CN112126860B - 一种冷成形超高强度低合金马氏体钢 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷成形超高强度低合金马氏体钢，以元素重量含量计，包括0.28～0.33％的碳(C)、0.16～0.36％的硅(Si)、0.30～0.60％的锰(Mn)、0.01％及以下的磷(P)、0.006％及以下的硫(S)、0.04％及以下的铝(Al)、0.001～0.003％的硼(B)、0.02～0.05％的铬(Cr)、0.003～0.008％的钼(Mo)、0.01～0.05％的钒(V)、0.01～0.04％的钛(Ti)、0.02％～0.05％的铌(Nb)，以及0.05～0.4％的元素X，该元素X为铜(Cu)、锑(Sb)、镍(Ni)和钴(Co)中的至少一种，余量为铁。本发明的有益效果：通过对钢材组分的创新设计，得到的钢材较现有低合金钢的抗拉性能大幅提高，达到1800MPa；合金元素成分低于1％，生产成本低，价格低廉，可广泛应用于汽车车身及其他相关领域；在提高钢材抗拉性能的同时，添加的Cu等元素还改善了钢材的耐腐蚀性能。

Description

一种冷成形超高强度低合金马氏体钢

技术领域

本发明属于钢铁合金材料领域，具体涉及一种冷成形超高强度低合金马氏体钢。

背景技术

钢材作为最广泛应用的结构材料，提高其强度一直是学界和工业界的不断努力的方向，高强度的钢材能够在提高构件结构强度，保证安全的同时减轻重量。例如，汽车轻量化和提升安全性能都离不开高强度钢铁材料的开发与应用。当前国内汽车碰撞安全件用钢的强度级普遍使用的是1500MPa左右，此强度范围的汽车零件以热成形为主。然而热成型钢的生产成本较冷成形钢能耗高。冷成形马氏体钢通常可通过辊压工序进一步成型，当前产业化的材料抗拉强度最高可达到1500MPa。调节材料成分和改变加工工艺是提高钢材性能的主要手段。

公开号为CN101553586A的专利文献公开了一种用于集装箱的可成型高强度冷轧钢板及其制造方法，该可成型冷轧钢板成分包括低含量的碳、硅、锰、磷、硫、铝，还含有0.02-0.08％的铌、0.05-0.30％的镍、0.1-0.5％的铜、0.8-1.5％的铬和0.01-0.10％的钴，其中低温转变组织存在的体积分数为10-30％，其余部分为铁素体组织。虽然该可成型冷轧钢板的抗张强度达80kgf/mm²以上，可以满足集装箱使用，但不能满足汽车车身碰撞安全件用高强度钢的要求。

军工领域冷成形制备防弹钢的强度也可以达到1700MPa以上，但其合金元素镍、钴、铬、钼合计添加量在10％以上，极大地增加了成本。目前，未发现有低合金钢(合金元素总含量<1％)抗拉强度超过1500MPa高强钢的报道。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种冷成形超高强度低合金马氏体钢。

其技术方案如下：

一种冷成形超高强度低合金马氏体钢，其关键在于，以元素重量含量计，包括0.28～0.33％的碳(C)、0.16～0.36％的硅(Si)、0.30～0.60％的锰(Mn)、0.01％及以下的磷(P)、0.006％及以下的硫(S)、0.04％及以下的铝(Al)、0.001～0.003％的硼(B)、0.02～0.05％的铬(Cr)、0.003～0.008％的钼(Mo)、0.01～0.05％的钒(V)、0.01～0.04％的钛(Ti)、0.02％～0.05％的铌(Nb)，以及0.05～0.4％的元素X，余量为铁；

所述元素X为铜(Cu)、锑(Sb)、镍(Ni)和钴(Co)中的至少一种。

作为优选，Cu的重量含量为0.1-0.3％。

作为优选，Cu的重量含量为0.3％。

作为优选，上述马氏体钢的基体为马氏体，马氏体板条宽度为200～300nm，板条束直径为2～4μm，基体中奥氏体含量小于0.8％，析出相为含有VC、Cu、Fe₃C的纳米颗粒。

作为优选，上述马氏体钢中晶粒取向随机，晶粒平均尺寸为8μm，低角度晶界(5-15°)占比8-15％。

与现有技术相比，本发明的有益效果：通过对钢材组分的创新设计，得到的钢材较现有低合金钢(合金元素总含量<1％)的抗拉性能大幅提高，高达到1800MPa；合金元素成分总量低于1％，生产成本低，价格低廉，可广泛应用于汽车车身安全件及其他相关领域；在提高钢材抗拉性能的同时，添加的Cu、Sb、Ni、Co等元素还改善了钢材的耐腐蚀性能。

附图说明

图1为实施例1的材料制备的冷轧钢试样拉伸应力变化曲线，图中横坐标代表拉伸时间进程；

图2为尖冷弯试验的示意图(左)和照片(右)；

图3为实施例1的冷轧钢试样X射线衍射(XRD)图谱；

图4为实施例1的冷轧钢试样扫描电子显微镜(SEM)图片；

图5为实施例1的冷轧钢试样电子背散射衍射(EBSD)分析结果：(a)晶粒取向和晶界；(b)晶粒取向图；(c)晶界分布图；(d)相分布图，绿色代表马氏体，红色代表奥氏体；(e)晶粒尺寸分布统计，计算得到平均晶粒尺寸为8μm；(f-g)极图分析，说明晶粒随机取向；(h)晶界角度统计柱状图；(i)低角度晶统计结果；(j)奥氏体和马氏体比例统计结果；

图6为实施例1的冷轧钢试样透射电子显微镜(TEM)图片；

图7为实施例1～4和对照例1～7的冷轧钢试样腐蚀速率；

图8为实施例1的冷轧钢试样腐蚀实验后的透射电子显微镜(TEM)图片及腐蚀层元素组成分析结果；(a，a′)腐蚀第1天、(b，b′)腐蚀第6天、(c，c′)腐蚀第12天腐蚀层的显微分析结果，其中(a-c)视野位于腐蚀层中间层，(a′-c′)视野位于材料基体和腐蚀层的界面位置；

图9为对照例1的冷轧钢试样腐蚀实验后的透射电子显微镜(TEM)图片及腐蚀层元素组成分析结果：(a)未添加合金元素(对照例)的样品腐蚀层形貌，(b)腐蚀层位置的成分测试结果，(c，d)分别是在腐蚀层进行的衍射分析结果，证明该腐蚀产物是非晶态。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

一种低合金马氏体钢，以元素重量含量计，包括0.28～0.33％的碳(C)、0.16～0.36％的硅(Si)、0.30～0.60％的锰(Mn)、0.01％及以下的磷(P)、0.006％及以下的硫(S)、0.04％及以下的铝(Al)、0.001～0.003％的硼(B)、0.02～0.05％的铬(Cr)、0.003～0.008％的钼(Mo)、0.01～0.05％的钒(V)、0.01～0.04％的钛(Ti)、0.02％～0.05％的铌(Nb)，以及0.05～0.4％的元素X，余量为铁，其中元素X为铜(Cu)、锑(Sb)、镍(Ni)和钴(Co)中的至少一种。

表1给出了实施例1～14的马氏体钢元素组成。此外，材料中不添加Cu、Sb、Ni、Co等元素，得到对照例的马氏体钢。

上述实施例和对照例的冷轧钢板的制备参照文献(蔡恒君。1000Mpa以上级别汽车用冷轧高强钢超快冷物理冶金行为及变形特性研究。北京科技大学博士论文，2018。)中第5.3～5.4节进行，材料性能分析也参照该文献中相关方法进行。

表1实施例和对照例的马氏体钢的元素成分(wt％)

对实施例1的材料进行元素成分分析，碳硫分析仪测试材料的碳含量得到结果为0.30。采用光谱对材料表面和内部进行成分进行检测，利用电子探针对材料内部进行检测，如表2。

表2实施例1的材料成分测试结果

研究实施例和对照例的材料性能。

一、拉伸性能测试

取实施例1的冷轧钢板，根据GB/T228.1-2010标准，沿冷轧钢的轧制方向取样，试样标距80mm，平行段宽度20mm。测试四个样品，测试过程按测试标准规定进行，获得的拉伸性能为轧制方向的纵向性能。

实施例1的冷轧钢板典型拉伸曲线如图1所示，可以看到，实施例1的测试试样抗拉强度可以达到1800MPa。传统冷成形钢的抗拉强度多在1500MPa，实施例1的试样抗拉强度大幅超过传统冷成形钢。表3为四个平行样的拉伸测试结果。

表3实施例1的测试试样抗拉性能

试样	屈服强度(MPa)	抗拉强度(MPa)	延伸率A80％
				1	1620	1789	4.6
2	1704	1859	5.1
				3	1628	1810	3.1
4	1621	1805	6.0

据报道，目前国内外汽车用冷成形钢抗拉强度最高到达1500MPa，而本发明的冷轧钢抗拉强度大幅提高，超过1700MPa。抗拉性能的提升是钢材的微合金化和创新工艺的综合结果。传统马氏体钢中C含量一般为0.2～0.25，Mn含量一般为1.2～2.5，Si含量一般约为1％；而不同于常规合金体系，本发明的马氏体钢中C含量为0.28～0.33％，Mn含量为0.30～0.60％，Si含量为0.16～0.36％，再加Nb-V复合微合金化，是对常规合金体系的颠覆，采用了超低合金化的思路，获得了更好的机械性能。

二、冷弯性能测试

取实施例1的冷轧钢板，根据VDA 238-100-2017标准测试轧制方向的冷弯性能。测试示意图和测试照片见图2，测试结果见表4。冷弯55°良好,，垂直轧向冷弯，冷弯角度60°时良好。

表4冷弯测试结果

试验序号	峰值载荷(KN)	峰值位移(mm)	弯曲角(°)
				1#	24.4	7.0	56.7
2#	24.2	7.5	61.5
				3#	24.3	6.9	55.7
4#	24.3	7.2	58.4
				5#	24.9	6.7	53.7

三、材料的显微组织分析

取实施例1的冷轧钢板，采用X射线晶体衍射(XRD)法分析材料晶体结构，采用扫描电子显微镜(SEM)观察材料基体金相组织，采用电子背散射衍射(EBSD)技术分析晶粒取向，采用透射电子显微镜(TEM)分析马氏体板条和析出相，上述分析均依照常规方法进行。

X射线衍射图谱如图3所示，证实材料基体为马氏体，马氏体相的晶面间距d＝0.287nm。如图4，基体中原始奥氏体晶粒晶界明显，在马氏体板条上或邻区发现析出相。EBSD分析发现晶粒取向随机，晶粒统计平均尺寸约8μm，低角度晶界(5-15°)占比8～15％，残余奥氏体量小于0.8％，见图5。板条马氏体宽度约200～300nm，板条束的直径为2～4μm，析出相主要有含VC、Nb、Cu的纳米析出相，以及Fe₃C等，如图6，2号析出相位置发现了Cu的细小颗粒。

分析合金元素对冷轧钢性能的影响：Cu、V、Ti、Nb等微量元素协同作用，使马氏体的晶粒和板条束都非常细，符合细晶强化机制；添加C元素固溶在铁基体中，起到了固溶强化作用；添加元素Cu、V、Nb析出生成的纳米析出物，起到了析出强化作用。以上三种强化机制都是由于微合金元素设计，协同促进材料性能提升，使得钢板具有超高强的机械性能和适当的韧性匹配。

四、材料的腐蚀性能测试

考察实施例1～14和对照例的腐蚀性能。实验样品制备成形状大小一致，浸泡在相同配方调制的酸溶液中，模拟加快环境腐蚀，样品经过长时间浸泡后，洗表面腐蚀产物，通过计算重量损失来计算腐蚀速率。

腐蚀速率结果如图7所示。可以看到，较对照例1，材料中主要添加Cu(实施例1～4)、Sb(实施例5、6)、Ni(实施例7、8)、Co(实施例9、10)等元素，均有提高耐腐蚀性能的效果，但添加Cu对耐腐蚀性能的改善最为明显。实验测试Cu添加量0.1-0.7％，效果都比较好，较优含量为0.1-0.5％，最优为Cu含量0.3％的样品。

为探究上述现象出现的原因，采用透射电镜分析了腐蚀层的形态和成分。如图8所示，随着腐蚀时间从第1天进行至第12天，推测腐蚀层中因为Cu的协助因素，逐渐形成了结晶且致密的氧化膜，达到了保护基体的效果。而对照例1中没有添加Cu、Sb、Ni、Co元素的样品，如图9，腐蚀层显得非常疏松，为非晶态的铁的氧化物。

本发明的有益效果：(1)本发明通过对钢材组分的创新设计，Mn含量从传统钢材的1.2％降低到0.4％，增加Cu、V、Nb、Ti、Sb、Ni、Mo等微合金(添加量0.001-0.7％)元素，较现有低合金钢(合金元素总含量<1％)的抗拉性能大幅提高，达到1800MPa。

(2)材料的强度和碳当量直接相关，提高碳当量有利于提高材料机械强度，本发明较传统钢材降低Mn含量，也相当于提高了碳当量，改善焊接性能。降低Mn含量有助于提高钢的抗氢脆，同时添加Nb、V、Ti等细化钢的组织，提高材料的冷弯性能、并改善淬透性等效果，能够满足冷成形加工工艺需求，可用于制备具有复杂形状的零部件如汽车碰撞安全件。

(3)与抗拉性能相当的防弹钢相比，由于防弹钢中合金元素Ni，Cr，Mo的总添加量在10％以上，价格较高，而本发明制备的冷轧钢中主元素Fe占比99％以上，合金元素成分低于1％，生产成本低，价格低廉，可广泛应用于汽车车身及其他相关领域。

(4)在提高钢材抗拉性能的同时，添加的Cu元素还改善了钢材的耐腐蚀性能。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种冷成形超高强度低合金马氏体钢，其特征在于：以元素重量含量计，包括0.28～0.30％的碳(C)、0.16～0.36％的硅(Si)、0.30～0.50％的锰(Mn)、0.01％及以下的磷(P)、0.006％及以下的硫(S)、0.04％及以下的铝(Al)、0.001～0.003％的硼(B)、0.02～0.05％的铬(Cr)、0.003～0.008％的钼(Mo)、0.01～0.05％的钒(V)、0.01～0.04％的钛(Ti)、0.02％～0.05％的铌(Nb)，以及0.05～0.4％的元素X，余量为铁；

所述元素X为铜(Cu)、锑(Sb)、镍(Ni)和钴(Co)中的至少一种；

其中铜(Cu)的重量含量为0.1～0.3％。

2.根据权利要求1所述的一种冷成形超高强度低合金马氏体钢，其特征在于：铜(Cu)的重量含量为0.3％。

3.根据权利要求1所述的一种冷成形超高强度低合金马氏体钢，其特征在于：所述马氏体钢的基体为马氏体，马氏体板条宽度为200～300nm，板条束直径为2～4μm，基体中奥氏体含量小于0.8％，析出相为含有NbC、VC、铜(Cu)、Fe₃C的纳米颗粒。

4.根据权利要求3所述的一种冷成形超高强度低合金马氏体钢，其特征在于：所述马氏体钢中晶粒取向随机，晶粒平均尺寸为8μm，低角度晶界占比8～15％，所述低角度晶界指相邻晶粒位向差为5-15°的晶界。

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