CN109112397B - 一种1400MPa 级贝/马复相汽车用低碳Q&P钢制备方法 - Google Patents

一种1400MPa 级贝/马复相汽车用低碳Q&P钢制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种1400MPa级贝/马复相汽车用低碳Q&P钢制备方法，其化学成分包含C，Si，Mn，Ni，Ti，Nb，Cr，Al，V，P，N，S，B等。按照本发明所给成分配方，配料后转炉冶炼，随后真空炉二次精炼加入微量合金元素、连铸得到铸坯，加热保温后高压水除磷，热轧后水淬到室温；酸洗后多道次冷轧，获得目标厚度的钢板；加热到AC3以上保温后水淬至MS与Mf之间T0保温，后空冷至室温。本发明添加多种微量合金元素，降低了传统钢常用的C、Si、Mn元素含量，增强焊接性和成形性，细化晶粒，并通过调控热处理工艺获得贝、马、奥氏体的混合组织，增加强度的同时获得良好的塑韧性，使钢板具备良好的综合力学性能，有利于汽车轻量化和节能减排。

Description

一种1400MPa 级贝/马复相汽车用低碳Q&P钢制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料领域，特别涉及一种1400MPa级贝/马复相汽车用低碳Q&P钢制备方法。
背景技术
汽车工业在现代化国家的经济发展中，起着重要支柱的作用:①在产值和销售收入中，汽车工业占较大比重。②汽车工业的发展必然会推动许多相关工业部门的发展。汽车工业是综合性的组装工业，一辆汽车由千万种零、部件组成,每一个汽车主机厂都有大量的相关配件厂,所以汽车工业和许多工业部门具有密切的联系。③汽车工业是高度技术密集型的工业，集中着许多科学领域里的新材料、新设备、新工艺和新技术。
国家统计局公布数据显示，2017年全国民用汽车保有量21743万辆（包括三轮汽车和低速货车820万辆），比上年末增长11.8%，其中私人汽车保有量18695万辆，增长12.9%。民用轿车保有量12185万辆，增长12.0%，其中私人轿车11416万辆，增长12.5%。2009年上半年，中国汽车市场销售量已跃居世界第一。入选中国世界纪录协会世界纪录。随后，我国连续刷新并持有此项纪录。同时，汽车行业对中国GDP的贡献也常年保持10%以上。
汽车工业的不断发展，尤其是电动、插混动力、燃料电池、氢能源等新能源汽车的不断涌现，更加沉重的能源设备也使得汽车总重不断上升。在智能化过程中，各种感应设备及数据处理设备也使得汽车重量不断上升。同时，相关试验表明，汽车的质量每减轻10%，油耗可下降6%~8%，同时排放量下降4%。
汽车工业对汽车车身材料更高的性能和成本要求。先进高强度钢充分发挥相变强化的作用，同时配合以适当的热处理工艺手段和微量合金元素的添加，获得两相或更多相的复相组织，通过合理的设计令各相组织充分发挥自身特点并互补彼此的缺陷，从而达到提高钢材综合性能的目的。美国柯州矿校Speer提出的Q&P钢，因其良好的综合力学性能和性价比，成为诸多企业的选择。
但是传统的Q&P钢生产工艺具有以下问题：（1）多为将现有钢种进行淬火处理，即仅仅考虑到了马氏体的强化，忽略了贝氏体的优良性能；（2）为了降低成本，仅仅通过调控C元素的含量，并利用Mn、Si元素进行简单地组织调整。但是，过高的C、Mn元素含量在增加脆性的同时会严重影响焊接性能；（3）部分高强钢只注重了不断提升强度，导致塑韧性差，强塑积较低，无法满足现代汽车的需求；（4）热处理工艺复杂，生产技术要求较高，实现产业化需要购入价格高昂的新型仪器，设备管理维护成本也相对较高。
发明内容
为了改善和解决上述不足，本发明通过对钢铁原始成分和热处理工艺的合理化设计，提供一种1400MPa级贝/马复相汽车用低碳Q&P钢制备方法，可大幅提高综合力学性能，减少工艺步骤节约能源，具有成本低，生产效率高的特点。
为了实现上述目的，本发明采取的的技术方案为：
本发明成分设计如下：C：0 .10～0 .23%，Si：0 .60～1 .70%，Mn：0.70～2 .40%，Ni：0.10～2.00%，Ti：0.06%～2%；Nb：0.05%～1.5%；Cr：0.1～1.00%；Al：0 .1～0 .5%，V：0.05～0.11%，P：0 .02～0 .04%，N≤0 .0060%，S≤0 .005%，B：0.001～0.006%，余量为Fe和不可避免的杂质。
成分设计原理如下：
钢的焊接性能，主要取决于它的淬透性、回火性和碳的质量分数。合金元素对钢材焊接性能的影响，可用焊接碳当量来估算。即：Cd=C+1/6Mn+1/5Cr+1/15Ni+1/4Mo+1/5V+1/24Si+1/2P+1/13Cu；
C:钢中含碳量增加，可明显提升钢板的强度，但塑性和冲击韧性降低．当含量超过0.23%时，钢的焊接性能会出现显著的下降，同时碳量的提高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。因此，本发明设计的C元素含量为0 .10～0 .23%；
Si：适量的Si可以充分抑制碳化物的析出，促进无碳化物贝氏体组织的形成，同时有利于钢筋在较高的温度回火，以改善钢板的韧性和抗延迟断裂性能。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度。由于钢中硅含量不超过0.5%时，对钢性能影响不大，因此本发明设计的Si元素含量为0 .60～1 .70%；
Mn：锰在钢中是一种有益元素，加入0.70%以上时可以有效地提高钢的淬性，适量的添加锰元素可以保证在空冷的条件下获得贝氏体组织。锰可以与硫形成MnS，一定程度上消除了硫的有害作用。锰能够与钢中的FeO成为MnO进入炉渣，从而改善钢的品质，特别是降低钢的脆性，提高钢的强度和硬度。但是，锰量过高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能，因此本发明设计的Mn元素含量为0.70～2 .40%；
Ni：1.能提高钢的强度和韧性，提高淬透性．含量高时，可显著改变钢和合金的一些物理性能，提高钢的抗腐蚀能力．镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。当镍＜0.3%时，其变脆温度即达‐100℃以下，而且含Ni=3.5%，无Cr钢可空淬，含Ni=8%的Cr钢在很小冷速下也可转变为M体，有Ni钢一般不易过热，所以它可阻止高温时晶粒的增长，仍可保持细晶粒组织。因此，本发明设计的Ni元素含量为0.10～2.00%；
Ti：能细化钢的晶粒组织，从而提高钢的强度和韧性．钛能消除或减轻钢的晶间腐蚀现象．钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。Ti能与S作用，降低硫的热脆作用。因此，本发明设计的Ti元素含量为0.06%～2%；
Nb：铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。固溶强化作用很明显，提高钢的淬透性(溶于奥氏体时)，增加回火稳定性，有二次硬化作用，提高钢的强度、冲击韧性。因此，本发明设计的Nb元素含量为0.05%～1.5%；
Cr：铬可以进一步的压低贝氏体转变温度，同时显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因此，本发明设计的Cr元素含量为0.1～1.00%；
Al:能细化钢的晶粒组织，阻抑低碳钢的时效．提高钢在低温下的韧性，还能提高钢的抗氧化性，提高钢的耐磨性和疲劳强度等。因此，本发明设计的Al元素含量为0.1～0.5%；
V：可以通过细化晶粒和第二相弥散析出实现钢的强韧化；减小过热敏感性，提高热稳定性。由于碳化钒的高度分散阻止焊缝晶粒粗大，所以可改善钢的可焊性能，但加热到VC溶解温度后即会引起钢晶强烈长大，因此本发明设计的V元素含量为0.05～0.11%；
N：铁素体溶解氮的能力很低。当钢中溶有过饱和的氮，在放置较长一段时间后或随后在200～300℃加热就会发生氮以氮化物形式的析出，并使钢的硬度、强度提高，塑性下降，发生时效。钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除时效倾向。因此本发明设计的N元素含量为0 .006%；
S：硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。它是钢中的一种有害元素。硫以硫化铁(FeS)的形态存在于钢中，FeS和 Fe 形成低熔点(985℃)化合物。而钢材的热加工温度一般在1150～1200℃以上，所以当钢材热加工时，由于 FeS化合物的过早熔化而导致工件开裂，这种现象称为“热脆”。含硫量愈高，热脆现象愈严重，故必须对钢中含硫量进行控制。因此本发明设计的S元素含量为≤0 .005%；
B：当钢中含有微量的（ 0.001－0.005 ％）硼时，钢的淬透性可以成倍的提高，此时对其它性能等无影响或影响甚小，但是含B量超过0.007%时，容易引起脆性，因此，本发明设计的B元素含量为0.001～0.006%。
组织成分原理设计如下：
马氏体：强化钢件的重要手段，而且一般认为，马氏体是一种硬而脆的组织，尤其是高碳片状马氏体。要想提高淬火钢的塑性和韧性，必须用提高回火温度的方法，牺牲部分强度而换取韧性，就是说强度和塑性很难兼得。但是近年来的研究工作表明，这种观点只是适用于片状马氏体，而板条状马氏体不是这样，板条状马氏体不但具有很高的强度而且具有良好的塑性和韧性，同时还具有低的脆性转变温度，其缺口敏感性和过载敏感性都较低；
贝氏体：下贝氏体中铁素体针细小、分布均匀，在铁素体内又析出细小、大量弥散的碳化物，加之铁素体内含碳量高，过饱和度大，有高密度的位错，因此，下贝氏体不但强度高，而且韧性也好；
奥氏体：奥氏体是最密排的点阵结构，致密度高，故奥氏体的体积质量比钢中铁素体、马氏体等相的体积质量小。奥氏体的点阵滑移系多，故奥氏体的塑性好，屈服强度低，易于加工塑性成形。残余奥氏体在塑性变形作用下诱发马氏体形核，引入相变强化和塑性增长机制，提高钢板的强度和韧性。奥氏体在室温拉伸时转化成马氏体，马氏体相变产生应力松弛，使塑性增加。另外相变生成的马氏体又能够强化TRIP钢，使TRIP钢的强度提高。
一种1400MPa级贝/马复相汽车用低碳Q&P钢制备方法，其步骤如下：
（1）冶炼过程：按照本发明所给出的成分配方，配料后经过转炉冶炼，真空炉二次精炼、经铸造得到铸坯，所述铸坯的化学成分及重量百分含量为：C：0 .10～0 .23%，Si：0.60～1 .70%，Mn：0.70～2 .40%，Ni：0.10～2.00%，Ti：0.06%～2%；Nb：0.05%～1.5%；Cr：0.1～1.00%；Al：0 .1～0 .5%，V：0.05～0.11%，P：0 .02～0 .04%，N≤0 .0060%，S≤0 .005%，B：0.001～0.006%，余量为Fe和不可避免的杂质；
（2）加热保温过程：将铸坯使用加热炉加热到1100-1200℃并进行保温一段时间；
（3）热轧过程：将保温一段时间的铸坯，经高压水除鳞，随后进行热轧，后水淬到室温；
（4）冷轧过程:酸洗后进行多道次冷轧，获得目标厚度的钢板；
（5）奥氏体区域碳锰综合配分过程:将材料以一定速率加热到AC3以上某一温度并保温一段时间后淬火至BS与Mf之间某一温度T0；
（6）碳元素配分过程:将材料在BS与Mf之间某一温度T0进行保温一段时间；
（7）配分后降温过程:将材料空冷至室温。
所述的一种1400MPa级贝/马复相汽车用低碳Q&P钢制备方法的步骤(1)中铸造采用连铸工艺。
所述的一种1400MPa级贝/马复相汽车用低碳Q&P钢制备方法的步骤(2)中保温一段时间为0.5-3 h。
所述的一种1400MPa级贝/马复相汽车用低碳Q&P钢制备方法的步骤(3)中终轧温度为820-880℃，卷取温度550-650℃，所获得的钢板厚度为1.5-8.0mm。
优选的，所述的一种1400MPa级贝/马复相汽车用低碳Q&P钢制备方法的步骤（3）中轧制过程分为粗轧、中轧、精轧。
所述的一种1400MPa级贝/马复相汽车用低碳Q&P钢制备方法的步骤(4)中冷轧为5-11道次，所获得的钢板厚度为1.0-2.0 mm。
所述的一种1400MPa级贝/马复相汽车用低碳Q&P钢制备方法的步骤(5)中AC3由经验公式1-1计算并将统计误差考虑在内
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1-1）
所述的一种1400MPa级贝/马复相汽车用低碳Q&P钢制备方法的步骤(5)中保温时间为1-15 min。
所述的一种1400MPa级贝/马复相汽车用低碳Q&P钢制备方法的步骤(6)中MS与Mf之间的温度由公式
Figure DEST_PATH_IMAGE002
确定。式中VM为马氏体体积分数；a为常数,取决于材料的成分,对于碳含量1.1%以下的碳钢,a=-0.011；Ms为马氏体相变开始温度QT为冷却到达温度。先确定理论上要得到的马氏体含量,再利用上述公式计算出淬火温度QT。
所述的一种1400MPa级贝/马复相汽车用低碳Q&P钢制备方法的步骤(6)中保温一段时间为10~600 s。
本发明的有益效果如下：
（1）采用两（三）层次多道次热轧，生产效率高，规模大，能量消耗少，成本低，机械化、自动化程度高，适于大批量连续生产，金属的变形抗力低和塑性好；
（2）将材料加热到奥氏体区并保温一段时间，一方面使碳锰元素充分配分，另一方面在降温过程中使得马氏体贝氏体切割晶粒达到细化晶粒的目的；
（3）含碳量低，具有更好的抗氢脆敏感性和抗延迟断裂的能力，同时通过合理的合金元素配比，在较低成本下获得了较好的综合力学性能，同时具有良好的焊接及成型性能；
（4）通过调控成分，使得板材在空冷情况下可生成贝/马复相组织，同时保留了一定量的残余奥氏体，拥有良好的综合力学性能。
附图说明
图1是本发明热处理工艺流程图。
图2是本发明的实施例1的金相组织照片。
图中，1、冶炼熔铸过程，2、加热保温过程，3、热轧过程（粗轧），4、热轧过程（精轧），5、冷轧过程，6、奥氏体化碳锰综合配分，7、碳配分过程，8、配分后空冷，9，AC3线代表加热时铁素体转变为奥氏体的终了温度,10、AC1线代表加热时珠光体转变为奥氏体的温度，11、BS线表示贝氏转变开始温度，12、Mf线表示马氏体转变终了温度。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例详细说明具体实施方式，如附图1-2所示。
本发明实施例中的金相试样在光学显微镜下拍摄而获得微观组织照片；拉伸试样按照ASTME8标准制得,并利用WDW-100E型电子万能试验机在室温下以2 mm/min的拉伸速率进行拉伸测试,经测试并计算获得各试样的抗拉强度、断后伸长率和强塑积。
实施例1
实际生产中采用的材料成分与重量百分比为为，其工艺过程包含如下步骤:
（1）冶炼过程：按照本发明所给出的成分配方，配料后经过转炉冶炼，真空炉二次精炼、连铸得到铸坯，所述铸坯的化学成分及重量百分含量为：C：0 .13%，Si：1 .20%，Mn：1.40%，Ni：0.30%，Ti：0.15%；Nb：0.15%；Cr：0.12%；Al：0 .1%，V：0.05%，P：0 .02%，N≤0.0060%，S≤0 .005%，B：0.002%，余量为Fe和不可避免的杂质；
（2）加热保温过程：将铸坯使用加热炉加热到1150℃并进行保温2.5h时间；
（3）热轧过程：将保温一段时间的铸坯，经高压水除鳞，进行热轧，分为粗轧、中轧、精轧三部分，终轧温度为880℃，卷取温度670℃钢板厚度为4mm，后水淬到室温；
（4）冷轧过程:酸洗后进行6道次冷轧，获得目标厚度1.5 mm钢板；
（5）奥氏体区域碳锰综合配分过程:将材料以10℃每分钟的速率加热到880℃并保温420 s后空冷；
（6）碳元素配分过程:将材料在280℃保温60 s；
（7）配分后降温过程:将材料空冷至室温。
图2为金相组织图片，可判断处理后组织由马氏体、贝氏体和残余奥氏体组成。断后伸长率达到15.25 %，抗拉强度1431.06 MPa，强塑积21.82 GPa%。
实施例2
实际生产中采用的材料成分与重量百分比为为，其工艺过程包含如下步骤:
（1）冶炼过程：按照本发明所给出的成分配方，配料后经过转炉冶炼，真空炉二次精炼、连铸得到铸坯，所述铸坯的化学成分及重量百分含量为：C：0 .18%，Si：1 .40%，Mn：2.00%，Ni：0.30%，Ti：0.18%；Nb：0.15%；Cr：0.14%；Al：0 .1%，V：0.05%，P：0 .02%，N≤0.0060%，S≤0 .005%，B：0.001%，余量为Fe和不可避免的杂质；
（2）加热保温过程：将铸坯使用加热炉加热到1130℃并进行保温2.5h时间；
（3）热轧过程：将保温一段时间的铸坯，经高压水除鳞，进行热轧，分为粗轧、精轧三部分，终轧温度为870℃，卷取温度680℃钢板厚度为5.0mm，后水淬到室温；
（4）冷轧过程:酸洗后进行7道次冷轧，获得目标厚度1.2 mm钢板；
（5）奥氏体区域碳锰综合配分过程:将材料以10℃每分钟的速率加热到870℃并保温300 s后空冷；
（6）碳元素配分过程:将材料在260℃保温100 s；
（7）配分后降温过程:将材料空冷至室温。
断后伸长率达到17.07 %，抗拉强度1447.05 MPa，强塑积24.70 GPa%。

Claims (3)

1.一种1400MPa级贝/马复相汽车用低碳Q&P钢制备方法，其特征在于：化学成分及重量百分比含量为：C：0.10～0.23%，Si：0.60～1.70%，Mn：0.70～2.40%，Ni：0.10～2.00%，Ti：0.06%～2%；Nb：0.05%～1.5%；Cr：0.1～1.00%；Al：0.1～0.5%，V：0.05～0.11%，P：0.02～0.04%，N≤0.0060%，S≤0.005%，B：0.001～0.006%，余量为Fe和不可避免的杂质；
具体制备步骤如下：
（1）冶炼过程：按照上述给出的化学成分及重量百分比含量，配料后经过转炉冶炼，真空炉二次精炼、经铸造得到铸坯，所述铸坯的化学成分及重量百分含量为：C：0.10～0.23%，Si：0.60～1.70%，Mn：0.70～2.40%，Ni：0.10～2.00%，Ti：0.06%～2%；Nb：0.05%～1.5%；Cr：0.1～1.00%；Al：0.1～0.5%，V：0.05～0.11%，P：0.02～0.04%，N≤0.0060%，S≤0.005%，B：0.001～0.006%，余量为Fe和不可避免的杂质；
（2）加热保温过程：将铸坯使用加热炉加热到1100-1200℃并进行0.5-3h时间；
（3）热轧过程：将保温一段时间的铸坯，经高压水除鳞，随后进行热轧，获得1.5-8mm的钢板，后水淬到室温；所述热轧包括粗轧、中轧、精轧；
（4）冷轧过程：酸洗后进行多道次冷轧，获得厚度为1.0-2mm的钢板；
（5）奥氏体区域碳锰综合配分过程：将材料以一定速率加热到840-940℃并保温30-1200s后淬火至220-300℃；
（6）碳元素配分过程：将材料在Ms与Mf之间某一温度T0进行保温10-600s；
（7）配分后降温过程：将材料空冷至室温。
2.根据权利要求1中所述一种1400MPa级贝/马复相汽车用低碳Q&P钢制备方法，其特征在于：所述的将材料淬至220-450℃，其冷却速率及所用冷却介质由具体材料的马氏体临界冷却速率所决定。
3.根据权利要求1中所述一种1400MPa级贝/马复相汽车用低碳Q&P钢制备方法，其特征在于：最终组织为残余奥氏体+贝氏体+马氏体。
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