CN109207849A - 高强高塑性1000MPa级热轧钢板及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强高塑性1000MPa级热轧钢板及制备方法，化学成分按重量百分比包括：0.05～0.40％C、1.00～5.00％Mn、0.70～1.60％Si、0.1～1.00％Al、0.01～0.10％Nb、0.01～0.10％V、0.002～0.005％N，余量为Fe及不可避免的杂质。该钢板具有高强高塑性，通过添加Nb、V微合金元素与C、N结合形成纳米级簇团析出物强化基体组织；通过化学成分设计并结合中温卷取，可获得尺寸细小、分布均匀且密度大的纳米级簇团析出物，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，同时细化铁素体晶粒尺寸，获得高的扩孔性能。

Description

高强高塑性1000MPa级热轧钢板及制备方法

技术领域

本发明涉及高强热轧汽车用钢技术领域，具体涉及一种高强高塑性1000MPa级热轧钢板及制备方法。

背景技术

随着国家环保法律法规的日益严格和国家对汽车排放限制措施的实施，在汽车尤其是乘用车领域，高强减薄或汽车结构轻量化已成为国际上汽车制造厂商的重要研究方向。

汽车白车身所用钢板使用厚度大都在3mm以下，对于抗拉强度大于1000MPa的高强钢来说一般在结构件上使用，对钢板的冲压性能要求不高，但必须保证足够的延伸率和扩孔性能。由于目前抗拉强度在1000MPa以上级别高强钢的成分设计主要采用低碳加微合金元素，在工艺上采用在线或离线淬火加低温回火处理的方法。但是这种方法生产的钢板延伸率普遍较低，不能满足高强高塑性的用户需求。

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(授权公开号CN 106119700 B、授权公告日 2018.6.1)公开了1180MPa级析出强化型高强度高塑性钢及其制造方法，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：C：0.15～0.20％，Si：0.8～2.0％，Mn：1.5～2.0％，P≤0.015％， S≤0.005％，O≤0.003％，Al：0.4～1.0％，N≤0.005％，Ti：0.1～0.2％， Nb：0.03～0.06％，V≤0.40％，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+Ti≤0.25％；0.02％≤ (Ti-3.42N-3S)/4+V/4.24+Nb/7.74≤0.15％；2.5≤Al/C≤5.0。微观组织中铁素体所占体积分数为20～35％，贝氏体所占体积分数为60～70％，残余奥氏体所占体积分数为5～10％。铁素体晶内分布纳米级碳化物，铁素体平均晶粒尺寸≤5μm，纳米级碳化物尺寸≤10nm，贝氏体板条的宽度≤5μm。最终产品性能能够达到屈服强度≥1000MPa，抗拉强度≥1180MPa，延伸率≥15％，表现出优异的强度和塑性匹配，可应用在车轮等需要良好成形性能和高强减薄的部位。所发明的钢板组织主要为贝氏体，需要在终轧后以超过100℃/s的冷速控制两段冷却，并在350～500℃低温卷取，生产时不易控制贝氏体的生成及含量，生产工艺控制难度较大。

中国发明专利申请(公开号CN102127714A、公开日2011.7.20) 对富Cu纳米团簇强化的超高强度铁素体钢进行了界定。所发明的钢板钢的化学成分重量百分比为：C为0～0.2％，Cu为0.5～5％，Ni为 0.01～4％，Mn为0.01～4％，Al为0.001～2％，Cr为0～12％，Mo为0～3％， W为0～3％，Mo+W不低于0.05％，V为0～0.5％，Ti为0～0.5％，Nb 为0～0.5％，V+Ti+Nb不低于0.01％，Si为0～1％，B为0.0005～0.05％， P不高于0.04％，S不高于0.04％，N不高于0.04％，O不高于0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质。经熔炼、铸造和锻轧后进行固溶和时效处理，制得以纳米团簇强化为主并结合细晶、固溶和位错强化的铁素体钢，获得优异的强韧性、焊接性和耐腐蚀性。屈服强度为 900～1200MPa，抗拉强度为1200～500MPa，延伸率为10～20％，断面收缩率为50～80％。所发明的钢板含有较多的合金元素，基体组织为铁素体，平均晶粒尺寸1～20μm，在粗轧后需要进行固溶和时效处理，生产节奏慢，钢板性能通过长时间的热处理获得，生产成本高。

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≥1000MPa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，提供一种高扩孔性能、簇团强化型的高强高塑性1000MPa级热轧钢板及制备方法。

为实现上述目的，本发明所设计的高强高塑性1000MPa级热轧钢板，化学成分按重量百分比包括：0.05～0.40％的C、1.00～5.00％的 Mn、0.70～1.60％的Si、0.1～1.00％的Al、0.01～0.10％的Nb、0.01～0.10％的V、0.002～0.005％的N，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)：0.05～0.4％。钢中含有一定的C含量有助于析出物和马氏体的形成。当C含量低于0.05％时，强度难以达到，也不能形成足够体积分数的簇团析出物，降低钢板强度；当C公开高于0.4％时，影响钢板焊接性；因此，C含量控制在0.05～0.4％，优选0.15～0.35％。

锰(Mn)：1～5％。Mn扩大奥氏体相区，提高钢板再结晶温度，但是添加多量的锰，会增加钢的淬透性，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，因此，Mn含量控制在1～5％，优选1.0～2.7％。

硅(Si)：0.7～1.6％。Si是有效的固溶强化元素。当Si含量低于 0.7％时，固溶强化效果不明显，高于1.6％时，增加铸坯表面的氧化铁皮。因此，Si含量控制在0.7～1.6％，优选0.7～1.3％。

铝(Al)：0.1～1％。铝是优良的脱氧剂，也可扩大奥氏体相区。当所述添加Al含量低于0.1％时，脱氧效果不明显，高于1％时，易形成较多的夹杂物，影响热轧表面状态，出现零件开裂。因此，铝含量控制在0.1～1％，优选0.1～0.7％。

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，晶粒细化效果不显著，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含量控制在0.01～0.1％，优选0.04～0.10％。

钒(V)：0.1～0.5％。V与固溶C、N结合析出碳氮化物，可提高钢板强度，细化铁素体晶粒。当V含量低于0.1％时，析出强化效果不明显，对强度贡献不大。当超过0.5％时，将固溶与铁素体基体中，对强度贡献不大，生产成本却显著提高。因此，V含量控制在0.1～0.5％，优选0.07～0.10％。

氮(N)：0.002～0.005％。N一般在炼钢时为有害元素需要去除，但与V结合可以生成VN，起到析出强化的作用，但过多的N将会产生连铸裂纹。因此，对于钢中添加V的钢板来说，N含量可以保留不超过0.005％。

还提供一种如上述所述高强高塑性1000MPa级热轧钢板的制备方法，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

对加热后铸坯进行分段轧制，粗轧结束温度1100～1210℃、压下率20～60％，精轧终轧温度800～950℃，压下率20～40％；

4)冷却

以20～60℃/s的冷速冷至450～550℃进行卷取，在5～20℃/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。在高于再结晶温度进行终轧，控制压下率，通过相变诱导析出。当卷取温度低于450℃时，Nb、V 的碳氮化物优先在铁素体晶界上而不是铁素体晶粒内析出，造成晶界脆化。当卷取温度超过550℃时，Nb、V的碳氮化物将发生显著粗化，析出强化效果减弱，同时铁素体晶粒相应长大，进一步降低强度。因此，所述卷取温度限定为450～550℃，优选为520～550℃。

上述成分、重量百分比及工艺制成的钢板，其微观组织主要为铁素体和马氏体，其中，马氏体面积率为40～70％，铁素体晶粒尺寸为5～15μm。当马氏体面积率低于40％时，无法满足高强度的要求，当马氏体面积率超过70％时，可显著提高钢板强度，但会显著降低钢板延伸率，无法满足塑性要求；通过Nb元素的添加和控轧控冷工艺，有利于得到较细的铁素体晶粒，有一定的细晶强化作用。

为满足高的扩孔性能，本发明中铁素体基体内含有较多的纳米级簇团析出物，其尺寸在5～15nm，密度大于0.8×10³/μm²，同时还有少量的析出物用于强化铁素体晶界，尺寸在10～30nm。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。晶界处的析出物用于强化铁素体晶界，进一步缩小与马氏体的强度差。

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，屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥1000MPa，断后伸长率≥12％，扩孔性能≥60％。微观组织为铁素体和马氏体。通过细化晶粒、纳米级簇团析出对铁素体进行强化，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。

本发明涉及的热轧钢板通过成分和热轧工艺的匹配，尤其是控制粗精轧和卷取工艺可以获得纳米级簇团析出，在不需要快冷的条件下也可以获得细晶铁素体和纳米级析出物，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。另外，不需要添加大量的合金元素，精轧后卷取，不需要进行其它的热处理过程，强度满足要求，生产成本显著降低。

进一步地，所述步骤3)中，粗轧结束温度1140～1205℃、精轧终轧温度880～950℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明的钢板具有高强高塑性，主要通过添加Nb、V微合金元素与C、N结合形成纳米级簇团析出物强化基体组织；通过化学成分设计并结合中温卷取，可获得尺寸细小、分布均匀且密度大的纳米级簇团析出物，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，同时细化铁素体晶粒尺寸，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；

图2为本发明实施例5纳米级析出物形貌图(铁素体晶内)；

图3为本发明实施例5纳米级析出物形貌图(铁素体晶界)。

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，％)

表2

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、V与C、N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800～950℃，450～550℃进行卷取的实施例中，热轧组织由面积率在40～70％的马氏体，其余为铁素体。铁素体基体内含有纳米级簇团析出物，其尺寸在5～15nm，密度大于 0.8×10³/μm²，同时还有少量的析出物用于强化铁素体晶界，尺寸在 10～30nm。由实施例可知，钢板组织分布均匀，马氏体含量控制在 40～70％，如图1所示。由图2、3可知，铁素体晶内析出物尺寸细小，数量较多，对铁素体有强化作用，同时铁素体晶界的析出物较少，尺寸较粗。

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)

1.一种高强高塑性1000MPa级热轧钢板，其特征在于：化学成分按重量百分比包括：0.05～0.40％的C、1.00～5.00％的Mn、0.70～1.60％的Si、0.1～1.00％的Al、0.01～0.10％的Nb、0.01～0.10％的V、0.002～0.005％的N，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述高强高塑性1000MPa级热轧钢板，其特征在于：所述C的重量百分比为0.15～0.35％。

3.根据权利要求1所述高强高塑性1000MPa级热轧钢板，其特征在于：所述Mn的重量百分比为1.0～2.7％。

4.根据权利要求1所述高强高塑性1000MPa级热轧钢板，其特征在于：所述Si的重量百分比为0.7～1.3％。

5.根据权利要求1所述高强高塑性1000MPa级热轧钢板，其特征在于：所述Al的重量百分比为0.1～0.7％。

6.根据权利要求1所述高强高塑性1000MPa级热轧钢板，其特征在于：所述Nb的重量百分比为0.04～0.10％。

7.根据权利要求1所述高强高塑性1000MPa级热轧钢板，其特征在于：所述V的重量百分比为0.07～0.10％。

8.一种如权利要求1所述高强高塑性1000MPa级热轧钢板的制备方法，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

对加热后铸坯进行分段轧制，粗轧结束温度1100～1210℃、压下率20～60％，精轧终轧温度800～950℃，压下率20～40％；

4)冷却

以20～60℃/s的冷速冷至450～550℃进行卷取，在5～20℃/s的冷速下冷却至室温。

9.根据权利要求8所述高强高塑性1000MPa级热轧钢板的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，粗轧结束温度1140～1205℃、精轧终轧温度880～950℃。

10.根据权利要求8所述高强高塑性1000MPa级热轧钢板的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中，卷取温度为520～550℃。