CN110088320A - 具有优异的可成形性的经回火和涂覆的钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及经回火和涂覆的钢板，以重量百分比表示，其组成包含以下元素：0.17％≤碳≤0.25％，1.8％≤锰≤2.3％，0.5％≤硅≤2.0％，0.03％≤铝≤1.2％，硫≤0.03％，磷≤0.03％，并且可以包含以下任选元素中的一种或更多种：铬≤0.4％，钼≤0.3％，铌≤0.04％，钛≤0.1％，剩余组成由铁和由加工引起的不可避免的杂质构成，所述钢板的显微组织以面积分数计包含3％至20％的残余奥氏体，至少15％的铁素体，40％至85％的回火贝氏体和最少5％的回火马氏体，其中回火马氏体和残余奥氏体的累积量为10％至30％。本发明还涉及其制造方法和用途。

Description

具有优异的可成形性的经回火和涂覆的钢板及其制造方法
本发明涉及具有适用于制造车辆的优异的机械特性的经回火和涂覆的钢板。
投入大量研究和开发工作以通过提高材料的强度来减少轿车中使用的材料的量。相反地，钢板的强度的增加降低了可成形性，因此需要开发具有高强度和高可成形性二者的材料。
因此，已经开发了许多具有优异的可成形性的高强度钢，例如TRIP钢。最近，为了开发具有高强度和高成形性等特性的TRIP钢，我们已经做出了强有力的努力，因为TRIP钢由于其复杂的组织在机械强度与可成形性之间具有良好折衷，所述组织包含铁素体(其是延性组分)；诸如马氏体和奥氏体(MA)岛(其大部分由残余奥氏体组成)的硬质组分；以及最后贝氏体铁素体基体，其机械强度和延展性介于铁素体与MA岛之间。
TRIP钢具有非常高的固结能力，这使得在碰撞的情况下或甚至在汽车部件的成形期间良好的变形分布成为可能。因此可以生产与由常规钢制成的部件一样复杂但具有改善的机械特性的部件，这进而使得能够减小部件的厚度以在机械性能方面符合相同的功能规格。因此，这些钢是减轻车辆重量和提高安全性要求的有效解决办法。在热轧或冷轧钢板领域中，这种类型的钢尤其适用于机动车辆的结构部件和安全部件。
这些特性与这样的钢的组织有关，所述组织由基体相组成，所述基体相可以单独或彼此组合包含铁素体、贝氏体或马氏体，同时可以存在其他显微组织成分例如残余奥氏体。通过添加硅或铝(这些元素阻碍碳化物的析出)来使残余奥氏体稳定。在钢板成形成部件之前，残余奥氏体的存在赋予钢板高延展性。在随后变形的影响下，例如当单轴受力时，由TRIP钢制成的板的残余奥氏体逐渐转变成马氏体，导致显著硬化并延迟颈缩的出现。
为了实现大于800MPa至1000MPa的抗拉强度，已开发了具有主要为贝氏体组织的多相钢。在汽车行业中或整个行业中，这样的钢有利地用于结构部件例如保险杠横梁、柱、各种加强件和耐磨损部件。然而，这些部件的可成形性同时要求足够的总延伸率水平(大于10％)。
所有这些钢板都呈现出抗性与延展性的相对良好的平衡，但是需要较当前生产的钢提高屈服强度和扩孔性能，特别是对于经涂覆的钢板。
本发明的目的是通过制造同时具有以下性能的可用钢板来解决这些问题：
-大于或等于900MPa且优选大于1000MPa的极限抗拉强度，
-大于或等于17％的总延伸率；
-大于或等于18％的扩孔率。
优选地，这样的钢还可以具有良好的成形(特别是对于轧制)适用性和良好的可焊性。
本发明的另一个目的是使得可获得与常规工业应用相容同时对于制造参数变化稳健的用于制造这些板的方法。
该目的通过提供根据权利要求1所述的钢板来实现。所述钢板还可以包括根据权利要求2至8所述的特征。另一个目的通过提供根据权利要求9至10所述的方法来实现。另一方面通过提供根据权利要求11至13所述的部件或车辆来实现。
本发明的其他特征和优点将由以下本发明的详细描述而变得明显。
碳以0.17％至0.25％的含量存在于根据本发明的钢中。碳是γ相形成元素并且其促进奥氏体的稳定化。此外，其可以参与使铁素体硬化的析出物的形成。优选地，碳含量至少为0.18％以通过残余奥氏体实现TRIP效应并且至多为0.25％以避免损害可焊性。碳含量有利地为0.18％至0.23％(包括端值)以优化高强度和延伸特性二者。
锰以1.8％至2.3％的含量存在于根据本发明的钢中。锰是通过铁素体中的置换固溶体(substitutional solid solution)提供硬化的元素。需要1.8重量％的最小含量以获得期望的抗拉强度。然而，大于2.3％的锰阻碍贝氏体的形成并进一步增强具有较低百分比的碳的奥氏体的形成(所述奥氏体在后期转变成马氏体)，这对钢的机械特性是不利的。
硅以0.5％至2.0％的含量存在于根据本发明的钢中。硅通过减缓碳化物的析出(这使得碳富集在残余奥氏体中用于其稳定)在显微组织的形成中发挥重要作用。硅发挥与铝的作用组合的有效作用，对于指定特性，由该组合产生的最佳结果是在大于0.5％的含量水平下获得的。硅含量必须限于2.0重量％以改善热浸涂覆性。硅含量将优选为0.6％至1.8％，当高于1.8％时，硅与锰组合可以形成脆性马氏体而不是贝氏体。小于或等于1.8％的含量同时提供了非常好的焊接适用性以及良好的可涂覆性。
铝以0.03％至1.2％并且优选0.03％至0.6％的含量存在于根据本发明的钢中。铝通过大大减缓碳化物的析出而在本发明中发挥重要作用；其效果与硅的效果组合，以充分阻碍碳化物的析出和使残余奥氏体稳定。在铝含量大于0.03％且在铝含量小于1.2％时获得了该效果。铝含量优选小于或等于0.6％。通常还认为，高水平的铝增加耐火材料的侵蚀和在轧制上游的钢铸造期间堵塞水口的风险。过量时，铝降低热延性并增加在连铸期间出现缺陷的风险。在未小心控制铸造条件的情况下，微观偏析和宏观偏析缺陷最终导致退火钢板中的中心偏析。该中心带将比其周围基体更硬并且将不利地影响材料的可成形性。
硫也是残余元素，其含量应保持为尽可能低。因此，在本发明中硫含量限于0.03％。0.03％或更高的硫含量由于硫化物例如MnS(锰硫化物)的过量存在而降低了延展性，这降低了钢的可加工性，并且也是裂纹萌生的来源。
磷可以以至多0.03％的含量存在，磷是这样的元素：其在固溶体中硬化，但特别地由于其趋向于晶界偏析或其趋向于与锰共偏析而显著降低点焊适用性和热延性。出于这些原因，其含量必须限于0.03％以获得良好的点焊适用性和良好的热延性。其也是残余元素，其含量应受到限制。
铬可以以至多0.4％并且优选0.05％至0.4％的含量任选地存在于根据本发明的钢中。铬像锰一样在促进马氏体形成时提高淬透性。当该元素以大于0.05％的含量存在时，该元素可用于达到最小抗拉强度。当其大于0.4％时，贝氏体形成被延迟，使得奥氏体未充分富集碳。实际上，这种奥氏体将在冷却至室温期间或多或少地完全转变成马氏体，并且总延伸率将太低。
钼是任选的元素并且可以以至多0.3％添加到根据本发明的钢中。钼在调整淬透性和硬度方面发挥有效作用，延迟贝氏体的出现以及避免贝氏体中的碳化物析出。然而，过量添加钼增加了添加合金元素的成本，因此，出于经济原因，其含量限制为0.3％。
铌可以以至多0.04％的含量被添加到钢中。其是适合于形成碳氮化物以通过析出硬化赋予根据本发明的钢强度的元素。因为铌延迟了加热期间的重结晶，因此在退火结束时形成的显微组织更细，导致产品硬化。但是，当铌含量大于0.04％时，碳氮化物的量太大，这将降低钢的延展性。
钛是可以以至多0.1％并且优选0.005％至0.1％的含量添加到本发明的钢中的任选元素。像铌一样，其参与碳氮化物，因此在硬化中发挥作用。但其也参与形成在铸造产品的固化期间出现的TiN。因此钛的量限于0.1％以避免对扩孔不利的粗TiN。在钛含量低于0.005％的情况下，其不对本发明的钢产生任何影响。
根据本发明的钢呈现出以面积分数计包含以下的显微组织：3％至20％的残余奥氏体、至少15％的铁素体、40％至85％的贝氏体和最少5％的回火马氏体，其中回火马氏体和残余奥氏体的累积量为10％至30％。
铁素体成分赋予根据本发明的钢以提高的延伸率。为了确保达到在所需水平下的总延伸率，铁素体以15面积分数％的最低水平存在以具有900MPa或更大的抗拉强度与至少17％的总延伸率和18％或更大的扩孔率。铁素体在加热和保温阶段的退火工艺步骤期间或在退火之后的冷却期间形成。这样的铁素体可以通过在固溶体中引入一种或更多种元素来硬化。通常向这样的钢中添加硅和/或锰或者通过引入形成析出物的元素如钛、铌和钒。这样的硬化通常在冷轧钢板的退火期间发生，并因此在回火步骤之前是有效的，但不损害加工性。
回火马氏体以5面积分数％的最低水平并且优选10面积分数％存在于根据本发明的钢中。马氏体在退火期间形成的不稳定奥氏体均热之后的冷却期间以及还在贝氏体转变保温过程之后的最终冷却期间形成。这样的马氏体在最终的回火步骤期间得到回火。这样的回火的效果之一是降低马氏体的碳含量，因此所述马氏体较不硬且较不脆。回火马氏体由从原奥氏体晶粒产生的各晶粒内沿一个方向延伸的细板条组成，其中50nm至200nm长的细铁碳化物棒在沿<111>方向的板条之间析出。由于马氏体相与铁素体相或贝氏体相之间的硬度差距减小，因此马氏体的这种回火还允许提高屈服强度。
回火贝氏体存在于根据本发明的钢中并赋予这样的钢强度。回火贝氏体以40面积分数％至85面积分数％存在于钢中。贝氏体是在退火之后保持在贝氏体转变温度期间形成的。这样的贝氏体可以包括粒状贝氏体、上贝氏体和下贝氏体。该贝氏体在最终的回火步骤期间得到回火以产生回火贝氏体。
残余奥氏体是用于确保TRIP效应和用于带来延展性的必需成分。其可以单独或作为马氏体和奥氏体岛(MA岛)包含在内。本发明的残余奥氏体以3面积分数％至20面积分数％的量存在并且优选具有0.9％至1.1％的碳百分比。富含碳的残余奥氏体有助于贝氏体的形成并且还阻碍了贝氏体中碳化物的形成。因此，其含量必须优选足够高以使本发明的钢具有足够的延展性，其中总延伸率优选大于17％，并且其含量不应超过20％，因为这将产生机械特性值的降低。
残余奥氏体通过称为sigmametry的磁性方法来测量，所述方法包括在热处理之前和之后的钢的磁矩测量，所述热处理使与铁磁性的其他相相反的顺磁性奥氏体不稳定。
除了显微组织的各元素的独立比例之外，回火马氏体和残余奥氏体的累积量必须为10面积分数％至30面积分数％，优选10％至25％，并且更等于或大于15％，特别是当回火马氏体量大于10％时。这确保了将达到目标特性。
根据本发明的钢板可以通过任何适当的制造方法来生产，并且本领域技术人员可以限定所述制造方法。然而，优选使用根据本发明的方法，其包括以下依次的步骤：
-提供根据本发明的钢组合物；
-将所述半成品再加热至高于Ac3的温度；
-在奥氏体范围内对所述半成品进行轧制以获得经热轧的钢板，其中热轧终轧温度应为750℃至1050℃；
-使板以20℃/秒至150℃/秒的冷却速率冷却至小于或等于600℃的卷取温度；以及卷取所述经热轧的板；
-使所述经热轧的板冷却至室温；
-任选地对所述经热轧的钢板进行除氧化皮工艺；
-在400℃至750℃的温度下对经热轧的钢板进行退火；
-任选地对所述热轧退火的钢板进行除氧化皮工艺；
-以30％至80％的压下率对所述热轧退火的钢板进行冷轧以获得经冷轧的钢板；
-然后将所述经冷轧的钢板以1℃/秒至20℃/秒的速率加热至Ae1至Ae3的均热温度，所述经冷轧的钢板在此保持小于600秒；
-然后使板以大于5℃/秒的速率冷却至高于Ms且低于475℃的温度，在所述温度下保持板20秒至400秒；
-然后使钢板以不大于200℃/秒的冷却速率冷却至室温；
-然后将退火的钢板以1℃/秒至20℃/秒的速率再加热至440℃至600℃的均热温度，在所述均热温度下保持退火的钢板小于100秒，然后将钢板在锌或锌合金涂覆浴中热浸，用于对所述钢板进行回火和涂覆，
-使经回火和涂覆的钢板以1℃/秒至20℃/秒的冷却速率冷却至室温。
特别地，本发明人已发现，在根据本发明的钢板的热浸镀之前和期间进行最终回火步骤将提高可成形性而不对所述钢板的其他特性产生显著影响。这样的回火步骤减小了软质相(例如铁素体)与硬质相(例如马氏体和贝氏体)之间的硬度差距。硬度差距的这种减小改善了扩孔特性和可成形性。此外，该硬度差距的进一步减小经由通过添加硅和锰增加铁素体的硬度和/或经由在退火期间碳化物的析出来获得。通过受控的软质相的硬化和硬质相的软化，实现了可成形性的显著提高，同时不降低这样的钢的强度。
根据本发明的方法包括提供具有如上所述的本发明范围内的化学组成的钢的半成品铸件。铸件可以制成锭，或者可以以板坯或带材的形式连续制作，即其中厚度范围从板坯的约220mm到带材的数十毫米。例如，具有上述化学组成的板坯通过连铸来制造，并且被提供用于热轧。在此，板坯可以与连铸一起直接轧制，或者可以首先冷却至室温然后再加热到高于Ac3。
经受热轧的板坯的温度通常高于1000℃并且必须低于1300℃。在此提及的温度被限定为确保板坯的所有点都达到奥氏体范围。在板坯的温度低于1000℃的情况下，对轧机施加了过大的负荷。此外，温度不得高于1300℃以避免奥氏体晶粒的不利生长(导致粗铁素体晶粒)的风险，这降低了这些晶粒在热轧期间重结晶的能力。此外，高于1300℃的温度提高了形成厚层氧化物的风险，这在热轧期间是不利的。终轧温度必须为750℃至1050℃，以确保热轧完全在奥氏体范围内发生。
然后使以这种方式获得的经热轧的钢板以20℃/秒至150℃/秒的速率冷却至低于600℃的温度。然后在低于600℃的卷取温度下卷取该板，因为高于该温度，存在晶间氧化的风险。本发明的经热轧的钢板的优选的卷取温度为400℃至500℃。随后，使经热轧的钢板冷却至室温。
如果需要的话，根据本发明的经热轧的钢板通过任何合适的过程(例如酸洗、通过刷子除去或对经热轧的钢板进行刷洗)来经历除氧化皮的步骤。
在完成氧化皮除去之后，使钢板经历在400℃至750℃的温度下退火的步骤以确保卷材中的硬度均匀性。这种退火可以例如持续12分钟至150小时。如果需要的话，退火的热轧板可以在这样的退火之后经历任选的除氧化皮工艺以除去氧化皮。然后，以30％至80％的厚度压下量对退火的热轧板进行冷轧。
然后使冷轧板经历退火步骤，在所述退火步骤中将所述冷轧板以1℃/秒至20℃/秒(优选大于2℃/秒)的加热速率加热至Ae1至Ae3的均热温度，在临界区域中，将所述冷轧板保持大于10秒(以确保奥氏体转变的准平衡)且小于600秒。
然后使板以高于5℃/秒，优选高于30℃/秒的速率冷却至高于Ms且低于475℃的温度，将所述板保持在该温度下20秒至400秒，优选30秒至380秒。进行Ms至475℃的这种保温以形成贝氏体，以使马氏体(如果较早形成)回火，以及以促进奥氏体富集碳。将冷轧钢板保持小于20秒将导致过低量的贝氏体和奥氏体的不充分富集(导致残余奥氏体的量低于4％)。另一方面，将冷轧板保持大于400秒将导致贝氏体中的碳化物析出，从而降低奥氏体中的碳含量并降低其稳定性。
然后使板以不大于200℃/秒的冷却速率冷却至室温。在该冷却期间，不稳定的残余奥氏体转变成呈MA岛形式的新鲜马氏体，赋予本发明的钢目标抗拉强度水平。
然后将退火的冷轧钢板以1℃/秒至20℃/秒，优选大于2℃/秒的加热速率加热至440℃至600℃，优选440℃至550℃的均热温度持续小于100秒以使带材的温度均匀且稳定以及还同时开始显微组织的回火。
然后，在正在进行回火过程时，退火的冷轧钢板通过进入液体Zn浴而涂覆有锌或锌合金。Zn浴的温度通常为440℃至475℃。其后获得经涂覆和经回火的钢板。这种回火过程确保了贝氏体相和马氏体相的回火，并且还用于通过碳的扩散来调整最终残余奥氏体含量和马氏体含量。
其后使经涂覆和经回火的钢板以1℃/秒至20℃/秒并且优选5℃/秒至15℃/秒的冷却速率冷却至室温。
实施例
本文中提供的以下测试和实施例本质上是非限制性的并且必须仅出于说明的目的而被考虑，并且将显示本发明的有利特征并阐述本发明人在大量实验之后选择的参数的重要性，并进一步确定了可以由根据本发明的钢实现的特性。
用表1中汇总的组成以及表2和3中汇总的工艺参数制备根据本发明和一些比较等级的钢板的样品。这些钢板的相应的显微组织汇总在表4中，以及特性汇总在表5中。
表1：试验的组成
钢 C Mn Si AI S P N Cr Nb Ti
1 0.200 2.20 1.501 0.040 0.006 0.012 0.0050 0.200 - -
2 0.213 2.14 1.490 0.040 0.003 0.010 0.0030 0.350 - -
3 0.210 2.10 0.750 0.750 0.005 0.012 0.0048 0.1 0.02 -
表2和3：试验的工艺参数
在进行退火处理之前，将本发明的所有钢以及参照物再加热至1000℃至1280℃的温度，然后以高于850℃的终轧温度经受热轧，并且其后在低于580℃的温度下卷取。然后如所要求的对热轧卷材进行加工，并且其后以30％至80％的厚度压下量进行冷轧。然后使这些冷轧钢板经受如下所示的退火步骤和回火步骤：
表3：试验的回火工艺参数
表4：样品的显微组织
使用在不同显微镜(例如扫描电子显微镜)上根据通常标准进行的测试来确定所有样品的最终显微组织。结果汇总在下面：
试验 铁素体 回火贝氏体 回火马氏体 残余奥氏体
本发明1 39 42 11 8.0
本发明2 43 42 11 4.0
本发明3 44 41 11 3.0
比较1 <u>8</u> 77.0 11 4.0
比较2 <u>3</u> 76.5 11 9.5
比较3 <u>7.5</u> 76.0 12 4.5
比较4 <u>3</u> 76.0 12 9.0
表5：样品的机械特性
确定所有本发明钢和比较钢的以下机械特性：
YS：屈服强度
UTS：极限抗拉强度
Tel：总延伸率
HER：扩孔率
实施例表明，根据本发明的钢板由于其特定组成和显微组织是唯一显示出所有目标特性的钢板。

Claims (12)

1.一种经回火和涂覆的钢板，以重量百分比表示，其组成包含以下元素：
0.17％≤碳≤0.25％
1.8％≤锰≤2.3％
0.5％≤硅≤2.0％
0.03％≤铝≤1.2％
硫≤0.03％
磷≤0.03％
并且可以包含一种或更多种下列任选元素
铬≤0.4％
钼≤0.3％
铌≤0.04％
钛≤0.1％
剩余组成由铁和由加工引起的不可避免的杂质构成，所述钢板的显微组织以面积分数计包含3％至20％的残余奥氏体，至少15％的铁素体，40％至85％的回火贝氏体和最少5％的回火马氏体，其中回火马氏体和残余奥氏体的累积量为10％至30％。
2.根据权利要求1所述的经回火和涂覆的钢，其中所述组成包含0.6％至1.8％的硅。
3.根据权利要求1或2所述的经回火和涂覆的钢，其中所述组成包含0.03％至0.6％的铝。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的经回火和涂覆的钢，其中回火马氏体和残余奥氏体的所述累积量为10％至25％。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的经回火和涂覆的钢，其中，回火马氏体和残余奥氏体的所述累积量大于或等于15％并且回火马氏体的百分比高于10％。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的经回火和涂覆的钢，其中残余奥氏体的碳含量为0.9％至1.1％。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的经回火和涂覆的钢，其中所述钢板具有大于900MPa的极限抗拉强度、大于18％的孔延伸率和大于17％的总延伸率。
8.根据权利要求7所述的经回火和涂覆的钢，其中所述钢板具有1000MPa至1100MPa的极限抗拉强度和大于20％的扩孔率。
9.一种生产经回火和涂覆的钢板的方法，包括以下依次的步骤：
-提供根据权利要求1至3中任一项所述的钢组合物；
-将所述半成品再加热至高于Ac3的温度；
-在奥氏体范围内对所述半成品进行轧制以获得经热轧的钢板，其中热轧终轧温度应为750℃至1050℃；
-使所述板以20℃/秒至150℃/秒的冷却速率冷却至小于或等于600℃的卷取温度；以及卷取所述经热轧的板；
-使所述经热轧的板冷却至室温；
-任选地对所述经热轧的钢板进行除氧化皮工艺；
-在400℃至750℃的温度下对经热轧的钢板进行退火；
-任选地对所述热轧退火钢板进行除氧化皮工艺；
-以30％至80％的压下率对所述热轧退火钢板进行冷轧以获得经冷轧的钢板；
-然后将所述经冷轧的钢板以1℃/秒至20℃/秒的速率加热至Ae1至Ae3的均热温度，将所述经冷轧的钢板在此保持小于600秒；
-然后使所述板以大于5℃/秒的速率冷却至高于Ms且低于475℃的温度并将所述经冷轧的钢板保持在这样的温度下20秒至400秒；
-然后使所述钢板以不大于200℃/秒的冷却速率冷却至室温；
-然后将所述退火的钢板以1℃/秒至20℃/秒的速率再加热至440℃至600℃的均热温度，将所述退火的钢板在此保持小于100秒，然后将所述钢板在锌或锌合金涂覆浴中热浸，以用于对所述钢板进行回火和涂覆，
-使经回火和涂覆的钢板以1℃/秒至20℃/秒的冷却速率冷却至室温。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述卷取温度高于400℃。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的钢板或根据权利要求9或10所述的方法生产的钢板的用于制造车辆的结构部件或安全部件的用途。
12.一种车辆，包括根据权利要求11中任一项获得的部件。
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