一种基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢及其加工方法
【专利摘要】本发明涉及冶金材料领域，同属于汽车用先进高强钢领域，具体为一种基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢及其加工方法。按质量分数计，其化学成分为：0.2～0.5％C，0.25～1.5％Mn，0.2～0.6％Cr，0.2～1.0％Mo，0.1～0.8％Ni，0.2～1.2％Si，0.2～0.5％Al，0.002～0.004％B，0.02～0.03％Ti，0.5～1.5％Cu，S<0.01％，P<0.01％。将钢板加热至完全奥氏体化，而后立即转移至热冲压设备上进行冲压成形、模内保压淬火，出模空冷至室温，组织为马氏体+不稳定的残余奥氏体；而后在车身烤漆温度范围内进行烘烤处理，使之发生碳配分，使得残余奥氏体稳定，最终获得稳定的马氏体与残余奥氏体的复相组织，综合性能与传统Q&P钢一致。本发明在保持Q&P钢优点的基础上，克服了Q&P钢需要独立等温配分设备、转移速度要求快的缺点。
【专利说明】一种基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢及其加工方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及冶金材料领域，同属于汽车用先进高强钢领域，具体为一种基于碳配 分原理的热冲压烘烤韧化（Hot Stamping-Bake Toughening, HS-BT)钢及其加工方法。
【背景技术】
[0002] 采用先进高强度钢是汽车轻量化的重要手段之一，目前先进高强钢（如：硼钢 22MnB5)常采用热冲压工艺，其工艺原理是将工件奥氏体化后迅速转移到模具中，进行冲 压、保压淬火过程，在>30°C /s的冷速条件下获得淬火马氏体组织，抗拉强度在1500MPa，塑 性仅为6%左右，强塑积在900010^，％左右。现有技术中，还缺乏高强塑积（2000010^·% 以上）的热冲压用钢。
[0003] Q&P(Quenching&Partitioning)钢是一种具有高强度与一定塑性的低碳马氏 体钢，具有较高的强塑积（_30000MPa· %)。Q&P工艺最先由J. Speer等在2003年的 Acta Materialia (材料学报）上发表的 "carbon partitioning into austenite after martensite transformation"（碳在马氏体相变后向奥氏体中的配分）一文中提出，在研 究 Fe-Mn-Si 基 TRIP(Transformation Induced Plasticity)钢时，发现过淬火后，在介于 马氏体转变开始温度（Ms)与马氏体转变结束温度（M f)等温一定时间，可使马氏体基体中的 碳扩散至残余奥氏体中，使未转变的奥氏体因富碳而稳定，最终获得马氏体与残余奥氏体 组成的复相组织。与TRIP钢与回火马氏体钢相比较，Q&P钢强度较高，塑性较好，综合性能 更为优异。
[0004] 虽然目前已经开发了一系列适合Q&P工艺的钢种，但是很难与工业上的热冲压生 产过程兼容，主要原因是由于其碳配分过程需要一个独立的等温过程，需要增加更多设备。 而且，由于要求转移至配分设备的时间较短，通常在几秒之内，这增加了工艺的实现难度， 因而现有Q&P钢的应用大大受到了限制。
【发明内容】
[0005] 针对Q&P钢种存在的不足，本发明提供一种基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化 (HS+BT)钢及其加工方法，解决Q&P钢的碳配分需要单独等温处理设备，同时转移至配分设 备使工艺实现难度增加等问题。
[0006] 本发明的技术方案是：
[0007] -种基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢，按质量分数计，其化学成分为：0. 2? 0· 5% C，0. 25 ?1. 5% Μη，0· 2 ?0· 6% Cr，0. 2 ?1. 0% Μο,0· 1 ?0· 8% Ni，0. 2 ?1. 2% Si，0. 2 ?0· 5 % Α1，0· 002 ?0· 004 % Β，0· 02 ?0· 03 % Ti，0. 5 ?1. 5 % Cu，S〈0. 01 %， Ρ〈0· 01%，Fe 余量。
[0008] 所述的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢，马氏体转变开始温度札< 400°C，马 氏体转变终了温度Mf < 200°C，实现热冲压烘烤韧化钢在室温下具有马氏体与残余奥氏体 的组织。
[0009] 所述的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢，优选地，马氏体转变开始温度Ms为 200°C?300°C，马氏体转变终了温度M f为50°C?150°C。
[0010] 所述的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢的加工方法，将板料加热奥氏体化， 而后立即转移至热冲压设备上进行冲压成形、保压淬火后出模冷却至室温，工件组织为马 氏体+不稳定的残余奥氏体；而后取出工件，放置在车身烤漆温度范围内的热处理炉中烘 烤，使之发生碳配分，使得残余奥氏体稳定，最终获得稳定的马氏体与残余奥氏体的复相组 织，使工件综合性能与传统Q&P钢性能一致。
[0011] 所述的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢的加工方法，在车身烘烤温度使碳在 残余奥氏体中进行配分，热冲压烘烤韧化马氏体钢具有较低的Ms和Mf点，以使烘烤处理的 温度处在碳配分温度范围。
[0012] 所述的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢的加工方法，加热奥氏体化过程指的 是在电阻炉或燃料炉中对板料进行加热。
[0013] 所述的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢的加工方法，热冲压过程在压力机上 进行，与热冲压生产过程一致，通过热冲压使得板料成形、模内淬火后出模冷却至室温。
[0014] 所述的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢的加工方法，放置在车身烤漆温度范 围内的热处理炉中烘烤，烘烤处理利用工业上的车身烤漆过程，温度在100?300°c，时间 在 10 ?90min。
[0015] 所述的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢的加工方法，热处理炉为盐浴炉、马 弗炉、电阻炉或者车身烤漆间。
[0016] 所述的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢的加工方法，优选地，奥氏体化温度 为900?980°C，奥氏体化时间10?40min ;模内保压淬火时间为10?60s，模内保压淬火 过程的平均冷速为30?50°C /s ;烘烤处理温度在150?250°C，时间在30?60min。
[0017] 本发明的设计思想是：
[0018] 本发明热冲压烘烤韧化钢对应于热冲压-烘烤韧化（Hot Stamping-Bake Toughening，HS-BT)工艺，即是说，在热冲压零件安装到车身上以后，连同车身一起进 入烤漆间（或热处理炉），在车身烤漆温度范围内利用烤漆过程完成碳配分（carbon partitioning)处理，最终组织为马氏体与残余奥氏体的复相组织，工件的综合性能优异， 其碳配分处理利用了车身的烘烤处理，且此钢种的配分转移的时间宽松，可以在不改变现 行热冲压生产工艺，不增加相应设备的基础上实现Q&P工艺。
[0019] 本发明的优点及有益效果是：
[0020] 1、本发明提供的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化（HS-BT)马氏体钢具有Q&P钢 的优点，同时解决了 Q&P钢需要单独等温处理设备的缺点，可利用车身烘烤设备，且热冲压 工件在室温保持有马氏体与奥氏体组织，转移至热处理设备的时间宽松。
[0021] 2、与目前热冲压钢（如：硼钢22MnB5)的生产设备相适应，且工件的强塑积是硼钢 22MnB5的两倍以上，这对进一步提升汽车工业的发展与技术进步具有推动作用。
[0022] 3、力学性能测试结果表明，本发明热冲压烘烤韧化钢抗拉强度在2000? 2400MPa，延伸率在9?13 %，强塑积为20000?26000MPa · %，热冲压烘烤韧化钢的残余 奥氏体体积分数在6?10%，热冲压烘烤韧化钢良好的塑性源于其一定含量较稳定的残余 奥氏体相的贡献。
[0023] 总之，与现有Q&P钢相比，本发明提供的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢在 保持Q&P钢优点的基础上，克服了 Q&P钢需要独立等温配分设备、转移速度要求快的缺点， 利用车身的烘烤处理工序实现碳配分，且此钢种的配分转移时间宽松，可以兼容现行热冲 压生产工艺，不需增加有关设备，大大扩展Q&P钢的应用范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1为本发明实施例1?3的HS-BT钢的XRD图。
【具体实施方式】
[0025] 在本发明的【具体实施方式】中，本发明的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化马氏体 钢的化学成分（质量分数）为：〇· 2?0· 5% C，0. 25?1. 5% Μη，0· 2?0· 6% Cr，0. 2? 1. 0% Μο,0· 1 ?0· 8% Ni，0. 2 ?1. 2% Si，0. 2 ?0· 5% Α1，0· 002 ?0· 004% Β，0· 02 ? 0· 03% Ti，0. 5 ?1. 5% Cu，S〈0. 01%，Ρ〈0· 01%。
[0026] 本发明的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化马氏体钢的成分依据为：
[0027] C:主要起到固溶强化以及配分稳定奥氏体作用，直接影响马氏体的强度和残余奥 氏体的含量；
[0028] Μη :固溶强化，稳定奥氏体，脱氧、脱硫，降低Ms点温度，提高钢的淬透性；
[0029] Cr :能增加钢的淬透性，固溶强化；
[0030] Mo :固溶强化，稳定奥氏体，防止回火脆性，细化马氏体组织；
[0031] Si :作为非碳化物形成元素，抑制碳化物的形成，稳定奥氏体；
[0032] Ni :固溶强化，稳定奥氏体，防止热脆性；
[0033] A1 :同Si -样，具有细化晶粒，抑制碳化物析出；
[0034] B :在奥氏体晶界上发生偏聚，提高淬透性；
[0035] Ti :氮化物与碳化物形成元素，将N元素固定，避免BN形成，防止B元素损害；
[0036] Cu :起到析出强化作用，用于提高马氏体基体的强度；
[0037] S :杂质元素，形成MnS降低材料的塑性，含量控制在0. 01 %以下；
[0038] P :易引起钢的冷脆性，含量控制在0. 01%以下。
[0039] 本发明的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化马氏体（HS+BT)钢的马氏体转变开 始温度（M s) < 400°C，马氏体转变终了温度在（Mf) < 200°C。这可实现热冲压工件在室温 下具有马氏体与残余奥氏体的组织，还使工件可在室温保持较长时间，再进行烘烤处理。
[0040] 本发明的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化马氏体（HS+BT)钢的加工方法为：将 板料加热奥氏体化，而后立即转移至热冲压设备上进行冲压成形、保压淬火后出模冷却至 室温，工件组织为马氏体+不稳定的残余奥氏体；而后取出工件，放置在温度接近车身烤漆 温度的热处理炉中烘烤，使之发生碳配分，使得残余奥氏体稳定，最终获得稳定的马氏体与 残余奥氏体的复相组织，工件综合性能优异，与传统Q&P钢性能一致。
[0041] 为了实现在较低的温度范围内（如：在车身烘烤温度），可使碳在残余奥氏体中进 行配分，本发明的热冲压烘烤韧化马氏体（HS+BT)钢具有较低的M s和Mf点，以使烘烤处理 的温度处在碳配分温度范围。
[0042] 本发明中，所述加热奥氏体化过程指的是在电阻炉或燃料炉中对板料进行加热。 所述热冲压过程在压力机上进行，与热冲压生产过程一致，通过热冲压使得板料成形、模内 淬火后出模冷却至室温。所述放置在温度接近车身烤漆温度的热处理炉中烘烤，烘烤处理 利用了工业上的车身烤漆过程，温度在100?300°C。所述热处理炉可为盐浴炉、马弗炉、电 阻炉或者车身烤漆间。
[0043] 下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细说明。
[0044] 本发明实施例的热冲压烘烤韧化（HS-BT)马氏体钢试样的制备过程为：按照化 学成分，采用l〇〇kg真空熔炼炉冶炼，获得40kg的铸锭，自由锻至成60mm厚的轧坯，经过 1200°C保温2小时后热轧至为3mm厚的钢板。在钢板上截取100mmX200mm的试样进行热 冲压+烘烤韧化处理，最终工件上截取标距为25mm的拉伸试样和10mmX 10mm的XRD试样。
[0045] 本发明实施例中拉伸试验在SANS-5150万能试验机上进行，X射线衍射试验在日 本理学Rigaku D/Max 2500 PC衍射仪上进行，所用靶材为Cu靶，工作电流为300mA，工作电 压为50kV，扫描的角度范围为40?100°，速度为3min扫描Γ，步长为0.02°。
[0046] 实施例1
[0047] 本实施例中，HS-BT钢试样的化学成分（质量分数）为：0.4%C，0.32%Mn，0.35% Cr,0. 5 % Μο,Ο. 1 % Ni,0. 8 % Si,0. 2 % A1,0. 003 % B,0. 025 % Ti,0. 5 % Cu,0. 005 % S, 0. 008% P，Fe余量。将板料加热到950°C进行奥氏体化30min，而后在10s时间内转移至压 力机进行热冲压成形，模内保压、淬火时间为60s，保压淬火后出模冷却至室温。然后取出的 工件放置在热处理炉中，温度在150°C，保温时间为60min。热冲压保压淬火过程的平均冷 速为36°C /s。经相变膨胀仪测量，此钢的Ms点为237°C，Mf点为80°C。
[0048] 力学性能测试结果表明，该HS-BT钢经上述工艺处理后，抗拉强度在2205MPa，延 伸率在9. 3%，强塑积为20506MPa · %达到Q&P钢的力学性能指标。
[0049] 如图1所示，XRD结果表明，上述处理后的试样中残余奥氏体体积分数在6%，表明 该HS-BT钢的良好的塑性源于其一定含量较稳定的残余奥氏体相的贡献。
[0050] 实施例2
[0051] 本实施例中，HS-BT钢试样的化学成分（质量分数）为：0· 35%C，1. 2%Μη，0· 56% Cr,0. 4% Μο,Ο. 7% Ni,0. 7% Si,0. 4% A1,0. 0028% B,0. 021% Ti,1.5% Cu,0. 006% S, 0. 003% P，Fe余量。将板料加热到950°C进行奥氏体化30min，而后在10s时间内转移至压 力机进行热冲压成形，保压、淬火时间为60s，保压淬火后出模冷却至室温。然后取出的工件 放置在热处理炉中，温度在200°C，保温时间为30min。热冲压保压淬火过程的平均冷速为 36°C /s。经相变膨胀仪测量，此钢的Ms点为230°C，Mf点为50°C。
[0052] 力学性能测试结果表明，该HS-BT钢经上述工艺处理后，抗拉强度在2158MPa，延 伸率在10. 4%，强塑积为22443MPa · %达到Q&P钢的力学性能指标。
[0053] 如图1所示，XRD结果表明，上述处理后的试样中残余奥氏体体积分数在6. 8 %，表 明该HS-BT钢的良好的塑性源于其一定含量较稳定的残余奥氏体相的贡献。
[0054] 实施例3
[0055] 本实施例中，HS-BT钢试样的化学成分（质量分数）为：0.3% C，0.6% Mn，0.5% Cr, 1. 0% Μο,Ο. 39% Ni, 1. 0% Si,0. 4% Α1,0. 0036% B,0. 03% Ti, 1. 0% Cu,0. 004% S, 0. 005% P，Fe余量。将板料加热到950°C进行奥氏体化30min，而后在10s时间内转移至压 力机进行热冲压成形，保压、淬火时间为60s，保压淬火后出模冷却至室温。然后取出的工件 放置在热处理炉中，温度在250°C，保温时间为40min。热冲压保压淬火过程的平均冷速为 36°C /s。经相变膨胀仪测量，此钢的Ms点为232°C，Mf点为58°C。
[0056] 力学性能测试结果表明，该HS-BT钢经上述工艺处理后，抗拉强度在2079MPa，延 伸率在9. 8%，强塑积为20374MPa · %达到Q&P钢的力学性能指标。
[0057] 如图1所示，XRD结果表明，上述处理后的试样中残余奥氏体体积分数在6. 2 %，表 明该HS-BT钢的良好的塑性源于其一定含量较稳定的残余奥氏体相的贡献。
[0058] 上述具体实施例为阐述本发明一种基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化体（HS-BT) 钢的工艺原理，其他在本发明基础上的修改与完善案例均属于本发明的具体体现，应包含 于本发明的权利要求书中所要求的权利范围之内。
【权利要求】
1. 一种基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢，其特征在于，按质量分数计，其化学成分 为：0· 2 ?0· 5% C，0. 25 ?1. 5% Μη，0· 2 ?0· 6% Cr，0. 2 ?1. 0% Μο,0· 1 ?0· 8% Ni， 0· 2 ?1. 2% Si，0. 2 ?0· 5% Α1，0· 002 ?0· 004% Β，0· 02 ?0· 03% Ti，0. 5 ?1. 5% Cu， S〈0. 01 %，Ρ〈0· 01 %，Fe 余量。
2. 根据权利要求1所述的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢，其特征在于，马氏体 转变开始温度Ms < 400°C，马氏体转变终了温度Mf < 200°C，实现热冲压烘烤韧化钢在室温 下具有马氏体与残余奥氏体的组织。
3. 根据权利要求2所述的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢，其特征在于，优选地， 马氏体转变开始温度Ms为200°C?300°C，马氏体转变终了温度M f为50°C?150°C。
4. 一种权利要求1所述的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢的加工方法，其特征在 于，将板料加热奥氏体化，而后立即转移至热冲压设备上进行冲压成形、保压淬火后出模冷 却至室温，工件组织为马氏体+不稳定的残余奥氏体；而后取出工件，放置在车身烤漆温度 范围内的热处理炉中烘烤，使之发生碳配分，使得残余奥氏体稳定，最终获得稳定的马氏体 与残余奥氏体的复相组织，使工件综合性能与传统Q&P钢性能一致。
5. 根据权利要求4所述的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢的加工方法，其特征在 于，在车身烘烤温度使碳在残余奥氏体中进行配分，热冲压烘烤韧化马氏体钢具有较低的 Ms和Mf点，以使烘烤处理的温度处在碳配分温度范围。
6. 根据权利要求4所述的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢的加工方法，其特征在 于，所述加热奥氏体化过程指的是在电阻炉或燃料炉中对板料进行加热。
7. 根据权利要求4所述的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢的加工方法，其特征在 于，所述热冲压过程在压力机上进行，与热冲压生产过程一致，通过热冲压使得板料成形、 模内淬火后出模冷却至室温。
8. 根据权利要求4所述的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢的加工方法，其特征在 于，所述放置在车身烤漆温度范围内的热处理炉中烘烤，烘烤处理利用工业上的车身烤漆 过程，温度在100?300°C，时间在10?90min。
9. 根据权利要求4所述的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢的加工方法，其特征在 于，所述热处理炉为盐浴炉、马弗炉、电阻炉或者车身烤漆间。
10. 根据权利要求4所述的基于碳配分原理的热冲压烘烤韧化钢的加工方法，其特征 在于，优选地，奥氏体化温度为900?980°C，奥氏体化时间10?40min ;模内保压淬火时间 为10?60s，模内保压淬火过程的平均冷速为30?50°C /s ;烘烤处理温度在150?250°C， 时间在30?60min。
【文档编号】C21D8/00GK104195455SQ201410410190
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月19日 优先权日:2014年8月19日
【发明者】张士宏, 宋鸿武, 程明, 林涛 申请人:中国科学院金属研究所