采用ESP产线生产的抗拉强度≥1800MPa级热成形钢及方法与流程

本发明涉及一种汽车部件用钢及生产方法，确切地属于采用esp产线生产的抗拉强度≥1800mpa级热成形钢及方法。

背景技术

随着环境问题的日益加剧，汽车轻量化已成为当今汽车制造领域的核心问题。采用高强钢进行汽车车身轻量化设计，是满足汽车轻量化需求和提高碰撞安全性的最好途径。然而在目前，对于生产1000mpa级以上的超高强钢而言，钢铁企业必须采用专业化的超高强钢装备进行生产制造；同时，汽车企业制造存在零件冲压回弹难控制、尺寸精度差等技术难题。

热冲压成形技术的诞生很好地解决了上述难题。热冲压成形技术是将具有高淬透性的钢板坯料加热至奥氏体化温度，并保温一度时间使之均匀奥氏体化；随后用输送装置将处于高温状态下的板料送入有冷却系统的模具内冲压成形，同时通过模具对零件进行保压淬火，最终获得超高强度冲压零件。该技术可以利用钢铁企业现有装备进行热冲压成形薄钢板原料生产，然后通过热冲压成形专业化设备加工制造成强度1500mpa级以上的超高强汽车零部件。其具有生产组织成本低、零件成形精度高、零件成形性能好等优点,迅速成为汽车零部件制造领域的热门技术。

目前，国内外1800mpa级热冲压成形用薄钢板原料的生产工艺路线通常为：钢水冶炼→连铸→冷却→铸坯加热→热连轧→冷却→卷取→开卷→酸洗→冷轧→卷取→开卷→加热→退火处理→冷却→卷取。在上述生产工艺中，原料在热轧、冷轧、退火处理等工序需反复经历开卷与卷取、加热与冷却处理，重复工序的生产成本必然导致所生产的最终薄钢板产品价格高昂。

如中国专利申请号为cn201310258918.1的文献，其开发了一种抗拉强度1700mpa级热成形钢，其组分及重量百分比含量为：c：0.27~0.50%，si：0.28~0.50%，mn：1.20~1.60%，cr：0.32~0.60%，ti：0.025~0.055%，b：0.002~0.005%，als：0.010~0.06%，p≤0.012%，nb：0.010~0.035%或mo：0.30~0.45％或两者混合不超过0.50%，s≤0.008%，n≤0.005%，o≤0.005%；生产方法:铁水脱硫、转炉冶炼并铸坯；将铸坯加热、粗轧、精轧、层流冷却、卷取、酸洗并冷轧、退火、平整、精整及剪切、保护气氛下加热、成型、淬火、低温回火、待用。该文献是结合传统生产流程进行1700mpa级热成形钢生产，生产工艺复杂、能耗高。

中国专利申请号为cn201510790931.0的文献，公开了一种抗拉强度1500mpa级热冲压成形用薄钢板及其csp生产方法，其组分及重量百分比含量为：c：0.20～0.25％，si：0.25～0.40％，mn：1.00～1.30％，p≤0.025％，s≤0.01％，als：0.015～0.035％，n≤0.005％，b≤0.005％，nb：0.020～0.060％，ti：0.010～0.040％，其余为铁和不可避免的微量元素。生产工艺路线包括：钢水冶炼、立弯式csp薄板坯连铸、除鳞、辊底式隧道炉均热、tmcp六机架热连轧、层流冷却、卷取、开卷酸洗、平整、卷取。本发明方法取消了板料冷轧和退火热处理工序，以热轧薄板产品代替传统冷轧薄板产品，降低综合生产成本。还有中国专利申请号为cn201610713629.x的文献，公开了一种用薄板坯直接轧制的抗拉强度≥1700mpa薄热成形钢及生产方法，其组分及wt%：c:0.26～0.30%，si：0.31～0.35%，mn：1.3～1.5%，p≤0.008%，s≤0.005%，als：0.015～0.060%，cr：0.31～0.35%，ti：0.031～0.035%或nb：0.031～0.035%或v：0.031～0.035%或其中两种以上以任意比例的混合，b：0.003～0.004%，mo：0.20～0.25%，ni：0.06～0.10%，n≤0.005%。生产步骤：铁水脱硫；电炉或转炉冶炼及精炼；连铸；入均热炉前的除鳞处理；均热；加热；进轧机之前的高压水除鳞；轧制；冷却；卷取；奥氏体化；模具冲压成形；淬火。该两个文献采用csp短流程生产工艺进行了热成形钢的生产，其相对传统生产流程具有能源消耗少、生产成本低的优势。然而，只能生产厚度在1.2mm以上的薄钢板，对于需要更加轻量化的汽车部件的制造需求，则无法满足。本申请不仅可生产厚度在1.2mm以上的钢板，更可生产厚度在0.7至不超过1.2mm的薄钢板，且为稳定化生产。能有效补充现有技术在产品厚度规格方面的不足；另外，采用esp薄板坯连铸连轧技术在现有短流程生产技术的基础上，充分利用连铸坯高温能量、及时对高温铸坯进行生产轧制，实现较低的轧制力产生较大的压下量，可进一步减少生产消耗、降低材料生产成本。

中国专利申请号为cn201610766506.2的文献，公开了一种基于esp薄板坯连铸连轧流程生产dp600钢的方法，其原材料按质量百分比包括：0.045～0.10％的c、0.20～0.6％的si、1.2～2.0％的mn、0.1～1.0％的cr、≤0.05％的nb、≤0.05％的s、≤0.015％的p，其余为铁元素；将原材料依次进行转炉冶炼以及lf炉冶炼；将从lf炉冶炼形成的钢水经过esp产线生成不同厚度的热轧带钢；其中，在esp产线中，精轧出口的温度不低于820℃；通过二次冷却热轧带钢依次确定热轧带钢中的铁素体和马氏体所需比例。该文献采用esp生产的抗拉强度600mpa双向钢，是现有基于esp产线生产的最高强度级别产品，抗拉强度较低不能满足高端汽车车身对1800mpa以上超高强度的需求。

技术实现要素：

本发明在于克服现有技术存在的工艺复杂、能耗高，生产效率低的不足，提供一种在保证强度级别的前提下，能减少生产环节，降低能耗，缩短生产周期的采用esp产线生产的抗拉强度≥1800mpa级热成形钢及方法。

实现上述目的的措施：

采用esp产线生产的抗拉强度≥1800mpa级热成形钢，其组分及重量百分比含量为：c：0.28～0.40%，si：0.15～0.40%，mn：1.40～1.60%，p≤0.01%，s≤0.01%，als：0.015～0.050%，cr≤0.80%，n≤0.005%，b：0.002～0.005%，mo≤0.50%，nb+ti：0.025～0.090%，其余为fe及不可避免的杂质；nb或ti均不为零。

优选地：nb+ti的重量百分比含量在0.025～0.090%；该两个元素在控制范围内任意添加。

采用esp产线生产的抗拉强度≥1800mpa级热成形钢的方法，其步骤：

1）冶炼并连铸成板坯；

2）进行粗轧，并控制单道次压下率不低于60%；

3）进行均热处理，控制均热温度在1200～1250℃；

4）经常规高压除鳞后进行精轧，终轧温度在815～865℃；

5）进行层流冷却至575～650℃；

6）进行加热，加热温度在875～950℃，并在此温度下保温3~10min；

7）经酸洗后冲压成型，其间控制模具内的淬火速度不低于20℃/s，冷却至180℃以下。

其在于：当不需要及时进行冲压成型时，在层流冷却后进行卷取，后再自然冷却至室温；若要冲压成型时，再按照步骤6）及7）进行。

优选地：加热温度在900～930℃。

本发明中各元素及主要工艺的作用及机理：

c：碳是钢中的基本元素，也是最经济、有效的强化元素。碳含量设计偏低，热冲压成形后强度下降；但碳含量过高则降低了钢的塑性，且对焊接性不利。因此从经济性和综合性能考虑，本发明中碳百分含量控制范围为0.28～0.40%。

si：硅是固溶强化元素，固溶在铁素体中，有利于提高母材和热冲压成形后材料的强度。随着硅含量的增加，钢的强度显著提高，塑性明显下降，焊接性能下降。因此，硅含量控制范围为0.15～0.40%。

mn：锰具有固溶强化作用，是提高材料强度重要元素之一；但锰含量添加过高容易对焊接性不利。因此将锰上限设定为1.60％，本发明添加锰含量为1.40～1.60%。

p：磷是钢中的有害元素，易引起铸坯中心偏析。在随后的热连轧加热过程中易偏聚到晶界，使钢的脆性显著增大。同时基于成本考虑且不影响钢的性能，将其含量控制在0.01%以下。

s:硫是非常有害的元素。钢中的硫常以锰的硫化物形态存在，这种硫化物夹杂会恶化钢的韧性，并造成性能的各向异性，因此，需将钢中硫含量控制得越低越好。基于对制造成本的考虑，将钢中硫含量控制在0.01%以下。

als：铝是为了脱氧而添加的，当als含量不足0.015%时，不能发挥其效果；另一方面，由于添加多量的铝容易形成氧化铝团块，因此，铝含量控制范围为0.015～0.050%。

cr:铬是提高钢的淬透性的重要元素，固溶到奥氏体中提高奥氏体的稳定性，有助于提高钢的淬透性获得马氏体组织；同时，铬能提高钢的回火稳定性。而铬含量超过0.80%后其提高淬透性的作用富余。因此本发明中铬含量控制在0.80%以下。

n:氮能够提高钢的强度；然而，氮与铌、钛结合力强，在高温时钢中就会形成颗粒粗大的氮化铌、氮化钛，严重损害钢的塑性和韧性；另外，较高的氮含量会使稳定氮元素所需的微合金化元素含量增加，从而增加成本。因此应尽量降低氮元素的含量，本发明中氮控制在0.005％以下。

b:硼是强烈提高淬透性元素，只须加入极微量就有明显的影响，淬透性可以成倍的提高，从而节约其它昂贵的金属元素。钢中加入微量的硼元素能显著提高钢的淬透性。但硼含量低于0.002％，或者高于0.005％，对提高淬透性的作用不明显。因此，本发明中的硼含量控制在0.002～0.005%范围。

mo：钼是提高淬透性的元素，固溶到奥氏体中提高奥氏体的稳定性，有助于提高钢的淬透性以获得马氏体组织；而钼含量超过0.5%后其淬透性作用富余，且成本较高。因此本发明中钼含量控制在0.5%以下。

nb+ti：：铌、钛是强c、n化物形成元素。钢中加入少量的铌就可以形成一定量的铌的碳、氮化物，从而阻碍奥氏体晶粒长大、细化奥氏体晶粒，大大提高钢热成形淬火后的强度和韧性；钢中加入少量钛的目的是固定钢中的n元素，避免b与n结合。但是过量铌、钛会与c结合，形成粗大碳氮化物，从而降低试验钢淬火后马氏体的硬度和强度。因此，将其总含量控制在0.025～0.090%范围。

本发明之所控制以粗轧单道次压下率不低于60%，是由于该工艺可以有效将厚度80～120mm连铸铸坯经粗轧机组轧制成厚度为8～20mm中间板坯，为后续精轧提供所需厚度的中厚坯原料；另外，较大的粗轧压下率可以使粗大的连铸坯奥氏体组织转变为扁平奥氏体组织，再经过后续加热再结晶转化为细小的奥氏体组织，细化奥氏体晶粒尺寸。

本发明之所以将加热温度控制在875～950℃，并在此温度下保温3~10min，是由于本发明所开发的高强钢所有组织转变为奥氏体终了温度ac3为875℃。要实现热冲压成形前材料为100%奥氏体组织，加热温度应不低于875℃；但过高的温度，容易导致奥氏体晶粒粗大，同时导致加热后的板料强度偏低、易变形，不便于热冲压成形过程中的板料传输与精确定位。保温时间低于3min，无法实现板料完全奥氏体化；但保温时间过长，容易导致奥氏体晶粒粗大，强度降低。因此，将加热温度控制在875～950℃，并在此温度下保温3~10min范围。

本发明之所以控制模具内的淬火速度不低于20℃/s，是由于本发明所开发的薄钢板在淬火处理过程中转变为100%马氏体的临界冷却速度，否则不能充分淬火达到所需强度。

本发明与现有技术相比，其通过复合添加nb、ti，并控制组分中的cr、b、mo等元素，

以及采用esp短流程工艺生产抗拉强度为1800mpa级热冲压成形用钢，不仅能保证其力学性能，且能减少生产过程中板卷反复加热、开卷、卷曲等工序，还能取消冷轧和退火热处理工序，降低生产成本。

附图说明

图1是本发明薄钢板典型金相组织：铁素体+珠光体；

图2是本发明薄钢板淬火后典型金相组织：马氏体。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的化学成分列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施例及对比例的性能检测结果列表。

本发明各实施例均按照以下步骤进行生产：

1）冶炼并连铸成薄板坯；

2）进行粗轧，并控制单道次压下率不低于60%；

3）进行均热处理，控制均热温度在1200～1250℃；

4）经常规高压除鳞后进行精轧，并控制其终轧温度在815～865℃；

5）进行层流冷却，在冷却速度为10～20℃/s下冷却至575～650℃；

6）进行加热，加热温度在875～950℃，并在此温度下保温3~10min；

7）经酸洗后冲压成型，其间控制模具内的淬火速度不低于20℃/s，冷却至180℃以下。

表1本发明各实施案例的化学成分（wt.%）

表2本发明各实施例及对比例的主要工艺参数取值列表

表3本发明各实施例及对比例的性能检测结果

从表3可以看出，通过esp短流程轧制工艺，实现了发明钢的抗拉强度达到了1800mpa以上，同时其强度远远高于现有esp产线产品强度，对于推进汽车轻量化水平提升具有重要意义。

本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。