CN110343960B - 一种高冷弯性能汽车用钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高冷弯性能汽车用钢及其制造方法，属于汽车用钢制造领域。高冷弯性能汽车用钢各组分质量百分比为：C 0.01～0.25％、Si 0.10～0.50％、Mn 0.96～2.00％、P≤0.02％、S≤0.01％、N≤0.01％、Al 0.01～0.06％、Cr 0.10～0.50％、Nb 0.01～0.06％、V 0.01～0.06％、Ti 0.03～0.05％，余量为Fe和不可避免杂质，通过如下工艺制成，一、熔炼；二、铸坯；三、热轧；四、冷轧；五、退火；六、热成型。本发明通过特定成分微合金元素的添加，配合特定制造工艺，制造钢板满足汽车用强度、韧性需求且冷弯性能高。

Description

一种高冷弯性能汽车用钢及其制造方法
技术领域
本发明属于汽车用钢制造领域，更具体地说，涉及一种高冷弯性能汽车用钢及其制造方法。
背景技术
汽车轻量化技术是适应现代汽车安全、节能、环保趋势的关键技术之一，目前越来越多的汽车车身零部件使用热成型技术(如：汽车保险杠、防撞梁、A柱、B柱、车门防撞杠等)。热成型技术是将成形与强化分为两个步骤生产超高强度汽车零部件的一种新工艺，生产的零件具有超高强度、成型精度高、避免高强度钢冷成型回弹等优点。以22MnB5为例的高强度钢板，是当前被研究和应用最多的热成型结构件。
另外，目前广泛应用在汽车上的热成型钢经热成形淬火后，组织转变成完全的马氏体，强度可达1500MPa，而延伸率(A80)在6％左右，三点弯曲角度一般小于60°，随着对汽车安全性能要求不断提高，要求热成型钢具备高强度和高韧性的匹配，对冷弯性能要求高。
经检索发现，中国专利公开号：CN104195443A，公开日：2014年12月10日，公开了一种汽车用高冷弯性能热成形钢及其制造方法，此钢的成分质量百分含量为C：0.18～0.30％，Si：≤0.30％，Mn：1.00～1.60％，B：0.0005～0.0040％，Ti：0.02～0.06％，P：≤0.015％，S：≤0.01％，Cr：0.10～0.30％，Al：0.020～0.060％，N≤0.004％，O≤0.003％，Nb：0.02～0.10％，Mo：0.15～0.40％，V≤0.10％，W≤0.40％，其余为Fe。制造方法为加热温度1100～1250℃，保温2.5～4h，卷取温度540～650℃，冷轧压下率：50％～70％，低温临界退火。对获得的原材料进行热冲压成形，主要通过成分优化获得细化的原始奥氏体晶粒尺寸(平均晶粒尺寸≤10μm)来提高成品零件的塑韧性。该专利中涉及的钢需要添加Nb、Mo等合金元素，提高了原材料的生产制造成本。另外该专利没有考虑热冲压成形淬火过程对热成形零部件冷弯性能造成的不利影响。
中国专利公开号：CN102286689A，公开日：2011年12月21日，公开了一种双相热成形钢的制备方法，此发明中钢的成分质量百分比为C：0.1～0.5％，Si：0.3～2.5％，Mn：1.0～3.0％，Al：1.0～3.0％，P：≤0.02％，S：≤0.01％，N：≤0.01％，其余为Fe。此发明的生产工艺为加热温度1200～1250℃，保温0.5h～1h，终轧温度：800～900℃，卷取温度：600～700℃，然后加热至750～850℃，保温并快速冷却至室温，获得由铁素体和马氏体构成的双相组织。通过此方法虽然通过热成形工艺优化使得成形后的零件塑性增加，但强度大幅降低。
中国专利公开号：CN102296242A，公开日：2011年12月28日，公开了一种高强韧性热成形钢板的热处理方法，此钢的成分质量百分含量为C：0.2～0.4％，Si：0.1～0.5％，Mn：1.0～2.0％，Cr：0.1～0.5％，B：0.001～0.005％，Ti：0.01～0.05％，Al：0.01～0.1％，P：≤0.02％，S：≤0.01％，N：≤0.01％，其余为Fe。在100～500℃范围内进行1～10min的回火处理。然后取出在空气中自然冷却到室温。此发明是通过回火的方式消除热成形钢在快速冷却过程中的内应力和软化马氏体组织来改善钢的韧性。但该专利并没有提出具体的实施设备，且并未关注回火处理后零件残余应力释放后导致的零件型面尺寸变化。
中国专利公开号CN103255340A，公开日：2013年8月21日，公开了一种汽车用高强韧性热成形钢板及其制备方法，此钢的成分质量百分含量为C：0.1～0.5％，Si：0.5～1.5％，Mn：1.2～2.4％，B：0.001～0.005％，Ti：0.01～0.05％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，其余为Fe。此发明的制备方法为：对热成形钢板以20～100℃/s的速度加热到奥氏体化温度恒温一段时间后热轧，使奥氏体晶粒细化，以50～120℃/s的速度淬火到50～370℃，获得部分过饱和马氏体和未发生马氏体相变的残余奥氏体，在200～500℃的回火温度等温5～600s以获得稳定的残余奥氏体，最终获得马氏体和残奥的复相组织。但该专利的思想在具体生产过程中需要经过加热—冷却—再加热—再冷却的过程，对设备能力要求非常高，且会影响实际生产效率，且对实际生产设备及模具进行优化改进。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有技术中汽车用钢板冷弯性能差的问题，本发明提供一种高冷弯性能汽车用钢及其制造方法，通过特定成分微合金元素的添加，配合特定的制造工艺，制造的钢板满足汽车用强度、韧性需求且冷弯性能高。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种高冷弯性能汽车用钢，各组分质量百分比为：C 0.01～0.25％、Si 0.10～0.50％、Mn0.96～2.00％、P≤0.02％、S≤0.01％、N≤0.01％、Al 0.01～0.06％、Cr 0.10～0.50％、Nb 0.01～0.06％、V 0.01～0.06％、Ti 0.03～0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质。
随着对汽车安全性能要求的提高，对汽车用钢板的强度要求也越来越高，但是一味增加钢板材料的强度，很容易带来其韧性的降低，因此需要调整合适的材料配比来得到高强度与高韧性相匹配的钢板材料，同时，冷弯性能也是汽车用钢板所必须考察的性能，目前的汽车使用环境下，要求汽车用钢板同时具备较高的冷弯性能，本方案通过对汽车用钢板成分的调整，提高了钢板的冷弯性能，且获得了高强度与高韧性的匹配。
进一步地，各组分质量百分比为：C 0.22～0.24％、Si 0.15～0.30％、Mn 0.96～1.20％、P≤0.01％、S≤0.01％、N≤0.01％、Al 0.04～0.06％、Cr 0.17～0.21％、Nb0.03％、V 0.025～0.032％、Ti0.036～0.050％，余量为Fe和不可避免的杂质。
C 0.22～0.24％，C对钢中马氏体的形成起着关键作用，可以显著提高材料的硬度强度，但是随着碳含量的升高，材料的塑性和韧性会降低，同时会影响焊接性能，碳含量过低又难以满足强度的要求，因此本方案将含碳量控制在0.22～0.24％，满足汽车用钢板对韧性的高需求，同时尽可能提高其强度。
Si 0.15～0.30％，Si起到固溶强化的作用，可有效促进C向奥氏体扩散的作用，对铁素体有显著的净化作用，提高钢中铁素体纯净度，稳定奥氏体组织，含量过高的Si会降低韧性和焊接性能，因此本方案将含硅量控制在0.15～0.30％。
Mn 0.96～1.20％，Mn可以提高奥氏体的稳定性，提高材料的淬透性，同时增加材料的硬度，Mn含量过低得不到所需强度的钢材，大量的Mn会降低材料的焊接性能及低温韧性，因此本方案将含锰量控制在0.96～1.20％。
进一步地，Mn/Si＝4～6.4，申请人在实验时发现，当Mn与Si的添加比例控制在一定范围内时，可以起到一定的复合强化的效果，在发挥两种元素有益性能的同时可大大减少两种元素添加时对钢材焊接性能及韧性带来的不利影响。
P≤0.01％、S≤0.01％、N≤0.01％，P、S、N是钢材冶炼中的有害元素，P和S会降低晶界的表面能而减少晶界内聚力，使钢材脆性断裂倾向上升，对钢材塑性韧性产生不利影响，同时钢中硫化物大大影响钢板的冷弯性能，N元素则会引起时效现象，因此本方案控制磷、硫、氮的含量最多0.01％。
Al 0.04～0.06％，在冶炼时，Al元素作为脱氧剂加入到合金材料中，少量铝元素可以细化晶粒，提高冲击韧性，铝元素添加过多会影响材料的焊接性能，因此本方案将含铝量控制在0.04～0.06％。
Cr 0.17～0.21％，Cr可以显著提高钢材的强度、硬度和耐磨性，但是会降低塑性和韧性，因此本方案将含铬量控制在0.17～0.21％。
Nb 0.03％，Nb有细化晶粒和析出强化的作用，Nb在钢中可以形成NbC或NbN等间隙中间相，在再结晶过程中,因NbC、NbN对位错的钉扎及对亚晶界的迁移进行阻止等作用,从而大大增加了再结晶的时间，进而达到细化奥氏体晶粒的目的，Nb的添加量过小时，对性能的强化作用不明显，当其添加量超过0.03％时，对强韧化的贡献也不再明显，因此本方案控制铌的含量为0.03％。
V 0.025～0.032％，V主要起固溶强化的作用，可以固定钢中的N元素，降低钢中自由氮的含量，减少了钢中N元素的危害，避免时效现象的发生，但V含量过多时会加速珠光体形成，因此本方案控制V含量为0.025～0.032％。
Ti 0.036～0.050％，Ti在钢中可以与C、N元素结合形成Ti[C、N]，细化铁素体晶粒达到强韧性目的，同时可与S结合，优先在钢中生成硫化钛，从而减少钢的热脆性，降低S对钢板冷弯性能的影响。
进一步地，其组分质量间存在如下关系：
0.096％≤Nb+V+Ti≤0.108％；
且，
Figure BDA0002144792970000041
申请人研究时发现，Nb、V、Ti三种元素特定范围内配合添加时，各元素间交互作用，可达到复合强化的效果，Nb、V、Ti三种元素单独加入或未成比例加入时，对钢板性能提升均存在局限性，Nb的完全固溶温度较高，因此在均热温度不高时，Nb元素的添加虽能细化晶粒，但是无法有效提高钢板的强度，V的固溶温度低，在均热温度不高的温度区间中可以起到沉淀强化作用，Ti的固溶温度高于V低于Nb，对于晶粒的细化效果，Nb大于Ti大于V，本方案控制Nb、V、Ti三种元素的添加比例在
Figure BDA0002144792970000042
区间，在此范围中，当处于不同的均热温度时，均有元素在发挥固溶强化或细化晶粒的作用，在钢板后续热加工过程中，不同的温度波动下，可以有效的中抑制奥氏体的形变再结晶并阻止其晶粒的长大，同时稳定的发挥沉淀强化的效果，易得到高强度和高韧性相匹配的钢板。
当Nb+V+Ti总含量过低时，对钢板性能的改善不明显，当Nb+V+Ti总含量过时，对钢板性能提升贡献不再明显，还会引起韧性的降低，因此本申请控制0.096％≤Nb+V+Ti≤0.108％。
进一步地，各组分质量百分比为：C 0.22％、Si 0.17％、Mn 1.08％、P 0.005％、S0.008％、N 0.006％、Al 0.06％、Cr 0.18％、Nb 0.03％、V 0.032％、Ti 0.043％，余量为Fe和不可避免的杂质。在此成分组成下熔炼所得的合金处理加工后制成的钢板具有最优选的强度及韧性性能的配合，且其冷弯度最高。
进一步地，还添加RE元素，其质量百分比为0.023～0.037％，且
Figure BDA0002144792970000043
申请人研究时发现，稀土元素的加入会促进钢中合金元素的有益效果，同时，Nb、V、Ti可以提高稀土元素的固溶量，当稀土元素添加量与Nb、V、Ti的添加量存在如下关系时：
Figure BDA0002144792970000044
可以增加钢中铌沉淀相析出数量并减小析出尺寸，进一步增加细晶强化和弥散强化效果，可以抑制V[C、N]的应变诱导析出，抑制钢中动态再结晶，并且使各元素的沉淀相的溶解温度降低，达到了细化各沉淀相的作用，增加了各元素的作用，稀土元素加入过量时，对Nb、V、Ti作用的强化幅度减小，本申请控制稀土元素添加量为0.023～0.037％。
进一步地，各组分质量百分比为：C 0.22％、Si 0.17％、Mn 1.08％、P 0.005％、S0.008％、N 0.006％、Al 0.06％、Cr 0.18％、Nb 0.03％、V 0.032％、Ti 0.043％，RE0.035，余量为Fe和不可避免的杂质。经添加RE元素后，最终钢板性能有了进一步提升。
一种高冷弯性能汽车用钢的制造方法，制造工艺流程如下：
一、熔炼；
二、铸坯；
三、热轧：对铸坯进行热轧制，其中出炉温度为1000～1250℃，终轧温度为850～900℃；
四、冷轧：对热轧后产物进行冷连轧，其中冷轧压下量≥50％；
五、退火：对冷轧后产物进行连续退火，退火温度为700～800℃；
六、热成型：退火后产物进行热冲压成型，加热温度为800～1000℃，加热时间为3～10min，保压时间为4～10s，淬火冷却速度≥30℃/s。
本申请的高冷弯性能汽车用钢通过将特定成分的元素熔炼后铸坯，然后对铸坯进行热轧制，本方案控制热轧出炉温度为1000～1250℃，终轧温度为850～900℃，可在一定程度上是奥氏体均匀化，减少C的偏析；热轧后的产物进行冷连轧，控制冷轧压下量≥50％，申请人研究表明，冷轧压下量＜50％时，钢中的晶粒变得粗大，影响了钢板性能；冷轧后的产物在两相区(700～800℃)进行连续退火，使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒，同时消除加工硬化和残留内应力；退火后进行热冲压成型处理，本方案中加热温度为800～1000℃，加热时间为3～10min，随着加热温度的升高，屈服强度和抗拉强度随之升高，而延伸率逐渐下降，将加热时间控制在3～10min内可以增加钢板的淬透性，进一步地，通过控制保压时间在4～10s，淬火冷却速度≥30℃/s，可以提高钢板中组织的均匀性，进一步细化晶粒。
进一步地，所述热轧工艺中卷取温度为500～600℃。本方案选用相同的成分体系热成形钢原材料，分别对比了不同卷取温度对成品组织和性能的影响，结果表明，不同卷取温度对最终退火态成品性能几乎无影响，但从显微组织可以看出，低温卷取对原材料的带状组织有明显的改善作用，带状组织的改善有利于提高热成形后零件的冷弯性能，故本发明控制卷取温度为500～600℃。
进一步地，冷轧工艺前，对热轧后产物进行酸洗操作。通过酸洗操作，去除热轧过程中产生的氧化铁皮，进一步保证最终成品的质量。
进一步地，还包括组织软化工艺：将热成型后的产物加热到20～300℃，持续保温5～30min，然后在空气中冷却。本方案中，将热成型后的产物在辊道炉内加热到20～300℃，持续保温5～30min，可显著降低淬火应力和脆性，软化了马氏体，同时软化了Nb、V、Ti组合加入后形成的组织，进而达到提升最终产物冷弯性能的效果。该工艺结束后，对产物进行后续的整形工序，最终得到所需的汽车用钢板零件。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的一种高冷弯性能汽车用钢，通过对其构成元素成分的改进，在保证合理制造成本的前提下，使最终制成的产品强度、韧性均有所提高，且冷弯性能也有了很大提高；
(2)本发明的一种高冷弯性能汽车用钢，Mn/Si＝4～6.4，通过Mn和Si的适量配比，使两种添加元素在调整合金性质的同时相互作用，发挥各自有益性能的同时，减少Mn和Si钢材性能的不良影响；
(3)本发明的一种高冷弯性能汽车用钢，通过Nb、V、Ti三种元素特定范围内配合添加，各元素间交互作用，到复合强化的效果；
(4)本发明的一种高冷弯性能汽车用钢的制造方法，通过对热轧、冷轧、退火、热成型各参数的控制，使产物奥氏体均匀化，进一步细化晶粒，提高组织均匀性，得到了抗拉强度、屈服强度、延伸率均达标的高性能产物；
(5)本发明的一种高冷弯性能汽车用钢的制造方法，采用合适的卷取温度，改善了产品中的带状组织，提高了产品的冷弯性能；
(6)本发明的一种高冷弯性能汽车用钢的制造方法，通过组织软化工艺，软化了马氏体及Nb、V、Ti组合加入后形成的组织，进一步提升最终产物冷弯性能。
附图说明
图1为实施例1卷取后获得的热轧态显微组织；
图2为实施例3卷取后获得的热轧态显微组织；
图3为实施例1退火态的显微组织；
图4为实施例3退火态的显微组织；
图5为实施例2热成型淬火后的显微组织；
图6为实施例2经组织软化处理后的显微组织。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。
本发明的一种高冷弯性能汽车用钢，各组分质量百分比为：C 0.01～0.25％、Si0.10～0.50％、Mn 0.96～2.00％、P≤0.02％、S≤0.01％、N≤0.01％、Al 0.01～0.06％、Cr0.10～0.50％、Nb 0.01～0.06％、V 0.01～0.06％、Ti 0.03～0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质。
采用如下工艺制备而成：
一、熔炼；
二、铸坯；
三、热轧：对铸坯进行热轧制，其中出炉温度为1000～1250℃，终轧温度为850～900℃，卷取温度为500～600℃；
四、冷轧：对热轧后产物进行酸洗，然后冷连轧，其中冷轧压下量≥50％；
五、退火：对冷轧后产物进行连续退火，退火温度为700～800℃；
六、热成型：退火后产物进行热冲压成型，加热温度为800～1000℃，加热时间为3～10min，保压时间为4～10s，淬火冷却速度≥30℃/s；
七、组织软化：将热成型后的产物在辊道炉上加热到20～300℃，持续保温5～30min，然后在空气中冷却；
八、整形：对产物进行后续的整形工序，最终得到所需的汽车用钢板零件。
表1钢板化学成分，wt％
实施例 C Si Mn P S Al Cr Nb V N Ti
1 0.23 0.15 1.20 0.01 0.003 0.05 0.21 0.03 0.025 0.004 0.042
2 0.22 0.17 1.08 0.005 0.008 0.06 0.18 0.03 0.032 0.009 0.043
3 0.25 0.30 1.12 0.006 0.010 0.04 0.20 0.03 0.028 0.006 0.050
4 0.23 0.25 1.00 0.004 0.008 0.05 0.17 0.03 0.030 0.005 0.036
5 0.01 0.10 0.96 0.01 0.003 0.01 0.10 0.01 0.010 0.003 0.030
6 0.25 0.50 2.00 0.02 0.01 0.06 0.50 0.06 0.060 0.010 0.050
实施例1～6分别选用6组不同成分的元素进行熔炼，其中实施例1中按质量百分比添加RE＝0.025％，实施例2中按质量百分比添加RE＝0.035％，实施例3中按质量百分比添加RE＝0.037％，实施例4中按质量百分比添加RE＝0.023％，实施例5中按质量百分比添加RE＝0.036％，实施例6中按质量百分比添加RE＝0.024％，分别将各实施例按不同元素组分熔炼、铸坯后，按照表2与表3中的工艺参数制备成最终产品。
表2生产工艺参数(上)
实施例 出炉温度℃ 终轧温度℃ 卷取温度℃ 退火温度℃
1 1236 891 550 762
2 1235 890 551 762
3 1240 886 600 761
4 1235 888 600 762
5 1000 850 500 700
6 1250 900 600 800
表2续生产工艺参数(下)
实施例 热成型加热温度℃ 热成型加热时间min 保压时间s 淬火冷却速度℃/s
1 930 5 5 32
2 930 5 7 35
3 930 5 4 33
4 930 5 6 32
5 800 3 3 30
6 1000 10 10 35
表3组织软化工艺参数
实施例 组织软化温度℃ 组织软化时间min
1 200 20
2 250 20
3 200 20
4 250 20
5 20 5
6 300 30
通过对不同制造工艺阶段各实施例的产物进行显微组织观察发现，如图1所示为实施例1卷取后获得的热轧态显微组织，其中带状组织不明显，如图2所示为实施例3卷取后获得的热轧态显微组织，带状组织明显，对比图1和图2，低温卷取对原材料的带状组织有明显的改善作用，带状组织的改善有利于提高热成形后零件的冷弯性能，图3为实施例1退火态的显微组织，图4为实施例3退火态的显微组织，对比图3和图4，不同卷取温度对最终退火态成品性能几乎无影响；图5为实施例2热成型淬火后的显微组织，为完全的淬火态马氏体组织，图6为实施例2经组织软化处理后的显微组织，为回火马氏体组织，并有轻微的细小碳化物析出，由此可见其冷弯性能有了很大的提高。
表4最终产品性能
实施例 屈服强度Mpa 抗拉强度Mpa 延伸率％ 显微硬度HV10 冷弯性能°
1 1102 1532 6.7 461 55
2 1085 1529 6.3 468 62
3 1092 1510 6.5 456 48
4 1071 1502 6.4 448 52
5 1057 1480 5.9 441 43
6 1060 1493 6.1 443 45
通过对比各组分及参数下最终产品的各项性能发现，各组分质量百分比为：C0.22％、Si0.17％、Mn 1.08％、P 0.005％、S 0.008％、N 0.006％、Al 0.06％、Cr 0.18％、Nb 0.03％、V 0.032％、Ti 0.043％，RE 0.035，余量为Fe和不可避免的杂质，该成分的汽车用钢，其屈服强度、抗拉强度、延伸率及显微硬度均能达到所需的高标准，且冷弯角度最大，冷弯性能最佳，为最优选的实施方案。
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高冷弯性能汽车用钢，其特征在于，各组分质量百分比为：C 0.22～0.24％、Si0.15～0.30％、Mn 0.96～1.20％、P≤0.01％、S≤0.01％、N≤0.01％、Al 0.04～0.06％、Cr0.17～0.21％、Nb 0.03％、V 0.025～0.032％、Ti 0.036～0.050％、RE 0.023～0.037％，余量为Fe和不可避免的杂质；
其组分质量间存在如下关系：
0.096％≤Nb+V+Ti≤0.108％，且，
Figure FDA0002528067780000011
Figure FDA0002528067780000012
其制造工艺流程如下：
一、熔炼；
二、铸坯；
三、热轧：对铸坯进行热轧制，其中出炉温度为1000～1250℃，终轧温度为850～900℃；
四、冷轧：对热轧后产物进行冷连轧，其中冷轧压下量≥50％；
五、退火：对冷轧后产物进行连续退火，退火温度为700～800℃；
六、热成型：退火后产物进行热冲压成型，加热温度为800～1000℃，加热时间为3～10min，保压时间为4～10s，淬火冷却速度≥30℃/s；
七、组织软化：将热成型后的产物加热到20～300℃，持续保温5～30min，然后在空气中冷却。
2.根据权利要求1所述的一种高冷弯性能汽车用钢，其特征在于，各组分质量百分比为：C 0.22％、Si 0.17％、Mn 1.08％、P 0.005％、S 0.008％、N 0.006％、Al 0.06％、Cr0.18％、Nb 0.03％、V 0.032％、Ti 0.043％、RE 0.035％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种高冷弯性能汽车用钢，其特征在于：所述热轧工艺中卷取温度为500～600℃。
4.根据权利要求1所述的一种高冷弯性能汽车用钢，其特征在于：冷轧工艺前，对热轧后产物进行酸洗操作。
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