抗拉强度750MPa级热轧相变诱发塑性钢及制造方法

专利名称：：抗拉强度750MPa级热轧相变诱发塑性钢及制造方法
技术领域：
：本发明涉及钢铁材料的制造方法，特别涉及抗拉强度750MPa热轧相变诱发塑性钢(TRIP)及其制造方法。
背景技术：
：汽车用钢有很多品种。传统的低强度钢(LSS)和高强度钢(HSS)主要有无间隙原子钢(IF)、高强度无间隙原子钢(IF-HS)、普碳软钢(MILD)、各向同性钢(IS)、烘烤硬化钢(BH)、碳锰钢(C-Mn)以及低合金高强度钢(HSLA)、双相钢(DP)、相变诱发塑性钢(TRIP)等三个种类的部分低强度级别品种。随着汽车产业的发展，对车辆安全性的要求越来越高，且车辆自重也要求越来越轻以提高燃油经济性，对车辆所用钢板的强度方面的要求不断提高，同时对不同部位钢板的性能要求分工也越来越多、越细，于是先进的高强度钢(AHSS)或者超高强度钢(Ultm-HSS)应运而生。通常抗拉强度大于700MPa的钢种可归为超高强度钢，TRIP钢具有高强度、高塑性和优良吸收能等综合性能，是先进高强钢中的一个重要钢种。TRIP效应是在室温下钢中含有部分残余奥氏体，在应变的作用下残余奥氏体向马氏体转变而吸收能量，从而显著提高材料塑性和加工硬化能力，又称为相变诱导塑性。为了得到这种TRIP效应，早期的TRIP钢一般含有较高的镍、铬等贵重合金，且碳含量较高，这使其应用受到限制。近年来有用热处理方式生产冷轧TRIP钢和热轧方法生产TRIP钢，其化学成分范围一般为0.100.40%C，0.502.50%Si，0.502.50%Mn，另外添加一定含量的Nb、Ti、Ni、Cr、Mo和Cu等合金元素。主要有低合金成分体系、Si-Mn系和含有铬、镍等贵重合金元素成分体系。对于低合金成分体系，碳含量可以较低，但需要添加较高含量的Nb和Ti并通过严格的控制轧制来提高钢的强度，增加了生产成本和控制轧制难度。添加铬和镍元素更是增加了钢的制造成本。Si-Mn系虽然是一种经济型成分体系，但要获得高强度，其碳含量一般较高，且由于硅含量较高，导致产品性能不稳定和钢的表面质量不好。欧洲专利EP748874A1主要阐述了一种添加铝的抗拉强度700MPa级的热轧TRIP钢的生产方法，采用未再结晶区控制轧制和层流冷却的方法生产。此专利含0.120.30%C，1.23.5%Mn，除了添加Al夕卜，还可添加Ti、Cr、Mo、Cu和Ni等贵重合金元素。该热轧TRIP钢中未含Nb元素，碳和锰含量都较高，主要依靠合金元素的作用而不是水的作用来获得TRIP效应，生产成本较高，其力学性能屈强比较高，不利于冲压加工；且此专利的钢种的抗拉强度等级为700MPa级。美国专利申请号US6797078公开了一种添加铝的抗拉强度700MPa级的热轧TRIP钢的生产方法，采用热轧后分段冷却控制的方法生产。此专利的合金成分不经济且轧后冷却控制要求非常严格。此专利需添加Cr含量，如果不添加Cr，其残余奥氏体的含量会减少，会导致抗拉强度降低。另外其碳含量和锰含量均较高，给冶炼和焊接带来困难；且抗拉强度等级为700MPa级，低于本发明的强度等级。欧洲专利EP881306A1提供了一种延伸性能好，具有TRIP效应的多相钢的成分和生产方法。其通过添加Nb、V和Ti来提高钢的强度，而未采用Al作为促进铁素体形成的合金元素。要求分段冷却控制方式，提高了生产难度。其成分为0.050.50%C，0.350.50%Si，1.351.80%Mn,还可添加以下几种元素，015%Nb，K)20%V，，020%Ti，。在工艺上采用分段冷却方式，终轧结束后，快速冷却到某一温度后空冷一段时间，然后再快速冷却到巻取温度。该方法不易于控制。日本JP2003321738A公开了一种热轧TRIP钢的成分和生产方法。组织为铁素体、贝氏体、残奥(二相)，或四相(含马氏体)。成分为C:0.10.2%,Si:0.52.0%，Mn:0.51.7%，Al:^0.06%，N:^0.006%，Mo:0.10.5%，Ti:0.050.2%。硅含量较高，且添加了贵重的Mo合金。欧洲专利EP295500A1公开了一种热轧高强度薄板，成形性好，组织为铁素体、贝氏体和残奥；不添加其它合金，成分C:0.150.40。/。，Si:0.52.0%，Mn:0.52.0%。虽然此成分是经济成分体系，但硅含量较高，在加热过程中，容易产生粘而厚的红氧化铁皮，不容易除鳞，在轧制中容易压入钢板，造成表面质量不好。
发明内容本发明的目的在于提供一种抗拉强度750MPa级热轧相变诱发塑性钢及其制造方法，具有成分经济，硅含量较少，不含诸如Cr、Ni、Mo等贵重的合金元素，热轧工艺简单易行，钢板具有表面质量好、强度高和塑性好等特点。本发明充分利用"水作为合金元素"新的合金设计思想，采用以铝代硅的经济成分系列，并开发用于生产制造热轧TRIP钢的"一段式控制冷却"的轧后控制冷却的方法，较文献中报道热轧TRIP钢的成分体系与工艺，具有碳含量较低、成分经济、轧制工艺简单，轧后冷却工艺操作易行的特点。按本发明方法生产的热轧TRIP钢组织为铁素体+贝氏体(马氏体)+残余奥氏体，强度等级高的同时具有优良的塑性，产品表面质量好且各项性能稳定。采用该方面生产的热轧TRIP钢的抗拉强度具有大于等于750MPa的超高强度，反映TRIP钢重要指标的强度塑性积可大于22000Mpa*0/0o为达到上述目的，本发明的技术解决方案抗拉强度750MPa级热轧相变诱发塑性钢，其成分质量百分比为C0.080.20Si《0.8Mn0.52.0Al0.82.5Nb《0.03N《0.010P《0.020S《0.008Ca0扁0德其余为铁和不可避免的杂质。碳钢中最经济、最基本的强化元素。碳含量的高低很大程度地决定了钢板的强度级别。在所有元素中，碳使Ms温度降低的作用最强烈，是奥氏体转变成马氏体、贝氏体等钢中的强化相所必不可少的元素。本发明中，控制范围为0.08%0.20%，如果碳含量太低，则在冷却过程中，奥氏体会转变为马氏体而不会在室温下稳定，不会有TRIP效应；反之，碳含量高于0.20%时，则钢的塑性和韧性降低，焊接性也变差。锰锰是置换型合金元素，通过固溶强化细化晶粒而提高钢的强度。同时锰是扩大Fe-C相图Y相域最有效的元素之一，能稳定奥氏体，降低马氏体的转变温度，在锰含量合适的情况下，能增加碳富集的可能性，使残余奥氏体含量增加。但锰含量过高会降低奥氏体中碳的活度，而促进碳化物的形成，过高的锰还易于偏析，恶化钢的性能。要注意锰和硅、铝元素的平衡，调整添加的相对量以控制相的分布和体积分数。硅硅在钢中起固溶强化作用。硅在钢中是抑制渗碳体形成的元素，能增加碳在奥氏体中的活度，促进铁素体形成，从而使碳扩散到残余奥氏体中。硅或类似元素充当铁素体稳定剂的作用，不仅加速先共析铁素体的形成，而且在贝氏体形成期间阻碍渗碳体的析出，加速碳扩散到奥氏体相中，因此硅有助于增加残余奥氏体的稳定性，硅的添加并配合分段冷却工艺可以促进铁素体析出，有利于降低钢的屈服强度。钢中加硅能提高钢质纯净度和脱氧。但过高的硅会给热轧加热和后续产品涂镀带来麻烦，影响钢板的表面质量。所以本发明中控制硅含量不大于0.8%。铝本发明钢加入铝含量为1.22.0%。由于Si—Mn系中Si含量过高会降低产品表面质量，进而影响最终产品的涂镀效果，用铝来取代硅，铝也是铁素体形成元素，能促进铁素体的形成，使碳扩散到残余奥氏体中。所以可以降低钢中的硅含量。铝还是钢中的主要脱氧元素，有利于细化晶粒。本发明中加入的铝主要用来代替硅的部分作用，能提高钢的抗拉强度和延伸率，改善钢的表面质量。铌铌是强碳化合物形成元素。在热轧时碳化铌的应变诱导延迟了热变形过程中静态和动态再结晶，提高非再结晶温度，有助于细化形变奥氏体的相变产物，提高钢的强度和韧性。硫和磷硫在钢中与锰等化合形成塑性夹杂物硫化锰，尤其对钢的横向塑性和韧性不利，因此硫的含量应尽可能地低。磷也是钢中的有害元素，严重损害钢板的塑性和韧性。如硫含量大于等于0.()03%时，为避免MnS类的夹杂物对横向性能的不良影响，可采用Ca处理工艺进行硫化物的变态处理。本发明所述的制造方法，包括如下步骤1)按下述成分冶炼、铸造成坯，其成分质量百分比为C0.080.20、Si《0.8、Mn0.52.0、A10.82.5、Nb《0.03、N《0.010、P《0.020、S《0.008、Ca0.0010.005、其余为铁和不可避免的杂质；2)将钢坯加热至U50125(TC;保温，保温时间按有效厚度l1.5min/mm计；3)轧制，在奥氏体可发生再结晶的温度范围内变形，采用一道次或多道次，将所述钢坯轧制成中间板坯；在奥氏体未发生再结晶即低于Tnr温度但高于Ar3转变点的温度范围内变形，将上述钢板轧制成最终厚度的钢板，终轧温度介于800。C880。C之间；4)冷却。其中，步骤4)冷却采用一段式冷却方法(轧后先空冷后强冷的冷却方法)，在轧后冷却辊道较长的情况下，采用轧后空冷4-10s，然后以大于60"C/s的冷却速度将钢板快速冷却至贝氏体转变温度区间350450°C，保温30-60分钟后空冷或巻取成钢巻后空冷。由于铝和硅都是促进铁素体形成的元素，同时本发明中的碳和锰含量都较低，因此，奥氏体向铁素体转变的温度较高(73(TC或以上即进入相变区间)。当轧后冷却辊道较长的时候，可以釆用一段式冷却方法，即终轧温度在80(TC83(TC，轧后空冷阶段即可进入奥氏体和铁素体两相区温度，在此温度继续空冷以获得足够含量的铁素体组织，碳扩散到残余奥氏体中；快速冷却至贝氏体转变温度区间巻取或保温，发生贝氏体相变，硅阻碍渗碳体的析出，使富余的碳继续向残余奥氏体扩散。由于适量锰和碳的作用，降低了马氏体的转变温度点，因此，可使室温时组织中有稳定的残余奥氏体存在。又，步骤4)冷却采用两段式冷却方法(轧后快冷-空冷-强冷的冷却方法)，在轧后冷却辊道较短的情况下，采用以大于2(rc/s的冷速快速先冷却至65(TC75(TC的中间温度停留210秒，再以不低于50°C/s的冷速冷却至350450°C，保温30-60分钟后空冷或巻取成钢巻后空冷。热轧TRIP钢主要通过相变强化来获得高强度，因此关键是要求在终轧后的冷却过程中，获得比例合适的各相组织铁素体、贝氏体或贝氏体与马氏体的混合组织和残余奥氏体。所以在冷却过程中，需要以下相变过程，先将钢冷却到奥氏体和铁素体两相区温度区间，在此温度区间缓冷一段时间发生足够的铁素体相变，然后快速冷却到贝氏体转变温度进行巻取，在巻取温度区间，一部分奥氏体会发生贝氏体相变，剩余的奥氏体由于含碳和锰含量较高，马氏体转变温度低于室温，因此冷却至室温过程中，不发生马氏体相变，以残余奥氏体的形式存在。最终室温组织为包含铁素体、贝氏体和残余奥氏体的多相显微组织。研究发现，Si-Mn系的热轧TRIP钢其热物性参数随着温度的变化很敏感，容易造成最终的组织和性能不稳定。而以铝代硅的钢其力学性能稳定，对轧后冷却各阶段的控制要求不是非常苛刻。可以采用一段式冷却方法，也可采用两段式冷却方法，同样可以获得合适的组织与性能。本发明具有如下特点①与以往专利相比，铝不仅仅是作为脱氧剂，还通过较高含量的铝元素来代替硅元素的作用，以促进铁素体的相变和碳在残余奥氏体里的富集。比含硅高的TRIP钢表面质量好，且力学性能稳定。②不添加贵重合金元素，主要利用"水作为合金元素"的作用，在轧后水冷过程中获得百分含量合适的铁素体、贝氏体(或贝氏体与马氏体的混合组织)和残余奥氏体组织，生产强度与塑性综合性能良好的经济型热轧TRIP钢。◎与欧洲专利EP0748874相比，两者都添加了较高含量的铝元素，但欧洲专利EP0748874碳含量高，添加了多种贵重合金元素以获得TRIP效应，另外还通过添加钛元素来提高强度，这样在获得高的抗拉强度的同时，其屈强比也较高，不利于冲压加工；本发明不添加Cr、Mo、Cu、Ni等贵重合金元素，合金配方经济简单，通过添加少量的铌元素来提高抗拉强度。本发明相对于现有技术而言，终轧后的在线冷却方式更容易控制，生产控制简单且稳定，易于生产。同时可采用一段式冷却也可采用两段式冷却。通过以铝代硅的成分体系和轧后的控制冷却，可获得抗拉强度等于等于750MPa级的热轧TRIP钢，强度塑性积大于22000MPa*%，表面质量好，适合应用于汽车结构件和安全件，降低能耗、促进钢铁的可循环制造，具有良好的市场应用前景。本发明的有益效果本发明的成分设计经济，有利于资源的有效利用和可回收，易于实施和控制，工艺控制简便易行。钢板强度高，具有高的塑性，强度塑性积达22000MPa+Q/o以上。经过上述所述成分和工艺过程后，板厚1.54.0mm热轧钢板的抗拉强度大于750MPa，延伸率A50(JIS5标距50mm试样)大于28%，可达34.5%。组织主要为铁素体、贝氏体或贝氏体与马氏体的混合组织和残余奥氏体。图1为本发明一段式控制冷却的示意图；图2为本发明两段式控制冷却的示意图；图3a为本发明含Al的C—Mn系热轧TRIP钢；图3b为本发明对比的高Si的C-Mn系热轧TRI:P钢的试验钢板照片;图4为本发明实施例的典型金相组织图。具体实施例方式本发明的具体实施例参见表1~3，图4为实施例的典型金相组织图。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表2实施例所采用的工艺参数<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>上述实施例的力学性能见表3。由表可见，10个实施例中其中7个抗拉强度均大于760MPa，屈服强度505-580Mpa，延伸率八5()大于28%，最大达34.5%，强塑积大于22000MPa*%，最大达26220MPa*%。没有添加Nb元素对比实施例的强度偏低。表3实施例力学性能<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>图1、图2分别为本发明工艺中冷却的两种方式即一段式控制冷却、两段式控制冷却的示意图。图3a为本发明含Al的C一Mn系热轧TRIP钢板表面宏观照片；图3b为本发明对比的高Si的C-Mn系热轧TRIP钢板表面宏观照片；由图可见，本发明以Al代Si的热轧TRIP钢板表面较光滑，红色氧化铁皮少，表面质量好；而高Si的热轧TRIP钢表面红氧化铁皮非常多，且嵌入到钢板里面，通过酸洗也很难清洗。表明在热轧TRIP钢的成分设计中，通过以Al代Si能提高钢板表面质量。图4为本发明实施例的典型金相组织图。组织主要为铁素体(箭头A所示)、贝氏体或贝氏体与马氏体的混合组织(箭头B所示)和残余奥氏体(箭头C所示)，符合TRIP钢的组织要求。综上所述，本发明是一种具有具有优良综合性能，具有高强度的同时具有优良塑性的热轧TRIP钢的成分设计及制造方法。通过合理经济的成分设计和专门严格控制的热轧后的冷却工艺，采用轧后一段式或分段式冷却工艺使板厚1.5mm4.0mm的热轧钢板的抗拉强度达到大于等于750MPa，屈服强度大于等于500MPa，延伸率A50Q「IS5标距50mm试样)高达34.5%，并具有良好的加工硬化性能。可用于汽车的结构件、加强件和安全件。权利要求1.抗拉强度750MPa级热轧相变诱发塑性钢，其成分质量百分比为C0.08～0.20Si≤0.8Mn0.5～2.0Al0.8～2.5Nb≤0.03N≤0.010P≤0.020S≤0.008Ca0.001～0.005其余为铁和不可避免的杂质。2.如权利要求1所述的抗拉强度750MPa级热轧相变诱发塑性钢的制造方法，包括如下步骤.1)按下述成分冶炼、铸造成坯，其成分质量百分比为C0.080.20、Si《0.8、Mn0.52.0、Al0.82.5、Nb《0.03、N《0.010、P《0.020、S《0.008、Ca0.0010.005、其余为铁和不可避免的杂质；2)将钢坯加热至1150125(TC;保温，保温时间按有效厚度l1.5min/mm计；3)轧制，在奥氏体可发生再结晶的温度范围内变形，采用一道次或多道次，将所述钢坯轧制成中间板坯；在奥氏体未发生再结晶即低于Tnr温度但高于Ar3转变点的温度范围内变形，将上述钢板轧制成最终厚度的钢板，终轧温度介于800。C88(TC之间；4)冷却。3.如权利要求2所述的抗拉强度750MPa级热轧相变诱发塑性钢的制造方法，其特征是，步骤4)冷却采用一段式冷却方法，在轧后冷却辊道较长的情况下，采用轧后空冷4-10s，然后以入于6(TC/s的冷却速度将钢板快速冷却至贝氏体转变温度区间350450°C，保温30-60分钟后空冷或巻取成钢巻后空冷。4.如权利要求2所述的抗拉强度750MPa级热轧相变诱发塑性钢的制造方法，其特征是，步骤4)冷却采用两段式冷却方法，在轧后冷却辊道较短的情况下，采用以大于20°C/s的冷速快速先冷却至650°C750。C的中间温度停留210秒，再以不低于5CTC/s的冷速冷却至350450°C，保温30-60分钟后空冷或巻取成钢巻后空冷。全文摘要本发明公开了一种抗拉强度750MPa级热轧相变诱发塑性钢及制造方法，1)冶炼、铸造成坯，其成分质量百分比为C0.08～0.20、Si≤0.8、Mn0.5～2.0、Al0.8～2.5、Nb≤0.03、N≤0.010、P≤0.020、S≤0.008、Ca0.001～0.005、余铁；2)钢坯加热至1150～1250℃；保温，保温时间按厚度1～1.5min/mm计；3)轧制，在奥氏体可发生再结晶的温度范围内变形，采用一道次或多道次，将钢坯轧制成中间板坯；在奥氏体未发生再结晶即低于Tnr温度但高于Ar₃转变点的温度范围内变形，轧成最终厚度钢板，终轧温度800℃～880℃；4)冷却。本发明成分经济，硅含量较少，不含Cr、Ni、Mo等贵重合金元素，热轧工艺简单易行，钢板表面质量好、强度高和塑性好。文档编号C22C38/06GK101191174SQ200610118500公开日2008年6月4日申请日期2006年11月20日优先权日2006年11月20日发明者磊郑,芳郑申请人:宝山钢铁股份有限公司