CN108796377A - 一种高扩孔性能高强钢的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高扩孔性能高强钢的制备方法，属于轧制热处理技术领域。本发明以低合金高强钢冷轧板作为制备高扩孔性能高强钢的退火板坯，冷轧板中所含各成分重量百分比分别为：C:0.05‑0.2％，Si:0.10‑0.25％，Mn:1.0‑1.7％，P:≤0.015％，S:≤0.01％，Als:0.015‑0.05％，Ca:≤0.005％，余量为Fe及不可避免杂质，冷轧板的厚度为0.7‑2mm；然后根据模型确定冷轧板的退火温度，并根据退火温度以阶梯型方式进行退火工艺的确定，根据保温时间模型确定的保温时间，确定在不同阶段冷轧板在加热炉内升温速率及保温时间，共进行三次升温后，保温2‑3h，然后以0.01℃‑0.03℃/s的速率随炉缓冷至室温，完成退火过程从而制备得到高扩孔性能高强钢。本发明方法能够制备高强度、高成形性能和较低生产成本的高强钢。

Description

一种高扩孔性能高强钢的制备方法

技术领域：

本发明属于轧制热处理技术领域，具体涉及一种高扩孔性能高强钢的制备方法。

背景技术：

随着汽车轻量化发展已成为当前汽车发展主流，高强钢在汽车行业的应用范围极广。对于车身结构件，占据汽车用钢很大一部分，因此汽车结构件的成型特性和扩孔形状设计可以提高钢结构材料的的强度和刚性，同时便于冲压成型，易于加工生产。

金属板的扩孔性能与化学成分、生产工艺和组织均匀性等许多因素有关，传统碳锰钢和低合金高强钢440MPa级别的扩孔率可达50％-70％，但随着汽车的造型设计在不断提高，汽车结构件的成形也日益复杂，所以对钢板的强度和成形性需要更高的要求，目前，在热处理方面，对于市场上碳素结构钢，采用通用的退火制度就可以得到较好的力学性能和成型性能，但是对于一些高等级产品的用户来说，通用的退火制度不能满足其更高的深冲性能，综合性能并不能达到理想程度。

日本专利JP2006063394公开了一种热轧扩孔钢的制备方法，轧后进行640℃退火处理，使得其强度在大于440MPa的基础上扩孔率达到70％，含碳量在0.2—0.48％，但由于含碳量较同强度级别低碳钢来说，其焊接性能较差，且扩孔率虽达到传统级别，但无法满足对成型性能要求较大的用户。

中国专利CN101353757公开的高扩孔率钢采用低碳设计，其力学性能和扩孔性能都有不错水平，但是在成分设计中添加了Nb、Ti合金，在生产过程中增加成本。同时，热轧板卷取过程中，对于碳锰钢，会在组织中出现带状组织，使得扩孔率降低。专利中在440MPa级别的强度下，其扩孔率在108％，低于本发明中扩孔率。因此，针对上述存在的问题，本发明通过设计新的退火生产工艺，结合冷轧硬板的化学成分，在强度不降低情况下，使得金属成型性能提高。适应当前汽车行业需求，一种高强度高扩孔性能的薄板具有深远意义。

发明内容：

本发明是根据当前市场对良好深冲性能板材的需求，提供一种高扩孔性能高强钢的制备方法，本发明方法能够制备高强度、高成形性能和较低生产成本的高强钢，满足市场需求。

本发明所提供的一种高扩孔性能高强钢的制备方法，该方法以低合金高强钢冷轧板作为退火板坯，所述冷轧板的成分及重量百分比为：C:0.05-0.2％，Si:0.10-0.25％，Mn:1.0-1.7％，P:≤0.015％，S:≤0.01％，Als:0.015-0.05％，Ca:≤0.005％，余量为Fe及不可避免杂质，所述冷轧板的厚度为0.7-2mm；该制备方法的具体步骤如下：

(1)确定所述冷轧板的退火温度，退火温度T根据模型设定：

其中：λ为导热系数，

A为传热面积，单位：㎡，

T_m表示金属熔点，单位：℃，

K表示加热系数，取值0.2-0.4，

根据设定的所述冷轧板的退火温度，以阶梯型方式对所述冷轧板进行退火处理。

(2)阶段式加热在不同升温阶段下保温时间的确定，根据保温时间模型确定保温时间t:

t＝K·h·τ·γ

其中：K表示加热系数，一般取值0.2-0.4,

h表示冷轧板有效厚度，单位：mm，

τ表示装炉系数，取值范围为1.2-1.5，

γ表示修正系数，取值1.7-2.0。

(3)为了得到良好成型性能，需要进行缓慢升温，采取加热速率逐步递减的方式对所述冷轧板进行退火处理，第一阶段，将所述冷轧板以80～100℃/h的加热速率一次性加热升温到400～450℃，为消除温度梯度，同时为了保护加热炉，进行第一次保温，保温时间20～40min后继续加热，加热速率减缓，以40～60℃/h的加热速率将所述冷轧板缓慢升温至500～550℃，升温至指定温度后进行第二次保温，保温时间为20～40min，完成第二次保温后，接着进行第三次升温，此阶段是再结晶阶段，为了得到无畸变的新晶粒，需要缓慢的加热速率和较长的保温时间，需要将加热速率进一步降低，以25℃/h～30℃/h的加热速率加热，最终退火温度为620～680℃，在加热到最终退火温度后保温2-3h，然后以0.01℃-0.03℃/s的速率将所述冷轧板随炉缓冷至室温，完成整个退火过程，最终制备得到所述高扩孔性能高强钢。

本发明中冷轧板材料化学成分设计：

碳：C在钢中属于强化元素，可以显著提高钢的强度，但是含量过高时，会使得塑性降低，会影响到钢的冷成型性能，为后续加工造成困难，因此，C含量优选控制在0.05-0.12％。

Mn:锰在钢中起到固溶强化的作用，锰含量如果偏低，不能保证在较低碳含量的设计下，达到较高的强度，如果锰含量较高，会影响到钢板的冷冲压性。所以，本设计中锰含量优选控制在1.2-1.7％之间。

Si:元素硅在钢种会固溶在铁素体内，会使得钢的强度、硬度提高，但会对金属薄板成型性能有很大影响，因此，对于高成形性的钢种要加入较低含量硅，设计中优选控制在0.15-0.25％。

Al:本设计中优选添加0.015-0.04％的Al，Al是钢中常见的脱氧剂，同时在加热过程中会与氮原子结合生成AlN钉扎晶界，从而可以对晶粒起到细化作用。同时，Al还可以抑制碳化物析出。

Ca:在金属中可以改善和控制硫化物形态，使得钢的塑性和韧性有所提高，通过钙处理控制Ca含量在0.005％以内。

S、P：硫元素属于杂质元素，容易形成MnS,其硫化物形态和数量直接影响钢带的成型性能，尤其条状硫化物夹杂在形变过程中会产生裂纹。P元素可以作为强化铁素体的元素，有很好的固溶强化作用，但一般情况下，磷属于钢中有害元素，增加冷脆性，使焊接性能变差，降低塑性。

本发明通过对退火温度和升温过程的模型设定，确定退火温度，并采用阶段式升温方式和保温措施，通过适当的化学成分设计开发出新的退火工艺，进一步改善退火晶粒及晶界分布状况，在不同的温度区间进行不同速率的加热和不同时间的保温，使得组织中粗大以及被拉长的铁素体有足够时间和能量发生再结晶形成“饼形晶粒”，同时，铁素体晶粒会表现出{1.1.1}择优取向增强，因此，使得退火后板材具有高扩孔性能，在深冲成型性能方面有很大提高。同时在化学成分中，通过适当的合金元素成分配比，使得在保证强度较高的情况下，扩孔性能进一步提高，达到较高的综合使用性能。

附图说明：

图1是通用退火方式制度曲线图；

图2是本发明在升温阶段及保温降温阶段的退火制度曲线图；

图3是本发明实施例1、4退火工艺制度曲线图；

图4是本发明实施实施例2、5退火工艺制度曲线图；

图5是本发明实施例3、6退火工艺制度曲线图。

具体实施方式：

本发明是通过阶段式加热保温的退火方式，使得退火后板材具有高扩孔性能，在深冲成型性能方面有很大提高，下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明方法所用低合金高强钢冷轧板的厚度为0.7-2mm，该冷轧板中含有的化学成分(质量百分比)分别为：C:0.05-0.2％，Si:0.10-0.25％，Mn:1.0-1.7％，P:≤0.015％，S:≤0.01％，Als:0.015-0.05％，Ca:≤0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质。根据退火温度模型设定确定其退火温度范围为620-680℃，根据保温时效模型确定其阶段保温时间为20～40min.根据加热速率模型设定，确定了第一阶段，以80～100℃/h的速率一次性升温加热到400～450℃，为了消除温度梯度，同时为了保护加热炉，因此需要进行一次保温，时间在20～40min，然后以40～60℃/h的速率缓慢升温至500～550℃，升温至指定温度后进行二次保温，时间为20～40min，再以25～30℃/h的速率加热，最终退火温度为620-680℃。加热到最终退火温度后，保温2-3h，然后以0.01℃-0.03℃/s的速率随炉缓冷至室温，完成退火过程。

采用上述退火处理方法退火后的冷轧板微观组织主要具有铁素体+渗碳体组织，其力学性能为室温屈服强度320～350Mpa，抗拉强度为440～480Mpa，断后伸长率达30％～35％。

材料选取：选取低合金高强钢冷轧板作为制备材料，其厚度为1mm和1.2mm，经过剪切成300mm*350mm的板坯作为本发明中退火工艺实施对象。其化学成分如下表1：

表1低合金高强钢冷轧板的化学成分(wt％)

实施例1：根据退火模型设定，将厚度为1mm的低合金高强钢冷轧板，化学成分(质量百分比)为C：0.08％，Si:0.2％,Mn:1.2％，S:≤0.01％，P:≤0.02％,Als:0.04％，Ca:0.005％，余量为Fe及不可避免杂质。将该冷轧板以100℃/h的速率加热至400℃，然后进行保温30min,再接着以50℃/h的速率加热至500℃，再继续保温30min,继续以30℃/h的加热速率升温至660℃，保温120min,再缓冷至室温。

实施例2：根据退火模型设定，将厚度为1mm的低合金高强钢冷轧板，化学成分(质量百分比)为C：0.08％，Si:0.2％，Mn:1.2％，S:≤0.01％，P:≤0.02％，Als:0.04％，Ca:0.005％，余量为Fe及不可避免杂质。将低合金高强钢冷轧板以90℃/h的速率加热至400℃，然后进行保温30min,再接着以45℃/h的速率加热至500℃，再继续保温30min,继续以25℃/h的加热速率升温至640℃，保温120min,再缓冷至室温。

实施例3：根据退火模型设定，将厚度为1mm的低合金高强钢冷轧板，化学成分(质量百分比)为C：0.08％，Si:0.2％，Mn:1.2％，S:≤0.01％，P:≤0.02％，Als:0.04％，Ca:0.005％，余量为Fe及不可避免杂质。将低合金高强钢冷轧板以80℃/h的速率加热至400℃，然后进行保温30min,再接着以40℃/h的速率加热至500℃，再继续保温30min，继续以25℃/h的加热速率升温至620℃，保温120min,再缓冷至室温。

实施例4：根据退火模型设定，将厚度为1.2mm的低合金高强钢冷轧板，化学成分(质量百分比)为C：0.07％，Si:0.18％，Mn:1.1％，S:≤0.01％，P:≤0.02％，Als:0.03％，Ca:0.004％，余量为Fe及不可避免杂质。将低合金高强钢冷轧板以100℃/h的速率加热至400℃，然后进行保温30min,再接着以50℃/h的速率加热至500℃，再继续保温30min,继续以30℃/h的加热速率升温至660℃，保温120min,再缓冷至室温。

实施例5：根据退火模型设定，将厚度为1.2mm的低合金高强钢冷轧板，化学成分(质量百分比)为C：0.07％，Si:0.18％，Mn:1.1％，S:≤0.01％，P:≤0.02％，Als:0.03％，Ca:0.004％，余量为Fe及不可避免杂质。将低合金高强钢冷轧板以90℃/h的速率加热至400℃，然后进行保温30min,再接着以45℃/h的速率加热至500℃，再继续保温30min,继续以25℃/h的加热速率升温至640℃，保温120min,再缓冷至室温。

实施例6：根据退火模型设定，将厚度为1.2mm的低合金高强钢冷轧板，化学成分(质量百分比)为C：0.07％，Si:0.18％，Mn:1.1％，S:≤0.01％，P:≤0.02％，Als:0.03％，Ca:0.004％，余量为Fe及不可避免杂质。将低合金高强钢冷轧板以80℃/h的速率加热至400℃，然后进行保温30min,再接着以40℃/h的速率加热至500℃，再继续保温30min,继续以25℃/h的加热速率升温至620℃，保温120min,再缓冷至室温。

本发明阶段式保温退火方式的主要退火参数如下表2所示，实施后的效果见表3。

表2本发明各实施例退火参数情况

表3本发明各实施例实施效果情况

从上表数据可以看出，在加热温度较高、加热速率较快的退火工艺下，力学性能达到同等强度级别钢种的标准性能，且明显具有高扩孔率，具有良好的成型性能。随温度降低、加热速率较慢的情况下，其力学性能具有大幅度提高，而薄板扩孔率也可达到较高的水平，因此，通过本发明，可以很好的满足汽车行业的要求。

Claims (1)

1.一种高扩孔性能高强钢的制备方法，其特征在于该制备方法以低合金高强钢冷轧板作为退火板坯，所述冷轧板的成分及重量百分比为：C:0.05-0.2％，Si:0.10-0.25％，Mn:1.0-1.7％，P:≤0.015％，S:≤0.01％，Als:0.015-0.05％，Ca:≤0.005％，余量为Fe及不可避免杂质，所述冷轧板的厚度为0.7-2mm；该制备方法的具体步骤如下：

(1)确定所述冷轧板的退火温度，退火温度T根据模型设定：

其中：λ为导热系数，

A为传热面积，单位：㎡，

T_m表示金属熔点，单位：℃，

K表示加热系数，取值0.2-0.4，

根据设定的所述冷轧板的退火温度，以阶梯型方式对所述冷轧板进行退火处理；

(2)阶段式加热在不同升温阶段下保温时间的确定，根据保温时间模型确定保温时间t:

t＝K·h·τ·γ

其中：K表示加热系数，一般取值0.2-0.4,

h表示冷轧板有效厚度，单位：mm，

τ表示装炉系数，取值范围为1.2-1.5，

γ表示修正系数，取值1.7-2.0；

(3)采取加热速率逐步递减的方式对所述冷轧板进行退火处理，第一阶段，将所述冷轧板以80～100℃/h的加热速率一次性加热升温到400～450℃，进行第一次保温，保温时间20～40min后继续加热，加热速率减缓，以40～60℃/h的加热速率将所述冷轧板缓慢升温至500～550℃，升温至指定温度后进行第二次保温，保温时间为20～40min，完成第二次保温后，接着进行第三次升温，以25～30℃/h的加热速率加热，最终退火温度为620～680℃，在加热到最终退火温度后，保温2-3h，然后以0.01℃-0.03℃/s的速率将所述冷轧板随炉缓冷至室温，完成整个退火过程，最终制备得到所述高扩孔性能高强钢。