CN109338229B

CN109338229B - 基于淬火-碳分配理念的低碳Si-Mn系热轧复相钢及制造方法

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Publication number: CN109338229B
Application number: CN201811467721.8A
Authority: CN
Inventors: 袁国; 李云杰; 康健; 陈冬; 王晓晖; 李振垒; 王国栋
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2018-12-03
Filing date: 2018-12-03
Publication date: 2020-11-27
Anticipated expiration: 2038-12-03
Also published as: CN109338229A

Abstract

本发明属于高强度汽车用钢板技术领域，特别涉及一种基于淬火‑碳分配理念的低碳Si‑Mn系热轧复相钢及制造方法。按重量百分比计，热轧复相钢的化学成分为：C 0.075％～0.085％，Si 1.55％～1.75％，Mn 1.5％～1.7％，P≤0.008％，S≤003％，余量为Fe。本发明采用两阶段控制轧制，并通过弛豫过程引入特定含量先共析铁素体，实现一次碳分配，随后卷取缓冷至室温。获得热轧钢板微观组织为先共析铁素体+马氏体+残余奥氏体，先共析铁素体含量在50％～55％之间，残余奥氏体以薄膜状和块状分布于马氏体半条内、铁素体/马氏体界面或铁素体晶粒内等特征位置，其含量大于6％。钢板屈服强度≥460MPa，抗拉强度>800MPa，延伸率>24％，强塑积>20GPa.％。

Description

基于淬火-碳分配理念的低碳Si-Mn系热轧复相钢及制造方法

技术领域

本发明属于高强度汽车用钢板技术领域，特别涉及一种基于淬火-碳分配理念的低碳Si-Mn系热轧复相钢及制造方法。

背景技术

为了建立经济节约型社会，汽车工业也朝着低碳环保、节能减排的方向发展。汽车轻量化、减量化能有效的减少油耗、降低排放。因此，先进高强度钢在汽车生产制造过程中独具优势。目前，先进高强度钢经历双相钢(DP)、相变/孪生诱发塑性钢(TRIP/TWIP)、马氏体钢、以及Q&P钢等发展，这些高强度钢都旨在通过成分的设计、工艺的改变来获得高强度兼具高塑性的性能。Q&P钢是典型的第三代先进高强钢，室温组织为马氏体和残余奥氏体，能实现强度和塑性的良好匹配。

Q&P(淬火-配分)工艺是2003年美国Speer教授提出的一种生产先进高强度钢的方法。近年来，基于该工艺展开一系列研究，但多采用离线热处理以及热模拟等方式，工艺复杂，能耗高。并且，为了实现配分的目标，多采用高碳、高合金成分设计，不仅增加生产成本，还恶化钢板的焊接性能。

低碳低合金成分不仅可以大幅度降低成本，还能充分改善钢板的焊接性能，是研究中追求的目标。但由于碳浓度以及低合金的限制，在传统Q&P工艺条件下，采用以马氏体、残余奥氏体为核心的组织调控思路是不可行的，无法获得室温下稳定的残余奥氏体。因此，必须通过特定的工艺设计，控制其组织构成。考虑通过控制轧制细化晶粒，并结合弛豫过程引入特定含量的先共析铁素体，先共析铁素体析出过程排出的大量碳原子可使得其临近的奥氏体局部富碳，结合后续配分过程，部分形态、大小适中的未转变奥氏体能稳定保留至室温。此外，从工业生产的角度可以看出，目前的研究工艺包括传统等温配分工艺、QT&P、Q-P-T等，工艺中的二步法快速升温、等温保温以及二次加热过程能耗高，不适合热连轧生产线。随着以UFC(板带钢超快速冷却装置)为核心的TMCP技术(控制轧制和控制冷却技术)的发展，热轧在线生产已成为一种高效节能的生产方式。因此，可在热轧后直接进行在线控制冷却(DQ&P)，然后进行卷取，利用钢板余热实现碳分配。最终，在室温条件下可获得铁素体、马氏体和一定量残余奥氏体的复相组织，具有良好的综合力学性能。

中国专利CN102226248A公开一种碳硅锰热轧Q&P钢，但是工艺上没有进行控制轧制且研究成分碳含量均>0.1％。中国专利CN101775470A公开一种复相Q&P钢的生产工艺，实际上是一种两步法生产Q&P钢的工艺。中国专利CN103233161A公开低屈强比高强度热轧Q&P钢及其制造方法，但是其化学成分中碳含量过高，恶化材料的焊接性能。中国专利CN103215516A公开一种700MPa级高强度热轧Q&P钢，但其组织以马氏体为主导，热轧产品会出现严重的板形问题。此外，其延伸率＜15％，成型性能差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于淬火-碳分配理念的低碳Si-Mn系热轧复相钢及制造方法，实现节约型Q&P合金成分设计，通过特殊组织调控，极大程度的降低Q&P工艺对碳含量的依赖，制造出一种低屈强比，板形易控，能投入热连轧生产线的汽车用复相钢。

本发明的技术方案是：

一种基于淬火-碳分配理念的低碳Si-Mn系热轧复相钢，按重量百分比计，热轧复相钢的化学成分为：C 0.075％～0.085％，Si 1.55％～1.75％，Mn 1.5％～1.7％，P≤0.008％，S≤003％，余量为Fe。

所述的基于淬火-碳分配理念的低碳Si-Mn系热轧复相钢的制造方法，具体包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按化学成分进行转炉或电炉冶炼+真空炉精炼，铸造成铸坯或锭；

2)加热、热轧

将铸坯或锭加热至1190～1210℃，保温1～1.5h，开轧温度在奥氏体完全再结晶区的1170～1190℃，进行粗轧，累计变形量为50～70％得到中间坯；待中间坯温度降低降至Ar3以上10～50℃进行两道次以上精轧，终轧温度在Ar3±10℃，累计变形量为75～90％；

3)在线冷却及配分

精轧后的轧件进行弛豫处理：以5～10℃/s的冷速冷却至820～840℃，然后以100～150℃/s的冷速冷却至230～280℃之间的某一温度，最后模拟卷取，随炉缓慢冷却至室温。

所述的基于淬火-碳分配理念的低碳Si-Mn系热轧复相钢的制造方法，步骤2)中，粗轧为2～3个道次变形，道次变形量为控制在20％～35％；精轧为3～5个道次变形，道次变形量控制在15％～30％。

所述的基于淬火-碳分配理念的低碳Si-Mn系热轧复相钢的制造方法，步骤3)中，弛豫处理采用空冷至820～840℃，通过在线水淬冷却至230～280℃，卷取冷却速度为50～60℃/h。

所述的基于淬火-碳分配理念的低碳Si-Mn系热轧复相钢的制造方法，热轧复相钢中，其先共析铁素体组织的体积百分比为50％～55％，残余奥氏体的体积百分比大于6％。

所述的基于淬火-碳分配理念的低碳Si-Mn系热轧复相钢的制造方法，优选的，热轧复相钢中，其先共析铁素体组织的体积百分比为50％～55％，残余奥氏体的体积百分比大于6％至9％，其余为马氏体。

所述的基于淬火-碳分配理念的低碳Si-Mn系热轧复相钢的制造方法，热轧复相钢的性能指标如下：屈服强度≥460MPa，抗拉强度>800MPa，屈强比为0.55～0.60，延伸率>24％，强塑积>20GPa.％。

本发明的设计思路如下：

本发明通过合理的成分设计，以低碳硅锰钢为原料，在低碳含量的情况下，通过工艺的设计来实现超低碳配分过程，成分中保持一定含量的Si抑制渗碳体的析出；同时，采用TMCP技术极大程度的细化原奥氏体晶粒，达到细晶强化效果，并通过弛豫过程引入特定含量的先共析铁素体，促进一次碳分配，使得一次淬火后马氏体块较小，碳含量较高，能进行充分的碳分配过程，从而获得含有先共析铁素体+马氏体+残余奥氏体的多相组织。进一步，通过控制不同的卷取温度，可获得屈服强度≥460MPa，抗拉强度>800MPa，延伸率>24％，强塑积>20GPa.％的热轧复相钢，具有优良的力学性能。

本发明在传统Q&P成分基础上，不添加任何昂贵的合金元素，并进一步降低成分中的碳含量，保持在0.075wt％～0.085wt％之间。在此种低碳的情况下实现碳的重新分配，获得较多稳定保留至室温的残余奥氏体是极其困难的。采用传统的Q&P研究工艺和以马氏体为主导的马氏体+奥氏体或者少量铁素体+马氏体+奥氏体的组织调控思路均要求碳含量在较高的级别，大于0.10wt％。因此，本发明的实验钢中通过弛豫处理引入特定含量的先共析铁素体，50％～55％。如此，在淬火前，原奥氏体的比例在45％～50％之间，先共析铁素体形成而排出的碳原子会从铁素体和原奥氏体界面向奥氏体内部扩散，此过程便会导致奥氏体边界至内部形成碳浓度梯度，这相当于增加淬火前奥氏体平均碳含量，有利于后续的配分过程。此外，由于控制轧制的晶粒细化以及先共析铁素体对原奥氏体晶粒的分割作用，存在很多尺寸较小，形态适合的奥氏体，其局部富碳的特征使其在后续卷取配分过程中能稳定保留至室温，形成块状的残余奥氏体。在淬火至230℃～280℃后，再进行卷取配分过程，进一步获得一定量的薄膜状残余奥氏体。采用低碳硅锰钢成分，只有结合所述工艺设计与组织调控才能获得室温下稳定的残余奥氏体，这是本发明的重要创新点。

本发明的又一创新点在于结合热连轧生产设备配置实现铁素体含量的灵活控制。通常，成分含量较高的情况下铁素体的形成过程是比较缓慢的。在传统Q&P成分中要引入50％以上的铁素体需要耗费较长时间。由于生产节奏的限制，在目前热连轧生产线上难以实现。本发明中采用低碳硅锰钢并通过控制轧制有效的增加铁素体的形核点，可在轧机后层流轨道上空冷一段距离，快速形成大量的铁素体，随后淬火至相应的温度进行卷取配分。研究表明，适用于热轧在线生产的钢种不应含有较多的马氏体含量，较多的马氏体含量会带来严重的板形问题。因此，本发明基于此点考虑，改变以前Q&P钢的研究思路，组织不再以马氏体为主导，而是铁素体+马氏体为核心，再加上6％以上的RA(残留奥氏体)，这样既保证热轧钢板的板形优良，又使得钢板具有优异的综合力学性能。

本发明获得铁素体+马氏体+RA的组织，铁素体晶粒在3μm～8μm之间，残余奥氏体以两种形态分布，其一是以块状分布于F/M界面和铁素体包围的位置，其二是以薄膜状分布于马氏体板条间，宽度约为50nm～150nm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1)本发明合金成本大幅度降低。本发明与传统低合金高强度钢相比，没有添加任何贵重金属元素(如：Nb、V、Cu等)，而且碳含量低于以往研究的Q&P钢种成分，充分保证钢板的焊接性能。

2)本发明钢板采用热轧在线工艺制备，减少离线热处理过程。采用卷取配分方式，避免等温配分高能耗的问题。

3)本发明钢种以铁素体+马氏体为主导，兼顾塑性和强度，避免热轧在线生产的板形难控制的难题。此外，组织中存在6％以上的RA，进一步提高钢板的塑性，最终获得力学性能优良的钢板。

4)本发明钢种的综合性能优异，组织由三相组成，具体为先共析铁素体的体积百分比为50％～55％，残余奥氏体的体积百分比大于6％，其余为马氏体。另外，其性能指标如下：屈服强度≥460MPa，抗拉强度>800MPa，延伸率>24％，强塑积>20GPa.％，可应用于复杂难成形的汽车结构件。

附图说明

图1为本发明制造方法中热加工工艺的温度与时间关系示意图。

图2为实施例1的实验钢典型金相照片。

图3为实施例2的X射线衍射谱。图中，横坐标2θ代表衍射角(deg)，纵坐标Intensity代表相对强度(a.u.)。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明基于淬火-碳配分理念的低碳Si-Mn成分体系热轧复相钢的成分设计如下：在传统Q&P的成分基础上，进一步降低碳含量至0.075％～0.085％，通过工艺和组织的调控实现低碳配分过程。加入1.5％以上的Si是为了抑制渗碳体的析出，从而提高用于配分的碳原子含量，进而获得较多残余奥氏体。加入1.5％以上的Mn是为了稳定奥氏体，提高材料淬透性和强度。此外，不添加任何其他合金元素，P、S等杂质元素控制在一定含量内且不提高炼钢成本。

本发明基于淬火-碳分配理念的低碳Si-Mn成分体系热轧复相钢的制造方法，具体包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按下述成分采用转炉或电炉冶炼+真空炉精炼，铸造成铸坯或锭，化学成分的重量百分含量为：C:0.075％～0.085％，Si 1.55％～1.75％，Mn 1.5％～1.7％，P≤0.008％，S≤0.003％，余量为Fe。

2)加热、热轧

如图1所示，将步骤1)获得的铸坯或铸锭加热至1190～1210℃，保温1～1.5h，开轧温度在1170～1190℃(奥氏体完全再结晶区)进行粗轧，累计变形量为55％。待中间坯温度降低降至Ar3以上10～50℃进行多道次精轧，终轧温度在Ar3左右，累计变形量为78％。

3)在线冷却及配分

如图1所示，精轧后的轧件以5～10℃/s的冷速冷却至820～840℃(称为弛豫处理)，主要目的是在缓慢冷却过程中获得特定含量的先共析铁素体；然后以100～150℃/s的冷速冷却至230～280℃之间的某一温度，获得较多先共析铁素体+马氏体+未转变残余奥氏体的组织，最后卷取后缓慢冷却至室温，在缓慢冷却过程中进行碳原子的重新分配，使得未转变奥氏体稳定保留至室温，获得所述热轧复相钢。

下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。

实施例1

本实施例中，按重量百分比计，热轧Q&P成分百分含量为：C：0.078％，Si：1.55％，Mn：1.61％，P：0.004％，S：0.002％，其余为Fe。

生产步骤如下：

通过冶炼锻造后，将钢坯加热至1200℃，保温1.5h后。在1180℃进行第一阶段轧制，终轧温度为1130℃，然后空冷至920℃进行第二阶段轧制，终轧温度为880℃，空冷至830℃后，随后水冷至230℃，进行随炉缓慢冷却，约4小时冷却至室温。

经力学性能检测其性能指标如下：屈服强度为470MPa，抗拉强度为845MPa，屈强比为0.56，断后延伸率为24.85％，强塑积为21.000GPa.％。如图2所示，室温组织由铁素体、马氏体和残余奥氏体组成，铁素体呈等轴状均匀分布，铁素体含量为52.2％，残余奥氏体含量为6.02％，其余为马氏体。

实施例2

本实施例中，按重量百分比计，热轧Q&P成分百分含量为：C：0.075％，Si：1.75％，Mn：1.5％，P：0.004％，S：0.002％，其余为Fe。

通过冶炼锻造后，将钢坯加热至1200℃，保温1.5h后。在1190℃进行第一阶段轧制，终轧温度为1130℃，然后空冷至920℃进行第二阶段轧制，终轧温度为880℃，空冷至840℃后，随后水冷至255℃，进行随炉缓慢冷却，约5小时冷却至室温。

经力学性能检测其性能指标如下：屈服强度为470MPa，抗拉强度为820MPa，屈强比为0.57，断后延伸率为25.00％，强塑积为20.500GPa.％。室温组织由铁素体、马氏体和残余奥氏体组成，铁素体呈等轴状均匀分布，铁素体含量为50.4％，残余奥氏体含量为7.12％，其余为马氏体。如图3所示，从XRD检测可以看出，存在几个明显的奥氏体衍射峰，(200)γ、(220)γ和(311)γ。

实施例3

本实施例中，按重量百分比计，热轧Q&P成分百分含量为：C：0.085％，Si：1.6％，Mn：1.7％，P：0.004％，S：0.002％，其余为Fe。

生产步骤如下：

通过冶炼锻造后，将钢坯加热至1200℃，保温1.5h后。在1170℃进行第一阶段轧制，终轧温度为1130℃，然后空冷至920℃进行第二阶段轧制，终轧温度为880℃，空冷至820℃后，随后水冷至280℃，进行随炉缓慢冷却，约5小时冷却至室温。

经力学性能检测其性能指标如下：屈服强度为460MPa，抗拉强度为805MPa，屈强比为0.57，断后延伸率为26.50％，强塑积为21.330GPa.％。组织由铁素体、马氏体和残余奥氏体组成，铁素体呈等轴状均匀分布，铁素体含量为54.9％，残余奥氏体含量为7.10％，其余为马氏体。

实施例结果表明，本发明采用两阶段控制轧制，并通过弛豫过程引入特定含量先共析铁素体，实现一次碳分配，随后卷取缓冷至室温。获得热轧钢板微观组织为先共析铁素体+马氏体+残余奥氏体，先共析铁素体含量在50％～55％之间，残余奥氏体以薄膜状和块状分布于马氏体半条内、铁素体/马氏体界面或铁素体晶粒内等特征位置，其含量大于6％。钢板屈服强度≥460MPa，抗拉强度>800MPa，延伸率>24％，强塑积>20GPa.％。本发明不同于现有Q&P钢，在原料成分上，合金成本大幅度降低；工艺上避免离线热处理过程，工序简单，工艺易实现；组织构成上，并非马氏体为主导，合理调控铁素体、马氏体和残余奥氏体的比例，从而减少热轧钢板的板形问题，在工业生产上有良好的应用前景。

Claims

1.一种基于淬火-碳分配理念的低碳Si-Mn系热轧复相钢，其特征在于，按重量百分比计，热轧复相钢的化学成分为：C 0.075％～0.085％，Si 1.55％～1.75％，Mn 1.5％～1.7％，P≤0.008％，S≤003％，余量为Fe；

1)冶炼、铸造

2)加热、热轧

3)在线冷却及配分

精轧后的轧件进行弛豫处理：以5～10℃/s的冷速冷却至820～840℃，然后以100～150℃/s的冷速冷却至255～280℃之间的某一温度，最后模拟卷取，卷取冷却速度为50～60℃/h，随炉缓慢冷却至室温；

步骤2)中，粗轧为2～3个道次变形，道次变形量为控制在20％～35％；精轧为3～5个道次变形，道次变形量控制在15％～30％。

2.如权利要求1所述的基于淬火-碳分配理念的低碳Si-Mn系热轧复相钢，其特征在于，热轧复相钢中，其先共析铁素体组织的体积百分比为50％～55％，残余奥氏体的体积百分比大于6％。

3.如权利要求2所述的基于淬火-碳分配理念的低碳Si-Mn系热轧复相钢，其特征在于，优选的，热轧复相钢中，其先共析铁素体组织的体积百分比为50％～55％，残余奥氏体的体积百分比大于6％至9％，其余为马氏体。

4.如权利要求1所述的基于淬火-碳分配理念的低碳Si-Mn系热轧复相钢，其特征在于，热轧复相钢的性能指标如下：屈服强度≥460MPa，抗拉强度>800MPa，屈强比为0.55～0.60，延伸率>24％，强塑积>20GPa.％。