CN110863138B - 一种1800MPa级热成形钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种1800MPa级热成形钢及其制造方法，该钢的成分按重量百分比计如下：C:0.31％～0.52％，Si：0.30％～0.40％，Mn：1.4％～2.1％，p≤0.010％，S≤0.010％，Cr：0.31％～0.51％，Nb：0.08％～0.11％，Mo：0.11％～0.21％，RE：0.02％～0.1％，Ni：≤2.0％，余量为Fe及不可避免的杂质。制造方法包括冶炼、连铸、热连轧、酸洗、冷轧、退火，热成形；通过上述方法可以获得的热成形钢的抗拉强度为大于1800MPa，延伸率大于8％；显微组织为马氏体+铁素体，其中马氏体体积分数含量为94％～96％，具有高强度，高延伸率的特点。

Description

一种1800MPa级热成形钢及其制造方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种热成形钢及其制造方法，具体来说是一种汽车制造用抗拉强度≥1800MPa的钢及其制造方法，适用于厚度为1.0mm～2.0mm的热成形钢。
背景技术
汽车制造领域，通过在白车身中大量采用热成型钢板，一方面可以提高车身强度，增加车身碰撞的安全性；另一方面通过超高强度钢板代替低强度钢板，在保证车身安全性的前提下减薄钢板的厚度，降低车身重量。据统计，汽车重量每降低10％则燃油效率可提高6％～8％，因此，车身中采用热成型钢板，既提高了车身安全性又实现了车身减重节能的效果。目前热成型钢的设计主要通过在钢中添加Cr、B、Mo等提高钢板的淬透性的合金元素，实现钢板在热冲压成型后形成完全的马氏体组织，达到钢板超高强的指标。钢板热成型后组织为完全马氏体组织，钢板的强度高但是延伸率差，在车辆碰撞过程中，钢板的强度高延伸率高，碰撞安全性越高，强度高，延伸率低，零部件在碰撞过程中产生微小变形即失效，使车辆安全性降低。为了提高热成形钢板的延伸率，需要在钢中生产微量的铁素体，然而，钢中含B元素后，其在奥氏体晶界偏聚阻碍了铁素体形核，因此需要设计一种全新的热成形钢成分体系，实现即具有高强度，又有高延伸率的新型钢铁材料。本发明提出不含B元素的热成型用超高强热成型冷轧钢板成分设计体系，钢板组织为马氏体+铁素体组织，钢板的抗拉强度达1800MPa以上，钢板延伸率≥8％，具有高强度高延伸性的特点，有利于工业生产和推广应用。
公开号为CN106119693A的发明公开了一种抗拉强度≥2100MPa的钢板，其成分和重量百分比为：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；该专利产品抗拉强度≥2100Mpa，A80：5.2％～5.6％，该专利属于高强度，低延伸率的产品。该专利成分设计体系为含B设计体系，合金含量高，不利于形成铁素体。
发明《一种冷轧热成型钢板及其生产方法》(公开号：CN103361560A，)公开的钢板化学成分质量百分比为：C:0.22～0.25％，Si：0.20～0.30％，Mn：1.20～1.40％，p<0.020％，S<0.030％，Cr：0.10～0.30％，Ti：0.02～0.050％，ALs：0.025～0.060％，B：0.002～0.004％，N：≤0.006％，余量为Fe。该专利淬火后钢板强度在1500MPa左右，延伸率A80＝5.7左右，属于高强度，低延伸率钢板，成分设计体系依然为含B体系，为完全马氏体组织。
发明《一种冷弯性能优良的锌系镀覆热成型钢板或钢带及其制造方法》(公开号：CN109371325A)公开了了包括表面脱碳层在20μm以下的基板及其锌系镀层,基板的成分:C:0.10～0.8％，Si：0.05～2.0％，Mn：0.5～3.0％，p<0.1％，S<0.05％，AL≤0.1％，N≤0.01％，可能含有Cr：0.01～1.0％，Mo：0.01～1.0％，Ti：≤0.2％，Nb：0.01～0.08％，V：0.01～1.0％，B：0.001～0.08％中至少一种，余量为Fe和不可避免的杂质。该发明为镀层热成型钢板，与本发明非镀层钢板有本质区别。该发明强度级别为1400MPa，断后延伸率在5％左右，强度和延伸率均较低。该发明属于镀锌板，基板表面有20μm以下的脱碳层，生产工序长，表面脱碳层控制困难。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供1800MPa级热成形钢及其制造方法，热成形钢抗拉强度≥1800MPa，延伸率≥8％，组织为马氏体+铁素体组织，具有高强度，高延伸率的特点。
一种1800MPa级热成形钢，该钢的成分按重量百分比计如下：C:0.31％～0.52％，Si：0.30％～0.40％，Mn：1.4％～2.1％，p≤0.010％，S≤0.010％，Cr：0.31％～0.51％，Nb：0.08％～0.11％，Mo：0.11％～0.21％，稀土(RE)：0.02％～0.1％，Ni：≤2.0％，余量为Fe及不可避免的杂质。
进一步，该钢的成分还含有V：0.01％～1.1％。
进一步，所述热成形钢的抗拉强度为大于1800MPa，延伸率大于8％；显微组织为马氏体+铁素体，其中马氏体体积分数含量为94％～96％。
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。其含量对热成型后钢板的组织性能影响较大，C含量低将造成热成型后钢板的强度不足。C含量过高，造成钢板强度高延伸率降低，钢板碳当量高，不利于钢板焊接。综合考虑，将钢中的C含量限定在0.31％～0.52％之间。
Si：置换固溶合金元素，促进C在奥氏体中富集增加奥氏体的稳定性。同时可以起到脱氧作用，减少钢中的杂质。Si含量过低，不利于脱氧和增加奥氏体稳定性，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0.30％～0.40％。
Mn：固溶强化元素，提高钢板的强度和钢板的淬透性，同时Mn与钢中的硫结合形成MnS降低钢板的热脆性，减少s的有害作用。Mn使钢的“C”曲线右移，更有利于获得马氏体组织。含量过低效果不显著，含量过高在钢中易形成偏析带，造成钢板生产成本高，性能产生波动，因此，将其含量限制为1.4％～2.1％
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％。
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0.31％，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0.51％，对钢板无明显的有益作用，反而造成钢板的延伸率下降。综合考虑将其含量限制在0.31％～0.51％。
Nb：具有细晶强化和析出强化的作用。能够细化奥氏体晶粒，提高钢板的强度且不降低钢板的延伸率，并与钢中N元素结合形成第二相并在基体中析出，阻碍奥氏体晶粒长大，钢板淬火后马氏体板条较小，强度得到提高。含量低于0.08％细化晶粒作用不明显，高于1.0％其细化晶粒的作用不显著，却明显增加了生产成本。因此该元素限定为Nb：0.08％～1.0％。
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，同时还可以提高钢板的热强性，防止回火脆性。加入量<0.11％，提高钢板淬透性效果差，加入量>0.21％钢板的塑性明显下降。因此该元素限制为0.11％～0.21％。
稀土(RE)：抑制钢的氢脆性、可使钢中硫化物形状得到控制，提高了钢的热塑性。为了充分发挥稀土的作用，加入量控制在0.02％～0.1％之间，加入量低于0.02％时，稀土元素的作用不明显，加入量高于0.1％后在钢中易出现夹杂物团聚，造成钢板延伸率下降。
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，因此限制在Ni≤2.0％。
V：在钢中形成第二相，细化奥氏体，并阻碍加热过程中奥氏体晶粒长大，淬火后形成细小的马氏体。加入量低于0.01％效果不显著，高于1.0％细化晶粒效果减弱，并且增加生产成本。综合考虑其加入量控制在0.01％～1.0％范围内。
本发明技术方案之二是提供1800MPa级热成形钢的制造方法，冶炼、连铸、热连轧、酸洗、冷轧、退火、热成形；
热连轧：为了保证钢坯完全奥氏体化，铸坯加热温度设计在1100℃～1250℃之间。开轧温度在1050℃～1200℃之间，终轧温度在870℃以上，开轧温度过低轧机负载过大，生产工艺调整复杂，生产成本高。开轧温度过高，直接提高生产成本，对钢板组织性能无有益作用。卷曲温度在650℃～730℃之间。
酸洗：通过酸洗方法清除钢板表面的氧化皮。
冷轧：将酸洗后的钢板冷轧至1.0mm-2.0mm，冷轧压下率≥60％。
热成形：退火后钢卷开卷落料，加热炉加热，加热温度在900℃～950℃，加热保温4min～9min。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，不利于工业高效生产。保温时间小于4min，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，性能波动加大。保温时间高于9min，钢板奥氏体晶粒粗化，淬火后形成粗大的马氏体组织，强度和延伸率均下降明显。
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4s～9s范围内。钢板空冷时间对热成型零件延伸率有影响，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，延伸率明显降低。空冷时间高于9s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，钢板强度降低延伸率提高，钢板强度低于1800MPa，不满足设计要求。
模具冲压并在模具中直接进行淬火，控制淬火冷却速度≥20℃/s，冷却速度<20℃/s时，工件中将产生贝氏体组织，造成钢板强度不足。
淬火水温控制在50℃～80℃之间，保持淬火水流动性有利于改善热成型工件的马氏体的组态，提高工件延伸率。水温低于50℃对改善马氏体组态不显著，冲压淬火后钢板延伸率较低。高于80℃提高热成型后对改善工件马氏体组态效果无明显的增加，对提高工件延伸率效果不显著并且增加了模具和冷却系统腐蚀性。综合考虑，将水温设计在50～80℃之间。
通过上述方法可以获得的热成形钢的抗拉强度为大于1800MPa，延伸率大于8％；显微组织为马氏体+铁素体，其中马氏体体积分数含量为94％～96％。
本发明的有益效果在于：
(1)、本发明的钢板成分体系设计新颖，突破传统含B合金体系。
(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)、本发明产品抗拉强度≥1800MPa，延伸率≥8％，工件组织为马氏体+铁素体组织，具有高强度，高延伸率的特点，在汽车零部件上应用具有安全性高，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显微组织图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行冶炼、连铸、热连轧、酸洗、冷轧、退火、热成形。
((1)热连轧：铸坯加热温度为1100℃～1250℃之间；开轧温度在1050℃～1200℃之间，终轧温度在870℃以上；卷曲温度在650℃～730℃之间；
(2)冷轧：将酸洗后的钢板冷轧至1.0mm-2.0mm，冷轧压下率≥60％；(3)热成形：退火后的钢卷开卷落料进行加热，加热温度在900℃～950℃，加热保温4min～9min；加热后的钢板从加热炉取出放至热冲压模具中，钢板从加热炉取出至模具冲压前空冷时间控制在4s～9s范围内；之后进行模具冲压并在模具中直接进行淬火，控制淬火冷却速度≥20℃/s；淬火水温控制在50℃～80℃之间。
所述热成形钢的抗拉强度为大于1800MPa，延伸率大于8％；显微组织为马氏体+铁素体，其中马氏体体积分数含量为94％～96％。
本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢的轧制主要工艺参数见表2。本发明实施例钢的热成形主要工艺参数见表3。本发明实施例钢性能见表4。
表1本发明实施例钢的成分(wt％)
实施例 C Si Mn P S Cr Nb Mo Ni V RE
1 0.31 0.38 1.47 0.010 0.005 0.32 0.080 0.18 0.1 0.12 0.031
2 0.34 0.34 1.76 0.008 0.007 0.43 0.082 0.13 0.072
3 0.38 0.36 1.84 0.007 0.005 0.47 0.085 0.21 0.066
4 0.42 0.37 1.75 0.010 0.006 0.51 0.087 0.18 0.07 0.084
5 0.48 0.33 1.84 0.009 0.007 0.35 0.098 0.14 0.023
6 0.51 0.35 1.96 0.007 0.008 0.38 0.091 0.20 0.059
7 0.35 0.31 1.82 0.008 0.009 0.35 0.084 0.18 1.12 0.091
表2本发明实施例钢的轧制、淬火主要工艺参数
Figure BDA0002105029150000091
表3本发明实施例钢的热成形主要工艺参数
Figure BDA0002105029150000092
表4本发明实施例钢性能
Figure BDA0002105029150000093
从表4的检测结果来看，本发明钢的强度达到了1800MPa级，伸长率达到8％以上，实现了低成本成分设计，对热成形钢的推广应用具有较大的价值。
为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，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，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (1)

1.一种1800MPa级热成形钢，其特征在于：该钢的成分按重量百分比计如下：C:0.31%~0.52%，Si：0.30%~0.40%，Mn：1.75%~2.1%，p≤0.010%，S≤0.010%，Cr：0.31%~0.51%，Nb：0.08%~0.11%，Mo：0.11%~0.21%， RE：0.031%~0.1%，Ni：≤2.0%，还含有V：0.01%~1.1%，余量为Fe及不可避免的杂质；所述热成形钢的抗拉强度为大于1800MPa，延伸率8%~9.86%；显微组织为马氏体+铁素体，其中马氏体体积分数含量为94%~96%；所述的一种1800MPa级热成形钢的制造方法，包括冶炼、连铸、热连轧、酸洗、冷轧、退火，热成形；（1）热连轧：铸坯加热温度为1100℃~1250℃之间；开轧温度在1050℃~1200℃之间，终轧温度在870℃以上；卷曲温度在680℃~730℃之间；
（2）冷轧：将酸洗后的钢板冷轧至1.0mm-2.0mm，冷轧压下率≥60%；
（3）热成形：退火后的钢卷开卷落料进行加热，加热温度在935℃~950℃，加热保温4min~9min； 加热后的钢板从加热炉取出放至热冲压模具中，钢板从加热炉取出至模具冲压前空冷时间控制在4s~9s范围内；之后进行模具冲压并在模具中直接进行淬火，控制淬火冷却速度≥20℃/s；淬火水温控制在50℃~80℃之间。
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