一種1500MPa級低碳中錳含銅鋼的成分設計及生產方法與流程

2023-10-06 07:37:24

本發明涉及的是一種汽車高強度鋼的成分設計和生產方法，特別涉及一種1500mpa級低碳中錳含銅鋼的成分設計及生產方法。

背景技術：

目前，為了節約能源、降低燃油消耗、減少廢氣排放，生產節能環保型汽車已成為世界汽車企業的主要目標之一，為此，國內外的許多汽車企業採取了一系列措施，其中最有效的措施之一就是汽車輕量化。資料顯示：若使用先進高強度鋼（ahss）板，可使原厚度為1.0~1.2mm的車身鋼板減薄到0.7~0.8mm，隨之帶來的是車身重量減小15%~20%，節油8%~15%。到目前為止，世界各國已開發出各種先進高強度鋼板，如：第一代先進高強鋼：雙相（dp）鋼、多相（cp）鋼和相變誘導塑性（trip）鋼等，它們主要以鐵素體為基體，強塑積（抗拉強度和斷後伸長率的乘積）一般在15gpa·%以下；第二代先進高強鋼：孿晶誘導塑性（twip）鋼、誘導塑性輕鋼（l-ip)和剪切帶強化（sip）鋼等，它們為全奧氏體組織，強塑積往往在50gpa·%以上；第三代先進高強鋼：q&p（淬火-配分）鋼等，它們是一種以貝氏體、馬氏體或兼而有之的高強度相為基體，以殘餘奧氏體、少量鐵素體為韌性相，強塑積在20～40gpa·%的多相鋼，具有多相、亞穩和多尺度的精細組織。

第一代先進高強度鋼是主要以鐵素體組織為主的多相鋼，合金含量低，成本低，但由於其強塑積小，難以滿足未來汽車輕量化和安全性需求，第二代先進高強鋼的力學性能優異，但因其合金含量高，使得成本大大增加，同時，過高的合金含量使鋼板的焊接性能、塗覆性能變差。且這些鋼板的加工難度也非常大，因此，在第一代和第二代ahss均存在一定缺陷的情況下，研究人員正致力於第三代ahss的研究，這類鋼的強度為800~1500mpa，強塑積超過30gpa·%，且生產成本相對較低，在生產中易於實現，因此，第三代ahss已成為汽車輕量化材料目前和未來的研究熱點。

ahss作為支撐汽車輕量化理念的主要材料之一，對汽車未來的發展起著非常重要的作用。汽車用ahss發展的總趨勢將是鋼板高強度化的同時具備良好的塑韌性和成形性。隨著科技不斷的進步，在不久的將來，對具有更高性能的車用ahss的開發和應用將會取得更大的發展。

技術實現要素：

針對汽車輕量化面臨的上述挑戰，本發明提出一種1500mpa級低碳中錳含銅鋼的目的在於通過對成分的合理設計及優化，將熱軋+q&p工藝結合，獲得一種生產效率高、在實際生產中易於生產且可以大幅提高熱衝壓q&p鋼板綜合性能的成分設計及生產方法。

本發明的設計思路在於：本發明的成分配比是在trip鋼的基礎上通過改變某些元素的含量和另外加入一些可以強化、改善鋼鐵材料力學性能的合金元素來實現的，並遵循了「多元少量」的合金化原則，同時本發明通過熱軋與q&p（淬火-配分）熱處理工藝的配合，獲得了具有超高強度和良好塑性的馬氏體+殘餘奧氏體+析出第二相粒子的組織，其抗拉強度超過1500mpa，且具有優異的塑韌性。

其特點有：（1）較大幅度提高mn的含量，使其達到中錳鋼中的錳含量。

（2）以al元素替代si元素，並保留適當的si元素使兩者搭配使用，更有助於對材料性能的改善，如果將al與cr、si合用，則可顯著提高鋼的高溫不起皮性而改善鋼板的表面性能；且加入的al使鋼的密度也會有所下降。

（3）加入了一定量可產生析出強化的cu元素，並將其與適量的ni元素搭配使用，以消除材料在熱加工時cu引起的「熱脆」現象；除此之外，ni還具有提高鋼的強度，保持良好塑性及韌性的作用。

（4）加入了少量可以提高鋼材綜合性能的cr元素。

（5）加入了適量的n元素，與al元素搭配使用，可以生成具有細化晶粒作用和提高殘餘奧氏體含量的aln以進一步改善鋼的性能。

為了實現上述目的，本發明的技術方案是：一種低碳中錳含銅鋼，其化學成分含量為：c：0.20%～0.23%，si：0.5%～0.8%，mn：3.5%～4.0%，al：1.2%～2.0%，cr：0.5%～1.0%，cu：0.6%～1.0%，ni：0.2%～0.5%，n：0.0035%～0.012%，b：0.0005%～0.003%，餘量為fe和不可避免的雜質；所述低碳中錳含銅鋼抗拉強度在1500mpa以上。

在所述低碳中錳含銅鋼的優選化學成分中（均以重量百分比計），si含量為0.55%~0.8%，al含量為1.2%~1.5%，mn含量為3.5%~3.8%，cr含量為0.6%~0.8%，cu含量為0.6~0.8%，ni含量為0.25%~0.4%，n含量為0.008%~0.01%，b含量為0.001%~0.003%。

本發明的1500mpa級低碳中錳含銅鋼的成分設計中，各元素在鋼中的作用及其含量的設計依據如下：（1）碳：碳雖然可以大大地提高材料的強度、硬度等性能，但同時由於它會強烈地降低材料的塑性、韌性和焊接性能，當碳含量超過0.23%時，鋼的焊接性能變差。因此，用於焊接的低碳鋼含碳量一般不超過0.23%；考慮到上述因素，在此成分配比中的碳依然保持在低碳鋼的碳含量範圍內。

（2）錳：mn是trip鋼中的一種主要元素，其含量一般在1%~2%之間，實際生產中通常保持在1.5%左右，它可以提高材料的強度，由於在此設計中鋼的強度要達到1500mpa級，雖通過提高碳含量和其他合金元素（如：cr）也可以達到此強度，但碳含量太高會強烈惡化鋼的成形性、焊接性等，合金元素價格太高且部分元素儲量十分稀缺，成本低是汽車用鋼十分重要的市場競爭因素，因此這兩種途徑都是不可取的；而mn元素既可以提高鋼的強度，價格又低廉，還可以提高殘餘奧氏體的含量和穩定性；因此，綜合考慮性能、價格、資源儲量等因素，mn是最合適的選擇對象，雖然mn會惡化材料焊接性，但相對於其它合金元素，其不利影響要小得多。因此，在此成分配比中將其含量增加到了中錳範圍的下限值。

（3）矽和鋁：在trip中si的含量和mn基本相同，si可以顯著提高鋼的彈性極限、屈服點和抗拉強度，而且不會使鋼的塑性明顯下降；最重要的是si能抑制滲碳體的析出，但si含量太高對鋼的焊接性能也會產生不利影響，而且會降低鋼板的表面塗覆性能。所以，在此成分配比中降低了si的含量，且當鋼中si含量在0.8%～1.0%這個範圍時，鋼的塑性與韌性會顯著下降；因此si含量應在0.8%以下，而另一種合金元素al也可以抑制滲碳體析出，高al鋼表面質量更好，改善了塗覆性能，但與si不同的是，al沒有固溶強化的作用，會導致強度下降，但降低矽含量或用鋁代替矽而造成的強度損失，可以採用各種提高強度的措施來補償（如：提高mn含量）；除此之外，al還具有細化晶粒，提高鋼板衝擊韌性的作用。因此，考慮到鋼板的力學性能、物理性能以及在實際生產中工藝要易於實現等因素，al-si搭配使用是一個很好的折中方案，因此，在本發明的成分配比採用al替代部分si元素的方案。

（4）鉻：cr是一種在實際工業生產中應用非常廣泛的合金元素，能顯著提高鋼的強度、硬度及高溫機械性能，並使鋼在具有良好的抗氧化性、抗腐蝕性和耐磨性的同時，對鋼板的塑性及韌性的不利影響不明顯。研究表明：當cr含量處於0.5%～1.65%的範圍時，鋼具備高強度、高耐磨性及良好的淬透性和耐疲勞性。從低碳合金鋼強度計算公式可以看出cr對鋼強度的提高僅低於碳元素，但我國cr的儲量較少，應儘量節約使用或以其他元素替代，因此，考慮到強度，資源儲量及成本等因素，在本發明的成分配比中加入0.5%～1.0%的cr元素。

（5）銅和鎳：目前很多高強度結構鋼都含有銅，範圍為0.20%~1.50%，cu在鋼中具有富集作用，可以以一定尺寸的第二相粒子分布於馬氏體基體而起到彌散強化的作用，在低碳鋼中添加cu元素可使鋼板具有良好的焊接性能和抗腐蝕性能，其缺點是當cu含量超過0.5%時，鋼在熱加工過程中容易發生「熱脆」現象，且在鋼中的cu含量超過0.60%時，cu才能處於過飽和狀態從而在熱處理後以富銅相的形式析出，而使鋼產生第二相粒子析出強化效應。研究表明：cu至少增加到0.75%時才被認為對焊接性能有較小的影響，同時為了避免「熱脆」現象，需加入ni元素（ni和cu的含量比為1:3～l:2時最佳）；除此之外，含cu和ni的鋼其殘餘奧氏體體積分數較大、穩定性較高，最重要的是當鋼受到撞擊時，其trip效應可以維持到高應變區，這正是車用先進高強度鋼應具備的優異性能之一；另外，ni在提高鋼強度的同時還不會降低塑性，因此考慮到上述因素，在本發明的成分中採用cu：ni=1:2~1:3的複合配比。

（6）氮：典型的氮含量(約0.003％～0.012％)對強度有明顯作用，n能提高鋼的強度和低溫韌性，改善焊接性。研究結果表明：隨氮含量提高，aln析出物的密度增加，這種析出物延緩了冷卻及等溫過程中奧氏體轉變，使淬火後組織中保留大量的殘餘奧氏體，且aln具有析出強化的作用，提高了鋼板強塑積。除此之外，aln的存在具有細化奧氏體的作用，這正好改善了由於錳含量較高而引起的過熱敏感性，考慮到n具有的上述特性和成分配比中較多含量的al元素，本發明成分配比中加入0.008%~0.01%的n元素為宜。

（7）硼：b的主要作用是提高鋼的淬透性，微量硼元素在低、中碳結構鋼中對提高產品的淬透性有顯著作用，因為加入極少量的硼（0.0005%~0.003%）就能大大提高鋼的淬透性，考慮到b含量大於0.004%時會強烈地降低鋼的韌性而引起「硼脆」現象，因此在本發明的成分配比中加入0.002%的b元素為宜。

本發明涉及的低碳中錳含銅鋼的生產方法，包含如下步驟：（1）冶煉和鑄造工序：將化學成分含量為：c：0.20%～0.23%，si：0.55%～0.8%，mn：3.5%～3.8%，al：1.2%～1.5%，cr：0.6%～0.8%，cu：0.6%～0.8%，ni：0.2%～0.4%，n：0.008%～0.01%，b：0.001%～0.003%，餘量為fe和不可避免的雜質的混合合金粉末在電弧爐或轉爐、平爐中冶煉，然後轉入lf精煉爐，並在熔煉期間保持爐內需要的氮氣壓，以便在合金熔體中溶入氮元素，最後鑄造成鑄坯或鑄錠。

（2）加熱和保溫：將鑄坯或鑄錠轉入連續爐內加熱、保溫，使合金元素均勻地溶解於奧氏體中，加熱溫度保持在1050℃~1100℃之間，並保溫時間1.5~2小時。

（3）熱軋工序：保溫完成後對鑄坯或鑄錠進行軋制，初軋溫度保持在1000℃~1050℃，然後，等中間坯降溫至850℃~950℃時，再對其進行多道次的終軋，軋成1.8mm厚的鋼板。

（4）q&p熱處理工序：在終軋結束後將鋼板在830℃~850℃之間保溫120s，然後將鋼板以大於50℃/s的冷卻速率冷卻至170℃~200℃，並保溫20s，再立即將鋼板轉入加熱爐中升溫至350℃~365℃進行元素的配分，保溫45s~60s，最後將鋼板水淬至室溫，獲得具有馬氏體+殘餘奧氏體+析出第二相粒子的組織；最終，這種低碳中錳含銅鋼板的抗拉強度超過了1500mpa的同時還具有優異的塑性、韌性。

本發明的1500mpa級低碳中錳含銅鋼，在奧氏體化保溫階段，溫度應在1100℃以下，因為在本發明的成分中加入了銅元素，其在晶粒的晶界間形成的化合物的熔點一般為1100℃左右，若保溫溫度高於這些化合物的熔點容易引起「銅脆」現象；另外，若鋼的加熱溫度低於1050℃或保溫時間太短，則不利於合金元素在奧氏體中的擴散及均勻化。

本發明的1500mpa級低碳中錳含銅鋼，在快速淬火後的保溫階段，其保溫溫度（qt）在淬火前應根據理論上要得到的馬氏體含量，利用公式vm=1-exp[a(ms-qt)]計算出（式中vm為馬氏體體積分數；a為常數，取決於材料的成分，對於碳含量1.1%以下的碳鋼，a=-0.011；ms為馬氏體相變開始溫度）。

本發明的1500mpa級低碳中錳含銅鋼，在配分保溫階段，其保溫溫度不能太低，由於本發明中含有較多含量的可穩定殘餘奧氏體的錳元素，所以保溫溫度選擇在ms以上20~40℃的範圍內。其次，保溫溫度也不能太高，否則，容易生成滲碳體會消耗本來不多的碳元素而降低殘餘奧氏體穩定性。另外，在該階段保溫的溫度既不能太長也不能太短，太長易生成滲碳體及降低馬氏體強度，太短不利於殘餘奧氏體的穩定化。

附圖說明

圖1為本發明1500mpa級低碳中錳含銅鋼的生產工藝流程圖。

圖2為本發明1500mpa級低碳中錳含銅鋼的熱軋及熱處理工藝圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例詳細說明具體實施方式，如附圖1和2所示。

實施例1本發明涉及的一種1500mpa級低碳中錳含銅鋼的成分設計及生產方法，包含如下步驟：（1）冶煉和鑄造工序。將成分為：c：0.2%，mn：3.5%，si：0.8%，al：1.2%，cr：0.8%，cu：0.8%，ni：0.4%，n：0.008%，b：0.002%，餘量為fe的混合合金粉末在電弧爐或轉爐、平爐中冶煉，然後轉入lf精煉爐，並在熔煉期間保持爐內需要的氮氣壓以便加入n元素，最後鑄造成鑄坯或鑄錠。

（2）加熱和保溫。將鑄坯或鑄錠轉入連續爐內加熱、保溫，使合金元素均勻地溶解於奧氏體中，加熱溫度保持在1050℃之間，並保溫時間2小時。

（3）熱軋工序。保溫完成後對鑄坯或鑄錠進行軋制，初軋溫度保持在1000℃，然後等中間坯降溫至870℃時，再對其進行多道次的終軋，軋成1.8mm厚的鋼板。

（4）q&p熱處理工序。終軋結束後將鋼板在830℃之間保溫120s，然後以100℃/s的冷卻速率冷卻至170℃，並保溫20s，再立即將鋼板轉入加熱爐中升溫至350℃，保溫90s，最後將鋼板水淬至室溫，獲得具有馬氏體+殘餘奧氏體+析出第二相粒子的組織；最終，這種低碳中錳含銅鋼板的抗拉強度為1645mpa，同時還具有優異的塑性及韌性。

實施例2本發明涉及的一種1500mpa級低碳中錳含銅鋼的成分設計及生產方法，包含如下步驟：（1）冶煉和鑄造工序。將成分為：c：0.21%，mn：3.6%，si：0.7%，al：1.35%，cr：0.7%，cu：0.7%，ni：0.3%，n：0.009%，b：0.002%，餘量為fe的混合合金粉末在電弧爐或轉爐、平爐中冶煉，然後轉入lf精煉爐，並在熔煉期間保持爐內需要的氮氣壓以便加入n元素，最後鑄造成鑄坯或鑄錠。

（2）加熱和保溫。將鑄坯或鑄錠轉入連續爐內加熱、保溫，使合金元素均勻地溶解於奧氏體中，加熱溫度保持在1070℃之間，並保溫時間1.8小時。

（3）熱軋工序。保溫完成後對鑄坯或鑄錠進行軋制，初軋溫度保持在1020℃，然後等中間坯降溫至900℃時，再對其進行多道次的終軋，軋成1.8mm厚的鋼板。

（4）q&p熱處理工序。終軋結束後將鋼板在840℃之間保溫120s，然後以100℃/s的冷卻速率冷卻至185℃，並保溫20s，再立即將鋼板轉入加熱爐中升溫至360℃，保溫60s，最後將鋼板水淬至室溫，獲得具有馬氏體+殘餘奧氏體+析出第二相粒子的組織；最終，這種低碳中錳含銅鋼板的抗拉強度為1591mpa，同時還具有優異的塑性及韌性。

實施例3本發明涉及的一種1500mpa級低碳中錳含銅鋼的成分設計及生產方法，包含如下步驟：（1）冶煉和鑄造工序。將成分為：c：0.23%，mn：3.8%，si：0.55%，al：1.5%，cr：0.6%，cu：0.6%，ni：0.25%，n：0.01%，b：0.002%，餘量為fe的混合合金粉末在電弧爐或轉爐、平爐中冶煉，然後轉入lf精煉爐，並在熔煉期間保持爐內需要的氮氣壓以便加入n元素，最後鑄造成鑄坯或鑄錠。

（2）加熱和保溫。將鑄坯或鑄錠轉入連續爐內加熱、保溫，使合金元素均勻地溶解於奧氏體中，加熱溫度保持在1100℃之間，並保溫時間1.5小時。

（3）熱軋工序。保溫完成後對鑄坯或鑄錠進行軋制，初軋溫度保持在1050℃，然後等中間坯降溫至940℃時，再對其進行多道次的終軋，軋成1.8mm厚的鋼板。

（4）q&p熱處理工序。終軋結束後將鋼板在850℃之間保溫120s，然後以100℃/s的冷卻速率冷卻至200℃，並保溫20s，再立即將鋼板轉入加熱爐中升溫至365℃，保溫45s，最後將鋼板水淬至室溫，獲得具有馬氏體+殘餘奧氏體+析出第二相粒子的組織；最終，這種低碳中錳含銅鋼板的抗拉強度為1550mpa，同時還具有優異的塑性及韌性。