CN111809029A - 一种高成形性中碳钢材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钢铁材料轧制及热处理领域，公开一种高成形性中碳钢材料及其制备方法。中碳钢主要成分(质量分数％)为：C 0.3～0.5％，Si 0.2～0.4％，Mn 0.5～1.7％，Nb≤0.04％，Cr≤1.5％，Ti≤0.02％，余量为铁。本发明针对厚度为1～4mm的热轧中碳钢产品，终轧温度为750～900℃，轧后快速水冷到400～700℃，空冷至室温，随后在650～800℃退火10～40小时，最后随炉冷却至室温。上述方法生产的中碳钢，成形性能突出，适用于一体化冷冲压成形过程，可以缩短工艺流程，提高产品的精确度和耐久寿命。

Description

一种高成形性中碳钢材料及其制备方法
技术领域
本发明属于钢铁材料轧制及热处理领域，尤其涉及一种高成形性中碳钢材料及其制备方法。
背景技术
钢材成形性是评定钢铁材料综合性能的重要指标之一。在传统工艺中，生产变速器的传动板、差速器锥齿轮以及离合器零件等这样结构复杂的传动系配件时，由于其成形材料较差的可成形性，无法应用一体化冲压成形的方法，往往采用在冷锻后再进行铸造、焊接和切削等方式加工，因此工艺流程繁琐，生产成本较高，无法满足汽车行业低成本、减量化的发展要求。
冷挤压成形作为一种近终净的先进成形工艺，具有生产效率高、节省原材料、提高产品质量和降低生产成本等优点，近几年来在汽车等行业中都得到了迅速地发展，据国外汽车工业报导，每辆汽车上的冷挤压件已达80kg，而且汽车中的冷挤压产品还将继续增加。但是，由于冷挤压成形时金属变形温度较低，变形抗力过大，因此对成形材料的可加工性提出更高的要求。若采用冷冲压成形的方法代替传统的工艺手段，生产结构复杂的轴对称传动配件，特别是一些具有凸台和局部增厚的零件时，则材料在深冲压过程的高成形性和良好的可加工性是必不可少的，其中扩孔性能是钢板冲压成形性能的重要评价指标和方法。
一般说来，钢板的扩孔性能往往随着强度的升高而降低，随着延伸率的提高而增强。从组织的角度分析，扩孔性能受材料局部延展性的支配，组织中的软硬相差别是重要的影响因素，软硬相差别越大，材料的延伸凸缘性能越差。因此，单一的软相基体更有利于延伸凸缘性能的提高，尽可能排除变形过程中产生应力集中的第二相。
发明内容
为了克服现有技术中存在的问题，本发明提出将快速冷却应用于高扩孔性中碳钢的开发过程中，在准确控制温度的前提下实现了轧后高速冷却，抑制了碳元素的扩散，保证碳在初始组织的均匀性，并通过后续退火工艺在铁素体基体上形成均匀弥散的球化渗碳体组织，这样均匀细化的组织结构有利于位错的移动以减少局部的应力集中，减少脆性断裂的可能性，从而有效地避免相邻微孔的聚合以达到优异的扩孔性能和延伸性能。在钢中添加Nb、Ti等微合金元素可以促进组织细化，Cr的添加可以在快速冷却过程中打破珠光体连续生长状态，细化渗碳体，促进退火过程中渗碳体球化和组织均匀化，缩短退火时间，提高生产效率。
本发明的具体技术方案为：一种高成形性中碳钢材料制备方法，该中碳钢材料的化学成分按质量分数包括：C 0.3～0.5％，Si 0.2～0.4％，Mn 0.5～1.7％，Nb≤0.04％，Cr≤1.5％，Ti≤0.02％，P≤0.015％，S≤0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质；热轧的终轧温度为750～900℃，热轧工艺结束后采用快速冷却技术，终冷温度为400～700℃，冷速为20～200℃/s；快速冷却结束后空冷至室温。
后续热处理过程采用退火工艺，退火温度为650～800℃，退火时间为10～40h，退火保温结束后材料随炉温冷却至室温，冷速≤5℃/s。
进一步，优选快速冷却的冷速大于100℃/s，冷速越大，组织均匀性效果越好。
本发明采用轧后快速冷却技术和后续退火工艺，在铁素体基体上形成均匀弥散的球化渗碳体组织，这样均匀细化的组织结构可以有效地避免相邻微孔的聚合以达到优异的扩孔性能和延伸性能。这种高扩孔性中碳钢产品具有优异的冷冲压成形性能和更加极限的扩孔性能，适用于一体化冷冲压成形过程，可以缩短工艺流程和生产周期，提高产品的精确度和耐久寿命，在低成本和减量化的基础上实现产品升级。
附图说明
图1为本发明高成形性中碳钢工艺流程示意图。
图2为采用本发明实例1的中碳钢的扫描组织图片。
图3为本发明实例1中扩孔实验前的中碳钢试样图片。
图4为本发明实例1中扩孔实验后的中碳钢试样图片。
具体实施方式
下面列举具体实施案例对本发明进行说明，下列实施过程只用于对本发明做进一步说明，并非对本发明保护范围的限制，其他根据本发明做出的一些非本质性的改动和调节仍为本发明范畴。
实施例1：
实验钢为采用真空感应炉冶炼的中碳钢，冶炼后浇铸成钢锭，经锻造后板坯的厚度为70mm，其化学成分(质量分数，％)为C 0.33％，Si 0.2％，Mn 0.7％，P 0.004％，S0.001％，N0.002％，Fe余量。将坯料在箱式加热炉中升温到1150℃保温1h后进行11道次热轧，终轧后试样厚度为4mm，总变形量为94％。实验钢开轧温度为1100℃，终轧温度为750℃，轧后以120℃/s冷速冷却至400℃，随后空冷至室温。热轧冷却工艺结束后进行退火热处理，板坯在700℃下保温24小时后以小于1℃/min的速率随炉冷却至室温，随后进行了组织分析和力学性能的检测。
上述工艺的中碳钢组织细小均匀，球化渗碳体(Cm)弥散分布在铁素体的基体上(F)，如图2所示。实验钢的屈服强度为342MPa，抗拉强度为440MPa，扩孔率达到165％，接近扩孔成型极限，扩孔实验前后试样分别如图3和图4所示。退火后形成的等轴铁素体和球化渗碳体组织显著提高了材料的扩孔性能，成型性能优异。
实施例2：
生产高成形性热轧中碳钢产品，成品厚度为4mm，化学成分(质量分数)为：C0.3％，Si 0.2％，Mn 0.7％，P 0.004％，S 0.001％，N0.002％，Fe余量。热轧终轧温度为780℃，轧后以20℃/s冷速冷却至500℃，随后空冷至室温。退火工艺在650℃下保温40小时后以小于1℃/min的速率随炉冷却至室温。上述工艺的中碳钢的屈服强度为300MPa，抗拉强度为420MPa，扩孔率达到112％。
实施例3：
生产高成形性热轧中碳钢产品，成品厚度为3mm，化学成分(质量分数)为：C0.48％，Si 0.4％，Mn 0.9％，P 0.004％，S 0.001％，N0.002％，Fe余量。热轧终轧温度为890℃，轧后以80℃/s冷速冷却至730℃，随后空冷至室温。退火工艺在800℃下保温10小时后以小于5℃/min的速率随炉冷却至室温。上述工艺的中碳钢的屈服强度为328MPa，抗拉强度为455MPa，扩孔率达到116％。
实施例4：
生产高成形性热轧微合金中碳钢产品，成品厚度为1mm，化学成分(质量分数)为：C0.35％,Si 0.22％,Mn 1.7％,Nb 0.035％,Ti 0.015％,P≤0.010,S≤0.008。终轧温度为800℃，轧后以200℃/s冷速冷却至660℃，随后空冷至室温。退火工艺在700℃下保温40小时后以小于2℃/min的速率随炉冷却至室温。上述工艺的中碳钢的屈服强度为365MPa，抗拉强度为478MPa，扩孔率达到128％。
实施例5：
生产高成形性热轧中碳钢产品，成品厚度为2mm，化学成分(质量分数)为：C0.42％,Si 0.3％,Mn 0.7％,Cr 1.0％,Ti 0.010％,P≤0.008,S≤0.005。终轧温度为850℃，轧后以150℃/s冷速冷却至500℃，随后空冷至室温。退火工艺在680℃下保温15小时后以小于1℃/min的速率随炉冷却至室温。上述工艺的中碳钢的屈服强度为358MPa，抗拉强度为468MPa，扩孔率达到135％。

Claims (3)

1.一种高成形性中碳钢材料制备方法，其特征在于，该中碳钢材料的化学成分按质量分数包括：C 0.3～0.5％，Si 0.2～0.4％，Mn 0.5～1.7％，Nb≤0.04％，Cr≤1.5％，Ti≤0.02％，P≤0.015％，S≤0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质；热轧的终轧温度为750～900℃，热轧工艺结束后采用快速冷却技术，终冷温度为400～700℃，冷速为20～200℃/s；快速冷却结束后空冷至室温；
后续热处理过程采用退火工艺，退火温度为650～800℃，退火时间为10～40h，退火保温结束后材料随炉温冷却至室温，冷速≤5℃/s。
2.根据权利要求1所述的高成形性中碳钢材料制备方法，其特征在于，所述快速冷却的冷速大于100℃/s。
3.采用权利要求1或2所述方法制备的高成形性中碳钢材料，其特征在于，厚度为1～4mm。
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