CN114107636B

CN114107636B - 一种2000MPa级超高强韧轮辐用热轧热成形钢及其制备方法

Info

Publication number: CN114107636B
Application number: CN202111217344.4A
Authority: CN
Inventors: 赵征志; 陈伟健; 赵棪; 赵伟言; 邝霜; 刘靖宝; 李建英; 孙璐; 张�杰; 张高桥; 高鹏飞; 刘杰; 唐梦霞
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB; HBIS Co Ltd Tangshan Branch
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB; HBIS Co Ltd Tangshan Branch
Priority date: 2021-10-19
Filing date: 2021-10-19
Publication date: 2023-02-24
Anticipated expiration: 2041-10-19
Also published as: CN114107636A

Abstract

本发明属于热轧汽车钢技术领域，发明了一种2000MPa级超高强韧轮辐用热轧热成形钢及其制备方法。本发明的化学成分和质量百分比含量为：C：0.41％～0.45％，Si：0.40％～0.48％，Mn：1.06％～1.26％，Cr：2.55％～3.05％，P≤0.01％，S≤0.005％，RE：0.05％～0.15％，Nb：0.04％～0.05％或V：0.10％～0.15％或Nb+V：0.04％～0.20％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。本发明分为两步成形，首先将热轧钢板进行预先冷冲压成形，然后在热冲压模具内进行最终热成形，从而保证车轮零件尺寸具有高精度。本发明车轮用热成形钢厚度为6.0mm～15mm，其微观组织为马氏体(体积分数为90％～98％)+残留奥氏体(体积分数为2％～10％)，其抗拉强度＞2000MPa，屈服强度＞1200MPa，总延伸率＞7.0％。

Description

一种2000MPa级超高强韧轮辐用热轧热成形钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及汽车用超高强度钢及其制备方法，属于热轧汽车钢技术领域，特别是涉及轮辐用2000MPa级热轧热成形钢及其制备方法。

背景技术

2020年我国汽车产销量分别达到2522.5万辆和2531.1万辆，经过了2005年-2017年连续13年平均增长率为14.4％的增长，目前中国汽车保有量已达2.87亿辆(截至2021年一季度数据)，而到2050年，专家测算，中国汽车保有量将接近5.5亿辆。汽车是经济发展的产物，随着汽车产业的迅速发展，安全、节能、环保及资源可循环等相关课题备受社会的共同关注。为解决上述问题，可通过增强汽车构件的强度与性能来提高安全指数、通过汽车轻量化降低油耗、节约能源与资源并利于环保已经成为行业的共识。其中汽车轻量化在汽车构件上需要超高强性能来提高车身的碰撞安全和对冲撞能量的吸收，而当构件的抗拉强度≥1500MPa，总伸长率≥5％时，传统的冷冲压在超高强钢板的成形过程中表现出很多不足，因此高强度热冲压成形技术应势而生。

热成形技术在汽车领域具有广阔的应用前景，目前已经商业化应用的热成形钢零部件强度级别主要在1500MPa～2000MPa，分别应用在汽车A/B柱、前后保险杠、门内加强件、地板加强件、车顶加强件以及地板通道等车身安全件。近些年，采用热成形工艺制造商用车车轮，在车轮行业属于技术创新。车轮行业传统选材为低合金钢或者双相钢，采用热成形钢车轮强度可以从600MPa大幅提升至2000MPa，并且车轮作为承载件，高强化对汽车轻量化减重的效果更为显著。

中国专利201110269388.1一种汽车用高韧性热成形钢板的热处理方法，其成分质量百分比为：C：0.20％～0.40％，Si：0.10％～0.50％，Mn：1.0％～2.0％，P≤0.02％，S≤0.001％，Nb：0.02％～0.06％，Ti：0.01％～0.05％，Cr：0.10％～0.50％，B：0.001％～0.005％，Al：0.01％～0.1％，N≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。该专利是生产薄规格的产品，主要为1.0～3.0mm的汽车安全零部件，不适用于厚规格的车轮零件，并且热成形基板开展热冲压成形后需要放入退火炉内：在100～500℃范围内，进行长时间的回火处理，将回火后的钢板取出后在空气中自然冷却至室温。该发明在传统热成形钢的基础上，通过回火的方法消除钢板快速冷却产生的内应力和软化马氏体组织，进而改善高强韧性钢的韧性，但其强度也有较为明显的降低，且化学成分体系较为复杂，生产效率及成本较高。

中国专利202010523853.9车轮用1500MPa级热成形钢板及其生产方法，该热成形钢板包括如下质量百分比含量的各化学组分：C：0.20～0.25，Si：0.10～0.30，Mn：1.0～1.4，P≤0.01，S≤0.004，Ti：0.02～0.04，Cr：0.1～0.3，B：0.003～0.004，其余为Fe和不可避免的杂质元素。该专利未提及实验钢的淬透性，将加热后的板材送入模具中冲压，需要在模具中快速冷却，冷却速率要求达到50℃/s，这无疑增大了模具的设计以及冷却液的选择。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种具有较高淬透性和超高强度，且性能稳定的2000MPa级超高强韧轮辐用热轧热成形钢及其制备方法。

车轮用2000MPa级热成形钢及其制备方法，其特征在于，化学成分以质量百分比计为C：0.41％～0.45％，Si：0.40％～0.48％，Mn：1.06％～1.26％，Cr：2.55％～3.05％，P≤0.01％，S≤0.005％，RE：0.05％～0.15％，Nb：0.04％～0.05％或V：0.10％～0.15％或Nb+V：0.04％～0.20％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

上述各元素的作用及配比依据如下：

C：C元素是廉价的固溶强化元素，在热成形钢中主要以固溶碳和碳化物两种形式存在，固溶碳含量的增加可以显著提高试验钢强度和硬度。碳化物主要是一些纳米级微合金析出物，他们可以细化组织，钉扎位错和成为氢陷阱，从而改善材料的综合性能。但是，过高的碳当量会恶化材料的焊接性能，本发明为了获得抗拉强度达到2000MPa级别以上的热成形钢，C含量至少要达到0.40％以上，否则经热成形处理后的抗拉强度不能满足要求。综合考虑，钢中的碳含量必须控制在0.41％～0.45％。

Si：Si元素为置换固溶合金元素，高温时可在试样表面生成致密SiO₂氧化膜，一定程度上减轻热成形钢表面的氧化，但是过高的Si含量会引入表面氧化和过多的轧入氧化铁的诸多问题，Si含量须控制在0.40％～0.48％。

Mn：Mn元素是固溶强化元素，可以提高材料强度，防止热脆性的产生，可延迟珠光体和贝氏体的转变，但是较高含量的Mn极易在钢中产生严重的中心偏析和带状组织，恶化钢的韧性，Mn含量控制在1.06％～1.26％。

Cr：Cr元素可显著提高试验钢的淬透性，抑制珠光体和贝氏体转变，并且Cr能提升热成形钢的回火稳定性和高温抗氧化性。另外Cr含量的增加有利于增加残留奥氏体含量从而改善实验钢的塑韧性。Cr含量应控制在2.55％～3.05％。

Nb和V：Nb和V微合金元素具有细晶强化和析出强化的作用，在热成形钢中主要以固溶原子和析出原子两种方式存在，能够细化组织晶粒和钉扎位错，从而改善热成形钢的塑韧性以及降低钢的氢致延迟断裂敏感性。考虑到不同作用机制，采用单独添加或符合添加，Nb：0.04％～0.05％或V：0.10％～0.15％或Nb+V：0.04％～0.20％。

稀土元素(RE)：可深度降低非金属夹杂物，起到净化钢液的作用，并且钢中加入少量的稀土即可细化组织，改善铸锭冶炼质量，有效提高钢板的冷成形性能，过多的添加效果反而不明显，因此稀土元素(RE)的含量控制为0.05％～0.15％。

P，S：热成形钢中杂质元素，其含量越低越好，控制P和S含量越低生产成本越高，因此在不影响热成型钢性能的基础上，P和S含量分别限制在P≤0.01％和S≤0.005％。

制备步骤如下：

(1)按照上述化学成分质量百分比冶炼铸坯；

(2)将所述铸坯加热至1200℃～1250℃，保温1h～2h；

(3)将所述铸坯出炉后先粗轧，然后进行精轧，精轧入口温度控制在950℃～1000℃，终轧温度控制在850℃～900℃，最后一道次压下率控制在20％～30％，终轧后采用层流冷却至700℃～750℃进行卷取，得到6.0mm～15mm厚热轧钢带；

(4)将所述热轧钢板进行预先冷冲压成形为车轮零件；

(5)将所述预先冷冲压变形的车轮零件进行奥氏体化后，在热冲压模具内进行最终热成形后淬火处理。奥氏体化温度控制在850℃～950℃，保温时间为10min～20min，最终热成形后的淬火制度为：以1℃/s～10℃/s的冷却速率冷却至室温。

本发明的2000MPa级超高强韧轮辐用热轧热成形钢及其制备方法，其特征在于，所述超高强度热成形钢的淬火组织为：马氏体(体积分数为90％～98％)+残留奥氏体(体积分数为2％～10％)。

本发明的2000MPa级超高强韧轮辐用热轧热成形钢及其制备方法，其特征在于，所述超高强度热成形钢的力学性能为：抗拉强度＞2000MPa，屈服强度＞1200MPa，总延伸率＞7.0％。

本发明是针对厚规格车轮零件，调整化学成分体系，去除酸洗、冷轧、退火、回火等复杂的热处理工序，直接将热轧态钢板加热至奥氏体化后进行最终的热冲压成形，即可在空气中进行冷却至室温，过程中会发生自回火现象，无需额外进行回火处理，可以起到节能、高效的作用，并且对于热冲压模具的选择较为宽松，无需通入循环冷却液，可操作窗口宽，具有非常好的实用性和经济性。

本发明的有益效果

与现有高强度钢和现有制备技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明钢成分简单，工艺操作窗口宽，有利于实现低成本高效率生产。采用高Cr微合金元素提高热成形钢的淬透性，使其奥氏体化后可采用较低的冷却速度(1℃/s～10℃/s)获得具有高强度的马氏体组织。

(2)本发明引入适量的Nb，V和RE元素，在热成形钢中起到了细化晶粒的作用，而且Nb和V与C元素结合成不可逆氢陷阱NbC、VC及其复合析出物析出，改善超高强度热成形钢的耐氢致延迟断裂性能，对于实现汽车轻量化和良好的服役状况有非常重要的意义。

(3)本发明钢制备流程简单，先将低强度高延伸率的热轧态钢板进行预先冷冲压成形，然后在高温阶段进行最终的热冲压成形，保证了车轮零件的高精度和高强度，综合性能为：抗拉强度＞2000MPa，屈服强度＞1200MPa，总延伸率＞7.0％。

附图说明

图1：本发明实施例1的热轧态组织：片层状珠光体。

图2：本发明实施例1的淬火后的微观组织：96％马氏体+4％残留奥氏体。

具体实施方式

实施例1

实施例1的化学成分以质量百分比计为0.41％C，0.40％Si，1.26％Mn，2.56％Cr，0.005％P，0.004％S，0.05％RE，0.048％Nb，0.14％V，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

制备过程为：冶炼满足成分要求的铸坯，将所述铸坯放入加热炉，炉内气氛为弱氧化气氛，加热炉温度为1250℃并保温1h；出炉后铸坯进行粗轧，然后进行精轧，精轧入口温度控制在970℃，终轧温度为870℃，最后一道次压下率为25％，终轧后采取层流冷却的方式迅速冷却至700℃，得到6.0mm厚热轧钢带，图1为热轧态钢带的微观组织：片层状珠光体；将热轧态的热成形钢带进行预先冷成形，然后进行奥氏体化处理，奥氏体化温度为900℃并在此温度保温15min后，最终热成形后淬火处理，淬火冷却速度设置为5℃/s，冷却至室温，淬火后检测钢带的力学性能并进行显微组织观察，得到的力学性能如表1所示，显微组织如图2所示。

实施例2

实施例2的化学成分以质量百分比计为0.45％C，0.41％Si，1.25％Mn，2.55％Cr，0.008％P，0.003％S，0.047％Nb，0.1％RE，其余为Fe和不可避免的杂质元素。本实施例的制备过程与实施例1基本相同，不同之处在于实施例2厚度规格为7.5mm，奥氏体化温度为950℃，淬火冷却速度为10℃/s。

实施例3

实施例3的化学成分以质量百分比计为0.41％C，0.48％Si，1.10％Mn，3.0％Cr，0.008％P，0.003％S，0.15％V，0.15％RE，其余为Fe和不可避免的杂质元素。本实施例的制备过程与实施例1基本相同，不同之处在于实施例3的卷取温度为730℃，得到10mm厚热轧钢带，奥氏体化温度为950℃，奥氏体化保温时间为20min，淬火冷却速度为10℃/s。

对比例1

选取专利为《车轮用1500MPa级热成形钢及其生产方法》，其申请公布号为CN111575902A，申请公布日为2020-08-25，该热成形钢板包括如下质量百分比含量的各化学组分：C：0.20～0.25，Si：0.10～0.30，Mn：1.0～1.4，P≤0.01，S≤0.004，Ti：0.02～0.04，Cr：0.1～0.3，B：0.003～0.004，其余为Fe和不可避免的杂质元素。其特征在于，它包括冶炼、精炼、连铸、加热、粗轧、精轧、层流冷却、卷取及热成形处理工艺，其中，所述层流冷却包括对轧制后钢卷立即进行前段快冷，冷却至715℃～740℃进行卷取，热成形后淬火冷却速率≥50℃/s，其热轧态和淬火态钢板的力学性能如表1中对比例2所示。

表1实施例和对比例的力学性能

从表1实施例和对比例的力学性能可以明显看出，实施例最终淬火态的综合性能显著高于对比例；采用本发明车轮用热成形钢的化学成分以及热轧工艺，获得全珠光体组织，热轧板材的抗拉强度≤824MPa，屈服强度≤472MPa，总延伸率≥18.1％，低强度高延伸率的热成形钢基板利于预先冷冲压成形；本发明轮辐用热轧热成形钢经过完全奥氏体化后以较低的淬火冷却速度(1℃/s～10℃/s)冷却至室温，获得微观组织为马氏体(体积分数为90％～98％)+残留奥氏体(体积分数为2％～10％)，抗拉强度≥2041MPa，屈服强度≥1257MPa，总延伸率≥7.4％，可满足汽车车轮钢高强度轻量化要求。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

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。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种2000MPa级超高强韧轮辐用热轧热成形钢的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

（1）按照化学成分质量百分比冶炼铸坯；

（2）将所述铸坯加热至1200℃~1250℃，保温1h~2h；

（3）将所述铸坯出炉后先粗轧，然后进行精轧，精轧入口温度控制在950℃~1000℃，终轧温度控制在850℃~900℃，最后一道次压下率控制在20%~30%，终轧后采用层流冷却至700℃~750℃进行卷取，得到6.0mm~15mm厚热轧钢带；

（4）将所述热轧钢带进行预先冷冲压成形为车轮零件；

（5）将所述预先冷冲压变形的车轮零件进行奥氏体化后，在热冲压模具内进行最终热成形后淬火处理；奥氏体化温度控制在850℃~950℃，保温时间为10min~20min，最终热成形后的淬火制度为：以1℃/s~10℃/s的冷却速率冷却至室温；

所述步骤（1）中化学成分以质量百分比计为C：0.41％~0.45％，Si：0.40％~0.48％，Mn：1.06％~1.26％，Cr：2.55％~3.05％，P≤0.01％，S≤0.005％，RE：0.05%~0.15%，Nb：0.04%~0.05％或V：0.10%~0.15％或Nb+V：0.04%~0.20%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

2.如权利要求1所述的一种2000MPa级超高强韧轮辐用热轧热成形钢的制备方法，其特征在于，所述轮辐用热轧热成形钢的淬火组织为：马氏体+残留奥氏体，其中，马氏体体积分数为90%~98%，残留奥氏体体积分数为2%~10%。

3.如权利要求1所述的一种2000MPa级超高强韧轮辐用热轧热成形钢的制备方法，其特征在于，所述轮辐用热轧热成形钢的力学性能为：抗拉强度＞2000MPa，屈服强度＞1200MPa，总延伸率＞7.0%。