CN114015932A - 具有优异扩孔性能的800MPa级冷轧低合金高强钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有优异扩孔性能的800MPa级冷轧低合金高强钢及制备方法，属于汽车板生产工艺技术领域。其成分为：C：0.11％～0.14％，Si≤0.04％，Mn：1.10％～1.40％，Nb：0.06～0.08％，Ti：0.11％～0.13％，Mo：0.25～0.30％，Al：0.02％～0.06％，S≤0.002％，P≤0.008％，N≤0.0025％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。方法包括炼钢、连铸、热轧、酸洗、冷轧、退火以及平整，所述热轧工序中，卷取温度为400～480℃，有效抑制析出相在该阶段的析出，并在随后的退火过程中充分析出，形成细小弥散的第二相粒子。本发明通过Nb、Ti、Mo复合添加成分设计，匹配合理的热轧及退火工艺，充分发挥第二相粒子的细晶强化及析出强化作用，大幅度提高产品强度，获得了表面质量优良、力学性能稳定并具有良好成型性能的高强度低合金钢，其扩孔性能显著提升，扩孔率可达55％以上。

Description

具有优异扩孔性能的800MPa级冷轧低合金高强钢及其制备 方法
技术领域
本发明涉及一种具有优异扩孔性能的800MPa级冷轧低合金高强钢及其制备方法，属于金属材料领域，尤其涉及汽车用钢生产与应用技术领域。
背景技术
近年来，汽车尾气排放已成为环境污染的主要来源之一，因此，汽车车身轻量化和节能减排的先进高强度钢应运而生。由于低合金高强钢相比同级别的碳素结构钢而言，其碳含量明显较低，因而具有良好的焊接性能，可广泛应用于制造要求较高的汽车结构件和支撑件。
目前，600MPa及以下级别的低合金高强钢已经得到广泛应用，但其强度较低，已不能满足汽车轻量化以及节能减排的需求。传统低合金高强钢是在低碳钢中复合添加少量的Nb和Ti等合金元素，通过固溶强化和细晶强化来提高钢的强度，并且扩孔率偏低，不能满足成形过程对扩孔性能的要求。
中国发明专利申请(申请公布号CN 112442635 A，申请公布日：2021.03.05)公开发布了高性能800MPa级以上低合金高强钢板及其制备方法，所述钢板化学成分组成及质量百分含量为：C：0.15-0.30％，Si：0.10-0.40％，Mn：1.20-2.0％，Ti：0.02-0.10％，Nb：0.010-0.050％，Cr：0.10-0.50％，P≤0.012％，S≤0.0090％，Als≥0.030％，N≤0.0070％，B≤0.0015％，其余为Fe及不可避免的杂质；所述制备方法包括热轧、冷轧、回火工序。本发明通过创新化学成分设计以及热轧、冷轧、回火工序，生产的低合金高强钢板组织、延伸率、扩孔率等性能指标进一步提升以及均匀化，产品的加工成型性得到大幅的提升。该专利C、Mn含量较高，导致焊接性能较差，且其延伸率和扩孔率较低，不能满足高强钢成形性能要求。
随着汽车轻量化技术发展的需求，800MPa及以上级别的低合金高强钢的市场需求迫切，但关于具有优异扩孔性能的800MPa级冷轧低合金高强钢相关研究相对较少。
发明内容
本发明针对现有低合金高强钢强度级别低、生产成本高、力学性能稳定性差的问题，通过化学成分的设计、热轧及连续退火工艺参数的调整，形成了一种具有优异扩孔性能的800MPa级冷轧低合金高强钢及其制备方法。
为实现上述目的，本发明所设计的具有优异扩孔性能的800MPa级冷轧低合金高强钢，具体成分为C：0.11％～0.14％，Si≤0.04％，Mn：1.10％～1.40％，Nb：0.06～0.08％，Ti：0.11％～0.13％，Mo：0.25～0.30％，Al：0.02％～0.06％，S≤0.002％，P≤0.008％，N≤0.0025％，其中Ti/Mo＝0.36～0.52，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
如上所述的具有优异扩孔性能的800MPa级冷轧低合金高强钢的制备方法，具体包括以下步骤：KR铁水脱硫预处理→转炉冶炼→LF钢包精炼→板坯连铸→热轧→酸洗→冷轧→退火→平整；
(1)按照上述化学成分质量百分比冶炼钢坯，所述炼钢连铸工序中，转炉入炉铁水控制S≤0.0050Wt％，炉渣二元碱度R(CaO/SiO2)控制在3.5～5.0；精炼顶渣二元碱度R(CaO/SiO2)控制在8～14；RH真空精炼极限循环处理时间为10～30min，真空度为30～150Pa；连铸中间包钢水过热度为10～25℃，二冷电磁搅拌的频率为5.0～8.0HZ、电流为400～600A，二冷比水量为0.6L/kg，轻压下压下量为5～12mm，压下固相率区间为0.4～1.0，降低成分偏析，抑制凝固过程中大颗粒TiN和Ti4C2S2的析出尺寸及数量；
(2)将所述钢坯加热进行热轧得到热轧板，所述热轧工序中，加热温度为1200～1260℃，终轧温度为900～915℃，卷取温度为400℃～480℃；
(3)将所述热轧板进行冷轧处理得到冷轧板，所述冷轧工序中，冷轧压下率为55％～70％；
(4)将所述冷轧板进行退火处理得到退火板。
进一步地，步骤(4)所述退火工序中，退火的均热温度为760℃～780℃，保温时间为60～90s。通过控制退火温度及时间，使卷取过程中来不及析出的固溶Nb、Ti元素充分析出，且避免析出的第二相粒子熟化长大，确保得到尺寸细小且足够数量的NbC、TiC以及(Ti，Mo)C复合析出物，其中，尺寸小于10nm的第二相粒子占比达到80％以上，从而最大程度地发挥Nb、Ti元素的析出强化效果，同时又最小程度地影响产品的成型性能。
进一步地，最终所获得的钢板厚度为0.6mm～2.0mm，该钢的微观组织主要为铁素体、少量珠光体和渗碳体，以及细小弥散分布的纳米尺度的第二相粒子。
本发明通过低C、低Mn及Nb、Ti、Mo复合微合金化的成分设计，结合热轧低温卷取工艺设计控制，抑制微合金元素在热轧卷取阶段的析出，使得碳氮化物在连续退火的保温过程中大量弥散析出，从而获得力学性能稳定的冷轧低合金高强钢。该钢具有良好的综合力学性能，其中：Rp0.2≥700MPa，Rm≥800MPa，A80≥16％，扩孔率≥55％。该产品在制造形状复杂的汽车零部件时，可有效地抑制冲压开裂现象，提高产品合格率，较传统低合金高强钢具有明显的优势。
相比于传统低合金高强钢，本发明的创新点为：
(1)本发明相比现有的汽车用低合金高强钢，其表面质量优良，强度级别明显提升，力学性能更加稳定，扩孔率高，成型性能优异，在制作汽车复杂零部件时不易出现冲压开裂的问题。
(2)本发明在低C低Mn的基础上，采用Nb、Ti、Mo微合金复合添加的设计思想，结合工艺优化，控制钢中纳米尺度第二相粒子的固溶析出行为，充分发挥微合金元素的细晶强化及析出强化效应来提高产品的强度和性能稳定性，提升了产品合格率，较好的满足了目前市场需求，且有效提高了企业的经济效益。
(3)本发明在热轧工序中，采用低温卷取抑制微合金碳化物析出的理念，设定400～480℃作为该钢种的卷取温度。在该温度区间内，由于热轧过程中第二相粒子的析出被有效抑制，析出强化效果明显减弱，因此卷取后的热轧钢卷不会对轧机造成过大的负荷。此外，由于较低的卷取温度，减小了钢卷不同部位的冷却速率差异，提高了产品的力学性能稳定性。
(4)本发明热轧卷取温度采用低温卷取，使得第二相的析出被抑制，从而在后续的退火保温过程中大量弥散析出，通过析出强化和细晶强韧化机制有效提高了产品的综合力学性能。
本发明中各元素及主要工序的作用如下：
C：传统的强化元素，对于提高材料的强度有重要的作用。此外，对于低合金高强钢，C元素可以显著提高珠光体的数量。当钢中碳含量过高，会导致钢的塑性降低，焊接性能恶化，故应合理控制钢中碳含量。
Mn：是典型的奥氏体稳定化元素，能够有效抑制奥氏体再结晶过程，并起到固溶强化和细化铁素体晶粒的作用。Mn含量过高，中心偏析和带状组织严重，因此，本发明选择Mn含量1.10％～1.40％。
Si：硅是铁素体的固溶强化元素，它加速碳向奥氏体的偏聚，对铁素体中的固溶碳有“清除”和“净化”作用，同时降低间隙固溶强化并可抑制冷却时粗大碳化物的生成，提高钢的延性。但Si含量过高会影响表面质量和涂镀性能，因此严格限制Si含量不能过高，故本发明将Si含量控制在≤0.04％。
Nb、Ti元素：Nb、Ti与钢中的C、N元素形成纳米尺寸的碳氮化物并均匀弥散的析出在基体中，这些析出物主要有以下几个作用：抑制奥氏体的再结晶；可以阻碍可动位错的运动，显著提高强度。
Mo：Mo元素能够抑制细小第二相粒子的熟化长大，从而产生较高的析出强化效果。此外，Mo在钢中可以增加碳化物的形核位置，使形成的碳化物更加细小弥散。
N：N含量过高，会导致粗大的TiN析出，恶化产品性能，故本发明将N含量控制在≤0.0025％。
P：在钢中为杂质元素，需严格控制，要求≤0.008％。
S：在钢中为杂质元素，需严格控制，要求≤0.002％。
本发明提供了一种具有优异扩孔性能的800MPa级冷轧低合金高强钢及其制备方法，通过低C、低Mn及Nb、Ti、Mo微合金复合添加的成分设计，结合热轧低温卷取以及较低的连续退火温度控制，实现纳米尺度第二相粒子在钢中均匀弥散分布，获得高强度、高塑性、力学性能稳定的低合金高强钢，可以满足汽车复杂零部件的成型制造。
附图说明
图1为实施例1的纳米尺度第二相粒子照片。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合实施例对本发明作更全面、细致的描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
实施例
本发明的化学成分和质量百分比含量为：C：0.11％～0.14％，Si≤0.04％，Mn：1.10％～1.40％，Nb：0.06～0.08％，Ti：0.11％～0.13％，Mo：0.25～0.30％，Al：0.02％～0.06％，S≤0.002％，P≤0.008％，N≤0.0025％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。通过低C、低Mn及Nb、Ti、Mo微合金复合添加的成分设计，通过冶炼、热轧和退火等关键工艺的优化控制，有效抑制第二相粒子在热轧阶段的析出，并在随后的退火过程中充分析出，形成细小弥散的纳米尺度第二相粒子，充分发挥微合金第二相的细晶强化及析出强化作用，在大幅度提高产品强度级别的同时，获得了力学性能稳定并具有良好成型性能的高强度低合金钢，尤其是其扩孔性能显著提升，扩孔率可达55％以上。
以下通过具体实施例1～4对本发明一种具有优异扩孔性能的800MPa级冷轧低合金高强钢及其制备方法进一步说明：
本发明实施例1～4的化学成分质量百分比见表1。
表1具体实施例1～4的化学成分(wt.％)
实施例 C Si Mn Nb Ti Mo P S N
1 0.12 0.02 1.40 0.065 0.11 0.25 0.008 0.002 0.0025
2 0.12 0.02 1.40 0.065 0.11 0.25 0.008 0.002 0.0025
3 0.11 0.02 1.12 0.070 0.12 0.27 0.007 0.001 0.0021
4 0.13 0.01 1.20 0.075 0.11 0.30 0.005 0.002 0.0020
本发明各实施例按照下述步骤生产：
冶炼获得满足化学成分要求的钢坯，将所述钢坯加热至1210℃，保温3h，随后进行热轧，终轧温度为910℃～915℃，最后一道次压下率为15％～20％，终轧结束后将热轧板冷却至420℃～470℃并进行卷取；将所述卷取后的钢板开卷进行酸洗冷轧和冷轧，控制冷轧压下率在55％～70％之间，得到冷轧钢板；将所述冷轧钢板以2.5℃/s的加热速度加热到两相区进行保温，均热温度为760℃～780℃，保温时间为60s～90s，然后以6℃/s的冷却速度将钢板缓冷至670～680℃，随后再以40℃/s的冷却速度将钢板快冷至370℃～400℃，过时效处理200s～400s，接着以5℃/s的冷却速度将钢板缓冷至室温。
表2列出了实施例1～4的主要热轧及退火工艺参数：
表2本实施例钢的主要工艺参数
Figure BDA0003300483620000061
表3列出了实施例1～4的主要力学性能：
表3本实施例钢的力学性能
Figure BDA0003300483620000062
表3表明，本发明实施例强度高，且力学性能稳定，本发明实施例在满足强度指标的同时，兼具良好的延伸率和扩孔率，延伸率达到16％以上，扩孔率≥55％，远远高于传统低合高强钢的力学性能指标，改善了成形性能，提高了产品零件冲压合格率，从而大大提高了零件的适用范围与利用率。
本发明的工艺窗口宽，工艺参数控制灵活性强，适用于传统的冷轧连退产线的工业化大生产，且具有良好的推广应用性，满足汽车用零件的各类成型方式，大大提高了钢板的使用率。
上述具体实施方式仅用于说明本发明的技术方案而非限制。尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

Claims (5)

1.一种具有优异扩孔性能的800MPa级冷轧低合金高强钢制备方法，其特征在于化学成分以质量百分比计为：C：0.11％～0.14％，Si≤0.04％，Mn：1.10％～1.40％，Nb：0.06～0.08％，Ti：0.11％～0.13％，Mo：0.25～0.30％，Al：0.02％～0.06％，S≤0.002％，P≤0.008％，N≤0.0025％，其中Ti/Mo＝0.36～0.52，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
2.如权利要求1所述的具有优异扩孔性能的800MPa级冷轧低合金高强钢的制备方法，其特征具体包括以下步骤：KR铁水脱硫预处理→转炉冶炼→LF钢包精炼→板坯连铸→热轧→酸洗→冷轧→退火→平整；
(1)按照上述化学成分质量百分比冶炼钢坯，所述炼钢连铸工序中，转炉入炉铁水控制S≤0.0050Wt％，炉渣二元碱度R(CaO/SiO2)控制在3.5～5.0；精炼顶渣二元碱度R(CaO/SiO2)控制在8～14；RH真空精炼极限循环处理时间为10～30min，真空度为30～150Pa；连铸中间包钢水过热度为10～25℃，二冷电磁搅拌的频率为5.0～8.0HZ、电流为400～600A，二冷比水量为0.6L/kg，轻压下压下量为5～12mm，压下固相率区间为0.4～1.0，降低成分偏析，抑制凝固过程中大颗粒TiN和Ti4C2S2的析出尺寸及数量；
(2)将所述钢坯加热进行热轧得到热轧板，所述热轧工序中，加热温度为1200～1260℃，终轧温度为900～915℃，卷取温度为400℃～480℃；
(3)将所述热轧板进行冷轧处理得到冷轧板，所述冷轧工序中，冷轧压下率为55％～70％；
(4)将所述冷轧板进行退火处理得到退火板。
3.如权利要求2所述的具有优异扩孔性能的800MPa级冷轧低合金高强钢的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述退火工序中，退火的均热温度为760℃～780℃，保温时间为60～90s；通过控制退火温度及时间，使卷取过程中来不及析出的固溶Nb、Ti元素充分析出，且避免析出的第二相粒子熟化长大，确保得到尺寸细小且足够数量的NbC、TiC以及(Ti，Mo)C复合析出物，其中，尺寸小于10nm的第二相粒子占比达到80％以上，从而最大程度地发挥Nb、Ti元素的析出强化效果，同时又最小程度地影响产品的成型性能。
4.如权利要求2所述的具有优异扩孔性能的800MPa级冷轧低合金高强钢的制备方法，其特征在于，最终所获得的钢板厚度为0.6mm～2.0mm，该钢的微观组织主要为铁素体、少量珠光体和渗碳体，以及细小弥散分布的纳米尺度的第二相粒子。
5.如权利要求2所述的具有优异扩孔性能的800MPa级冷轧低合金高强钢的制备方法，其特征在于，该钢具有良好的综合力学性能，其中：Rp0.2≥700MPa，Rm≥800MPa，A80≥16％，扩孔率≥55％。
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