CN110257702A - 一种热冲压成形用钢及其热成形方法 - Google Patents

一种热冲压成形用钢及其热成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种热冲压成形用钢及其热成形方法。钢中含有：C：0.11％～0.30％，Si：0.19％～0.35％，Mn：0.80％～1.9％，P≤0.010％，S≤0.010％，Als：0.015％～0.06％，Cr：0.21％～0.50％，Nb：0.03％～0.07％，Mo：0.11％～0.25％，Ni≤3.0％，Ca：0.0004％～0.006％并且含有以下元素中的一种或多种，Ti：0.046％～0.060％，B：0.0004％～0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。铸坯加热温度1100～1250℃，开轧温度1050～1200℃，终轧温度≥850℃，卷曲温度500～700℃，冷轧压下率≥65％。奥氏体化温度900～950℃，保温3～8min；空冷时间4～8s；淬火冷却速度≥20℃/s，淬火水温40～60℃。成品钢板厚度1.0～2.0mm，钢板的抗拉强度≥1500MPa，延伸率≥6％。

Description

一种热冲压成形用钢及其热成形方法
技术领域
本发明涉及热成形用钢领域，特别涉及一种汽车制造用抗拉强度≥1500MPa的钢、制造方法及热成形方法，适用厚度为1.0～2.0mm。
背景技术
随着汽车行业对节能环保的要求越来越高，减轻车身重量成为汽车行业的共识，白车身减重成为车身轻量化的重要途径之一。
有数据统计，汽车车身重每降低10％，则燃油效率提升6％～8％。白车身减重的主要设计方向是采用高强、超高强钢板代替低强度钢板，在满足碰撞安全性的前提下减薄钢板的厚度。根据钢板在车身中应用的部位不同，对钢板的强度要求也不同。在重要的安全件如B柱、防撞梁等部位，应用钢材的强度一般都较高，如采用1500MPa的热成型钢。钢板的强度越高，生产成本高，工装卡具的强度均需提高。因此，汽车厂根据车型的不同，综合考虑车辆的碰撞安全性和生产成本，选择合适的钢板强度。目前现有的热成型钢存在强度高或碳当量高等特点，造成选材困难，采购成本高，焊接性差。本发明为解决上述问题，设计了一种抗拉强度达1500MPa以上的低碳当量热成型钢，热成型后组织为马氏体+铁素体组织，马氏体含量在95％以上。
现有专利CN106119693A公开了一种薄板坯直接轧制的抗拉强度≥2100MPa薄热成型钢及生产方法，其成分按重量百分比计为：C：0.41％～0.50％，Si：0.45％～0.65％，Mn：1.6％～2.0％，P≤0.006％，S≤0.004％，Als：0.015％～0.06％，Cr：0.50％～0.65％，B：0.004％～0.005％，Ti：0.046％～0.060％或Nb：0.046％～0.060％或V：0.046％～0.060％，或其中两种以上的复合，Mo：0.036％～0.60％，Ni：0.21％～0.35％，N≤0.004％，余为Fe及不可避免的杂质；该专利产品合金成分多，含量高，生产成本极高。该专利碳当量Ceq≥0.78，抗拉强度≥2100MPa属于高强高合金体系的产品，生产成本高，焊接性差。
CN107002155A公开了用于制造高强度钢产品的方法和由此获得的钢产品。其成分按重量百分比计为：C：0.15％～0.40％，Si：0.50％～2.50％，Mn：1.5％～4.0％，Al：0.005％～1.50％，其中：0.8％≤Si+Al≤2.5％，S≤0.05％，P≤0.1％，Cr和Mo至少一种元素，使得0≤Cr≤4.0％，0≤Mo≤0.5％，且2.7％≤Mn+Cr+3Mo≤5.7％，以及如下一种或多种元素，Nb≤0.1％，Ti≤0.1％，Ni≤3.0％，0.0005％≤B≤0.005％，0.0005％≤Ca≤0.005％。余量为Fe和不可避免的杂质。该专利合金元素含量相对较高，特别是2.7％≤Mn+Cr+3Mo≤5.7％限制，造成钢的碳当量高，不利于钢板成形后的焊接，给后续制造带来较大的麻烦。
CN104911501A公开了一种超高强高碳马氏体钢及其制备方法。其化学成分为：C：0.60％～0.85％，Si：0.01％～0.80％，Mn：0.1％～0.5％，P<0.020％，S<0.020％，Cr：0.80％～2.0％，Cu：0.05％～0.40％，Ni：0.05％～0.3％，Ti：0.02％～0.10％，V：0.02％～0.20％，Nb：0.02％～0.15％。余量为Fe及不可避免的杂质。该专利抗拉强度≥2150MPa，合金含量较高，造成生产成本高。该专利采用高碳设计，造成钢的碳当量高，对不利于焊接影响钢板应用。
发明内容
本发明提供一种低碳当量、高强度的热冲压成形钢及热成形方法，有利于工业生产和推广应用。
具体的技术方案是：
一种抗拉强度在1500MPa的热成型钢，其特征在于，钢板的化学成分以质量百分比计为：C：0.11％～0.30％，Si：0.19％～0.35％，Mn：0.8％～1.9％，P≤0.010％，S≤0.010％，Als：0.015％～0.06％，Cr：0.21％～0.50％，Nb：0.03％～0.07％，Mo：0.11％～0.25％，Ni≤3.0％，Ca：0.0004％～0.006％，及含有以下元素中的一种或两种，Ti：0.046％～0.060％，B：0.0004％～0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质。钢板的Ceq≤0.6，其中Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。
本发明成分设计的理由如下：
C：是强固溶强化元素，能显著提高钢的强度。钢中C低于0.11％时，钢板淬火性不好形成马氏体含量比例低，造成钢板强度低。C含高于0.30％，钢板的强度提高，延伸率降低，焊接性能恶化。综合考虑，因此本发明将钢中的C含量限定在0.11％～0.30％。
Si：在钢中主要是起到脱氧作用，减少钢中的杂质。Si含量过低，不利于脱氧，Si含量过高，会降低钢板的表面质量。因此，本发明将钢中Si元素的含量限定在0.19％～0.35％。
Mn：是固溶强化元素，能够降低相变驱动力，提高钢板的淬透性，在控制冷却速度的条件下，有利于获得马氏体组织。含量过低效果不显著，含量过高在钢板中易形成Mn偏析，造成钢板性能不均匀。因此，本发明将其含量限制为0.8％～1.9％。
S、P：为有害元素，其含量越低越好。含量过低生产成本高，在不影响钢板性能的前提下，其含量限制在P≤0.010％，S≤0.010％。
Als：在钢中起脱氧作用，应保证钢中有一定量的酸溶铝，否则不能发挥其效果。Al含量过高，易产生氧化铝等夹杂物，降低钢板性能。因此，本发明将其含量限制在0.015％～0.06％。
Cr：能显著提高钢板的淬透性，能够保证钢板在淬火过程中快速形成马氏体组织，同时提高钢板的强度和硬度。Cr含量低于0.21％，钢板淬透性不好，淬火时易形成贝氏体组织，造成钢板强度降低。Cr含量高于0.50％，对钢板无明显的有益作用，反而造成钢板的延伸率下降。综合考虑本发明将其含量限制在0.21％～0.50％。
Nb：为强C、N化物形成元素，能够细化晶粒，在钢中形成大量弥散分布的Nb的C、N化物，可提高钢板的强度，韧性。为了充分发挥Nb的作用，Nb低于0.03％时作用不明显。当Nb＞0.07％后，钢板细化晶粒作用不在增加，却增加了钢板生产成本。因此本发明将该元素限定为Nb：0.03％～0.07％。
Ti：可显著细化晶粒，阻碍热成型阶段奥氏体晶粒粗化，淬火后形成细小的马氏体。Ti含量低于0.046％其作用不显著，Ti高于0.06％钢板淬火后钢板延伸率下降明显。因此本发明将其加入量限制在0.046％～0.060％。
Mo：能显著提高钢板的淬透性元素，能够保证钢板在淬火过程中快速形成马氏体。同时具有提高钢板的强度，防止回火脆性的作用。其含量低于0.11％时作用不明显，高于0.250％时钢板强度明显增加，轧制薄钢板时轧机负荷大。过量的Mo增加了生产成本，对钢板的性能提升无明显的有益作用。因此本发明将该元素限制为0.11％～0.25％。
Ni：该元素可提高钢板的强度而不降低钢板的韧性，并有利于钢板的后续加工性能。但是该元素始于贵金属，加入量过高造成钢的成本大幅提高，因此本发明将其限制在Ni：0.04％～3.0％。
B：提高钢板淬透性的元素，在钢板热成型过程中，防止钢中奥氏体向铁素体转变，造成钢中存在大量的早期铁素体而使钢板的强度降低。过量的B使的热成型后的钢板中无铁素体组织，钢板的强度提高，延伸率降低。因此本发明将该元素限制为0.0004％～0.005％。
Ca：能够和钢中O、S结合形成化合物，降低钢中元素含量，避免因有害元素降低钢板性能。其含量高于0.006％易在钢中形成大颗粒夹杂，成为有害杂质，本发明将Ca含量控制在0.0004％～0.006％。
本发明还提供了一种抗拉强度1500MPa热冲压成形钢的热成形方法，包括冶炼-精炼-连铸-铸坯加热-热连轧-酸洗-冷轧-退火-落料-冲压淬火，具体如下：
转炉冶炼、LF或RH炉精炼、连铸等工序，获得本发明要求的成分范围的钢水和铸坯。
热连轧：铸坯加热温度为1100～1250℃，开轧温度在1050～1200℃之间，终轧温度在850℃以上，卷曲温度在500～700℃之间。保证钢板热轧后形成铁素体+珠光体组织，有利于后续冷轧生产。
酸洗：通过酸洗方法清除钢板表面的氧化皮。
冷轧：酸洗后钢板冷轧至1.0～2.0mm，冷轧压下率≥65％。
退火：钢板冷轧后进行退火处理，获得铁素体+珠光体组织。
热成形工艺：开卷落料，加热炉加热，加热温度在900～950℃之间，保温3～8min之间。加热温度高于950℃钢板奥氏体晶粒明显粗化，淬火后形成板条粗大的马氏体，延伸性不好。温度低于900℃钢板奥氏体时间长，奥氏体晶粒长大，淬火后形成粗大的板条马氏体组织，延伸率下降。保温时间小于3min，钢板表面和心部奥氏体化温度不均匀，淬火后形成晶粒混杂的马氏体组织，性能较差。保温时间高于8min，钢板奥氏体晶粒粗化，淬火后钢板性能降低。
钢板加热后从加热炉取出放至热冲压模具中，钢板从取出至模具冲压前空冷时间控制在4～8s范围内。钢板空冷时间对热成型工件延伸率有影响，空冷时间小于4s冲压淬火后零部件的组织为完全马氏体组织，钢板的强度未有明显的变化，延伸率小于6％。空冷时间高于8s钢板热冲压成型困难，易产生开裂缺陷。热冲压模具磨损加快，冲压压机功率提高，能耗显著增加。热冲压后工件的组织中易出现贝氏体组织，强度小于1500MPa，不满足设计要求。
模具冲压并在模具中直接进行淬火，控制模具淬火冷却速度在≥20℃/s，若淬火冷却速度<20℃/s，热成型后工件组织中出现贝氏体或者铁素体、珠光体组织，造成工件的强度不足。
热成型模具冲压后保持模具合模状体，钢板温度≤80℃可将工件从模具中取出，也可在模具中继续冷却至室温。工件在热成形模具中冲压淬火，完成由奥氏体组织向马氏体组织的转变，工件从模具中取出的温度过高，一方面钢板未完成组织转变，马氏体含量不足强度降低，另一方面应形成的马氏体组织产生自回火，造成钢板强度降低。
淬火水温控制在40～60℃之间，保持水的流动性，有利于改善热成型工件的马氏体的组态，提高工件的性能。水温低于40℃对改善马氏体组态不显著，高于60℃提高热成型后对改善工件马氏体组态效果无明显的增加。综合考虑，将水温设计在40～60℃之间。
通过上述方法可以获得抗拉强度≥1500MPa，延伸率≥6％的热成型件。工件的组织状态为马氏体+铁素体，其中马氏体含量92％～95％。
有益效果：
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明的钢化学元素含量低，钢板碳当量Ceq≤0.6,具有较好的焊接性能。
2、本发明钢板可直接在传统的产线上生产，无需新增设备，生产工艺稳定。
3、本发明热成形后，工件抗拉强度≥1500MPa，延伸率≥6％，工件组织为马氏体+铁素体，其中马氏体含量92％～95％，具有高强度，高延伸率的特点。在汽车零部件上应用，对实现汽车轻量化具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例1的金相组织，图中的组织为马氏体+铁素体。
具体实施方式
以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。
表1为实施例钢的化学成分；表2为实施例钢的具体热轧、淬火工艺制度；表3为实施例钢的力学性能。
表1发明钢的化学成分(质量分数)％
表2发明钢的轧制、淬火工艺参数
表3发明实施例钢热成形后工件的力学性能
实施例 成品厚度/mm 马氏体含量/％ 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 伸长率/％
1 1.88 94 1160 1535 6.31
2 1.64 93 1156 1580 6.52
3 1.46 94 1175 1586 6.86
4 1.98 92 1147 1510 7.36
5 1.42 94 1226 1592 6.37
6 1.14 95 1186 1513 7.84
7 1.28 93 1135 1541 7.55
按本发明设计的化学成分和轧制方法生产的实施例钢，从表3的检测结果来看，工件的强度达到了1500MPa以上，伸长率达到6％以上，实现了低成本成分设计，对热成型钢板的推广应用具有较大的价值。

Claims (3)

1.一种热冲压成形用钢，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C：0.11％～0.30％，Si：0.19％～0.35％，Mn：0.8％～1.9％，P≤0.010％，S≤0.010％，Als：0.015％～0.06％，Cr：0.21％～0.50％，Nb：0.03％～0.07％，Mo：0.11％～0.25％，Ni≤3.0％，Ca：0.0004％～0.006％，并且含有以下元素中的一种或两种，Ti：0.046％～0.060％，B：0.0004％～0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.一种如权利要求1所述的热冲压成形用钢的热成形方法，其特征在于，生产工艺为：冶炼-连铸-铸坯加热-热连轧-酸洗-冷轧-退火-落料-热成形；
铸坯加热温度为1100～1250℃，开轧温度为1050～1200℃，终轧温度在850℃以上，卷曲温度为500～700℃；热轧卷开卷、酸洗、冷轧、退火，冷轧压下率≥65％；
冷轧退火后的钢板进行开卷落料、进加热炉加热、然后进行热成形，奥氏体化加热温度为900～950℃，保温3～8min；钢板从取出至模具冲压前空冷时间控制在4～8s；模具冲压淬火，控制淬火冷却速度≥20℃/s，淬火水温控制在40～60℃，保持淬火水流动性，淬火过程中水不停滞；待工件温度≤80℃可将工件从模具中取出，也可在模具中继续冷却至室温。
3.根据权利要求2所述的热冲压成形钢热成形方法，其特征在于，所述工件的抗拉强度≥1500MPa，延伸率≥6％，组织为马氏体+铁素体，其中马氏体含量92％～95％。
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