CN109972023B - 一种具有高强塑积的贝氏体钢及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高强塑积的贝氏体钢及其制备方法和应用，涉及钢制备技术领域。本发明公开的高强塑积的贝氏体钢其化学组分按重量百分比计为：C：0.846～1.072％、Si：1.13～1.59％、Mn：1.97～2.23％、P：≤0.012％、S：≤0.005％、Cr：1.58～1.79％、Ni：1.37～1.58％、Ti：0.185～0.213％、Mo：0.48～0.53％、V：0.38～0.49％、N：≤0.005％、其余为Fe和不可避免的杂质；该贝氏体钢具有较好的力学性能，如屈服强度≥2237MPa、抗拉强度≥2523MPa、延伸率≥15.2％、强塑积≥38.49GPa·％。

Description

一种具有高强塑积的贝氏体钢及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及钢制备技术领域，具体而言，涉及一种具有高强塑积的贝氏体钢及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，先进高强度钢迅速发展，使钢铁材料具有良好的强度和延性的匹配，在高强度下仍具有良好的成形性。目前，强塑积(15～20)GPa·％的第一代先进高强度钢(强塑积＝抗拉强度×总延伸率)，如双相(DP)钢、相变诱发塑性(TRIP)钢、复相钢、马氏体基钢等,该类钢具有高的减重潜力、高的碰撞吸收能、高的成形性和低的平面各向异性等优点，在汽车上得到了广泛应用，这对汽车轻量化起到了非常重要的作用。但第一代先进高强度钢的成形性能仍然有待提高以满足日益提升的汽车设计需求。作为第二代先进高强度钢的孪晶诱发塑性(TWIP)钢的强塑积可到达60GPa·％，并已经实现了产业化应用。但由于其在性能上具有较低的屈服强度，在生产上高合金含量使其工业生产难度大、成本高，因而未能得到广泛应用。而当前正开发的第三代先进高强度钢要求强度与延性的匹配较第一代先进高强度钢大幅提升，合金含量较第二代先进高强度钢大幅降低，具有较好的经济性。第三代先进高强度钢的基本特征是：同时具备高强度和高塑性，强塑积不小于30GPa％。赋予冲压构件更好的成形性，赋予安全件更高的吸能或防碰撞变形的功能，以满足汽车工业技术进步的需要，且要求成本合理。目前研究较多的是TRIP钢、TWlP钢、QP钢等。然而上述钢种的组织以复相组织为主，需要通过复杂和精确的工艺控制才能保证组织和性能的均匀，且生产流程长，生产成本高。高碳贝氏体钢具有良好综合性能，同时还兼备了适当的塑性和韧性，受到了越来越多的关注，然而已有报道的高碳贝氏体钢的高强塑积尚无法达到第三代先进高强钢的水平。此外，现有的高碳贝氏体钢一般以厚板为主(厚度一般大于10mm)，其主要应用于装甲用钢、防弹钢板和轴承用钢等领域，而具有高强塑积且能用于汽车等交通工具安全部件的薄规格高碳贝氏体钢鲜有报道。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高强塑积的贝氏体钢。该贝氏体钢同时具有较高的屈服强度、抗拉强度、延伸率以及强塑积，可以用于众多领域；特别是，该贝氏体钢具有薄规格，能够用于汽车等交通工具安全部件。
本发明的另一目的在于提供一种制备上述高强塑积的贝氏体钢的方法。
本发明是这样实现的：
一方面，本发明提供了一种具有高强塑积的贝氏体钢，其化学组分按重量百分比计为：
C(碳)：0.846～1.072％，Si(硅)：1.13～1.59％，Mn(锰)：1.97～2.23％，P(磷)：≤0.012％，S(硫)：≤0.005％，Cr(铬)：1.58～1.79％，Ni(镍)：1.37～1.58％，Ti(钛)：0.185～0.213％，Mo(钼)：0.48～0.53％，V(钒)：0.38～0.49％，N(氮)：≤0.005％，其余为Fe(铁)和不可避免的杂质；
优选的，所述贝氏体钢的屈服强度≥2237MPa，抗拉强度≥2523MPa，延伸率≥15.2％，强塑积≥38.49GPa·％，贝氏体板条平均尺寸(即板条宽度尺寸)≤250nm。
上述元素组分中：
C元素是钢的主要添加元素，当C含量小于0.846％时，碳含量过低时，强化的作用。当C含量大于1.072％时，会导致焊接及低温韧性会急剧恶化，因此将C含量控制在0.846～1.072％。
Si：为起到固溶强化效果Si含量应该控制1.13％以上，但当Si含量大于1.59％时，会给轧制时除鳞带来困难，因此Si含量应控制在1.13～1.59％。
Mn元素促进贝氏体相变，因此锰含量应大于1.97％。但当Mn含量较高时，连铸过程容易产生铸坯裂纹而导致铸坯缺陷，因此将Mn含量控制在1.97～2.23％。
P：钢中的P会恶化钢的韧性，特别是剧烈地降低钢的低温冲击韧性，因此将P含量控制在0.012％以下。
S：钢中S含量过高产生的MnS夹杂会使钢的纵横向性能产生明显差异，恶化低温韧性。S含量应控制在0.005％以下。
Cr：钢中Cr元素可提高钢的强度和硬度，因此，Cr含量控制在1.58％以上，此外，出于生产成本的考虑，应将Cr含量控制1.79％以下。
Ni：钢中加入Ni元素可起到固溶强化以及提高淬透性的作用，因此Ni含量应大于1.37％，由于Ni为贵重金属，出于生产成本的考虑，Ni含量控制在1.58％以下。
Ti：是强碳氮化物形成元素，钢中加入一定量的Ti可以起到沉淀强化效果提高钢的强度，综合考虑Ti与相关元素在钢中的固溶度积以及钢中N、C等元素含量，并结合相关化合物的理想化学配比计算确定本发明的贝氏体钢的中Ti含量的合理添加范围为0.185～0.213％。
Mo：是强碳氮化物形成元素，能提高合金钢在常温下的强度，因此Mo含量应大于0.48％，由于Mo为贵重金属，出于生产成本的考虑，Mo含量控制在0.53％以下。
V：是强碳氮化物形成元素，低温过程容易析出的V(C,N)，起到明显的沉淀的效用。V含量过少会难以起到强化效果，V含量过高，会造成合金浪费，综合考虑V与相关元素在钢中的固溶度积以及钢中Ti、N、C等元素含量，并结合相关化合物的理想化学配比计算确定本发明的贝氏体钢的中V含量的合理添加范围为0.38～0.49％；
N：钢中的氮可与Ti、Nb、V等元素在高温时结合形成相应的化合物，这类化合物在高温下会粗化、长大，这严重损害钢的塑性和韧性。故将其含量控制在0.005％以下。
另一方面，本发明提供了上述具有高强塑积的贝氏体钢的制备方法，其包括：
连铸步骤：对钢水进行连铸制得铸坯；其中，所述钢水的化学组分按重量百分比计为：
C：0.846～1.072％，Si：1.13～1.59％，Mn：1.97～2.23％，P：≤0.012％，S：≤0.005％，Cr：1.58～1.79％，Ni：1.37～1.58％，Ti：0.185～0.213％，Mo：0.48～0.53％，V：0.38～0.49％，N：≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质；
优选的，采用薄板坯连铸机进行连铸；
优选的，所述铸坯的厚度为50-61mm；
优选的，在连铸过程中，控制铸坯拉速控制为4.2～4.8m/min。
进一步地，本发明的一些实施方案中，在连铸步骤后，所述制备方法还包括：均热步骤；
所述均热步骤包括：对所述铸坯进行加热，控制出炉温度为1281～1307℃，加热时间为45～52min；
优选的，在出炉后，对所述铸坯采用高压水除鳞；
优选的，采用压力为48～53Mpa的高压水除鳞。
进一步地，本发明的一些实施方案中，在均热步骤之后，所述制备方法还包括：轧制步骤；
所述轧制步骤包括：采用连轧机组对所述铸坯进行连续轧制，其中，控制开轧温度为1173～1209℃，出口温度为857～883℃，出口厚度为1.1～3.2mm，制得带钢；
优选的，采用七机架连轧机组进行热轧，其中，控制F1机架压下率为59～62％，控制F2机架压下率为65～68％；
优选的，在带钢出F2机架后采用冷却水对带钢进行冷却；
优选的，对带钢进行冷却的冷却水压力为23～25MPa。
进一步地，本发明的一些实施方案中，在所述轧制步骤之后，所述制备方法还包括：冷却步骤；
所述冷却步骤包括：对带钢进行层流冷却，采用后段冷却方式，冷却速度为63～71℃/s；
优选的，层流冷却后进行卷取，卷取温度为481～502℃，卷取结束后，空冷至室温。
进一步地，本发明的一些实施方案中，在冷却步骤之后，所述制备方法还包括：第一次退火步骤；
所述第一次退火步骤包括：将卷取后的钢带热处理炉中随炉加热至1261～1293℃，保温34～47min，然后以78～109℃/s的冷却速度冷却至589～632℃，保温2.3～3.6h后水冷至室温。
进一步地，本发明的一些实施方案中，在所述第一次退火步骤之后，所述制备方法还包括：第二次退火步骤；
所述第二次退火步骤包括：将经所述第一退火处理后的钢带放入热处理炉中以大于20℃/s的速度迅速升温至792～821℃，保温57～69min，然后以53～75℃/s的冷却速度冷却至481～502℃，保温11～17h后空冷至室温。
另一方面，本发明还提供了一种用于交通工具的部件，所述部件的材质包括如上所述的具有高强塑积的贝氏体钢。
另一方面，本发明提供了一种交通工具，其安装有如上所述的部件。
进一步地，本发明的一些实施方案中，所述交通工具为汽车、飞机、轮船或火车。
本发明高强塑积的高碳纳米贝氏体钢的制备方法的主要特点在于结合薄板坯连铸连轧产线，通过合理的化学成分和工艺设计，获得了组织合适和性能均匀的热轧原料。一次退火工艺采用高温奥氏体化使得微合金元素充分固溶，通过合适的冷却和保温工艺设计使得细小、弥散的第二相粒子充分析出，提供大量的沉淀强化效果。二次退火工艺采用低温奥氏体化避免了第二相粒子粗化，在不减弱析出强化效果的同时，通过合适的冷却和保温工艺设计获得合适的贝氏体相变驱动力，使试验钢充分发生贝氏体相变。在上述关键控制条件的共同作用下，获得了具有高强塑积的高碳纳米贝氏体钢，其屈服强度≥2237MPa，抗拉强度≥2523MPa，延伸率≥15.2％，强塑积≥38.49GPa·％，贝氏体板条平均尺寸≤250nm。该钢能用于制作汽车安全部件的高碳纳米贝氏体钢等其他零部件。此外，本发明提供的高碳贝氏体钢的强塑性水平以及板条尺寸均优于其它文献和报道所记载的同类钢种。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为实施例1的金相组织图及高倍TEM图(A为金相组织图，B为高倍TEM图)，组织由微纳米级的贝氏体板条(平均尺寸≤250nm)、薄膜状的残余奥氏体和马奥岛组成，贝氏体板条间分布有弥散的碳化物。微纳米级的贝氏体板条提供了优异的强度，薄膜状的残余奥氏体具有较好的塑性，弥散分布的碳化物提供一定的析出强化效果。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供的具有高强塑积的贝氏体钢的制备方法的主要工艺流程如下：铁水脱硫→转炉吹炼→吹氩→精炼→薄板坯连铸→均热→七机架精轧→层流冷却→卷取→一次退火→二次退火。其中，铁水脱、硫转炉吹炼以及吹氩的工艺处理为常规技术。
其余的工艺步骤具体如下：
(1)精炼过程进行合金化处理后的钢水的化学成分范围为C：0.846～1.072％，Si：1.13～1.59％，Mn：1.97～2.23％，P：≤0.012％，S：≤0.005％，Cr：1.58～1.79％，Ni：1.37～1.58％，Ti：0.185～0.213％，Mo：0.48～0.53％，V：0.38～0.49％，N：≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质。
本实施例中，钢水的化学成分范围为C：0.846％，Si：1.43％，Mn：2.22％，P：≤0.008％，S：≤0.003％，Cr：1.65％，Ni：1.57％，Ti：0.203％，Mo：0.51％，V：0.48％，N：0.004％，其余为Fe和不可避免的杂质；
(2)按上述成分冶炼，采用薄板坯连铸机进行连铸，铸坯厚度为50～61mm，铸坯拉速控制范围为4.2～4.8m/min。
本实施例中，铸坯厚度为59mm，铸坯拉速控制范围为4.4m/min；
(3)对连铸坯进行加热，出炉温度1281～1307℃，加热时间45～52min。出炉后铸坯采用高压水除鳞，除鳞水压力范围为48～53MPa。
本实施例中，出炉温度为1286℃，加热时间51min，除鳞水压力49MPa。
(4)采用七机架轧制，开轧温度为1173～1209℃，F1机架压下率为59～62％，F2机架压下率为65～68％。F3-F7机架压下率按能耗法进行自动分配。
本实施例中，开轧温度为1204℃，F1机架压下率为60％，F2机架压下率为65％。
(5)带钢出F2机架后采用机架冷却水对带钢进行冷却，冷却水压力范围为23～25MPa。
本实施例中，却水压力范围为23MPa。
(6)F7机架的出口温度为857～883℃，出口厚度为1.1～3.2mm。
本实施例中，出口温度为860℃，出口厚度为2.3mm。
(7)轧制结束后进行层流冷却，采用后段冷却方式，冷却速度为63～71℃/s，层流冷却后进行卷取，卷取温度为481～502℃，卷取结束后空冷至室温。
本实施例中，冷却速度为69℃/s，卷取温度为490℃。
(8)将钢卷尾部五圈切除后进行取样，取样规格厚度*板宽*300mm。
(9)将上述试样进行第一次退火处理，将试样放入热处理炉中随炉加热至1261～1293℃，保温34～47min，然后以78～109℃/s的冷却速度冷却至589～632℃，再保温2.3～3.6h后水冷至室温。
本实施例中，第一次退火处理中：加热至1261℃，保温42min，以86℃/s的冷却速度冷却至632℃，保温2.5h后水冷至室温。
(10)将上述试样进行二次退火处理，将试样放入热处理炉中以大于20℃/s的速度迅速升温至792～821℃，保温57～69min，然后以53～75℃/s的冷却速度冷却至481～502℃，保温11～17h后空冷至室温。
本实施例中，第二次退火处理中：加热至811℃，保温58min，以59℃/s的冷却速度冷却至496℃，保温11h后水冷至室温。
本实施例所制得的钢板的相关力学性能检测结果见表3，金相图见图1。
实施例2-10
实施例2-10提供的具有高强塑积的贝氏体钢的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于元素组分含量以及涉及相关参数不同，不同之处见表1和表2。
对比例1-3
对比例1-3提供的具有高强塑积的贝氏体钢的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于元素组分含量以及涉及相关工艺参数不同，不同之处见表1和表2。
表1本发明实施例1-10和对比例1-3的钢中各化学成分含量表(wt％)
Figure GDA0002376343060000101
表2本发明各实施例1-10和对比对比例1-3的工艺主要参数控制表
Figure GDA0002376343060000102
Figure GDA0002376343060000111
检测结果
取实施例1-10以及对比例1-3制得的钢板，检测力学性能，结果见表3。
表3本发明各实施例和对比例力学性能检测情况列表
Figure GDA0002376343060000112
Figure GDA0002376343060000121
由上数据可以看出，本发明提供的制备方法所制得钢板其具有如下特点：屈服强度≥2237MPa、抗拉强度≥2523MPa、延伸率≥15.2％、强塑积≥38.49GPa·％以及贝氏体板条平均尺寸≤250nm。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种具有高强塑积的贝氏体钢，其特征在于，按重量百分比计，其由具有如下化学组分的钢水制成：
C：0.846～1.072％、Si：1.13～1.59％、Mn：1.97～2.23％、P：≤0.012％、S：≤0.005％、Cr：1.58～1.79％、Ni：1.37～1.58％、Ti：0.185～0.213％、Mo：0.48～0.53％、V：0.38～0.49％、N：≤0.005％、其余为Fe和不可避免的杂质；
所述贝氏体钢的屈服强度为2237～2351Mpa，所述贝氏体钢的抗拉强度为2523～2576Mpa，所述贝氏体钢的延伸率为15.2％～16.2％，所述贝氏体钢的强塑积为38.49～41.47GPa·％，所述贝氏体钢的贝氏体板条平均尺寸为203-250nm，所述贝氏体钢的厚度为1.5-3.2mm。
2.如权利要求1所述的具有高强塑积的贝氏体钢的制备方法，其特征在于，其包括：
连铸步骤：对钢水进行连铸制得铸坯；其中，所述钢水的化学组分按重量百分比计为：
C：0.846～1.072％、Si：1.13～1.59％、Mn：1.97～2.23％、P：≤0.012％、S：≤0.005％、Cr：1.58～1.79％、Ni：1.37～1.58％、Ti：0.185～0.213％、Mo：0.48～0.53％、V：0.38～0.49％、N：≤0.005％、其余为Fe和不可避免的杂质；
其中，采用薄板坯连铸机进行连铸，所述铸坯的厚度为50-61mm，在连铸过程中，控制铸坯拉速控制为4.2～4.8m/min。
3.根据权利要求2所述的具有高强塑积的贝氏体钢的制备方法，其特征在于，在连铸步骤后，所述制备方法还包括：均热步骤；
所述均热步骤包括：对所述铸坯进行加热，控制出炉温度为1281～1307℃，加热时间为45～52min。
4.根据权利要求3所述的具有高强塑积的贝氏体钢的制备方法，其特征在于，在出炉后，对所述铸坯采用高压水除鳞。
5.根据权利要求4所述的具有高强塑积的贝氏体钢的制备方法，其特征在于，采用压力为48～53Mpa的高压水除鳞。
6.根据权利要求3所述的具有高强塑积的贝氏体钢的制备方法，其特征在于，在均热步骤之后，所述制备方法还包括：轧制步骤；
所述轧制步骤包括：采用连轧机组对所述铸坯进行连续轧制，其中，控制开轧温度为1173～1209℃，出口温度为857～883℃，出口厚度为1.1～3.2mm，制得带钢。
7.根据权利要求6所述的具有高强塑积的贝氏体钢的制备方法，其特征在于，采用七机架连轧机组进行热轧，其中，控制F1机架压下率为59～62％，控制F2机架压下率为65～68％。
8.根据权利要求7所述的具有高强塑积的贝氏体钢的制备方法，其特征在于，在带钢出F2机架后采用冷却水对带钢进行冷却。
9.根据权利要求8所述的具有高强塑积的贝氏体钢的制备方法，其特征在于，对带钢进行冷却的冷却水压力为23～25Mpa。
10.根据权利要求6所述的具有高强塑积的贝氏体钢的制备方法，其特征在于，在所述轧制步骤之后，所述制备方法还包括：冷却步骤；
所述冷却步骤包括：对带钢进行层流冷却，采用后段冷却方式，冷却速度为63～71℃/s。
11.根据权利要求10所述的具有高强塑积的贝氏体钢的制备方法，其特征在于，层流冷却后进行卷取，卷取温度为481～502℃，卷取结束后，空冷至室温。
12.根据权利要求11所述的具有高强塑积的贝氏体钢的制备方法，其特征在于，在冷却步骤之后，所述制备方法还包括：第一次退火步骤；
所述第一次退火步骤包括：将卷取后的钢带热处理炉中随炉加热至1261～1293℃，保温34～47min，然后以78～109℃/s的冷却速度冷却至589～632℃，保温2.3～3.6h后水冷至室温。
13.根据权利要求12所述的具有高强塑积的贝氏体钢的制备方法，其特征在于，在所述第一次退火步骤之后，所述制备方法还包括：第二次退火步骤；
所述第二次退火步骤包括：将经第一退火处理后的钢带放入热处理炉中以大于20℃/s的速度迅速升温至792～821℃，保温57～69min，然后以53～75℃/s的冷却速度冷却至481～502℃，保温11～17h后空冷至室温。
14.一种用于交通工具的部件，其特征在于，所述部件的材质包括权利要求1所述的具有高强塑积的贝氏体钢。
15.一种交通工具，其特征在于，其安装有权利要求14所述的部件。
16.根据权利要求15所述的交通工具，其特征在于，所述交通工具为汽车、飞机、轮船或火车。
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