域，同属于汽车用先进高强钢领域，具体为一种汽车用180BH冷轧烘烤硬化高强钢的加工方法。按质量百分数计，其化学成分为：C 0.0015～0.0025；Si≤0.05；Mn0.15～0.30；P 0.030～0.050；S≤0.015；Als 0.02～0.06；Nb 0.008～0.020；Cr 0.05～0.10；Mo≤0.05；其余为Fe。热轧过程中，板坯加热温度1150～1220℃，终轧温度900℃，卷取温度680～720℃；冷轧过程中，冷轧压下率≥70％；采用连续退火工艺如下：840～860℃保温60～120min；随炉冷却到700～750℃，并以冷速25～50℃/秒快速冷却至400℃，保温1～3h，再随炉冷却至室温。本发明生产的冷轧烘烤硬化高强钢180BH产品化学成分稳定，具有稳定的成形性能、优良的BH性及耐常温时效性能。

Description

一种汽车用180BH冷轧烘烤硬化高强钢的加工方法

技术领域

本发明涉及冶金材料领域，同属于汽车用先进高强钢领域，具体为一种汽车用180BH冷轧烘烤硬化高强钢的加工方法。

背景技术

自2000年以来，中国汽车工业进入快速发展时期，年平均汽车生产量和销售量均以两位数字快速增长，2009年，中国汽车产销量突破了1300万辆，位居世界第一；2010年中国的汽车产、销量继续以惊人的速度快速增长，并再次创出历史新高。据中国汽车工业协会统计，2010年汽车产销量分别增长了32.44％和32.37％，达到1826.47万辆和1806.19万辆；中国汽车产销量双双超过1800万辆，继续稳居全球产销量第一。然而，汽车在给人类出行带来便利条件的同时，也带来了交通拥挤、环境污染等诸多问题。为此，开发以油耗低和排放量少为特征的“环境友好型汽车”已经成为发展趋势。大量的研究结果表明，在保证汽车安全性和使用功能性的前提下，降低汽车车身自重(汽车轻量化)是实现“环境友好型汽车”这一目标的主要措施。

目前在制造汽车所使用的原材料中，钢铁材料所占的比重最大(约三分之二左右)，而钢铁材料中用量最大的是薄钢板。在汽车轻量化的发展进程中，尽管一直存在着钢铁材料与铝合金、镁合金、塑料及复合材料的竞争，但到目前为止，大量的研究结果表明，从汽车安全性、制造成本、材料的回收循环再利用以及轻量化与节能的综合效果看，积极开发和采用具有高性能、高强度的钢铁材料，并配合先进的加工成形技术在诸多制造汽车材料中仍具有明显的优势和广阔的应用前景。

汽车用冷轧烘烤硬化高强钢产品具有高强度、良好成形性和较好的烘烤硬化性，同时高的表面质量要求，此钢种技术含量非常高，对生产装备水平也有非常高的要求，主要科技内容有：首先是化学成分设计、热轧、冷轧、退火工艺制订，最关键的是在此成分基础上进行合理的连续退火工艺设计，从而满足成品组织性能要求；其次炼钢工序化学成分精确控制、热轧、冷轧及退火工艺制度的精确控制，保证产品质量的稳定；最后是全流程各工序稳定、高效的生产，保证大批量商业化生产的要求。

烘烤硬化钢板(简称BH钢)是以低碳钢或超低碳钢为基础，通过添加微合金元素Nb、Ti等而制成，兼有优良深冲性能和高的烘烤硬化性能的新型优质汽车用薄板。BH钢板的特点是冲压成形前较软、易成形加工，通过冲压成形后的涂漆烘烤过程使屈服强度增加，因此很适合于汽车外板等覆盖件。烘烤硬化(BH)钢特点是冲压成形时屈服点低、成形性优良，冲压加工后，由于涂装烘干时的高温短时间热处理使屈服点升高，从而使冲压件在使用状态下具有较高的强度和抗凹陷能力。烘烤硬化钢适合于生产汽车外板等覆盖件，其用量也在逐年增加，成为现代汽车用钢的重要组成部分。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽车用180BH冷轧烘烤硬化高强钢的加工方法，其化学成分稳定，具有稳定的成形性能、优良的BH性及耐常温时效性能。

本发明的技术方案是：

一种汽车用180BH冷轧烘烤硬化高强钢的加工方法，按质量百分数计，汽车用180BH冷轧烘烤硬化高强钢化学成分为：C 0.0015～0.0025；Si≤0.05；Mn 0.15～0.30；P 0.030～0.050；S≤0.015；Als 0.02～0.06；Nb 0.008～0.020；Cr 0.05～0.10；Mo≤0.05；其余为Fe；

热轧过程中，板坯加热温度1150～1220℃，终轧温度900℃，卷取温度680～720℃；冷轧过程中，冷轧压下率≥70％；

采用连续退火工艺如下：840～860℃保温60～120min；随炉冷却到700～750℃，并以冷速25～50℃/秒快速冷却至400℃，保温1～3h，再随炉冷却至室温。

所述的汽车用180BH冷轧烘烤硬化高强钢的加工方法，冷轧过程中，冷轧压下率80～90％。

所述的汽车用180BH冷轧烘烤硬化高强钢的加工方法，其性能指标为：屈服强度185～220MPa；抗拉强度320～350MPa；延伸率37～46.5％；n₉₀值0.19～0.25；r₉₀值1.62～3.1；BH₂值30～60。

本发明的设计思想是：

本发明在成分设计上采用超低碳加P、Mn强化，同时添加微量Nb、Cr元素，采用合适的连续退火工艺制度，成功研制开发冷轧烘烤硬化BH钢180BH。炼钢工序进行窄成分控制，C含量控制在0.0015％～0.0025％范围内，Nb含量控制在0.008％～0.020％范围内，配合高温退火快速冷却的工艺，保证产品具有稳定力学性能，产品通卷强度波动在10MPa之内，同规格产品强度波动在30MPa之内。在超低C成分设计基础上添加了Mo≤0.05％元素，配合合理的退火工艺，保证产品常温耐时效性能达到6个月以上。

本发明的优点及有益效果是：

1、汽车用冷轧烘烤硬化钢板要具有优异的冲压成形性、塑性，以及较低的屈服强度，使其更适用于汽车外覆盖件进行复杂形状的成型加工，一般要求烘烤前性能接近于软IF钢的水平，高强度和高塑性是矛盾的，所以保证冷轧烘烤硬化高强钢具有高强度同时兼具优良的深冲性能是一大技术难点。为了得到良好的机械性能，一方面，成分设计采用超低碳为钢基(C≤0.0025％)，添加适量的Nb使C被固定，极低的含碳量是该钢种具有的较好深冲性能(高的延伸率及r值)的必要条件，同时为了保证强度添加了适当的Mn、P强化元素；另一方面在，在连续退火工序采用高温退火快速冷却工艺，保证产品最终的综合性能。

2、由于汽车用户的特殊要求，BH钢板具有优良的烘烤硬化性(简称BH性)的同时要求具有耐常温时效性，由BH性产生的机理可知良好的BH性能和耐常温时效性是矛盾的，所以保证该钢种具有良好的BH性能兼具耐常温时效性能是非常大的技术难点。为了达到上述目标：1)炼钢工序进行窄成分控制，精确控制C含量(0.0015％～0.0025％)，较低且精确控制的C含量保证了产品具有稳定的BH性能和耐常温时效性；2)成分设计在超低碳的基础上添加了Mo≤0.05％元素，配以适当的退火工艺，保证了产品具有较高的BH性同时兼具耐常温时效性。3)产品设计时，各项性能指标高于标准要求，使产品的冲压成形性能做足，从而减少常温时效对成品应用性能的影响。

附图说明

图1为180BH钢成品组织图。

图2为180BH钢成品ODF图。

图3为不同退火制度下的显微组织。(a)860℃；(b)850℃；(c)840℃。

图4(a)-图4(b)为退火温度为860℃试样织构的轧面反极图与轧向反极图。图4(a)轧面反极图；图4(b)轧向反极图。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明的汽车用冷轧烘烤硬化高强钢180BH结合汽车用冷轧烘烤硬化高强钢的技术要求、生产设备的实际特点、以及各化学元素在钢中的作用，常规生产工艺流程为：(炼钢工序)铁水预处理→转炉冶炼→(RH)精炼→连铸→(热连轧工序)铸坯加热→粗轧→精轧→控制冷却→热轧卷取→(冷轧工序)热轧卷开卷→酸洗、冷连轧→卷取→冷硬卷开卷→连续退火→平整→精整→表面、机能检验→包装缴库→发货。其中，

1、热轧工艺确定

热轧板的组织和析出物的形态对BH钢最终性能有很大的影响。热轧得到粗大均匀的铁素体组织和粗大的析出物，有利于r值和塑性的提高；细小弥散的析出物阻碍再结晶和晶粒的长大，对r值不利。当成分不变时，热轧板的组织和析出物的形貌取决于热轧参数，低的板坯加热温度、高温终轧、终轧后快冷、增大热轧压下率、增大变形速率、高温卷取等都有利于提高钢的深冲性能。

(1)板坯加热温度确定

为了获得粗大的第二相质点，在加热时应防止其溶解，因此加热温度不宜过高。所以在保证终轧温度的前提下，加热温度应尽量低，结合实际情况确定为1150～1220℃之间。由于超低碳钢导热性较好，允许采用较快的加热速度进行加热。

(2)终轧温度确定

终轧温度是热变形中影响组织因素中比较重要的因素，是控制轧制的重要控制参数。汽车用冷轧烘烤硬化高强钢在单相奥氏体区轧制，避免终轧温度过低，优先采用前段冷却方式，细化晶粒，以利于良好织构的形成，增加钢的均匀变形能力，提高n值。结合设备能力和钢种情况确定终轧目标温度900℃。

(3)卷取温度确定

研究表明：卷取温度的大小，直接影响到第二相质点的析出及析出物的形态、大小、分布，较高的卷取温度有利于第二相质点的析出及粗化，有利于提高IF钢的深冲性能,结合实际情况确定卷取温度为680～720℃。

2、冷轧、连续退火工艺确定

冷轧烘烤硬化高强180BH系列产品采用二冷轧先进的连续退火机组生产，其工艺过程包括加热、两相区保温、两段式冷却、等温时效处理，连续退火各环节对BH钢组织性能有重要影响。

(1)冷轧压下率对BH钢组织和深冲性能的影响

冷轧过程中，随着冷轧总压下率的增加，变形储存能增大，再结晶驱动力增加，使再结晶过程相对提前发生，再结晶的形核率升高和晶粒长大速度增加，再结晶过程相对延长。冷轧压下率增加对形核率的影响大于晶粒长大速度，再结晶完成后的晶粒尺寸相应变小，但是再结晶完成的时间相应缩短，这样就导致了晶粒长大过程相对延长，以致退火板组织的晶粒增大。同时，冷轧压下率增大钢板变薄，在退火过程中，薄的钢板加热速度快提前达到再结晶温度，退火过程提前完成，保温时间相对延长，也导致晶粒继续长大。晶粒稍大，屈服强度和抗拉强度较低并塑性较好的根本原因。

r值的大小主要与晶粒的择优取向(即织构)有关。{111}织构越强，{100}织构越弱，r值越高。因此，把有利于深冲性的{111}织构称为有利织构，把{100}织构称为不利织构。研究表明，BH钢板的织构发展具有遗传性并且遵循{111}织构有限形核和继续发展机制，即与冷轧板组织的织构和变形储存能状态有关。一方面，织构的遗传性导致了它们之间各相同组分的强度比较结果与冷轧织构相同；另一方面，变形储存能大的{111}取向晶粒优先形核和长大，以致在退火织构中占据主导地位。冷轧压下率增大，变形储存能增大，使得有利退火织构进一步发展；同时也使得不利织构的强度增大，不利于{111}退火织构发展。正是由于这两个原因的综合作用，决定了r值的好坏。钢板的有利织构与不利织构的强度比值越大，r值越高，深冲性能越好。结合实际情况冷轧压下率≥70％(优选为80～90％)，在机组条件允许的前提下尽量采用大压下率。

(2)连续退火主要工艺参数对双相钢成品性能的影响

退火是BH钢冷轧板生产中决定最终产品性能的关键工艺，退火工艺参数的不稳定和退火不充分是成品性能不佳、不稳定的一个重要因素，BH钢的性能随退火加热温度和退火时间的增加而改善。有利织构{111}织构主要是在退火阶段形成，所以对BH钢而言，获得良好的深冲性能与否退火温度起着重要作用；另一方面BH钢的烘烤硬化特性也是由连续退火特殊工艺得到的。其特殊的退火工艺归纳起来为两个要点，一是必须采用高温退火，即退火温度应该高于NbC的分解温度；二是控制冷却速度，快速冷却以保证产品中固溶碳的含量。

本发明的连续退火工艺如下：840～860℃保温60～120min；随炉冷却到700～750℃，并以冷速25～50℃/秒快速冷却至400℃，保温1～3h，再随炉冷却至室温。

汽车用冷轧烘烤硬化高强钢180BH的化学成分(质量分数/％)为：

C 0.0015～0.0025；Si≤0.05；Mn 0.15～0.30；P 0.030～0.050；S≤0.015；Als 0.02～0.06；Nb 0.008～0.020；Cr 0.05～0.10；Mo≤0.05；其余为Fe。

汽车用冷轧烘烤硬化高强钢180BH的性能指标为：

屈服强度185～220MPa；抗拉强度320～350MPa；延伸率37～46.5％；n₉₀值0.19～0.25；r₉₀值1.62～3.1；BH₂值30～60。

本发明的汽车用冷轧烘烤硬化高强钢180BH，将IF钢的超深冲性与固溶强化机制相结合，并通过烘烤硬化而获得超深冲性和高抗凹陷性相结合的优异性能，使产品在冲压成形过程中由于屈服强度低而保证良好的成形性，同时在其后的烤漆过程中又可使屈服强度升高而获得高的抗凹陷性，因而成功地解决了成形性和抗凹陷性之间的矛盾，具有与IF钢相近的成形性，同时具有更高的强度，其成分依据为：

碳(C)：钢中碳含量决定着钢的强度和其它性能，随着钢中含碳量的增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低。以往研究表明随着钢中固溶C含量的增加，使得垂直于钢板法向的{111}取向织构密度降低，钢的时效问题明显。对于超低碳含磷高强度IF钢，在满足生产和产品要求的情况下，应最大限度的降低碳含量，以获得高延伸率及良好的冲压性能，降低晶粒内碳化物的体积比，保证钢在再结晶退火过程中晶粒的长大。

硅(Si)：硅与氧有较强的亲合力，是炼钢过程中的还原剂和脱氧剂，Si以固溶形式存在于钢中，可以提高钢的强度和硬度。

锰(Mn)：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，锰在钢中部分与铁互溶形成固溶体，对提高强度有明显作用。在深冲钢退火过程中固溶于铁素体中的Mn阻碍了优先形核的{111}取向晶粒的生长。有研究表明，在冷轧深冲板中随着Mn含量的增加，材料的强度增大，但塑性下降，值降低，为了得到良好的成型性能，并具有一定的强度，因此应合理控制锰含量。

磷(P)：磷是汽车用冷轧加磷高强钢的主要强化元素，当磷原子进入铁原子晶格内，与铁原子置换形成固溶体，由于磷和铁的原子半径不同，在磷原子周围产成弹性变形而使钢强化，随着P含量的增加，强度增加，但和塑性指标降低，因此在提高强度的同时，为保证产品的深冲性能，应合理控制磷含量。

硫(S)：硫是钢中有害元素，对加工变形复杂的深冲用钢尤为严重，硫化物夹杂(主要是MnS)在轧制过程中沿轧制方向成条状或链状分布，从而使钢板的横向冷弯性能变坏，产生各向异性；另外，硫还会引起钢板的热脆性。因此应最大限度地降低S含量。

铝(Al)：铝一般是作为脱氧剂加入钢中的，作用主要是去除钢液中的氧，另外铝作为定氮剂抑制氮在铁素体中的固溶，铝主要以第二相AlN的形式来控制成品钢板的组织和间隙原子的位置，从而改善钢板冲压性能，消除应变时效，提高低温塑性并防止在冲压过程中产生滑移线。

铌(Nb)：铌元素主要是通过与钢中的C形成细小化合物，使钢中的C原子完全被固定而无间隙原子存在，从而使有利织构在退火中优先发展。

下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细说明。

实施例1

本实施例的化学成分(质量分数/％)如下：C 0.0019；Si 0.004；Mn 0.196；P0.040；S 0.008；Als 0.029；Nb 0.012；Cr 0.065；Mo 0.015；其余为Fe。

本实施例中，热轧板坯加热温度1180℃，终轧温度900℃，卷取温度为700℃；冷轧压下率85％。

本实施例的连续退火工艺如下：850℃保温80min；随炉冷却到730℃，并以冷速30℃/秒快速冷却至400℃，保温2h，再随炉冷却至室温。

本实施例的性能指标如下：屈服强度190MPa；抗拉强度330MPa；延伸率42％；n₉₀值0.21；r₉₀值2.4；BH₂值55。

实施例2

本实施例的化学成分(质量分数/％)如下：C 0.0015；Si 0.001；Mn 0.18；P 0.035；S 0.005；Als 0.02；Nb 0.015；Cr 0.072；Mo 0.026；其余为Fe。

本实施例中，热轧板坯加热温度1210℃，终轧温度900℃，卷取温度为710℃；冷轧压下率80％。

本发明的连续退火工艺如下：840℃保温90min；随炉冷却到720℃，并以冷速35℃/秒快速冷却至400℃，保温3h，再随炉冷却至室温。

本实施例的性能指标如下：屈服强度205MPa；抗拉强度325MPa；延伸率41％；n₉₀值0.23；r₉₀值1.88；BH₂值35。

实施例3

本实施例的化学成分(质量分数/％)如下：C 0.0025；Si 0.012；Mn 0.22；P 0.045；S 0.012；Als 0.0373；Nb 0.017；Cr 0.089；Mo 0.037；其余为Fe。

本实施例中，热轧板坯加热温度1190℃，终轧温度900℃，卷取温度为690℃；冷轧压下率90％。

本发明的连续退火工艺如下：860℃保温70min；随炉冷却到740℃，并以冷速40℃/秒快速冷却至400℃，保温2h，再随炉冷却至室温。

本实施例的性能指标如下：屈服强度215MPa；抗拉强度348MPa；延伸率45.5％；n₉₀值0.24；r₉₀值2.94；BH₂值48。

如图1和表1所示，冷轧烘烤硬化高强钢180BH成品组织均为单一铁素体，晶粒度在8.0～10级范围内。

表1

牌号	金属组织	F晶粒度(级)
			180BH	F	8.6

如图2所示，织构测定是在美国热电公司生产的X射线衍射仪上进行的，180BH成品主要织构均为{111}<110>织构和{111}<112>织构。

如图3所示，试验钢不同退火温度成品金相组织，由图可见3个试验钢金相组织均为铁素体，随退火温度的升高，晶粒尺寸增大。

如图4(a)-图4(b)所示，退火温度为860℃试样织构的轧面反极图与轧向反极图。从实验结果来看，轧面反极图中，[111]轴密度最大，说明钢板中大多数晶粒的<111>晶向平行于轧面的法向，即大多数晶粒的{111}晶面族平行于轧面，钢板具有{111}面织构，在860℃退火的试样的{111}面织构密度最大。

应用例

(1)二次加工脆性

二次加工脆性是IF钢的缺陷之一，也是普通IF钢尤其是高强IF钢所必须考虑的问题。这是由于高强钢IF钢中多用P来进行固溶强化，在IF钢中由于C、N被固定，晶界清洁，P有晶界偏析的倾向。考虑到第二次变形工艺，对180BH成品厚度1.0mm产品进行二次加工脆性的脆性转变温度测量，在-60℃均未出现开裂。

(2)室温时效性

BH钢的烘烤硬化特性的产生机理是由于钢中有一定量的固溶间隙原子，通过烘烤扩散对位错进行有效钉扎使强度提高，而一定量的固溶间隙原子也是产生常温时效的原因，所以BH钢是对时效非常敏感的钢种。目前通用冷轧BH钢技术标准要求室温储存条件下，钢带自生产完成之日起3个月内使用时不应出现拉伸应变痕(即保证3个月无时效)，但汽车板用户希望常温时效的时间越长越好。

冷轧烘烤硬化钢进行时效检测，在正常成品卷取样，放置1个月～6个月后进行性能检测。由结果可见，产品在六个月后总体看性能变化不明显，说明具有良好的耐常温时效性能，可以保证6个月内正常使用。

实施例结果表明，本发明生产的冷轧烘烤硬化高强钢180BH产品化学成分稳定，具有稳定的成形性能、优良的BH性及耐常温时效性能。冷轧烘烤硬化高强钢180BH产品的成功研制开发创造了良好的经济效益，该产品的应用还为汽车工业的节能减排、降低成本做出了重要贡献，具有巨大的社会效益。

Claims (3)

1.一种汽车用180BH冷轧烘烤硬化高强钢的加工方法，其特征在于，按质量百分数计，汽车用180BH冷轧烘烤硬化高强钢化学成分为：C 0.0015～0.0025；Si≤0.05；Mn 0.15～0.30；P 0.030～0.050；S≤0.015；Als 0.02～0.06；Nb 0.008～0.020；Cr 0.05～0.10；Mo≤0.05；其余为Fe；

热轧过程中，板坯加热温度1150～1220℃，终轧温度900℃，卷取温度680～720℃；冷轧过程中，冷轧压下率≥70％；

采用连续退火工艺如下：840～860℃保温60～120min；随炉冷却到700～750℃，并以冷速25～50℃/秒快速冷却至400℃，保温1～3h，再随炉冷却至室温。

2.按照权利要求1所述的汽车用180BH冷轧烘烤硬化高强钢的加工方法，其特征在于，冷轧过程中，冷轧压下率80～90％。

3.按照权利要求1所述的汽车用180BH冷轧烘烤硬化高强钢的加工方法，其特征在于，其性能指标为：

屈服强度185～220MPa；抗拉强度320～350MPa；延伸率37～46.5％；n₉₀值0.19～0.25；r₉₀值1.62～3.1；BH₂值30～60。