CN111996465A - 一种超高强汽车用轻质中锰钢热轧板及制备方法 - Google Patents

一种超高强汽车用轻质中锰钢热轧板及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种超高强汽车用轻质中锰钢热轧板及制备方法，属于热轧超高强汽车用钢技术领域。本发明所述热轧板的化学成分按质量百分比分别为：C：0.75～0.80％，Mn：7.6～8.0％，Al：7.4～8.0％，Si：0.05～0.10％，余量为Fe及不可避免的杂质。其制备方法为，按成分配比制得钢坯，加热保温后，热轧得热轧钢板，并将热轧钢板水冷至400℃然后空冷至室温后，进行“淬火+回火”热处理，在900‑1000℃保温0.5～1h后水淬至室温，之后在200‑300℃保温10～60min后空冷至室温。本发明关键在于通过合理的化学成分和工艺设计获得一定体积分数比例的奥氏体+铁素体+马氏体复相组织，再通过调整回火工艺控制奥氏体内C元素配分，得到密度为7.19g/cm3，抗拉强度1410～1680MPa，延伸率15～30％，强塑积40GPa·％以上的超高强汽车用轻质中锰钢热轧板。

Description

一种超高强汽车用轻质中锰钢热轧板及制备方法
技术领域
本发明属于热轧超高强汽车用钢技术领域，具体涉及一种超高强汽车用轻质中锰钢热轧板及制备方法。
背景技术
面对国际社会的减排承诺，面对国际能源短缺，汽车尾气排放所造成的PM2.5等一系列问题，汽车节能减排刻不容缓。如今，节能、安全、环保作为汽车技术的三大主题，极大地推动了车身轻量化技术的研究和发展。为了实现节能减排，同时兼具安全的要求，汽车用先进髙强钢(Advanced High Strength Steels，AHSS)的研究和使用便应运而生。中锰Fe-Mn-Al-C钢作为一种高比强度(强度与密度之比)的新型汽车用钢，具有优良的强度和塑性匹配，应用前景非常广阔。
近年来，对于中锰Fe-Mn-Al-C汽车用钢国内学者进行了大量品种开发与研究工作。专利申请号为201610927995.5的专利公开C：0.1-0.3％，Si：0.3-3.5％，Mn：3.0-15.0％，Al：1.0-3.5％，V，Ti，Nb各≤0.2％成分体系的中锰钢经热轧、淬火+回火、冷轧、退火可以得到屈服强度590～970MPa，抗拉强度980～1440MPa，总延伸率30～42％，强塑积40GPa·％以上的钢板；专利申请号为201310733931.8的专利公开C：0.14-0.16％，Si：1.31-1.51％，Mn：2.70-2.90％，Al：0.11-0.51％，Re：0.005-0.020％的中锰钢经热轧、冷轧、退火得到抗拉强度大于1400MPa，延伸率大于等于8％，屈服强度500～900MPa，屈强比为0.4～0.6的易于冲压成形汽车用钢板；专利申请号为201610455155.3的专利公开C：0.25-0.35％，Mn：7.0-9.5％，Al：2.0-2.9％成分体系的中锰钢经热轧、退火、冷轧、退火可以得到抗拉强度900～1300MPa，总延伸率50～80％，强塑积60GPa·％以上的钢板。
综上所述，虽然中锰钢通过调节化学成分，控制轧制及热处理工艺能够得到良好的强度以及塑性，但是一般需要较为复杂的“热轧+冷轧+热处理”的制备工艺，并且部分发明中合金含量较高及Nb，V，Ti等元素的添加导致成本较高。而本发明在普通中锰钢成分体系基础上，仅通过调整Mn，Al及C基础元素的含量对于钢板的组织构成及含量进行控制，同时将制备工艺简化为热轧+“淬火+回火”热处理，调整奥氏体中元素配分，得到密度为7.19g/cm3，抗拉强度1410～1680MPa，延伸率15～30％，强塑积40GPa·％以上的超高强汽车用轻质中锰钢。不仅满足了工业性能要求，并且降低了生产成本及工艺要求，具有重要的经济意义和社会效益。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高强汽车用轻质中锰钢热轧板及制备方法，采用成分与组织控制相结合的设计理念，通过“淬火+回火”处理获得超细晶铁素体+奥氏体+马氏体三相组织。在添加一定含量δ-铁素体以减少超细晶铁素体对于加工硬化能力的破坏的基础上，使得钢中获得更高体积分数的，具有更高稳定性的残余奥氏体。通过回火工艺使α相中的C元素向γ相中转移，提高奥氏体中C含量，进一步提高奥氏体的化学稳定性，使得残余奥氏体有足够的稳定性以保证钢板在变形过程中奥氏体相会发生TRIP(相变诱导塑性)效应，从而在高强度的基础上获得塑性优良的超高强汽车用轻质中锰钢热轧板。
为实现上述目的，一种超高强汽车用轻质中锰钢热轧板，其特征在于，钢板的化学成分比例为：C：0.75～0.80％，Mn：7.6～8.0％，Al：7.4～8.0％，Si：0.05～0.10％，余量为Fe及不可避免的杂质；
通过精确控制钢中Mn，C元素含量来调配奥氏体的体积分数和稳定性；在钢中添加较多的Al元素降低密度，同时形成δ-铁素体以减少超细晶组织对于加工硬化能力的破坏。
一种如上所述的超高强汽车用轻质中锰钢热轧板的制备方法，具体步骤如下：
(1)按照上述的化学成分进行冶炼，通过转炉、电炉或感应炉冶炼获得上述化学成分的钢液，然后采用模铸生产铸锭并将铸锭锻造成板坯；
(2)将步骤(1)制备得到的板坯进行热轧，工艺为将钢坯加热到1200℃，保温1.5-2.5h，(这有利于合金元素扩散，为后续的轧制提供均匀的原始组织；)经6道次热轧成厚度为3mm的薄板，轧后水冷至400℃后空冷至室温；
(3)将热轧板进行轧后热处理，采用淬火+回火处理工艺，将钢板快速加热到900-1000℃，保温0.5～1h后水淬至室温，再将钢板加热到200-300℃，保温10～60min后空冷至室温。
进一步地，步骤(2)中的热轧开轧温度为1000～1100℃，终轧温度为800～900℃，冷却方式为水冷至400℃然后空冷至室温。
进一步地，步骤(3)中的热轧板淬火温度为900-1000℃，保温时间为0.5-1h，回火温度为200-300℃，保温时间为10-60min。
进一步地，淬火后钢板呈现铁素体+奥氏体+马氏体的复相超细晶组织，变形由铁素体与奥氏体共同承担，马氏体提供高的强度与硬度；回火过程中C从α相中向γ相转移，奥氏体中C含量增加，增强了变形过程中的TRIP效应；所述超高强汽车用轻质中锰钢热轧板密度为7.19g/cm3，抗拉强度1410～1680MPa，延伸率15～30％，最高强塑积达到40GPa·％以上。
本发明提供了超高强汽车用轻质中锰钢热轧板，通过优化的合金成分和淬火+回火热处理工艺设计，在精准控制铁素体，马氏体和奥氏体各相含量的同时精确调整了残余奥氏体的化学稳定性。回火工艺有效的调控了各相中C元素含量的配分，提高了奥氏体的稳定性，增强了变形中的TRIP效应，在具有超高抗拉强度的同时提供了相匹配的塑性。抗拉强度1410～1680MPa，延伸率15～30％，强塑积40GPa·％以上。同时相较于目前广泛应用的冷轧钢，本发明所采取的热轧后淬火+回火处理的制备工艺流程大幅度简化，无需进行冷轧及后续热处理工艺。提高了工业化可实施性的同时降低了生产成本，适应汽车用钢的现阶段和未来阶段轻量化的发展需求。
附图说明
图1为本发明实施例1、2、3制备的超高强汽车用轻质中锰钢热轧板XRD结果图；
图2为本发明实施例1、2、3制备的超高强汽车用轻质中锰钢热轧板的SEM形貌图像，其中：
(a)为实施例1的超高强汽车用轻质中锰钢热轧板的SEM形貌图像；
(b)为实施例2的超高强汽车用轻质中锰钢热轧板的SEM形貌图像；
(c)为实施例3的超高强汽车用轻质中锰钢热轧板的SEM形貌图像；
图3为本发明实施例1、2、3制备的超高强汽车用轻质中锰钢热轧板的应力应变曲线图像，其中：
(a)为本发明实施例1、2、3制备的超高强汽车用轻质中锰钢热轧板的真应力-应变曲线
(b)为本发明实施例1、2、3制备的超高强汽车用轻质中锰钢热轧板的工程应力-应变曲线
图4为本发明实施例1，2，3制备的超高强汽车用轻质中锰钢热轧板SEM选区高倍图像及EDS能谱结果，其中：
(a)为实施例1制备的超高强汽车用轻质中锰钢热轧板SEM选区高倍图像及EDS能谱结果；
(b)为实施例2制备的超高强汽车用轻质中锰钢热轧板SEM选区高倍图像及EDS能谱结果；
(c)为实施例3制备的超高强汽车用轻质中锰钢热轧板SEM选区高倍图像及EDS能谱结果。
具体实施方式
实施例1
钢的化学成分及质量百分比如下：C：0.75％，Mn：8.0％，Al：7.4％，Si：0.07％，余量为Fe及不可避免的杂质。钢锭采用真空感应炉冶炼，将钢锭加热至1200℃保温2h，锻造成钢坯。将钢坯加热至1200℃保温2h，经6道次热轧成厚度为3mm的薄板，终轧温度850℃，随后水冷至400℃后空冷至室温。
将热轧后的钢板在加热炉中，加热至900℃保温lh后水淬至室温，再次加热到200℃保温10min后空冷至室温。
对本实例制得的超高强汽车用轻质中锰钢热轧板进行相关性能测试，XRD表征结果如图1所示；SEM形貌图像如图2(a)所示；根据GB/T228-2002“金属材料室温拉伸试验方法”将热处理后钢板加工成拉伸试样，应力应变曲线如图3所示；SEM选区高倍图像及EDS能谱结果分别如图4(a)所示。
实施例2
钢的化学成分及质量百分比如下：C：0.78％，Mn：7.7％，Al：7.7％，Si：0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质。钢锭采用真空感应炉冶炼，将钢锭加热至1200℃保温2h，锻造成钢坯。将钢坯加热至1200℃保温2h，经6道次热轧成厚度为3mm的薄板，终轧温度850℃，随后水冷至400℃后空冷至室温。
将热轧后的钢板在加热炉中，加热至900℃保温lh后水淬至室温，再次加热到200℃保温30min后空冷至室温。
对本实例制得的超高强汽车用轻质中锰钢热轧板进行相关性能测试，XRD表征结果如图1所示；SEM形貌图像如图2(b)所示；根据GB/T228-2002“金属材料室温拉伸试验方法”将热处理后钢板加工成拉伸试样，应力应变曲线如图3所示；SEM选区高倍图像及EDS能谱结果分别如图4(b)所示。
实施例3
钢的化学成分及质量百分比如下：C：0.80％，Mn：7.6％，Al：7.6％，Si：0.06％，余量为Fe及不可避免的杂质。钢锭采用真空感应炉冶炼，将钢锭加热至1200℃保温2h，锻造成钢坯。将钢坯加热至1200℃保温2h，经6道次热轧成厚度为3mm的薄板，终轧温度850℃，随后水冷至400℃后空冷至室温。
将热轧后的钢板在加热炉中，加热至900℃保温lh后水淬至室温，再次加热到200℃保温60min后空冷至室温。
对本实例制得的超高强汽车用轻质中锰钢热轧板进行相关性能测试，XRD表征结果如图1所示；SEM形貌图像如图2(c)所示；根据GB/T228-2002“金属材料室温拉伸试验方法”将热处理后钢板加工成拉伸试样，应力应变曲线如图3所示；SEM选区高倍图像及EDS能谱结果分别如图4(c)所示。

Claims (5)

1.一种超高强汽车用轻质中锰钢热轧板，其特征在于，钢板的化学成分比例为：C：0.75～0.80％，Mn：7.6～8.0％，Al：7.4～8.0％，Si：0.05～0.10％，余量为Fe及不可避免的杂质；
通过精确控制钢中Mn，C元素含量来调配奥氏体的体积分数和稳定性；在钢中添加较多的Al元素降低密度，同时形成δ-铁素体以减少超细晶组织对于加工硬化能力的破坏。
2.如权利要求1所述的一种超高强汽车用轻质中锰钢热轧板的制备方法，包括冶炼、锻造、热轧、淬火+回火处理，其特征在于，具体步骤如下：
(1)根据权利要求1所述的化学成分进行冶炼，通过转炉、电炉或感应炉冶炼获得上述化学成分的钢液，然后采用模铸生产铸锭并将铸锭锻造成板坯；
(2)将步骤(1)制备得到的板坯进行热轧，工艺为将钢坯加热到1200℃，保温1.5-2.5h，经6道次热轧成厚度为3mm的薄板，轧后水冷至400℃后空冷至室温；
(3)将热轧板进行轧后热处理，采用淬火+回火处理工艺，将钢板快速加热到900-1000℃，保温0.5～1h后水淬至室温，再将钢板加热到200-300℃，保温10～60min后空冷至室温。
3.根据权利要求2所述的一种超高强汽车用轻质中锰钢热轧板的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的热轧开轧温度为1000～1100℃，终轧温度为800～900℃，冷却方式为水冷至400℃然后空冷至室温。
4.根据权利要求2所述的一种超高强汽车用轻质中锰钢热轧板的制备方法，其特征在于，步骤(3)中的热轧板淬火温度为900-1000℃，保温时间为0.5-1h，回火温度为200-300℃，保温时间为10-60min。
5.根据权利要求2所述的一种超高强汽车用轻质中锰钢热轧板的制备方法，其特征在于，淬火后钢板呈现铁素体+奥氏体+马氏体的复相超细晶组织，变形由铁素体与奥氏体共同承担，马氏体提供高的强度与硬度；回火过程中C从α相中向γ相转移，奥氏体中C含量增加，增强了变形过程中的TRIP效应；所述超高强汽车用轻质中锰钢热轧板密度为7.19g/cm3，抗拉强度1410～1680MPa，延伸率15～30％，最高强塑积达到40GPa·％以上。
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