CN109112279A - 800MPa级簇团强化型钢板及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种800MPa级簇团强化型钢板，化学成分按重量百分比包括：0.01～0.1％的C、0.5～2％的Mn、0.1～0.6％的Si、0.01～0.1％的Als、0.01～0.1％的Nb、0.01～0.1％的Ti，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明通过控制成分及重量百分比，结合高温卷取，可获得尺寸细小、分布均匀且密度大的纳米级簇团析出物，可显著强化铁素体强度，缩小了两种基体组织(铁素体和马氏体)的强度差异，获得高的扩孔性能，满足用户对高强高塑的要求。

Description

800MPa级簇团强化型钢板及制备方法
技术领域
本发明涉及高强热轧钢技术领域，具体涉及一种800MPa级簇团强化型钢板及制备方法。
背景技术
受到环保和节能的影响，钢铁工业需要开发具有节能、节材和优异性能的超高强钢以实现可持续发展。超高强度钢除了要求高的抗拉强度外，还要求具有一定塑韧性、尽可能小的缺口敏感性、高的疲劳强度、良好的工艺性能等。随着纳米科技的发展，纳米材料在力学性能方面展现出高强度、高硬度和高韧性等独特的优势。
为了节约资源、降低成本，减少甚至避免昂贵合金元素的使用，降低合金元素含量是设计新型超高强度钢需要注意的问题，同时选用韧性良好、生产工艺简单的铁素体组织为基体，可以克服马氏体钢的快冷要求对材料尺寸的限制，节约能源、简化工艺。
纳米析出强化是金属材料最有前途的强韧化机制之一，也是新型超高强度钢最重要的强化机制。综合利用传统的强化机制：细晶强化、固溶强化和位错强化可以获得组织性能的最好匹配。
中国发明专利申请(公开号CN108004475A、公开日2018.5.8)，为获得优异的强度、塑性和韧性匹配，钢的化学成分重量百分比为：0.10％≤C≤0.20％，1.0％≤Mn≤2.0％，P≤0.015％，S≤0.005％，0.02％≤Al≤0.08％，N≤0.005％，0.02％≤Nb≤0.05％，0.10％≤Ti≤0.20％，0.20％≤Mo≤0.50％，0.10％≤V≤0.50％，O≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质，且上述元素同时需满足：0.10％≤Nb/7.74+(Ti-3.42N)/4+Mo/8+V/4.24≤0.20％。微观组织需满足生成贝氏体和纳米级碳化物，贝氏体板条的宽度为0.2～0.3μm，纳米级碳化物尺寸≤10nm，最终产品性能能够达到屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥900MPa，延伸率≥14％，-40℃冲击功≥50J。产品可应用于汽车底盘、大梁、车轮等需要高强减薄的部位。所发明的钢板碳含量较高，基体组织为贝氏体，在生产中不易控制。
中国发明专利(授权公告号CN104726770B、授权公告日2017.4.12)对钢板的扩孔性能进行了界定。所发明的钢板扩孔性为60％以上，屈强比为0.8以上。主要手段为控制钢的化学成分重量百分比为：C：0.07～0.15％，Si：0～0.3％，Mn：0～1.5％，P：0.02～0.07％，S≤0.01％，N≤0.005％，Al：0.02～0.05％，Ti：0.03～0.1％，B：0～0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质。微观组织为面积率包括2～10％的珠光体和铁素体。所发明的钢板有较低的碳含量，且组织为珠光体和铁素体，生产时容易控制，但该成分和组织得到的强度较低，不能满足高强高塑的需求。
随着国家强化汽车冲击稳定性的管制，为了提高车体的耐冲击特性，在构件、梁及支柱等结构件中广泛采用形成强化型钢板。这类钢可以吸收汽车的冲击能量，具有高屈强比的特点。主要通过添加Nb、Ti、V等微合金元素与C、N结合形成纳米级析出物强化基体组织。目前市场上现有的析出强化型钢板大都力学性能满足要求，但对于强度≥800MPa的钢板来说由于铁素体强度低，与另一种组织(马氏体或贝氏体)强度差距较大导致扩孔性能较差，不能满足用户的成形要求。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种扩孔性能优异的800MPa级簇团强化型钢板及其制造方法。
为实现上述目的，本发明所设计的800MPa级簇团强化型钢板，化学成分按重量百分比包括：0.01～0.1％的C、0.5～2％的Mn、0.1～0.6％的Si、0.01～0.1％的Als、0.01～0.1％的Nb、0.01～0.1％的Ti，余量为Fe及不可避免的杂质。
下面对本发明的合金成分设计进行详细说明：
碳(C)：0.01～0.1％。对于低碳钢板来说是一个最重要的组分，C含量增加，有助于析出物和马氏体的形成。当C含量低于0.01％时，强度难以达到，也不能形成足够体积分数的簇团析出物，可能降低钢板强度和屈强比。当C公开高于0.1％时，影响连铸板坯表面质量，在轧制过程中易产生裂纹，也会使零件的焊接性变差。因此，C含量限定为0.01～0.1％，优选0.065～0.1％。
锰(Mn)：0.5～2％。Mn为提高强度和韧性最有效的元素。但是添加多量的锰，会导致增加钢的淬透性，由于焊接硬化层的出现而使裂纹敏感性增高，同时，冲压性能降低，为了确保较高的冲压性能和焊接性能，Mn含量限定为0.5～2％，优选0.5～1.55％。
硅(Si)：0.1～0.6％。Si可提高强度，但在本发明中并不故意添加。但当Si含量超过0.6％时，可能会在钢板表面产生较厚的氧化铁皮。因此，Si含量控制在0.1～0.6％，优选0.1～0.5％。
酸溶铝(Als)：0.01～0.1％。铝是优良的脱氧剂，添加到钢水中形成Al2O3后，剩下的铝溶解到钢水中即为酸溶铝，可细化晶粒。当所述酸溶铝低于0.01％时，不能稳定生产镇静钢，当酸溶铝超过0.1％时，容易形成较多的夹杂物附于钢水表面，影响钢板表面状态和性能。因此，酸溶铝含量限定为0.01～0.1％，优选0.04～0.1％。
铌(Nb)：0.01～0.1％。Nb是细化铁素体晶粒的有效元素，并与C结合形成细小的碳化物，提高钢板强度和韧性。当Nb含量低于0.01％时，强化效果不显著，但高于0.1％时，细化晶粒和析出强化的作用并未增加，而生产成本却显著提高。因此，Nb含量限定为0.01～0.1％，优选0.04～0.1％。
钛(Ti)：0.01～0.1％。Ti与固溶C结合析出Ti系碳化物，可提高钢板强度，细化铁素体晶粒。当Ti含量低于0.01％时，析出强化效果不明显，对强度贡献不大。当超过0.1％时，在连铸时易出现铸坯裂纹，影响钢板表面质量。因此，Ti含量限定为0.01～0.1％，优选0.01～0.05％。
还提供一种如上述所述800MPa级簇团强化型钢板的制备方法，包括如下步骤：
1)冶炼、铸造
按所述成分及重量百分比混合均匀形成钢水，钢水经过转炉冶炼后进行真空精炼，最后铸造成铸坯；
2)加热
将铸坯加热至1250～1290℃、并保温1.5～3h；
3)轧制
经多道次粗轧和精轧，总压下率60～90％，至终轧温度750～850℃；
4)层流冷却
层流冷却速度控制在30～90℃/s，然后在500～650℃进行卷取，在5～30℃/s的冷速下冷却至室温。
为了保证终轧温度，钢板需要在较高的温度加热，可以补偿轧制过程中热量的损失，保证钢板温度。当卷取温度低于500℃时，Ti、Nb的碳化物优先在铁素体晶界上而不是铁素体晶粒内析出，对铁素体强度的提高贡献不大。当卷取温度超过650℃或卷取时间超过100h时，Ti、Nb的碳化物将发生显著粗化，难以保证高强度，且铁素体晶粒也会相应长大，强度进一步降低。因此，所述卷取温度和时间限定为500～650℃，不超过100h，防止了纳米级簇团析出物粗化。尤其卷取时间控制在1～30h时，所获得的纳米析出物尺寸可达到1～3nm。
本发明成分、重量百分比及工艺制备的钢板，其微观组织主要为铁素体，包括马氏体和少量贝氏体。其中，马氏体面积率控制在20～40％，贝氏体含量在0～5％，其余为铁素体。当马氏体面积率低于20％时，无法满足高强度的要求，当马氏体面积率超过40％时，可显著提高钢板强度，但由于马氏体是非常硬的相，将会显著降低钢板塑性，无法满足塑性要求。在轧制过程中，如果工艺出现波动可能会出现少量的贝氏体，但当贝氏体含量超过5％时力学性能将不能满足要求。
为满足高的扩孔性能，本发明中铁素体基体内含有一定量的纳米级簇团析出物，其尺寸在1～7.5nm，密度可达103/μm2。由于簇团析出物晶粒细小，密度大，在铁素体内形成可提高铁素体的强度，减小与马氏体强度的差异，从而提高钢板的扩孔性能。同时减小外部冲击造成的局部应力集中，提高钢板的耐冲击性能。
通过上述成分、重量百分比及生产工艺得到的钢铁产品具有优良的成形性和高强度，抗拉强度≥800MPa，断后伸长率≥15％，扩孔性能≥80％，屈强比≥0.7。微观组织以铁素体为主，包括马氏体和少量贝氏体。通过纳米级簇团析出物对铁素体的强化，减小铁素体与马氏体微观硬度的差异，满足高强高塑的性能要求。
本发明的热轧钢板通过成分和热轧工艺的匹配，尤其是控制卷取工艺可以获得纳米级簇团析出，尺寸更为细小，且在铁素体内析出的密度更大，组织性能满足要求，扩孔性能优异，不需要再经过冷轧退火；另外，C含量较少，基体组织以铁素体和马氏体为主，在热轧时比贝氏体更容易控制，不需添加Mo、V等合金元素，表现出优异的扩孔性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明通过控制成分及重量百分比，结合高温卷取，可获得尺寸细小、分布均匀且密度大的纳米级簇团析出物，可显著强化铁素体强度，缩小了两种基体组织(铁素体和马氏体)的强度差异，获得高的扩孔性能，满足用户对高强高塑的要求。
附图说明
图1为本发明实施例5组织形貌图(75％F+25％M)；
图2为本发明实施例5纳米级析出物形貌图-透射明场像(卷取时间100h)；
图3为本发明实施例5纳米级析出物形貌图-透射暗场像(卷取时间100h)。
具体实施方式
通过控制钢板合金成分，控制终轧温度、压下率、卷取温度、卷取时间等热轧工艺参数，可以获得纳米级簇团析出物，提高钢板的塑性及扩孔性。下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
表1为本发明各实施例和对比例的化学成分列表；
表2为本发明各实施例和对比例的主要工艺参数列表；
表3为本发明各实施例和对比例性能检测情况列表。
表1(wt，％)
C Mn Si Als Nb Ti
实施例1 0.01 1.9 0.6 0.01 0.05 0.1
实施例2 0.03 1.25 0.5 0.05 0.01 0.1
实施例3 0.04 1.32 0.3 0.05 0.08 0.02
实施例4 0.065 1.47 0.5 0.07 0.04 0.05
实施例5 0.08 1.55 0.3 0.04 0.06 0.05
实施例6 0.1 0.5 0.1 0.1 0.1 0.05
对比例1 0.05 2.0 0.3 0.05 0.08 0.1
对比例2 0.07 1.8 0.3 0.05 0.02 0.03
对比例3 0.08 1.5 0.6 0.01 0.07 0.05
表2
加热温度，℃ 总压下率，％ 终轧温度，℃ 卷取温度，℃ 卷取时间，h
实施例1 1250 60 750 500 100
实施例2 1270 65 770 520 50
实施例3 1260 71 785 540 30
实施例4 1255 73 820 580 24
实施例5 1300 85 840 610 18
实施例6 1310 90 850 650 1
对比例1 1130 50 700 400 110
对比例2 1180 55 712 441 120
对比例3 1200 58 734 470 135
表3
如表1、2的实施例1～6所示，在本发明限定的化学成分和热轧工艺参数，钢中添加Nb、Ti与C结合，在适当的热轧工艺形成纳米级的簇团析出，在终轧温度750～850℃，500～650℃进行卷取的实施例中，热轧组织由面积率在20～40％的马氏体，0～5％的贝氏体，其余为铁素体的两相或三相组成。其中，卷取时间不超过100h时，铁素体基体内含有纳米级簇团析出物，其尺寸在1～7.5nm，密度在103/μm2以上。由实施例可知，钢板组织分布均匀，马氏体含量控制在20～40％，如图1所示。由图2、图3可知，铁素体中析出物尺寸细小，数量较多，对铁素体有一定的强化效果。
相对地，对于未控制化学成分和热轧工艺参数的对比例1～3中，钢中的马氏体含量不够，析出物尺寸较大、数量较少，与实施例1～6相比，力学性能和扩孔性能无法满足要求。

Claims (10)

1.一种800MPa级簇团强化型钢板，其特征在于：化学成分按重量百分比包括：0.01～0.1％的C、0.5～2％的Mn、0.1～0.6％的Si、0.01～0.1％的Als、0.01～0.1％的Nb、0.01～0.1％的Ti，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述800MPa级簇团强化型钢板，其特征在于：所述C的重量百分比为0.065～0.1％。
3.根据权利要求1所述800MPa级簇团强化型钢板，其特征在于：所述Mn的重量百分比为0.5～1.55％。
4.根据权利要求1所述800MPa级簇团强化型钢板，其特征在于：所述Si的重量百分比为0.1～0.5％。
5.根据权利要求1所述800MPa级簇团强化型钢板，其特征在于：所述Als的重量百分比为0.04～0.1％。
6.根据权利要求1所述800MPa级簇团强化型钢板，其特征在于：所述Nb的重量百分比为0.04～0.1％。
7.根据权利要求1所述800MPa级簇团强化型钢板，其特征在于：所述Ti的重量百分比为0.01～0.05％。
8.一种如权利要求1所述800MPa级簇团强化型钢板的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：
1)冶炼、铸造
按所述成分及重量百分比混合均匀形成钢水，钢水经过转炉冶炼后进行真空精炼，最后铸造成铸坯；
2)加热
将铸坯加热至1250～1290℃、并保温1.5～3h；
3)轧制
经多道次粗轧和精轧，总压下率60～90％，至终轧温度750～850℃；
4)层流冷却
层流冷却速度控制在30～90℃/s，然后在500～650℃进行卷取，在5～30℃/s的冷速下冷却至室温。
9.根据权利要求8所述800MPa级簇团强化型钢板的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中，卷取时间为1～100h。
10.根据权利要求8所述800MPa级簇团强化型钢板的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中，卷取时间为1～30h。
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