CN108138250A - 高强度钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强度钢板，其抗拉强度为700～1,300MPa，伸长率为12％以上，并具有回火马氏体单相组织。本发明的钢板通过以下步骤制造：将原料钢板快速加热3～60秒至Ac3相变点或更高的温度并保持原料钢板，该原料钢板含有0.08～0.30重量％的C，0.01～2.0重量％的Si，0.30～3.0重量％的Mn，0.05重量％以下的P，0.05重量％以下的S，余量为Fe及其他不可避免的杂质；用水或油以100℃/s以上的速率将经加热的钢板快速冷却；并在500℃至A1相变点的温度下快速回火3～60秒，包括加热和保持时间。

Description

高强度钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种主要用作汽车部件用材料的高强度钢板，特别涉及一种高强度钢板，其抗拉强度为700～1,300MPa，伸长率为12％以上，由通过高频感应加热进行的淬火和回火的回火马氏体单相组织构成，并且涉及其制造方法。
背景技术
近年来，国际上出台了加强汽车燃油效率的规定，以实现高能效和大气环境保护。因此，汽车制造商试图通过对汽车钢板进行高强度化实现重量减轻来提高燃料效率，但迄今为止已经使用强度值为约600MPa的汽车钢板。
另一方面，已知为了汽车的乘坐空间的安全性而需要抗拉强度为780MPa以上的超高强度钢板，但迄今为止开发使用的高强度钢板具有由于由低伸长度引起的成型性的限制，仅被用于具有简单形状的部件，例如进油管(filler)和侧梁。
作为现有的代表性的高强度钢板，已知有双相(DP)钢、复相(CP)钢、相变诱导塑性(TRIP)钢等。
DP钢是一种金属组织中铁素体-马氏体双相钢，其中通过控制具有延展性的铁素体的份额来提高伸长率，但是在相变时应力集中在界面上，因此难以确保期望程度的伸长率。
CP钢是一种复相钢，其中通过受控冷却形成马氏体、贝氏体、铁素体和残余奥氏体的复合相以获得高强度，但由于受控冷却很困难，不能确保足够的延伸率和均匀的品质。
另外，TRIP钢是利用相变诱导塑性显示出高强度和高延展性的钢板，但经过相变诱导塑性的马氏体具有硬度，因此容易在加工时成为断裂的起点，导致对有待施加TRIP钢的构件的形状的限制。
韩国专利第10-1320242号和第10-1406478号中显示了这种具有复相的常规高强度钢板的具体例子。前者公开了一种显微组织钢板，该显微组织钢板通过对由包含0.12～0.18％碳的多种合金元素形成的板坯热轧，随后进行热浸电镀，随后在约500℃下进行合金化热处理而制造，其中该显微组织钢板由面积率为50％以上的马氏体和铁素体以及余量为占据其他区域的奥氏体和珠光体构成，最大抗拉强度为1,150MPa，最大伸长率为12％。
后者公开了一种显微组织钢板，其由面积比为40～80％的自回火马氏体和贝氏体、面积比为7～20％的铁素体和余量马氏体组成，并且通过对包括0.05～0.15％碳的多种合金元素形成的板坯进行受控退火而获得，其中该钢板的最大抗拉强度为1,100MPa，最大伸长率为11％。
然而，两件专利的钢板的显微组织具有复相，其具有各自预定份额的元素，而不是单一相，因此热处理工序难以控制以获得这样的复相显微组织，并且，结果是在确保一致品质特性的基板方面存在问题。另外，与以前的钢板相比，与汽车用高强度钢板的品质特性相对应的两件专利的钢板的强度和伸长率有所改善，但强度和伸长率不能满足现在或未来汽车所需的特性值。
发明内容
技术问题
因此，本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种汽车用高强度钢板，该钢板的抗拉强度为700～1,300MPa，伸长率为12％以上，并由回火马氏体单相组织构成。
本发明的另一方面在于提供一种高强度钢板的制造方法，该高强度钢板具有700～1,300MPa的抗拉强度和12％以上的伸长率，由回火马氏体单相组织构成，并且通过对原料板坯进行热轧，然后通过高频感应加热进行淬火和回火。
技术方案
本发明人分析了汽车用常规高强度钢板的强度和/或伸长率的限制，发现需要在金属结构中能优先控制的单相组织以允许两种机械特性满足汽车用高强度钢板的要求，并且随后进行与化学组成和热处理方法相关的研究和实验，其允许这样的单相组织以表现出足够高的强度和伸长率。
结果，本发明人发现，使用高频感应加热在短时间内快速以高温加热然后快速冷却的热处理方法适合于获得由回火马氏体单相组织组成的钢板，其表现出满足作为汽车用高强度钢板的要求的强度和延伸率，从而完成了本发明。
具体而言，可知通过对原料钢板(热轧或冷轧钢板)进行简单的淬火和回火不能得到回火马氏体单相组织，所有回火马氏体单相组织不能成为具有700～1,300MPa的抗拉强度和12％以上的伸长率的钢板。
换句话说，本发明人基于这样的事实重复了各种试验和实验：即使使用相同的回火马氏体组织，抗拉强度值根据其中所含的合金元素和其含量而变化，并且根据淬火和回火热处理方法和条件，在相同抗拉强度下获得的另一物理性质值(特别是伸长率)显著不同。结果，本发明人可以确认，当由适当组分体系的合金元素形成的原料板坯被热轧和冷轧，然后在适当控制的加热温度、加热时间和冷却速率下进行淬火和回火，可制造伸长率为12％以上且抗拉强度为700～1,300MPa的回火马氏体单相金属组织的高强度钢板。
根据本发明的一个方面，提供了一种抗拉强度为700～1,300MPa，伸长率为12％以上，由回火马氏体单相金属组织构成的高强度钢板，该高强度钢板是通过高频感应加热或电阻加热对原料钢板进行淬火和回火而制造的，该原料钢板包含C：0.08～0.30重量％，Si：0.01～2.0重量％，Mn：0.30～3.0重量％，P：0.05重量％以下，S：0.05重量％以下，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明的钢板的化学组成可以被构造为额外添加以下至少任一成分：Cr：0.05～2.0重量％，Mo：0.05～2.0重量％，B：0.0003～0.0050重量％，Ti：0.01～0.20重量％，和Al：0.01～0.10重量％。
本发明的钢板还可以额外具有在其表面上形成的热浸电镀层。
各合金成分在本发明的高强度钢板的化学组成中的作用以及选择各合金成分的含量范围的理由如下。
C：0.08～0.30重量％
C是为了提高淬火时的钢材的强度而添加的最重要的元素。如果C含量为0.08重量％以下，则淬火后所获得的硬度低，因此用于得到本发明的期望抗拉强度的回火温度降低至500℃以下，不能确保充分的延展性。如果C含量超过0.30重量％，则由于大量碳化物的析出，延展性降低，变形阻力增大，因此在将钢板加工成汽车部件时，产生裂纹的可能性高。
Si：0.01～2.0重量％
Si是一种添加到钢中用于脱氧并增加强度而不降低钢延展性的元素。如果Si的含量为0.01重量％以下，则该效果不充分。如果Si的含量超过2.0重量％，则析出的碳化物增加，因此变形阻力增大，在钢板加工时产生裂纹，工具寿命降低。原因在于Si在析出的碳化物中增溶以阻碍碳元素的移动，由此防止碳化物的球化。
Mn：0.30～3.0重量％
Mn是一种用于提高钢的淬火性以确保高强度的元素。Mn也是补偿低C和加Si的钢中强度降低的元素，其避免了当加入过量的C或Si时可能发生的变形阻力的增加。尽管为了期待这样的效果而需要添加至少0.30重量％的Mn，但过量添加Mn会提高韧性和变形阻力，因此添加量不应超过3.0重量％。
Cr：0.05～2.0重量％
Cr是一种为了提高强度、淬火硬度和韧性而添加的元素。如果Cr的含量小于0.05重量％，则这种特性的改善效果不充分。如果Cr的含量超过2.0重量％，则由于Cr比较昂贵，所以经济性会降低。
Mo：0.05～2.0重量％
Mo的添加效果几乎与Cr相同。如果Mo的含量小于0.05重量％，则添加效果不充分。如果Mo的含量超过2.0重量％，则冷加工的变形阻力增加，因此，Mo的添加量被限制为不超过2.0重量％。
B：0.0003～0.0050重量％
B是一种提高淬火性的元素。如果B的含量小于0.0003重量％，则添加效果不清楚。如果B的含量超过0.0050重量％，则淬火性劣化。
Ti：0.01～0.20重量％
Ti具有通过与B共存而提高淬火强度的效果，并且对奥氏体晶粒的微细化也有很大影响。但是，如果Ti的含量小于0.01重量％，则这种效果不充分。如果Ti的含量超过0.20重量％，则会产生大量的夹杂物，因此各种所需的物性值降低。
Al：0.01～0.10重量％
Al具有通过与氮结合而抑制奥氏体晶粒生长的效果。但是，过量的铝引起大量的氧化铝类夹杂物的产生，导致延展性降低。因此，为了实现本发明的目的，优选0.01～0.10重量％的范围。
P、S：0.05重量％以下
P和S是钢的不可避免的杂质元素。P和S在回火时在晶粒边界偏析，降低冲击韧性并降低冷加工期间的变形率。因此，如果可能的话，有必要限制其含量不超过0.05重量％。
本发明的高强度钢板的制造方法包括：将原料钢板快速加热3～60秒至Ac3相变点或更高的温度，然后保持经加热的钢板，该原料钢板含有C：0.08～0.30重量％，Si：0.01～2.0重量％，Mn：0.30～3.0重量％，P：0.05重量％以下，S：0.05重量％以下，余量为Fe及不可避免的杂质；用水或油以100℃/s以上的速率将处于加热状态下的钢板快速冷却；在500℃至A1相变点的温度下将钢板回火3～60秒，包括加热和保持所需的时间；用水和空气冷却经加热的钢板；得到抗拉强度为700～1300MPa、伸长率为12％以上、由回火马氏体单相金属组织构成的高强度钢板。
作为本发明中使用的原料钢板，使用通过对具有上述化学组成的钢坯进行热轧然后将该钢坯冷轧成预定厚度而获得的板。这里，热轧的条件和方法并不重要。也就是说，即使在任何条件下轧制原料钢板，随后在本发明的条件下的快速加热和快速冷却都得到了本发明期望的新的金属组织，因此热轧条件不需要受到限制。由于上述原因，冷轧也不需要特殊条件，并且可以仅为了制造美观表面或增加尺寸精度的目的而施用，并且如果需要，可以省略冷轧以降低制造成本。通常，进行热轧至3～4mm的厚度并在热轧后进行冷轧至1～2mm的厚度。如果需要，热轧可以进行至1～2mm的厚度以降低成本。
接下来，“将热轧钢板或冷轧钢板快速加热3～60秒至Ac3相变点或更高，然后保持经加热的钢板的工序”是一种即使合金元素通过细化奥氏体晶粒而减少也能获得高抗拉强度的工序。这种快速加热是通过高频感应加热装置进行的。如果这种快速加热的时间少于3秒，则加热不充分，导致未转变的铁素体、珠光体和奥氏体的多相结构。如果时间超过60秒，奥氏体晶粒变得太粗，影响脆性。更优选地，该时间为30秒或更少。
然后，在快速加热和保持步骤之后是以100℃/s或更高的速率进行快速冷却的步骤。为何进行这种快速冷却工序的原因在于，以100℃/s或更低的冷却速率可能产生铁素体、贝氏体和马氏体的复相组织，因此无法获得期望程度的马氏体单相。
接着，作为高强度钢板的制造方法的另一核心工序，进行500℃以上的高温回火工序。在回火时，500℃以上的加热导致析出的碳化物的球化，残留在碳化物内部的应力和电位显著降低，因此显著减少了加压等冷加工时的裂纹的产生。但是，如果以使得回火温度超过Al相变点的方式进行加热，则奥氏体析出，冷却后形成马氏体与回火马氏体的混合组织，不能得到均匀回火马氏体的单相。因此，回火温度优选在500℃与A1相变点之间的温度范围内。
另一方面，为何将包括回火步骤中的保持时间在内的加热时间限制在3～60秒的理由在于，如果加热时间小于3秒，则回火效果不充分，而如果加热时间超过60秒，则析出的碳化物变得粗大而强度劣化。更优选地，加热时间为3～30秒。
在本发明的方法中，在回火步骤之后，可以额外地进行用于使经回火的钢板以10％以下的压下率冷表面(cold-skin)通过的工序。为了获得表面美观且压下率为5％以下的钢板，优选进行这样一种冷表面通过工序，就像热轧后可以任选进行的冷轧工序一样。
此外，在本发明的方法中，可以在通过上述制造工序获得的抗拉强度为700～1,300MPa、伸长率为12％以上、由回火马氏体单相金属组织构成的钢板上额外进行热浸电镀(hot-dip galvanizing)处理或者是在热浸电镀处理之后的合金化处理。
热浸电镀处理按照通常的方法进行，因此沉积钢板的热浸电镀浴的温度优选为400～500℃。此外，热浸电镀处理后的合金化处理是在连续的热浸电镀生产线上进行的，此处温度为约400～600℃。但是，如果热浸电镀浴的温度或合金化热处理的温度超过回火温度，则抗拉强度会降低，因此，热浸电镀浴的温度或合金化热处理的温度需要限制在回火温度以下。
同时，在本发明中，高强度钢板的抗拉强度范围限制在700～1,300MPa。原因在于，通过根据本发明的方法进行的大量实验的结果发现，通过前述化学组成可以稳定地具有单相回火马氏体并且可以稳定地获得12％以上的期望伸长率的钢板的抗拉强度范围为700～1,300MPa。
与本发明的高强度钢板的特征相对应的抗拉强度为700～1,300MPa，伸长率为12％以上的回火马氏体单相组织不能通过简单的淬火和回火而获得，如上所述，本发明的特征对应于通过将各个特征组分有机地组合而获得的结果：原料钢板的适当化学组成；通过快速加热提炼晶粒；并通过高温回火确保充分的延展性。
为了实现本发明的快速加热和快速冷却，使用在一系列工艺中连接的高频感应加热装置来实施淬火和回火。此外，即使使用电阻加热装置，只要应用本发明的热处理条件，产品也不会有差异。因此，电阻加热落入本发明的权利要求的范围内。
图1示意性地示出了如上所述的根据本发明的高强度钢板的制造方法。
有益效果
本发明的高强度钢板的抗拉强度为700～1,300MPa，伸长率为12％以上，与现有的汽车用钢板相比，抗拉强度提高。因此，本发明的高强度钢板可以通过汽车部件用钢板的薄壁化而降低汽车的重量，从而提高燃料效率，并且基于其高的伸长率，可以作为具有复杂形状的汽车部件的材料。
另外，本发明的高强度钢板仅由单一相的回火马氏体构成，而不是维持多相的预定比例而多相混合的复相组织，因此，与需要维持复相组织中各相份额而进行的难以控制的热处理工艺相比，热处理工艺变得更容易，由此降低了制造成本，因此容易获得具有均匀品质的钢板。
附图说明
图1是根据本发明的方法的用于高强度钢板的制造工序的示意性流程。
图2是根据本发明实施例的试样的结构放大图，显示了回火马氏体单相组织。
图3是表示作为比较例的试样的由铁素体和回火马氏体两相构成的金属组织的放大图。
具体实施方式
通过以下本发明的优选实施例将更清楚地理解包括本发明的目的和技术特征在内的具体制造工序。
(实施例1)
将具有下表1中所示化学组成的每个板坯热轧至2.8mm的厚度，然后进行冷轧，由此获得厚度为1.5mm的钢板。
[表1]
试样的化学成分
C Si Mn P S Cr Mo B Al Ti Fe
试样1 0.09 1.37 2.21 0.011 0.008 - - - 0.02 - 余量
试样2 0.18 0.17 0.73 0.002 0.004 0.75 - 0.0025 - 0.03 余量
试样3 0.22 0.09 0.89 0.004 0.005 0.91 0.20 - - - 余量
试样4 0.28 0.25 0.85 0.013 0.008 - - - - 0.02 余量
使用在一系列工序中连接的高频感应加热装置对所轧制的钢板实施淬火和回火，同时将加热温度、加热时间和冷却速率改变为下表2所示的条件，由此制造钢板试样。
从钢板试样收集组织观察片，然后进行硝酸(nital)蚀刻，用光学显微镜观察片的金属组织。机械性能中的抗拉强度和伸长率使用JIS 5拉伸测试样本以通用材料测试仪来测量。测量结果如表2所示。
[表2]
物种的热处理条件和力学特性
*TM：回火马氏体，F：铁素体，M：马氏体，B：贝氏体
从上表2可以看出，当具有回火马氏体单相的钢板通过在具有本发明化学组成的原料钢板上，通过根据本发明制造条件的高频感应加热，快速加热和快速冷却而进行淬火和回火处理来制造时，即使钢板的抗拉强度高达700～1,300MPa，钢板也能够稳定地显示12％以上的伸长率。
可以看出，即使在具有相同化学组成的样品中，当淬火之前的加热温度低(比较例3)或加热后的冷却速率低(比较例2)，使得除回火马氏体外还有多相结构(F+TM，F+B+TM)生成时，抗拉强度也低(比较例2)，或者即使在相同的抗拉强度范围内，伸长率也不能达到目标值(比较例3)。
可以看出，即使在本发明的钢板中的回火马氏体单相中，当回火加热温度低于本发明方法中的回火温度范围(500℃至Al相变点)时，则伸长率未能达到目标值(12％以上)(比较例1)，而如果相反，回火加热温度超过A1相变点，则由于冷却时马氏体析出，伸长率急剧下降(比较例12)。
同时，确认了即使在本发明中使用高频感应加热装置作为加热单元进行淬火和回火时以3～60秒的短时间进行加热，也能获得具有700～1,300MPa的高抗拉强度和12％以上的足够伸长率的回火马氏体组织。
另外，本发明的制造方法的经济性在于，可以通过相对容易控制的单一工序来制造具有12％以上的伸长率和700～1,300MPa宽范围的抗拉强度的高强度钢板。
从上述结果可知，本发明的钢板不能简单地通过钢板的淬火和回火来获得，但当原料钢板的合适化学成分、合适的热处理装置和用于快速加热和快速冷却的适当条件通过一系列工序有机地结合在一起时能最终获得。

Claims (7)

1.一种高强度钢板，其抗拉强度为700～1,300MPa，伸长率为12％以上，并且由回火马氏体单相金属组织构成，该高强度钢板通过用高频感应加热或电阻加热对原料钢板进行淬火和回火而制造，该原料钢板含有C：0.08～0.30重量％，Si：0.01～2.0重量％，Mn：0.30～3.0重量％，P：0.05重量％以下，S：0.05重量％以下，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高强度钢板，其中该钢板是通过额外添加以下至少任一成分而制造的：Cr：0.05～2.0重量％，Mo：0.05～2.0重量％，B：0.0003～0.0050重量％，Ti：0.01～0.20重量％，和Al：0.01～0.10重量％。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的高强度钢板，其中该钢板在其表面设置有热浸电镀层。
4.一种用于制造高强度钢板的方法，该方法包括：
将原料钢板快速加热3～60秒至Ac3相变点或更高的温度，然后保持经加热的钢板，该原料钢板含有C：0.08～0.30重量％，Si：0.01～2.0重量％，Mn：0.30～3.0重量％，P：0.05重量％以下，S：0.05重量％以下，余量为Fe及不可避免的杂质，
用水或油以100℃/s以上的速率将处于加热状态下的钢板快速冷却，
在500℃至A1相变点的温度下将钢板回火3～60秒，此时间包括加热和保持所需的时间；
用水和空气冷却经加热的钢板；和
得到抗拉强度为700～1,300MPa、伸长率为12％以上、由回火马氏体单相金属组织构成的高强度钢板。
5.根据权利要求4所述的方法，其中该钢板是通过额外添加以下至少任一成分而制造的：Cr：0.05～2.0重量％，Mo：0.05～2.0重量％，B：0.0003～0.0050重量％，Ti：0.01～0.20重量％，和Al：0.01～0.10重量％。
6.根据权利要求4或5中任一项所述的方法，其中，在最终步骤之后，增加用于在该钢板的表面上形成热浸电镀层的镀层形成步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其中在该镀层形成步骤之后增加用于对该钢板进行再加热的合金化热处理步骤。
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