CN111733366A - 一种含铝冷轧超高强钢及其制备方法、应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含铝冷轧超高强钢及其制备方法、应用，属于材料热处理技术领域。冷轧超高强钢由多边形铁素体、贝氏体以及马奥岛构成，马奥岛由孪晶马氏体和残余奥氏体构成的，其中，的冷轧超高强钢为采用短过时效处理得到的，短过时效处理的时间为20～80s，短过时效处理的温度为400℃；制备方法包括步骤：冶炼；锻造；热轧；冷轧；热处理：采用两相区退火，以10～30℃/s的升温速率加热到790～830℃，保温3～8min，随后以80～150℃/s冷却至400℃进行短时过时效处理，过时效时间为20～80s，冷却至室温。本发明能实现短时过时效制备高强高塑汽车钢，大大降低生产能耗，减少成本，提高产品竞争力。

Description

一种含铝冷轧超高强钢及其制备方法、应用
技术领域
本发明属于属于材料热处理技术领域，更具体地说，涉及第三代汽车用先进高强钢领域，特别涉及一种制备含铝冷轧超高强钢的短时过时效热处理方法。
背景技术
二十一世纪以来，飞速发展的汽车产业带来便利的同时也引起了诸如环境污染及能源消耗等严重的现实问题，因此，发展新一代超高强钢，通过汽车轻量化来实现节能减排日益受到人们的重视。在汽车钢的成分设计中，为了抑制渗碳体析出，实现奥氏体富碳稳定，一般会添加一定量的硅元素，一般为1.5～2.0％(质量分数)。然而，硅含量的提高会恶化产品的表面质量，不利于后续的镀锌处理。
在已公开的高强度汽车用钢专利中，中国专利申请201611262468.3于2017年5月10日公开了一种高强塑积冷轧TRIP钢的制备方法，其实施例的过时效时间为300～450s，所制得的冷轧TRIP钢具有较好的力学性能，但其Al含量在1.7％以上，极大地增加了冶炼的难度；同时，热处理过程较为复杂，不利于工业化生产。中国专利申请201110280804.8于2012年1月11日公开了一种1000MPa级以上冷轧TRIP钢及其制备方法，其过时效时间为300～400s，但该发明的热处理过程中包含预热及过时效后的控制冷却，整体工艺较为复杂。中国专利申请201210408636.0于2013年3月6日公开了一种高延伸率冷轧TRIP钢板及其制备方法，其实施例的过时效时间在300～600s，该发明制备的冷轧钢板有着较高的延伸率，但整体强度偏低。但保证高延伸率的同时，钢板的强度会降低。中国专利申请201810144307.7于2018年6月22日公开了一种980MPa级汽车用冷轧高强Q&P钢及其生产方法，在300～1225s的过时效时间下制得了一种综合力学性能较好的冷轧高强Q&P钢。
上述发明热处理过程中的时间都在300s以上，不利于工业大规模生产。
中国专利申请201710521418.0于2019年1月15日公开了一种适于弯曲成型的高强度冷轧低合金带钢及其制造方法，带钢化学元素质量百分比为：C：0.055～0.09％；Si：0.2～0.6％；Mn：1.1～1.5％；Nb：0.01～0.04％；Ti：0.04～0.13％；Al：0.02～0.06％；N≤0.006％；Ca：0.001～0.006％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。该发明还公开了上述高强度冷轧低合金带钢制造方法，包括步骤：(1)冶炼；(2)连铸；(3)热轧；(4)酸洗；(5)冷轧；(6)连续退火：控制均热温度为690～750℃，均热时间为60～200s，然后以5～40℃/s的速度冷却到400℃以下进行过时效，过时效时间为120～350s。但是，该专利为低合金带钢，碳含量很低，抗拉强度在980以下，延伸率也不高，同时，过时效时间也比较长。
因此，以短过时效处理获得一种含铝冷轧超高强钢是目前亟需解决的问题。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有冷轧钢热处理过程时间较长不利于大规模生产的问题，本发明基于低硅低铝的成分设计，利于短时过时效处理方式，控制基体组织为多边形铁素体、贝氏体以及孪晶马氏体和残余奥氏体构成的马奥岛，从而实现了含铝冷轧超高强钢的制备。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种含铝冷轧超高强钢，所述冷轧超高强钢由多边形铁素体、贝氏体以及马奥岛构成，所述马奥岛由孪晶马氏体和残余奥氏体构成的，其中，所述的冷轧超高强钢为采用短过时效处理得到的，所述短过时效处理的时间为20～80s，短过时效处理的温度为400℃。
进一步地，所述冷轧超高强钢中各相占比分别为：铁素体的占比为30％～70％，贝氏体的占比为20％～45％，马奥岛的占比10％～30％。
进一步地，所述的冷轧超高强钢的化成分按质量百分数计为：C0.18～0.22％，Mn1.5～2.5％，Si1.0～1.5％，Al0.3～0.8％，Nb0.02～0.04％，Ti0.2～0.6％，P≤0.015％，N≤0.006％，O≤0.003％，S≤0.005％，其余为Fe及其它不可避免的杂质。
进一步地，所述的冷轧超高强钢的屈服强度为400-550MPa，抗拉强度950-1100MPa，延伸率22-32％，强塑积为23-30GPa％。
一种含铝冷轧超高强钢的制备方法，包括步骤：
(1)冶炼；
(2)锻造；
(3)热轧；
(4)冷轧；
(5)热处理：采用两相区退火，即产生奥氏体和铁素体两相，以10～30℃/s的升温速率加热到790～830℃，保温3～8min，随后以80～150℃/s冷却至400℃进行短时过时效处理，过时效时间为20～80s，最后冷却至室温。
进一步地，所述步骤(1)中，所述冶炼原料的化学成分按质量百分数计为：C0.18～0.22％，Mn1.5～2.5％，Si1.0～1.5％，Al0.3～0.8％，Nb0.02～0.04％，Ti0.2～0.6％，P≤0.015％，N≤0.006％，O≤0.003％，S≤0.005％，其余为Fe及其它不可避免的杂质，冶炼后得到铸坯。
进一步地，所述步骤(2)中，将步骤(1)冶炼得到的铸坯锻造成厚度为80～120mm的锻坯，随后将锻坯重新加热至1100～1200℃，保温3～5h。
进一步地，步骤(3)中，所述热轧的开轧温度为1050～1150℃，终轧温度为850～900℃，进行7道次的往复轧制，前两道次压下率分别为30～50％，后五道次的压下率分别为20～30％，之后水冷到650～750℃后保温8～10h，卷曲，得到的热轧带钢厚度为4～5mm。
进一步地，所述步骤(4)中，冷轧的轧制道次为10～15道次，其中包含3～5道次平整轧制，最终的冷轧带钢厚度为1.2～1.5mm，冷轧总压下率为60～75％。
一种含铝冷轧超高强钢的制备方法，按如下步骤进行制备：根据所述化学成分进行冶炼所获得的铸坯锻造成厚度约为80～120mm的锻坯，随后将锻坯重新加热至1100～1200℃，保温3～5h后进行热轧。热轧的开轧温度为1050～1150℃，终轧温度为850～900℃，热轧采用4辊可逆轧机进行7道次的往复轧制，前两道次压下率为30～50％，后五道次的压下率为20～30％，之后冷却到650-750℃后放入保温8-10h，从而进行卷曲过程，热轧带钢的厚度为4～5mm，热轧组织为铁素体和珠光体。随后采用四辊轧机在室温进行冷轧，轧制道次为10～15道次，其中包含3-5道次平整轧制，最终的冷轧带钢厚度为1.2～1.5mm，冷轧总压下率为60～75％。之后热处理过程采用两相区退火，以10～30℃/s的升温速率加热到790～830℃，保温3～8min，随后利用盐浴以80～150℃/s冷却至400℃进行短时过时效处理，过时效时间为20～80s。最后水冷至室温。经热处理后，所述钢板最终组织为多边形铁素体、贝氏体及孪晶马氏体和残余奥氏体组成的块状马奥岛。
一种上述的含铝冷轧超高强钢在制造汽车钢中的应用。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的含铝冷轧超高强钢将过时效时间控制在20～80s，实现了短时过时效制备高强高塑汽车钢，可大大降低生产能耗，减少成本，提高产品竞争力；控制基体组织为多边形铁素体、贝氏体以及孪晶马氏体和残余奥氏体构成的马奥岛，提供一种表面质量良好、易成型、易焊接且具有良好强塑性配比的冷轧超高强钢，并给出该冷轧高强钢的制备方法；
(2)本发明所提供的含铝冷轧超高强钢，其在成分设计上采用以铝代硅的思路，并添加Nb、Ti微合金元素，最终通过短时过时效工艺实现了表面质量良好、易成型、易焊接且具有良好强塑性配比的冷轧超高强钢；本发明冷轧高强钢的Si、Mn、Al的含量更低，合金成本更为经济，具体而言，本发明所提供的含铝冷轧超高强钢的成分设计思路如下：
C元素是固溶强化最明显的元素，同时利用其在奥氏体的高度富集实现最终残余奥氏体的保留，可在变形过程中通过相变诱导塑性效应来实现整体的增强增塑。然而，过高的碳元素一方面带来焊接性能的恶化，另一方面容易在淬火过程中带来较大的淬火应力及微裂纹等缺陷，因此本发明控制C元素含量范围为0.18～0.22％；
Mn元素也能有效提供固溶强化及提高最终奥氏体的稳定性，然而过高的Mn含量一方面不利于钢种冶炼，另一方面也容易形成偏析，影响钢种组织和性能的稳定性，因此本发明控制Mn元素含量范围为1.5～2.5％；
Si元素因其在渗碳体中的溶解度很低，因此能够有效抑制渗碳体析出，促进奥氏体中碳的富集，从而有利于保留残余奥氏体及后续变形中通过相变诱导塑性效应提高钢材的强度和塑性。然而，过高的Si含量会严重影响钢材表面质量，对后续镀锌等工艺产生不利影响。本发明控制Si元素含量范围为1.0～1.5％；
Al元素同样能够有效抑制渗碳体析出，同时对钢材表面质量没有不良影响，然而Al元素的固溶强化效果比Si元素弱很多，且过高Al元素的添加容易堵塞结晶器，还会生成大块的高温铁素体(δ铁素体)；因此本发明以Al代Si策略中Al元素含量范围为0.3～0.8％，将Al含量控制在0.3～0.8％，降低了冶炼难度，并且本发明中不包含预淬火工艺，简化了热处理过程，更利于工业化生产；
Nb和Ti是重要的微合金元素，可通过高温析出钉扎晶界实现细晶强化，且细化晶粒有利于最终残余奥氏体的保留。此外，在过时效阶段可实现NbC的进一步析出，进一步实现超高强化。本发明控制Nb的含量为0.02～0.04％，控制Ti的含量为0.2～0.6％；
(3)本发明所提供的含Al冷轧超高强钢显微组织的主要构成为：在790～830℃两相区退火及冷却过程中生成的多边形铁素体、在400℃过时效过程中生成的贝氏体、过时效结束后冷却到室温生成的孪晶马氏体与残余奥氏体构成的马奥岛；通过以上所述的成分设计及热处理工艺思路，本发明实可实现表面质量良好、易成型、易焊接且具有良好强塑性配比的冷轧超高强钢，屈服强度为400-550MPa，抗拉强度950-1100MPa，延伸率22-32％，强塑积可达到23-30GPa％；本发明制得的冷轧钢板强度更高，并兼顾了较好的延伸率；
(4)本发明通过调控相比例及相分布，实现在铁素体基体上弥散分布贝氏体及马奥岛，充分利用软相基体的塑性及变形协调作用实现高塑性，结合硬相马奥岛的增强效果，并利用变形过程中残余奥氏体的相变诱导塑性效应实现整体的增强增塑。
附图说明
图1为本发明含铝冷轧超高强钢的退火工艺图；
图2为本发明实施例1含铝冷轧超高强钢的电子探针图片；
图3为本发明实施例2含铝冷轧超高强钢的电子探针图片；
图4为本发明实施例3含铝冷轧超高强钢的电子探针图片；
图5为本发明实施例1～3中含铝冷轧超高强钢的拉伸曲线；
图6为本发明实施例1～3中含铝冷轧超高强钢的典型加工硬化曲线。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明的技术方案，实施过程进行详细说明，以下所中的实施例仅用于对本发明的解释与说明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例的一种含铝冷轧超高强钢，其化学成分按质量百分数计为：C：0.20，Mn：2.0，Si：1.24，Al：0.46，Nb：0.029，Ti：0.058，P：≤0.007，N：≤0.006，O：≤0.003，S：≤0.005，其余为Fe及其它不可避免的杂质。
基于上述成分进行冶炼，得到厚度为100mm的铸坯，并按以下的工艺进行热轧：将铸坯加热至1200℃并保温4小时，经7道次轧制得到厚度为4.5mm的热轧板，开轧温度为1125℃，终轧温度为875℃，热轧采用4辊可逆轧机进行7道次的往复轧制，前两道次压下率分别为30～50％，后五道次的压下率分别为20～30％，即前两道次每次的压下率需高于后五道次的压下率。热轧后水冷至650℃放入石棉保温8h后进行卷曲，最终得到的热轧板的组织为铁素体+珠光体，热轧板厚度为4mm。热轧板经酸洗后进行冷轧，采用四辊轧机在室温进行冷轧，轧制道次为10～15道次，其中包含3-5道次平整轧制，得到厚度为1.4mm的冷轧板，冷轧总压下率为70％。
退火工艺如图1所示：以30℃/s的加热速率将冷轧板加热至790℃保温250s，随后利用盐浴以100℃/s的冷速冷却至400℃保温60s，随后空冷至室温，冷轧后热处理的具体工艺参数如表1所示，本实施例所得冷轧钢的力学性能如表2所示，最终组织如图2所示，图中，F为多边形铁素体，突出的白色亮点B为贝氏体，M/A为马奥岛，其占比分别为多边形铁素体63％，贝氏体23.5％，马奥岛13.5％。
实施例2
本实施例的一种含铝冷轧超高强钢，其化学成分按质量百分数计为：C：0.18，Mn：1.5，Si：1.0，Al：0.3，Nb：0.02，Ti：0.2，P：≤0.015，N：≤0.006，O：≤0.003，S：≤0.005，其余为Fe及其它不可避免的杂质。
基于上述成分进行冶炼，得到厚度为100mm的铸坯，并按以下的工艺进行热轧：将铸坯加热至1100℃并保温3小时，经7道次轧制得到厚度为4mm的热轧板，开轧温度为1050℃，终轧温度为850℃，热轧采用4辊可逆轧机进行7道次的往复轧制，前两道次压下率分别为30～50％，后五道次的压下率分别为20～30％，即前两道次每次的压下率需高于后五道次的压下率。热轧后空冷至650℃放入石棉保温8h后进行卷曲，最终得到的热轧板的组织为铁素体+珠光体，热轧板厚度为4mm。热轧板经酸洗后进行冷轧，采用四辊轧机在室温进行冷轧，轧制道次为10～15道次，其中包含3-5道次平整轧制，得到厚度为1.4mm的冷轧板，冷轧总压下率为70％。
退火工艺如图1所示：以30℃/s的加热速率将冷轧板加热至810℃保温250s，随后利用盐浴以100℃/s的冷速冷却至400℃保温60s，随后空冷至室温，冷轧后热处理的具体工艺参数如表1所示，本实施例所得冷轧钢的力学性能如表2所示，最终组织如图3所示，其中，F为多边形铁素体，B为贝氏体，M/A为马奥岛，其占比分别为多边形铁素体58％，贝氏体27％，马奥岛15％。
实施例3
本实施例的一种含铝冷轧超高强钢，其化学成分按质量百分数计为：C：0.22，Mn：2.5，Si：1.5，Al：0.8，Nb：0.04，Ti：0.6，P：≤0.015，N：≤0.006，O：≤0.003，S：≤0.005，其余为Fe及其它不可避免的杂质。
基于上述成分进行冶炼，得到厚度为100mm的铸坯，并按以下的工艺进行热轧：将铸坯加热至1200℃并保温5小时，经7道次轧制得到厚度为4mm的热轧板，开轧温度为1150℃，终轧温度为900℃，热轧采用4辊可逆轧机进行7道次的往复轧制，前两道次压下率分别为30～50％，后五道次的压下率分别为20～30％，即前两道次每次的压下率需高于后五道次的压下率。热轧后空冷至750℃放入石棉保温10h后进行卷曲，最终得到的热轧板的组织为铁素体+珠光体，热轧板厚度为5mm。热轧板经酸洗后进行冷轧，采用四辊轧机在室温进行冷轧，轧制道次为10～15道次，其中包含3-5道次平整轧制，得到厚度为1.5mm的冷轧板，冷轧总压下率为70％。
退火工艺如图1所示：以150℃/s的加热速率将冷轧板加热至830℃保温160s，随后利用盐浴以150℃/s的冷速冷却至400℃保温30s，随后空冷至室温，冷轧后热处理的具体工艺参数如表1所示，本实施例所得冷轧钢的力学性能如表2所示，最终组织如图4所示，其中，F为多边形铁素体，B为贝氏体，M/A为马奥岛，其占比分别为多边形铁素体40％，贝氏体39％，马奥岛21％。
图5为实施例1～3中含铝冷轧超高强钢的拉伸曲线，图6为实施例1～3中含铝冷轧超高强钢的典型加工硬化曲线，可以看出，本发明的方案可行。
表1实施例1～3热处理工艺参数
实施例 加热温度(℃) 保温时间(s) 过时效温度(℃) 过时效时间(s)
实施例1 790 250 400 60
实施例2 810 250 400 60
实施例3 830 160 400 30
表2实施例1～3力学性能
实施例 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 延伸率A25/％ 强塑积GPa·％
实施例1 410 983 27.9 27.4
实施例2 460 965 30.2 29.1
实施例3 520 1060 22.5 23.9
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 (10)

1.一种含铝冷轧超高强钢，其特征在于：所述冷轧超高强钢由铁素体、贝氏体以及马奥岛构成，所述马奥岛由孪晶马氏体和残余奥氏体构成的，其中，所述的冷轧超高强钢为采用短过时效处理得到的，所述短过时效处理的时间为20～80s，所述短过时效处理的温度为400℃。
2.根据权利要求1所述的一种含铝冷轧超高强钢，其特征在于：所述冷轧超高强钢中各相占比分别为：铁素体的占比为30％～70％，贝氏体的占比为20％～45％，马奥岛的占比10％～30％。
3.根据权利要求2所述的一种含铝冷轧超高强钢，其特征在于：所述的冷轧超高强钢的化成分按质量百分数计为：C0.18～0.22％，Mn1.5～2.5％，Si1.0～1.5％，Al0.3～0.8％，Nb0.02～0.04％，Ti0.2～0.6％，P≤0.015％，N≤0.006％，O≤0.003％，S≤0.005％，其余为Fe及其它不可避免的杂质。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种含铝冷轧超高强钢，其特征在于：所述的冷轧超高强钢的屈服强度为400-550MPa，抗拉强度950-1100MPa，延伸率22-32％，强塑积为23-30GPa％。
5.一种含铝冷轧超高强钢的制备方法，其特征在于：包括步骤：
(1)冶炼；
(2)锻造；
(3)热轧；
(4)冷轧；
(5)热处理：采用两相区退火，以10～30℃/s的升温速率加热到790～830℃，保温3～8min，随后以80～150℃/s冷却至400℃进行短时过时效处理，过时效时间为20～80s，最后冷却至室温。
6.根据权利要求5所述的一种含铝冷轧超高强钢的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述冶炼原料的化学成分按质量百分数计为：C0.18～0.22％，Mn1.5～2.5％，Si1.0～1.5％，Al0.3～0.8％，Nb0.02～0.04％，Ti0.2～0.6％，P≤0.015％，N≤0.006％，O≤0.003％，S≤0.005％，其余为Fe及其它不可避免的杂质，冶炼后得到铸坯。
7.根据权利要求6所述的一种含铝冷轧超高强钢的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，将步骤(1)冶炼得到的铸坯锻造成厚度为80～120mm的锻坯，随后将锻坯重新加热至1100～1200℃，保温3～5h。
8.根据权利要求5所述的一种含铝冷轧超高强钢的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述热轧的开轧温度为1050～1150℃，终轧温度为850～900℃，进行7道次的往复轧制，前两道次压下率分别为30～50％，后五道次的压下率分别为20～30％，之后水冷到650～750℃后保温8～10h，卷曲，得到的热轧带钢厚度为4～5mm。
9.根据权利要求5所述的一种含铝冷轧超高强钢的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，冷轧的轧制道次为10～15道次，其中包含3～5道次平整轧制，最终的冷轧带钢厚度为1.2～1.5mm，冷轧总压下率为60～75％。
10.一种权利要求4所述的含铝冷轧超高强钢在制造汽车钢中的应用。
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