一种抗拉强度在1450MPa以上的超高强度冷轧钢带及其制造方法与流程

本发明涉及一种钢材及其制造方法，尤其涉及一种高强冷轧钢及其制造方法。

背景技术：

1、近年来，随着汽车行业的迅猛发展，市场对于车辆的减重和安全性需求也随之变高。诸多汽车生产企业出于车辆的减重和安全性需要，要求使用更高强度的钢板。

2、但研究发现，钢板的强度越高，则其成形性、韧性就越差，并且在加工和使用过程中不可避免地和氢接触时，容易发生脆性断裂，即存在氢致脆性的特性，其会严重降低超高强度钢的安全保护效果，并在应用时造成很大的困扰。

3、在当前现有技术中，已有部分研究人员针对高强度钢板进行了相关优化设计，并取得了一定的成果，得到了一些抗拉强度在1450mpa以上的高强钢。

4、例如：公开号为cn110684932a，公开日为2020年1月14日，名称为“一种1500mpa级冷成形带钢及其生产方法”的中国技术文献公开了一种1500mpa级冷成形带钢及其生产方法，其化学成分设计为：c：0.25-0.4％，si：0.1-0.3％，mn：1.1-1.7％，cr：0.2-0.4，p：≤0.02％，s：≤0.012％，al：0.03-0.05％，ti：0.035-0.05，b：0.001-0.003，v：0.15-0.3，n：≤0.003％。该技术方案的生产方法包括铁水预处理、转炉炼钢、lf炉精炼、rh精炼、连铸、热轧、冷轧、连续退火和平整工序。其中，连续退火工艺为：加热和均热温度为820～860℃,均热时间为50～100s，快冷开始温度为660～680℃,冷却速率为80～100℃/s,过时效温度为260～300℃。最终所得带钢的组织为分布均匀的马奥岛和极少量的铁素体，具有超高强度、优异的焊接和冷成形性。

5、再例如：公开号为cn112981252a，公开日为2021年6月18日，名称为“一种1500mpa级汽车用钢板及其生产方法”的中国专利文献公开了一种1500mpa级汽车用钢板及其生产方法，其化学成分设计为：c：0.17-0.21％，si：0.12-0.2％，mn：1.3-1.7％，p：≤0.03％，s：≤0.01％，al：0.03-0.05％，n：≤0.005％。同时，该技术方案的生产方法包括热轧、冷轧、退火、平整、热成型工序。采用该技术方案最终所得的汽车用钢板的抗拉强度为1500-1600mpa，屈服强度为1000-1200mpa，延伸率≥5％。

6、又例如：公开号为cn112522573a，公开日为2021年3月19日，名称为“一种含b马氏体钢带及其制造方法”的中国专利文献公开了一种含b马氏体钢带及其制造方法，其化学成分质量百分比为：c：0.16-0.26％，si：0.1-0.5％，mn：0.4-1.7％，p：≤0.02％，s：≤0.007％，al：≤0.001％，b：0.001-0.006，v：0.15-0.3，n：0.004-0.01％。还包括sn：0.005-0.04％或cu：0.1-0.6％的一种或两种，nb：0.01-0.08或mo：0.1-0.4的一种或两种，mn/s≥250。该马氏体钢带的屈服强度为800-1200mpa，抗拉强度为1100-1900mpa，延伸率在3-12％之间，其可以广泛应用于高强汽车用钢领域。

7、上述专利技术文献所公开的超高强度钢均涉及1450mpa以上的强度，且部分涉及延迟开裂或氢致开裂的改善。但是，发明人研究发现，以上专利文献均未考虑到由钢板成形为零件，然后进行烤漆烘烤后的延迟开裂的情况。须知，在钢材实际用于汽车零件制备时，需经过成形，然后进行烤漆烘烤，若不考虑零件成形后再进行烤漆烘烤后的延迟开裂问题，则很容易在零件烤漆烘烤后出现质量缺陷。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种抗拉强度在1450mpa以上的超高强度冷轧钢带，本发明通过合理的成分设计和工艺设计相互配合，可以获得抗拉强度在1450mpa以上的超高强度冷轧钢带，其在具备超高强度的同时，还具有优良的冷弯性能和良好的抗氢致开裂性能，且其在零件模拟成形后经过170℃加热保温20分钟后(汽车零件的烤漆烘烤过程)，仍然具有优良的韧性和抗氢致开裂特性。

2、本发明所述的超高强度冷轧钢带可以有效应用于汽车工业中，并用于制备汽车零部件，以在实现车辆减重的同时，确保安全性，其具有良好的推广前景和应用价值。

3、为了实现上述目的，本发明提供了一种抗拉强度在1450mpa以上的超高强度冷轧钢带，其含有fe和不可避免的杂质元素，其还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：

4、c：0.19-0.245％，si：0.03-0.45％，mn：0.8-1.2％，b：0.001-0.004％，cu：0.05-0.15％，zr：0.05-0.15％，ti：0.005-0.05％，al：0.01-0.08％；

5、其微观组织具有基体以及均匀弥散分布于基体的碳化物颗粒，其中基体具有体积分数95％以上回火马氏体，所述碳化物颗粒的平均直径不超过0.5微米。

6、进一步地，在本发明所述的超高强度冷轧钢带中，其各化学元素质量百分比为：

7、c：0.19-0.245％，si：0.03-0.45％，mn：0.8-1.2％，b：0.001-0.004％，cu：0.05-0.15％，zr：0.05-0.15％，ti：0.005-0.05％，al：0.01-0.08％，余量为fe和不可避免的杂质。

8、在上述技术方案中，本发明所述的超高强度冷轧钢带在化学成分设计中，采用了c、si、mn、b作为基本添加元素，其在保证强度的基础上，还控制了尽量低的碳当量。根据通用的马氏体钢强度计算经验公式ts(mpa)＝2880c+800，该公式适用于c在0.2-0.5％之间，而本发明所设计的这种钢材获得同强度的含碳量均低于经验公式的计算值。

9、此外，在本发明中钢中添加了zr、ti等强碳化物形成元素，以使钢板在加工过程中能够形成较多的析出物，例如：zrc、ti(c,n)等细小弥散的析出物，以提高马氏体的抗回火性能，抑制回火过程中fe3c的析出，从而抑制可逆氢陷阱吸附较多的氢，防止出现钢板内扩散氢过高的问题。另外，该超高强度冷轧钢带中还添加了适量的cu元素，以改善钢材的耐腐蚀性能。

10、在本发明所述的超高强度冷轧钢带中，各化学元素的设计原理如下所述：

11、c：在本发明所述的超高强度冷轧钢带中，c元素通过影响马氏体硬度来提高钢材的强度，钢中添加适量的c有利于材料的强度。但需要注意的是，钢中c元素含量越高，其马氏体越硬，脆性倾向也越大，不利于焊接。为此，考虑c元素含量对钢材性能的影响，在本发明中，实际将c元素的质量百分含量控制在0.19-0.245％之间。

12、当然，在一些优选的实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以进一步将c元素的质量百分含量控制在0.195-0.24％之间。

13、si：在本发明所述的超高强度冷轧钢带中，si元素有固溶强化作用，但同时也容易促进残余奥氏体的形成。因此，必须控制钢中较低的si元素含量，在本发明中，将si元素的质量百分含量控制在0.03-0.45％之间，以尽量避免残余奥氏体形成。

14、当然，在一些优选的实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以进一步将si元素的质量百分含量控制在0.03-0.4％之间。

15、mn：在本发明所述的超高强度冷轧钢带中，mn是提高淬透性的重要元素，其可以提高钢材的淬透性，并有利于强度。但mn会增加钢的碳当量，根据冷却方式应该尽量采用低mn的设计，因此，考虑到mn元素含量对于钢材性能的影响，在本发明所述的超高强度冷轧钢带中，将mn元素的质量百分含量控制在0.8-1.2％之间。

16、当然，在一些优选的实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以进一步将mn元素的质量百分含量控制在0.9-1.1％之间。

17、b：在本发明所述的超高强度冷轧钢带中，b元素同样可以提高钢材的淬透性，为发挥b元素的有益效果，以保证钢材的淬透性。在本发明中，将b元素的质量百分含量控制在0.001-0.004％之间。

18、当然，在一些优选的实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以进一步将b元素的质量百分含量控制在0.0015-0.0035％之间。

19、cu：在本发明所述的超高强度冷轧钢带中，cu元素能够提高钢材的耐蚀性能，并有利于改善材料的氢致开裂特性。但需要注意的是，钢中同样不易添加过量的cu，cu元素添加过多容易导致钢材出现高温脆性。因此，必须严格控制cu元素的含量，在本发明中，将cu元素的质量百分含量控制在0.05-0.15％之间。

20、zr：在本发明所述的超高强度冷轧钢带中，zr是强碳化物形成元素，钢中添加适量的zr不仅可以有效抑制残余奥氏体的形成，还有利于钢材强度和韧性的提高。因此，在本发明中，将zr元素的质量百分含量控制在0.05-0.15％之间。

21、ti：在本发明所述的超高强度冷轧钢带中，ti元素可以起到固定n的作用，其可以充分发挥b的提高淬硬性作用。此外，ti元素在钢中所形成的tic有利于分散氢的聚集，但tin不利于钢的塑性。因此，考虑到ti元素对钢材性能的影响，在本发明中，将ti元素的质量百分含量控制在0.005-0.05％之间。

22、当然，在一些优选的实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以进一步将ti元素的质量百分含量控制在0.005-0.04％之间。

23、al：在本发明所述的超高强度冷轧钢带中，al元素可以起到脱氧的作用，其作为脱氧剂进行添加，以确保钢材的性能。因此，为了发挥al元素的有益效果，在本发明中，将al元素的质量百分含量控制在0.01-0.08％之间。

24、综上所述，本发明对化学成分进行了合理的设计，其经过冶炼、铸造和轧制，然后通过连续退火中的快速淬火能够得到体积分数至少95％以上的马氏体，其它为贝氏体，当不可避免时，可含有少量铁素体和残余奥氏体，但铁素体和残余奥氏体的含量(体积分数)均＜0.5％。其成分设计和工艺设计能够尽量减少残余奥氏体的含量，避免成形过程残余奥氏体转变成高碳马氏体导致的内应力和脆性相的不利影响。

25、此外，通过加入适当种类和含量的强碳化物形成元素组合，使基体中弥散析出大量的细小碳化物颗粒，这些碳化物颗粒均匀弥散分布于基体金属，其颗粒平均直径不超过0.5微米，并且不易回火长大。通过这样的设计，可以有效提高马氏体的抗回火性，使之在烘烤后，析出物颗粒仍然细小，确保材料的抗氢致开裂性能不下降。

26、进一步地，在本发明所述的超高强度冷轧钢带中，在不可避免的杂质中，p≤0.015％，s≤0.002％，n≤0.005％。

27、在本发明所述的超高强度冷轧钢带中，p、s、n元素均为钢中的杂质元素，在技术条件允许情况下，为了获得性能更好且质量更优的超高强度冷轧钢带，应尽可能降低钢中杂质元素的含量。

28、p：在本发明中，p为钢中的杂质元素，其会降低钢材的韧性，并会对延迟开裂产生不利。因此，在本发明中，必须严格地控制钢中p元素含量，并控制p元素的质量百分含量满足：p≤0.015％。

29、s：在本发明中，s同样为钢中的杂质元素，s在钢中会形成mns，并严重影响钢材的扩孔率。因此，在本发明中，需要严格控制钢中s元素的含量，并控制s元素的质量百分含量满足：s≤0.002％。

30、n：在本发明中，n同样为钢中的杂质元素，n在钢中可以和ti反应析出大颗粒的tin，当大颗粒tin位于钢板表面附近时，容易成为氢聚集的区域，进而形成裂纹源，故要求控制n元素的质量百分含量满足：n≤0.005％，以尽量减少tin的量。

31、当然，在一些优选的实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以对杂质元素p、s、n的含量进行进一步地限定，并可以优选地控制为：p≤0.012％，s≤0.0015％，n≤0.004％。

32、进一步地，在本发明所述的超高强度冷轧钢带中，其化学元素还含有下述各项的至少其中之一：

33、w：0.05-0.15％；

34、mo：0.05-0.15％；

35、ni：0.05-0.15％；

36、ca：0.0005-0.0035％；

37、nb：0.015-0.045％；

38、v：0.005-0.015％。

39、在本发明中，为了获得性能更优的超高强度冷轧钢带，本发明还可以进一步添加w、mo、ni、ca、nb、v元素。

40、w：在本发明所述的技术方案中，w是强碳化物形成元素，钢中添加适量的w不仅有利于形成弥散分布的细小析出物，还有利于分散氢在局部区域的聚集。因此，为了发挥w元素的有益效果，在本发明所述的超高强度冷轧钢带中，可以优选地添加0.05-0.15％的w。

41、mo：在本发明所述的技术方案中，mo元素可以提高钢材的淬硬性，其不仅有利于形成弥散分布的细小timoc析出物，还有利于分散氢在局部区域的聚集。因此，为了发挥mo元素的有益效果，在本发明所述的超高强度冷轧钢带中，可以优选地添加0.05-0.15％的mo。

42、nb、v：本发明所述的技术方案中，nb、v元素可以起到细化晶粒的作用，同时弥散析出，有利于分散氢的聚集。因此，在本发明中，可以优选地添加适量的nb和v，并控制nb元素在0.015-0.045％之间，控制v元素在0.005-0.015％之间。

43、需要说明的是，与钢中的zr、ti元素相近，上述优选添加的w、mo、v、nb也均是强碳化物形成元素，钢中添加zr、w、mo、v、nb、ti等强碳化物形成元素，能够以使钢板在加工过程中形成较多的zrc、wc、timoc、ti(c,n)、nb(c,n)等细小弥散的析出物，从而提高马氏体的抗回火性能，并抑制回火过程中fe3c的析出。

44、ni：在本发明所述的技术方案中，ni有利于提高钢的耐蚀性，并且有利于缓解cu导致的脆性。因此，在本发明所述的超高强度冷轧钢带中，可以优选地添加0.05-0.15％的ni。

45、ca：在本发明所述的技术方案中，添加适量的ca可以改善夹杂物的长宽比，在本发明中，可以优选地添加0.0005-0.0035％的ca。

46、进一步地，在本发明所述的超高强度冷轧钢带中，其各化学元素质量百分含量进一步满足下述各项的至少其中之一：

47、c：0.195-0.24％，

48、si：0.03-0.4％，

49、mn：0.9-1.1％，

50、b：0.0015-0.0035％，

51、ti：0.005-0.04％。

52、进一步地，在本发明所述的超高强度冷轧钢带中，其微观组织的基体还包括贝氏体。

53、进一步地，在本发明所述的超高强度冷轧钢带中，其微观组织的基体中铁素体和残余奥氏体的体积分数均＜0.5％。

54、进一步地，在本发明所述的超高强度冷轧钢带中，所述碳化物颗粒包括fe3c；以及ti(c,n)、nb(c,n)、zrc、wc、vc、timoc的至少其中之一。

55、进一步地，在本发明所述的超高强度冷轧钢带中，其抗拉强度≥1450mpa；室温冲击韧性(夏比v型缺口)≥38j/cm2；抗氢致开裂性能满足：预置应力等于一倍抗拉强度的u型弯曲试样，在1mol/l浓度的盐酸内浸泡300小时以上不发生开裂；经过170℃加热保温20分钟后，其抗氢致开裂特性满足：预置应力大于等于1.2倍抗拉强度的u型弯曲试样，在1mol/l浓度的盐酸内浸泡300小时以上不发生开裂。

56、相应地，本发明的另一目的在于提供上述的超高强度冷轧钢带的制造方法，发明人对该制造方法的制备工艺进行了进一步的优化设计，以使之适配钢带的化学成分设计。采用该制造方法可以有效制备本发明上述的超高强度冷轧钢带，其具有良好的应用前景。

57、为了实现上述目的，本发明提出了上述的超高强度冷轧钢带的制造方法，其包括步骤：

58、(1)冶炼和铸造；

59、(2)热轧：其中加热到1150～1200℃，保温40～50min，控制终轧温度为870～920℃，轧后快速冷却至卷取温度，冷却速度为20～50℃/s，控制卷取温度为500～600℃，并在卷取后控制冷却；

60、(3)酸洗后冷轧；

61、(4)连续退火；

62、(5)回火：用感应加热的方式加热到回火温度200～300℃，保温150s以上。

63、在本发明所述的超高强度冷轧钢带的制造方法中，发明人对热轧工艺进行了优化设计，其热轧采用了低温加热、低温终轧和低温卷取的工艺手段。当然，卷取后的钢卷可以进一步采用风机吹冷的快冷手段，以抑制析出物(wc/timoc/ti(c,n)/nb(c,n))的析出和长大，从而在冷轧板连续退火过程中，发生二次析出，得到更细小的强碳化物析出。

64、此外，在本发明上述步骤(5)中，发明人将回火温度控制在200-300℃之间，是为了通过低温回火，降低马氏体的硬度，并控制fe3c析出物的大小。

65、进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，卷取后先空冷冷却到钢卷表面温度为400-500℃之间，然后用风机吹冷，直至钢卷表面温度低于200℃。

66、在本发明上述技术方案中，卷取后控制冷却的目的是通过加速冷却，抑制一部分的强碳化物(wc、timoc、ti(c,n)、nb(c,n)等)在热轧卷冷却过程中析出，从而在冷轧板连续退火过程中，发生二次析出，得到更细小的强碳化物析出。

67、进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(3)中，控制冷轧压下率为30～65％。

68、进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(4)中，以5℃/s以上的升温速度加热到奥氏体单相区保温30～120s；然后以3～10℃/s的速度冷却到700～780℃之间，再以不小于700℃/s的速度水冷冷却到100℃以下，然后酸洗。

69、相应地，在一些优选的实施方式中，在完成上述步骤(4)后，对于酸洗的钢板，可以进一步采用碱洗和清洗去除钢板表面的残酸，并烘干钢板后，然后用感应加热的方式加热到200-300℃之间进行回火，优选地控制回火时间不低于200s，以获得回火马氏体，且二次析出物颗粒细小。

70、当然，在采用碱洗和清洗去除钢板表面的残酸并烘干钢板后，可以进一步优选地用感应加热的方式加热到回火温度200-250℃之间，并进行不低于400s的回火，回火处理后可以进行平整。

71、进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(6)中，控制平整率≤0.3％。

72、相较于现有技术，本发明所述的抗拉强度在1450mpa以上的超高强度冷轧钢带及其制造方法具有如下所述的优点以及有益效果：

73、与当前现有技术的钢材相比，本发明在较低的碳当量下，得到了一种抗拉强度在1450mpa以上的超高强度冷轧钢带。发明人采用了合理的化学成分，有效地抑制了残余奥氏体的形成机会，其可以将残余奥氏体含量控制在0.5％以下，避免了成形过程中残余奥氏体转变成高碳马氏体而导致的附加应力。

74、此外，在化学成分设计时，发明人通过添加强碳化物形成元素有效抑制局部固溶碳的富集，进一步抑制残余奥氏体形成，同时钢中弥散析出大量细小的析出物，可以提高钢板的韧性，有效避免后续零件烤漆过程中的碳化物的聚集长大而导致的韧性下降，并且得益于烘烤过程的内应力释放效果，提高了零件的抗延迟开裂性能。

75、该超高强度冷轧钢带不仅具有1450mpa以上的超高强度，其还具有优良的冷弯性能和良好的抗氢致开裂性能，并且该钢在经过170℃加热保温20分钟后，具有优良的韧性和抗氢致开裂特性。该超高强度冷轧钢带的微观组织以回火马氏体为主，其含有至少95％以上的回火马氏体，其它为贝氏体，当不可避免时，可含有少量铁素体和残余奥氏体，但各自体积分数含量均＜0.5％。在亚结构方面，该超高强度冷轧钢带板的突出特点是基体中弥散析出了大量的细小碳化物颗粒，这些碳化物颗粒包括fe3c，根据成本不同还包括ti(c,n)、nb(c,n)、zrc、wc、vc、timoc等，这些碳化物颗粒均匀弥散分布于基体金属，其颗粒平均直径不超过0.5微米。

76、该超高强度冷轧钢带的抗氢致开裂性能较好，其所制备的预置应力等于一倍抗拉强度的u型弯曲试样，可以在1mol/l浓度的盐酸内浸泡300小时以上不发生开裂。该钢板经过2％预变形，并在170℃加热保温20分钟模拟汽车零件成形和烤漆工艺后，其抗氢致开裂特性还会有进一步上升：即在预置应力为1.2倍抗拉强度的u型弯曲试样，可以在1mol/l浓度的盐酸内浸泡300小时以上不发生开裂。该特性使得上述超高强度冷轧钢带用于汽车安全结构件的制造时，有比较好的服役性能。