低密度高強度鋼及製備所述鋼的方法
2023-05-02 11:01:36 1
低密度高強度鋼及製備所述鋼的方法
【專利摘要】本發明涉及一種低密度高強度鋼片材，其包含0.15%至0.25%的C、2.5%至4%的Mn、0.02%或更少的P、0.015%或更少的S、6%至9%的Al和0.01%或更少的N，餘量是鐵和不可避免的雜質，其中1.7·(Mn-Al)+52.7·C至少為3且至多為4.5，並且還涉及製備所述低密度高強度鋼片材的方法。
【專利說明】低密度高強度鋼及製備所述鋼的方法
[0001]本發明涉及低密度高強度鋼片材並且涉及製備低密度高強度鋼片材的方法，例如用作用於汽車的結構零件的內部或外部鋼片材。
[0002]由於其優異的強度和延展性以及與鋁或鎂相比極低的成本，通過開發允許使用更薄的高強度鋼片材的更強等級，鋼通常用於使汽車的車體更輕。然而，為了克服未來對重量降低的局限，可需要使用替代性來源用於降低鋼部件的重量。
[0003]具有較低密度的鋼在本領域中是已知的。具有超過20%的極高錳含量的TWIP鋼導致較輕的鋼基質。有時還添加作為輕質元素的鋁從而降低鋼的密度。已經使用了添加至多15%的鋁。
[0004]已知鋼材具有的問題在於:由於在軋制過程中它們的開裂傾向和它們的高抗變形性，鋼材工業的現有設備的加工性能是有問題的。其它問題是焊接性問題，特別是對於高鋁含量，和形成不需要的馬氏體組分的可能性。
[0005]本發明的一個目的是提供可以使用鋼材工業的現有設備製備的低密度高強度鋼片材。
[0006]本發明的另一目的是提供一種具有至少600MPa的強度的相對低合金化的低密度高強度鋼片材。
[0007]本發明的另一目的是提供用於製備低密度高強度鋼片材的方法。
[0008]通過提供如權利要求1中所要求保護的低密度高強度鋼片材實現一個或多個所述目的，所述鋼片材包含0.15%至0.25%的C、2.5%至4%的Μη、0.02%或更少的P、
.0.015%或更少的S、6%至9%的Al和0.01%或更少的N，餘量是鐵和不可避免的雜質，其中
.1.7.(Mn-Al)+52.7.C至少為3且至多為4.5。在從屬權利要求中要求保護優選的實施方案。
[0009]通過權利要求7的方法實現一個或多個所述目的。在從屬權利要求中要求保護該方法的優選實施方案。
[0010]下面將詳細描述本發明的組成(所有組成為重量％)。
[0011]碳用於產生滲碳體(Fe, Mn) 3C和卡帕碳化物(Fe, Mn) 3A1C。碳還是奧氏體穩定化元素，並通過形成析出物來提供彌散強化。特別地，由於在連續鑄造過程中所產生的柱狀枝晶快速再結晶以產生粗大組織，因而在高溫下碳化物的形成用於細化該組織。此外，添加.0.15%至0.25%的碳用於提高強度。然而，如果碳的添加量增加，則滲碳體和卡帕碳化物增加的量有助於提高強度，但是極大地降低了鋼的延展性。特別是在向其中添加鋁的鋼中，卡帕碳化物在鐵素體晶界上析出而引起脆性。低於0.15%的值導致過低的強度，而高於0.25%的值趨於提高與焊接相關的問題的風險，因此碳含量最大為0.25。優選地，碳含量至少為.0.16%、更優選至少為0.17%。優選地，碳含量至多為0.23、更優選至多為0.20%。
[0012]錳與碳一起有助於在高溫下形成奧氏體。此外，錳增加了鋼的晶格常數從而降低了鋼的密度。發現2.5%的最小量的錳導致穩定的奧氏體和鋼密度的顯著降低。然而，如果錳的量是過量的，那麼中心偏析的發生導致熱軋片材中過量的帶結構，這引起延展性的降低。因此將錳的上限限制為4%。錳的優選上限為3.8%。[0013]磷是以儘可能少的量添加的元素。磷在晶界上偏析並引起熱脆性和冷脆性，從而可極大地降低鋼的可加工性。將磷的上限限制為0.02%，但是優選將該量限制為至多0.01%或甚至0.005%。
[0014]類似於磷，硫促進熱脆性。特別地，其產生粗大的MnS，MnS在熱軋和冷軋時可引起軋制板斷裂，因此將其限制為0.015%或更低。優選將硫含量限制為至多0.01%或甚至0.005%。
[0015]鋁與碳和錳一起是本發明中的重要元素。添加鋁降低了鋼的密度。考慮到比重的降低，優選添加大量的鋁。添加6%或更多的鋁導致鋼密度的顯著降低。然而，如果過量添加鋁，則金屬間化合物如卡帕碳化物、FeAl或Fe3Al的量增加，這造成鋼的延展性降低，導致冷軋過程中的開裂，因此將上限限制為9%。此外，鋁引起延展性-脆性轉變溫度由低於零度的溫度至環境溫度附近的提高。因此，將鋁的上限限制為9%。鋁的優選下限為6.2%。
[0016]如果如本發明中那樣添加大量的鋁，則氮引起AlN析出物的形成。這些析出物在柱狀枝晶細化和改善等軸枝晶的比例方面是有效的，並且出於這種原因鋼中少量的氮是有利的。然而，大量的氮引起大量可能粗大的AlN析出物，這是不需要的。因此，將N的上限限制為0.01%。優選將氮量限制為至多0.008%或甚至0.005%。
[0017]發明人發現，在如上文解釋的化學組成範圍內的鋼並不總能導致表現得令人滿意的鋼。如果式(1.7 X (Mn-Al)+52.7C)的結果低於3或高於4.5，則獲得的鋼的延展性似乎太低。
[0018]通過該式，與鋁的量相關地控制錳和碳的量以便控制延展性。
[0019]在一個實施方案 中，選擇該鋼片材的組成使得(36.C+Mn)/Al的值至少為1.3且至多為2.0。
[0020]除了本發明的上述基本組成外，為了改善或補償鋼的強度、延展性和其它物理性質，還可以任選添加少量至中等量的由S1、Cr、Mo、N1、Cu、B、T1、Zr、Nb、W和Ca組成的組中的一種或兩種或更多種元素。
[0021]類似於鋁，矽也降低了鋼的比重並有助於強度的提高，但是如果過量添加，則矽可在鋼表面上產生厚的、不規則的高溫氧化物膜。此外，矽引起脆性-延展性轉變溫度由低於零度的溫度至環境溫度附近的比鋁更強的提高。因此，將矽的上限限制為2%。因此，優選矽的量為0.1至2.0%。
[0022]鉻是鐵素體形成元素，其形成可用於細化顯微組織的Cr基碳化物，因此該量可以為0.1%或更高。然而如果過量添加則降低延展性，因此將上限限制為0.3%。
[0023]類似於鉻，鑰是形成細碳化物的鐵素體形成元素，並以0.05%或更高的量添加。然而如果過量添加則其降低鋼的延展性，因此將其上限限制為0.5%。
[0024]鎳是奧氏體形成元素，其可以在熱軋過程中引入部分奧氏體以細化該組織，從而顯著改善抗起皺性。然而，鎳的價格高並且提高了製造成本，因此將其界限限制為0.1至2.0%。
[0025]銅的作用類似於鎳，但是通常銅的價格比鎳低，因此其可以以0.1%或更高的範圍添加。然而如果過量添加，則由熔融金屬所致其以液體狀態存在於晶界上而引起晶粒間的脆性，並且引起邊緣開裂，因此將其量限制為0.1至1.0%。
[0026]硼限制了熱軋過程中鐵素體的回覆和再結晶，從而有助於由累計軋制壓下率導致的組織細化並提高鋼的強度，因此該量為0.0005%或更高。然而如果過量添加，則其可產生硼-碳化物，降低了鋼的延展性並劣化了熱浸鍍鋅塗層的潤溼性，因此將該上限限制為
0.003%。
[0027]鈦形成T i N或TiC或類似物，由此改善鑄造組織的晶粒細化並且有助於卡帕碳化物的彌散，因此其以0.01%或更高的範圍添加。然而，鈦是昂貴的且提高了製造成本，並且由於通過析出強度提高其降低了延展性，因此將上限限制為0.2%。
[0028]鋯的作用類似於鈦，並形成相對於鈦較強的氮化物和碳化物，因此其以0.005%或更高的範圍添加。然而鋯是昂貴的，因此將上限限制為0.2%。
[0029]鈮的作用類似於鈦，並且因此其以0.005%或更高的範圍添加。然而與鈦不同，鈮延遲了鋼在高溫下的再結晶，由此極大地提高了熱軋的軋制負荷。這使得不可能製造薄鋼片材，因此將上限限制為0.2%。
[0030]鎢是提高鋼比重的重元素，因此其添加(如果添加)在0.05至1.0%的範圍內。銻(Sb)在晶界上偏析限制了卡帕碳化物的形成，因此，銻(如果添加)以0.005%或更高的範圍添加。然而如果過量添加，則銻在晶界上偏析以降低延展性，因此將其上限限制為0.2%。
[0031]Ca形成硫化物如CaS並由此防止MnS的形成，因此其以0.001%或更高的範圍添加以改善鋼的熱加工性。將上限限制為0.2%。
[0032]本發明的鋼片材包括殘餘奧氏體組織。該殘餘奧氏體補償了鐵素體基質結構的低強度並還有助於其延展性的改善，因此按面積計以5%`或更高的範圍包括殘留奧氏體。優選將其上限限制為20%，更優選該上限為15%或甚至12%。
[0033]下面將詳細描述高強度低比重鋼片材的製造方法。
[0034]為了製造本發明的鋼片材，首先在1000至1250°C的溫度範圍內加熱板坯(即薄板還(<150111111)、厚板還(150-400mm)或鑄造鋼帶材(<20mm))。如果再加熱溫度超過1250°C,則在板坯中形成粗大的晶粒，有可能產生起皺和熱脆性，然而如果溫度低於1000°C，則熱軋精軋溫度變得過低以至於不能製造鋼片材並使用加壓水噴射來移除高溫表面上的氧化物膜，由此引起表面缺陷。因此，將再加熱溫度限制為1000至1250°C。優選地，再加熱溫度至少為 1100°C。
[0035]由於在儘可能低的溫度下實施熱軋從而有效地獲得細晶粒，因而根據本發明，在900°C或更低、優選至多850°C的溫度下實施精軋以便通過熱軋過程中的動態或靜態再結晶來細化晶粒。這意味著當該材料至少處於前述溫度時使其經受最後的熱變形步驟。然而如果該溫度太低，則抗變形性提高使得難以製造鋼片材，並且析出卡帕碳化物以提供伸長的結構，由此增多起皺缺陷，因此軋制溫度為700°C或更高，優選為750°C或更高並且更優選為800°C或更高。
[0036]在600°C或更低的溫度下卷繞該熱軋鋼帶材。該溫度限制了晶粒尺寸的粗化和卡帕碳化物的過量析出。其還降低了由粗大晶粒的二次再結晶引起的異常粗化的晶粒的形成風險。優選卷繞溫度低於550°C。由於將該材料淬火至環境溫度被證明在冷軋過程中引起嚴重開裂，因而卷繞溫度應當至少為200°C，並且優選至少為300°C。
[0037]可以在用酸洗和平整以及塗油處理後將所得的熱軋材料製造成熱軋鋼片材。根據本發明，該鋼片材是具有7400kg/m3或更低、優選7300kg/m3或更低的比重的低密度鋼片材。[0038]此外，可以在酸洗和冷軋後將該熱軋鋼片材製造成冷軋鋼片材。
[0039]在冷軋中，冷軋壓下率設置為40%或更高。這是因為如果冷軋壓下率設置為40%或更高，則可以固定通過冷加工儲存的能量，並且可以獲得新的再結晶組織。優選最小冷軋壓下率為50%。然而，考慮到生產效率和經濟性，將其上限限制為90%或更低。任選地，可以在冷軋壓下或步驟之間使該材料經受中間退火。
[0040]在清潔表面(如果必要)後用連續退火或連續熱浸鍍鋅對該冷軋鋼片材進行處理。優選在1°C /s至20°C /s的範圍內選擇退火速率。如果退火速率低於1°C /S，則生產率過低，並且鋼片材長時間暴露於高溫條件由此引起晶粒粗化和強度降低，劣化材料品質。另一方面，如果退火速率超過20°C /s，則由於碳化物的不充分重熔，因而奧氏體的形成也變得不充分並且因此殘餘奧氏體減少，由此降低延展性。退火後的冷卻速率優選為10至50°C /s，要麼至環境溫度，要麼至鍍鋅浴和/或過時效處理。在鍍鋅或過時效後，冷卻速率優選為10至50°C /S，更優選為10至25°C /s。
[0041]在回復溫度與900°C之間的溫度範圍內實施退火。在回復溫度與低於再結晶溫度之間，恢復了一定的延展性。通過選擇回復退火溫度和時間，這可以用於產生高強度鋼同時確保充分的延展性。高於再結晶溫度並低於900°C，冷變形組織容易再結晶。可以容易地確定獲得冷軋鋼帶材的完全再結晶的退火溫度與退火時間的組合。發明人發現，如果在較高的退火溫度下退火該冷軋材料，則退火後最終產品中的奧氏體含量較低。高於900°C，由於形成較低量的奧氏體，因而延展性降低。發現在退火鋼材的情況下退火溫度的合適下限為750°C。優選該下限至少為800°C。進行退火10秒或更長以獲得優異的強度和加工性。然而，如果退火時間超過180秒，則過度降低生產率並且延長的退火過程可不利地影響性質。
[0042]在退火後，將鋼片材冷卻至浴的溫度並可以通過熱浸塗覆法以其每側10至200微米的厚度用Zn、Zn-Fe、Zn-Al、Zn-Mg、Zn-Al-Mg、Al-S1、Al-Mg-Si等塗覆，由此形成經塗覆的鋼片材。還可以通過電鍍 法施加這些或其它的金屬塗覆層。優選在該表面或各表面上的塗層厚度為10微米至200微米。
[0043]優選在退火後使該材料經受過時效。如果適用，則可以在熱浸塗覆過程之前或之後進行這種過時效，這取決於工廠的設計或取決於冶金學偏好。過時效溫度優選為350至500°C，並且優選為約400°C。過時效時間優選至少為30和/或至多為180秒。在這樣的過時效處理的情況下，退火溫度優選至少為825°C和/或優選至多為875°C。
[0044]在如上製得的鋼片材中，碳化物和5%或更多的殘餘奧氏體分散在鐵素體基質中，使得拉伸強度高達600至900MPa，延展性優異，並因此強度_延展性的組合也非常優異。在一種優選實施方案中，該鋼片材具有600至900MPa的拉伸強度。
[0045]將參照下列實施例詳細描述本發明。所述實施例用於說明目的，而並不旨在以任何方式限制本發明的範圍。
[0046]製造具有表1所示組成的鋼片材坯，在1200°C (RHT)下再加熱，並在900°C的精軋溫度下熱軋。熱軋鋼片材的厚度為3毫米，並且在400°C或650°C (S3)(參見表2)的溫度(CT)下卷繞該熱軋鋼片材。發明人發現，在較低溫度(但高於700°C)如850°C下的熱精軋不影響該鋼材的顯微組織或性質，而是僅僅對軋制力有影響，該軋制力隨著軋制溫度的降低而提高。然而，可以通過使用適當功率的軋機容易地克服這種提高的軋制力。
[0047]隨後以67%的壓下率(CRR)使該鋼經受冷軋並在800至1050°C的退火溫度(AT)下連續退火(參見表3)，並且進行或不進行在400°C下的過時效(參見表4)。退火時間為60秒並且過時效時間為80秒。
[0048]表1-化學組成
[0049]
【權利要求】
1.低密度高強度鋼片材，其包含0.15%至0.25%的C、2.5%至4%的Μη、0.02%或更少的P、0.015%或更少的S、6%至9%的Al和0.01%或更少的N，餘量是鐵和不可避免的雜質，其中1.7.(Mn-Al)+52.7.C至少為3且至多為4.5。
2.如權利要求1所述的鋼片材，其中該片材中殘餘奧氏體的量為5%或更高。
3.如權利要求1或2所述的鋼片材，其任選包含選自以下的一種或兩種或更多種元素:0.1%至 2.0% 的 Si,0.1%至 0.3% 的 Cr,0.05%至 0.5% 的 Mo,0.1%至 2.0% 的 Ni,0.1%至 1.0%的 Cu,0.0005% 至 0.003% 的 B,0.01% 至 0.2% 的 Ti,0.005% 至 0.2% 的 Zr,0.05% 至 1.0% 的W、0.001% 至 0.2% 的 Ca。
4.如權利要求1至3中任一項所述的鋼片材，其中該鋼片材的密度至多為7400kg/m3、優選至多為7300kg/m3，優選其中該鋼片材具有600至900MPa的拉伸強度。
5.如權利要求1至4中任一項所述的鋼片材，其中在一個或兩個主表面上提供塗層，其中該塗層選自Zn、Zn-Fe, Zn-Al、Zn-Mg, Zn-Al-Mg, Al-Si和Al-Mg-Si，並且其中在該主表面或每個主表面上的塗覆層厚度為10微米至200微米。
6.如權利要求1至5中任一項所述的鋼片材，其中(36.C+Mn) /Al的值至少為1.3且至多為2.0。
7.製備低密度高強度鋼片材的方法，所述鋼片材包含0.15%至0.25%的C、2.5%至4%的Mn、0.02%或更少的P、0.015%或更少的S、6%至9%的Al和0.01%或更少的N，餘量是鐵和不可避免的雜質，其中1.7.(Mn-Al)+52.7.(:至少為3且至多為4.5，該方法包括以下步驟: -提供具有所述化學組成的鋼片材坯、薄板坯或帶材；`` -通過在1000°C至1250°C範圍內再加熱所述板坯或帶材來製備用於熱軋的所述板坯或帶材； -使該片材坯或帶材經受最終的熱精軋步驟，同時軋制的帶材具有700°C至900°C的溫度； -在600 °C或更低溫度下卷繞該熱軋帶材。
8.如權利要求7所述的方法，該方法進一步包括以下步驟: -以40%至90%的冷軋壓下率冷軋該熱軋鋼板或帶材以製備冷軋鋼帶材； -在900°C的最高溫度下以I至20°C /s的退火速率將該冷軋鋼帶材連續退火10至180秒。
9.如權利要求8所述的製備低密度高強度鋼片材的方法，其中連續退火過程是回復退火。
10.如權利要求8所述的製備低密度高強度鋼片材的方法，其中連續退火過程是再結晶退火。
11.如權利要求7至10中任一項所述的方法，其中該鋼片材中殘餘奧氏體的量為5%或更高。
12.如權利要求7至11中任一項所述的方法，其中該鋼板坯、薄板坯或帶材任選包含選自以下的一種或兩種或更多種元素:0.1%至2.0%的Si,0.1%至0.3%的Cr,0.05%至0.5%的 Mo,0.1% 至 2.0% 的 Ni,0.1% 至 1.0% 的 Cu,0.0005% 至 0.003% 的 B,0.01% 至 0.2% 的 T1、`0.005% 至 0.2% 的 Zr,0.1% 至 1.0% 的 W、和 0.001% 至 0.2% 的 Ca,優選其中(36.C+Mn) /Al的值至少為1.3且至多為2.0。
13.如權利要求8至12中任一項所述的方法，其中在退火過程後在一個或兩個主表面上提供塗覆層，其中該塗覆層選自Zn、Zn-Fe、Zn-AUZn-Mg, Zn-Al-Mg, Al-Si和Al-Mg-Si，優選其中在該主表面或每個主表面上的塗層厚度為10微米至200微米。
14.如權利要求8至13中任一項所述的方法，其中該退火過程包括優選在350至500°C的溫度下並優選持續30至180秒的時間段的過時效步驟，優選其中退火溫度至少為825°C和/或至多為875°C。
15.如權利要求8至14中任一項所述的方法，其中退火溫度和退火時間的組合足以獲得冷軋鋼帶材的完 全再結晶，優選其中退火溫度為750°C或更高。
【文檔編號】C22C38/06GK103827338SQ201280043488
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年2月21日 優先權日:2011年9月9日
【發明者】劉成, R·羅納 申請人:塔塔鋼鐵荷蘭科技有限責任公司