一种1500MPa级低碳中锰含铜钢的成分设计及生产方法与流程

本发明涉及的是一种汽车高强度钢的成分设计和生产方法，特别涉及一种1500mpa级低碳中锰含铜钢的成分设计及生产方法。

背景技术：

目前，为了节约能源、降低燃油消耗、减少废气排放，生产节能环保型汽车已成为世界汽车企业的主要目标之一，为此，国内外的许多汽车企业采取了一系列措施，其中最有效的措施之一就是汽车轻量化。资料显示：若使用先进高强度钢（ahss）板，可使原厚度为1.0~1.2mm的车身钢板减薄到0.7~0.8mm，随之带来的是车身重量减小15%~20%，节油8%~15%。到目前为止，世界各国已开发出各种先进高强度钢板，如：第一代先进高强钢：双相（dp）钢、多相（cp）钢和相变诱导塑性（trip）钢等，它们主要以铁素体为基体，强塑积（抗拉强度和断后伸长率的乘积）一般在15gpa·%以下；第二代先进高强钢：孪晶诱导塑性（twip）钢、诱导塑性轻钢（l-ip)和剪切带强化（sip）钢等，它们为全奥氏体组织，强塑积往往在50gpa·%以上；第三代先进高强钢：q&p（淬火-配分）钢等，它们是一种以贝氏体、马氏体或兼而有之的高强度相为基体，以残余奥氏体、少量铁素体为韧性相，强塑积在20～40gpa·%的多相钢，具有多相、亚稳和多尺度的精细组织。

第一代先进高强度钢是主要以铁素体组织为主的多相钢，合金含量低，成本低，但由于其强塑积小，难以满足未来汽车轻量化和安全性需求，第二代先进高强钢的力学性能优异，但因其合金含量高，使得成本大大增加，同时，过高的合金含量使钢板的焊接性能、涂覆性能变差。且这些钢板的加工难度也非常大，因此，在第一代和第二代ahss均存在一定缺陷的情况下，研究人员正致力于第三代ahss的研究，这类钢的强度为800~1500mpa，强塑积超过30gpa·%，且生产成本相对较低，在生产中易于实现，因此，第三代ahss已成为汽车轻量化材料目前和未来的研究热点。

ahss作为支撑汽车轻量化理念的主要材料之一，对汽车未来的发展起着非常重要的作用。汽车用ahss发展的总趋势将是钢板高强度化的同时具备良好的塑韧性和成形性。随着科技不断的进步，在不久的将来，对具有更高性能的车用ahss的开发和应用将会取得更大的发展。

技术实现要素：

针对汽车轻量化面临的上述挑战，本发明提出一种1500mpa级低碳中锰含铜钢的目的在于通过对成分的合理设计及优化，将热轧+q&p工艺结合，获得一种生产效率高、在实际生产中易于生产且可以大幅提高热冲压q&p钢板综合性能的成分设计及生产方法。

本发明的设计思路在于：本发明的成分配比是在trip钢的基础上通过改变某些元素的含量和另外加入一些可以强化、改善钢铁材料力学性能的合金元素来实现的，并遵循了“多元少量”的合金化原则，同时本发明通过热轧与q&p（淬火-配分）热处理工艺的配合，获得了具有超高强度和良好塑性的马氏体+残余奥氏体+析出第二相粒子的组织，其抗拉强度超过1500mpa，且具有优异的塑韧性。

其特点有：（1）较大幅度提高mn的含量，使其达到中锰钢中的锰含量。

（2）以al元素替代si元素，并保留适当的si元素使两者搭配使用，更有助于对材料性能的改善，如果将al与cr、si合用，则可显著提高钢的高温不起皮性而改善钢板的表面性能；且加入的al使钢的密度也会有所下降。

（3）加入了一定量可产生析出强化的cu元素，并将其与适量的ni元素搭配使用，以消除材料在热加工时cu引起的“热脆”现象；除此之外，ni还具有提高钢的强度，保持良好塑性及韧性的作用。

（4）加入了少量可以提高钢材综合性能的cr元素。

（5）加入了适量的n元素，与al元素搭配使用，可以生成具有细化晶粒作用和提高残余奥氏体含量的aln以进一步改善钢的性能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种低碳中锰含铜钢，其化学成分含量为：c：0.20%～0.23%，si：0.5%～0.8%，mn：3.5%～4.0%，al：1.2%～2.0%，cr：0.5%～1.0%，cu：0.6%～1.0%，ni：0.2%～0.5%，n：0.0035%～0.012%，b：0.0005%～0.003%，余量为fe和不可避免的杂质；所述低碳中锰含铜钢抗拉强度在1500mpa以上。

在所述低碳中锰含铜钢的优选化学成分中（均以重量百分比计），si含量为0.55%~0.8%，al含量为1.2%~1.5%，mn含量为3.5%~3.8%，cr含量为0.6%~0.8%，cu含量为0.6~0.8%，ni含量为0.25%~0.4%，n含量为0.008%~0.01%，b含量为0.001%~0.003%。

本发明的1500mpa级低碳中锰含铜钢的成分设计中，各元素在钢中的作用及其含量的设计依据如下：（1）碳：碳虽然可以大大地提高材料的强度、硬度等性能，但同时由于它会强烈地降低材料的塑性、韧性和焊接性能，当碳含量超过0.23%时，钢的焊接性能变差。因此，用于焊接的低碳钢含碳量一般不超过0.23%；考虑到上述因素，在此成分配比中的碳依然保持在低碳钢的碳含量范围内。

（2）锰：mn是trip钢中的一种主要元素，其含量一般在1%~2%之间，实际生产中通常保持在1.5%左右，它可以提高材料的强度，由于在此设计中钢的强度要达到1500mpa级，虽通过提高碳含量和其他合金元素（如：cr）也可以达到此强度，但碳含量太高会强烈恶化钢的成形性、焊接性等，合金元素价格太高且部分元素储量十分稀缺，成本低是汽车用钢十分重要的市场竞争因素，因此这两种途径都是不可取的；而mn元素既可以提高钢的强度，价格又低廉，还可以提高残余奥氏体的含量和稳定性；因此，综合考虑性能、价格、资源储量等因素，mn是最合适的选择对象，虽然mn会恶化材料焊接性，但相对于其它合金元素，其不利影响要小得多。因此，在此成分配比中将其含量增加到了中锰范围的下限值。

（3）硅和铝：在trip中si的含量和mn基本相同，si可以显著提高钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度，而且不会使钢的塑性明显下降；最重要的是si能抑制渗碳体的析出，但si含量太高对钢的焊接性能也会产生不利影响，而且会降低钢板的表面涂覆性能。所以，在此成分配比中降低了si的含量，且当钢中si含量在0.8%～1.0%这个范围时，钢的塑性与韧性会显著下降；因此si含量应在0.8%以下，而另一种合金元素al也可以抑制渗碳体析出，高al钢表面质量更好，改善了涂覆性能，但与si不同的是，al没有固溶强化的作用，会导致强度下降，但降低硅含量或用铝代替硅而造成的强度损失，可以采用各种提高强度的措施来补偿（如：提高mn含量）；除此之外，al还具有细化晶粒，提高钢板冲击韧性的作用。因此，考虑到钢板的力学性能、物理性能以及在实际生产中工艺要易于实现等因素，al-si搭配使用是一个很好的折中方案，因此，在本发明的成分配比采用al替代部分si元素的方案。

（4）铬：cr是一种在实际工业生产中应用非常广泛的合金元素，能显著提高钢的强度、硬度及高温机械性能，并使钢在具有良好的抗氧化性、抗腐蚀性和耐磨性的同时，对钢板的塑性及韧性的不利影响不明显。研究表明：当cr含量处于0.5%～1.65%的范围时，钢具备高强度、高耐磨性及良好的淬透性和耐疲劳性。从低碳合金钢强度计算公式可以看出cr对钢强度的提高仅低于碳元素，但我国cr的储量较少，应尽量节约使用或以其他元素替代，因此，考虑到强度，资源储量及成本等因素，在本发明的成分配比中加入0.5%～1.0%的cr元素。

（5）铜和镍：目前很多高强度结构钢都含有铜，范围为0.20%~1.50%，cu在钢中具有富集作用，可以以一定尺寸的第二相粒子分布于马氏体基体而起到弥散强化的作用，在低碳钢中添加cu元素可使钢板具有良好的焊接性能和抗腐蚀性能，其缺点是当cu含量超过0.5%时，钢在热加工过程中容易发生“热脆”现象，且在钢中的cu含量超过0.60%时，cu才能处于过饱和状态从而在热处理后以富铜相的形式析出，而使钢产生第二相粒子析出强化效应。研究表明：cu至少增加到0.75%时才被认为对焊接性能有较小的影响，同时为了避免“热脆”现象，需加入ni元素（ni和cu的含量比为1:3～l:2时最佳）；除此之外，含cu和ni的钢其残余奥氏体体积分数较大、稳定性较高，最重要的是当钢受到撞击时，其trip效应可以维持到高应变区，这正是车用先进高强度钢应具备的优异性能之一；另外，ni在提高钢强度的同时还不会降低塑性，因此考虑到上述因素，在本发明的成分中采用cu：ni=1:2~1:3的复合配比。

（6）氮：典型的氮含量(约0.003％～0.012％)对强度有明显作用，n能提高钢的强度和低温韧性，改善焊接性。研究结果表明：随氮含量提高，aln析出物的密度增加，这种析出物延缓了冷却及等温过程中奥氏体转变，使淬火后组织中保留大量的残余奥氏体，且aln具有析出强化的作用，提高了钢板强塑积。除此之外，aln的存在具有细化奥氏体的作用，这正好改善了由于锰含量较高而引起的过热敏感性，考虑到n具有的上述特性和成分配比中较多含量的al元素，本发明成分配比中加入0.008%~0.01%的n元素为宜。

（7）硼：b的主要作用是提高钢的淬透性，微量硼元素在低、中碳结构钢中对提高产品的淬透性有显著作用，因为加入极少量的硼（0.0005%~0.003%）就能大大提高钢的淬透性，考虑到b含量大于0.004%时会强烈地降低钢的韧性而引起“硼脆”现象，因此在本发明的成分配比中加入0.002%的b元素为宜。

本发明涉及的低碳中锰含铜钢的生产方法，包含如下步骤：（1）冶炼和铸造工序：将化学成分含量为：c：0.20%～0.23%，si：0.55%～0.8%，mn：3.5%～3.8%，al：1.2%～1.5%，cr：0.6%～0.8%，cu：0.6%～0.8%，ni：0.2%～0.4%，n：0.008%～0.01%，b：0.001%～0.003%，余量为fe和不可避免的杂质的混合合金粉末在电弧炉或转炉、平炉中冶炼，然后转入lf精炼炉，并在熔炼期间保持炉内需要的氮气压，以便在合金熔体中溶入氮元素，最后铸造成铸坯或铸锭。

（2）加热和保温：将铸坯或铸锭转入连续炉内加热、保温，使合金元素均匀地溶解于奥氏体中，加热温度保持在1050℃~1100℃之间，并保温时间1.5~2小时。

（3）热轧工序：保温完成后对铸坯或铸锭进行轧制，初轧温度保持在1000℃~1050℃，然后，等中间坯降温至850℃~950℃时，再对其进行多道次的终轧，轧成1.8mm厚的钢板。

（4）q&p热处理工序：在终轧结束后将钢板在830℃~850℃之间保温120s，然后将钢板以大于50℃/s的冷却速率冷却至170℃~200℃，并保温20s，再立即将钢板转入加热炉中升温至350℃~365℃进行元素的配分，保温45s~60s，最后将钢板水淬至室温，获得具有马氏体+残余奥氏体+析出第二相粒子的组织；最终，这种低碳中锰含铜钢板的抗拉强度超过了1500mpa的同时还具有优异的塑性、韧性。

本发明的1500mpa级低碳中锰含铜钢，在奥氏体化保温阶段，温度应在1100℃以下，因为在本发明的成分中加入了铜元素，其在晶粒的晶界间形成的化合物的熔点一般为1100℃左右，若保温温度高于这些化合物的熔点容易引起“铜脆”现象；另外，若钢的加热温度低于1050℃或保温时间太短，则不利于合金元素在奥氏体中的扩散及均匀化。

本发明的1500mpa级低碳中锰含铜钢，在快速淬火后的保温阶段，其保温温度（qt）在淬火前应根据理论上要得到的马氏体含量，利用公式vm=1-exp[a(ms-qt)]计算出（式中vm为马氏体体积分数；a为常数，取决于材料的成分，对于碳含量1.1%以下的碳钢，a=-0.011；ms为马氏体相变开始温度）。

本发明的1500mpa级低碳中锰含铜钢，在配分保温阶段，其保温温度不能太低，由于本发明中含有较多含量的可稳定残余奥氏体的锰元素，所以保温温度选择在ms以上20~40℃的范围内。其次，保温温度也不能太高，否则，容易生成渗碳体会消耗本来不多的碳元素而降低残余奥氏体稳定性。另外，在该阶段保温的温度既不能太长也不能太短，太长易生成渗碳体及降低马氏体强度，太短不利于残余奥氏体的稳定化。

附图说明

图1为本发明1500mpa级低碳中锰含铜钢的生产工艺流程图。

图2为本发明1500mpa级低碳中锰含铜钢的热轧及热处理工艺图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明具体实施方式，如附图1和2所示。

实施例1本发明涉及的一种1500mpa级低碳中锰含铜钢的成分设计及生产方法，包含如下步骤：（1）冶炼和铸造工序。将成分为：c：0.2%，mn：3.5%，si：0.8%，al：1.2%，cr：0.8%，cu：0.8%，ni：0.4%，n：0.008%，b：0.002%，余量为fe的混合合金粉末在电弧炉或转炉、平炉中冶炼，然后转入lf精炼炉，并在熔炼期间保持炉内需要的氮气压以便加入n元素，最后铸造成铸坯或铸锭。

（2）加热和保温。将铸坯或铸锭转入连续炉内加热、保温，使合金元素均匀地溶解于奥氏体中，加热温度保持在1050℃之间，并保温时间2小时。

（3）热轧工序。保温完成后对铸坯或铸锭进行轧制，初轧温度保持在1000℃，然后等中间坯降温至870℃时，再对其进行多道次的终轧，轧成1.8mm厚的钢板。

（4）q&p热处理工序。终轧结束后将钢板在830℃之间保温120s，然后以100℃/s的冷却速率冷却至170℃，并保温20s，再立即将钢板转入加热炉中升温至350℃，保温90s，最后将钢板水淬至室温，获得具有马氏体+残余奥氏体+析出第二相粒子的组织；最终，这种低碳中锰含铜钢板的抗拉强度为1645mpa，同时还具有优异的塑性及韧性。

实施例2本发明涉及的一种1500mpa级低碳中锰含铜钢的成分设计及生产方法，包含如下步骤：（1）冶炼和铸造工序。将成分为：c：0.21%，mn：3.6%，si：0.7%，al：1.35%，cr：0.7%，cu：0.7%，ni：0.3%，n：0.009%，b：0.002%，余量为fe的混合合金粉末在电弧炉或转炉、平炉中冶炼，然后转入lf精炼炉，并在熔炼期间保持炉内需要的氮气压以便加入n元素，最后铸造成铸坯或铸锭。

（2）加热和保温。将铸坯或铸锭转入连续炉内加热、保温，使合金元素均匀地溶解于奥氏体中，加热温度保持在1070℃之间，并保温时间1.8小时。

（3）热轧工序。保温完成后对铸坯或铸锭进行轧制，初轧温度保持在1020℃，然后等中间坯降温至900℃时，再对其进行多道次的终轧，轧成1.8mm厚的钢板。

（4）q&p热处理工序。终轧结束后将钢板在840℃之间保温120s，然后以100℃/s的冷却速率冷却至185℃，并保温20s，再立即将钢板转入加热炉中升温至360℃，保温60s，最后将钢板水淬至室温，获得具有马氏体+残余奥氏体+析出第二相粒子的组织；最终，这种低碳中锰含铜钢板的抗拉强度为1591mpa，同时还具有优异的塑性及韧性。

实施例3本发明涉及的一种1500mpa级低碳中锰含铜钢的成分设计及生产方法，包含如下步骤：（1）冶炼和铸造工序。将成分为：c：0.23%，mn：3.8%，si：0.55%，al：1.5%，cr：0.6%，cu：0.6%，ni：0.25%，n：0.01%，b：0.002%，余量为fe的混合合金粉末在电弧炉或转炉、平炉中冶炼，然后转入lf精炼炉，并在熔炼期间保持炉内需要的氮气压以便加入n元素，最后铸造成铸坯或铸锭。

（2）加热和保温。将铸坯或铸锭转入连续炉内加热、保温，使合金元素均匀地溶解于奥氏体中，加热温度保持在1100℃之间，并保温时间1.5小时。

（3）热轧工序。保温完成后对铸坯或铸锭进行轧制，初轧温度保持在1050℃，然后等中间坯降温至940℃时，再对其进行多道次的终轧，轧成1.8mm厚的钢板。

（4）q&p热处理工序。终轧结束后将钢板在850℃之间保温120s，然后以100℃/s的冷却速率冷却至200℃，并保温20s，再立即将钢板转入加热炉中升温至365℃，保温45s，最后将钢板水淬至室温，获得具有马氏体+残余奥氏体+析出第二相粒子的组织；最终，这种低碳中锰含铜钢板的抗拉强度为1550mpa，同时还具有优异的塑性及韧性。