用中薄板坯直接軋制的抗拉強度≥1100MPa熱成形鋼及生產方法與流程
2023-12-09 20:45:06 2
本發明涉及一種汽車零部件用鋼及其生產方法，具體地屬於一種用中薄板坯直接軋制的抗拉強度≥1100MPa熱成形鋼及生產方法，且適用於生產的產品厚度大於2至10mm。
背景技術：
隨著汽車工業發展及汽車行業對汽車設計和製造逐漸向節能、環保、安全方向發展，汽車輕量化成為當前和今後相當長一段時間汽車設計的主流方向。
研究發現，汽車的整車重量和能源消耗成線性關係。據統計，汽車重量每降低10％則燃油效率可提高6%～8％。汽車輕量化最重要的途徑之一是採用高強度和超高強度鋼，從而能使在不降低碰撞安全性和舒適性的同時，大幅降低汽車整備重量。但隨著強度的不斷提高，鋼板的成形性能會越來越差，尤其是1100MPa以上的超高強度鋼，在成形過程中會存在開裂、回彈和零件尺寸達不到要求的精度等問題，並同時也對衝壓設備提出了更高的要求，即需要大噸位的衝壓機和高耐磨模具，並且對模具的使用周期還有較大的影響。目前國內也沒有能成形1100MPa以上的冷成形衝壓設備和模具。
當前，國內外現有熱成形鋼均採用冷軋退火態或冷軋退火後預塗層。其生產工藝流程為：脫硫鐵水→轉爐冶煉→爐外精煉→連鑄→板坯加熱→熱連軋→酸洗+冷連軋→連續退火→（預塗層）→精整包裝→落料→加熱→模具衝壓淬火。存在生產工藝流程較長，成本較高的不足。對於有些抗碰撞或承載部件均採用多個零件組合構件來提高抗碰撞和承載能力，而又導致大大提高原材料成本和加工成本。
隨著鋼鐵工業的發展，中薄板坯連鑄連軋工藝得到了長足發展，採用中薄板坯連鑄連軋工藝可以直接軋制生產＞2.0～10 mm規格鋼板及鋼帶，一些原來只能使用冷軋高強鋼的薄規格零件或為增加強度採用多個零件組成的構件已逐步採用連鑄連軋工藝直接軋制超高強度鋼板所代替。如申請號為CN 102965573A的專利開發了屈服強度（ReL）≥700MPa，抗拉強度（Rm）≥750MPa的工程結構用高強度鋼，其組分百分含量為：C:0.15～0.25%，Si:≤0.10%，Mn:1.00～1.80%，P: ≤0.020%，S≤0.010%，Ti: 0.09～0.20%，Als:0.02～0.08% ,N≤0.008%，其餘為Fe及不可避免的夾雜；其生產步驟為冶煉並連鑄成坯，進行均熱，控制均熱溫度在1200～1300℃，均熱時間為20～60min；進行軋制，並控制開軋溫度不低於1200℃，終軋溫度在870～930℃；進行層流冷卻，在冷卻速度為不低於20℃/s下冷卻到卷取溫度；進行卷取，並控制卷取溫度在580～650℃。專利號為CN 103658178A的專利發明了一種短流程生產高強度薄帶鋼的方法，所發明的帶鋼屈服強度（ReL）≥550MPa，抗拉強度（Rm）≥600MPa，其化學成分質量百分比為：C:0.02～0.15%，Si:0.20～0.6%，Mn:0.2～1.50%，P: 0.02～0.3%，S≤0.006%，Cr:0.40～0.8%，Ni:0.08～0.40%，Cu:0.3～0.80%，Nb:0.010～0.025%，Ti:0.01～0.03%，Al:0.01～0.06%，Re:0.02～0.25%;其餘為Fe和不可避免雜質，冶煉後澆鑄成1.0～2.0mm厚的鑄帶，澆鑄速度60～150m/min，進行軋制，控制終軋溫度850～1000℃；採用霧化冷卻，冷卻速度50～100℃/s，進行卷取，控制卷取溫度為520～660℃。上述兩文獻的抗拉強度均很低，不能滿足高端汽車車身對1100MPa以上超高強度的需求。
技術實現要素：
本發明在於克服現有技術存在的強度級別低，不能滿足剛度按用戶要求的不足，提供一種流程短，產品表面質量好，厚度精度高，能夠達到冷軋產品的質量要求，能順利完成複雜變形，且變形後無回彈，零件的尺寸精度高的抗拉強度≥1100MPa熱成形鋼及生產方法。
實現上述目的的措施：
用中薄板坯直接軋制的抗拉強度≥1100MPa熱成形鋼，其組分及重量百分比含量為：C: 0.12～0.16%，Si：0.15～0.20%，Mn：0.7～1.0%，P≤0.02%，S≤0.008%，Als：0.015～0.060%，Cr：0.15～0.20%，Ti：0.005～0.02%或Nb：0.005～0.02%或V：0.005～0.02%或其中兩種以上以任意比例的混合，B：0.0005～0.0020%，Mo：0.10～0.13%，N≤0.005%，餘為Fe及不可避免的雜質。
生產用中薄板坯直接軋制的抗拉強度≥1100MPa熱成形鋼的方法，其在於：其步驟：
1）鐵水脫硫，並控制S≤0.002%，扒渣後鐵水裸露面不低於96%；
2）常規電爐或轉爐冶煉，及常規精煉；
3）進行連鑄，控制中包鋼水過熱度在15～30℃，鑄坯厚度在61～150mm，拉坯速度在2.5～6.0 m/min；
4）進行鑄坯入均熱爐前的除鱗處理，並控制除鱗水的壓力在300～400 bar；
5）對鑄坯進行常規均熱，控制均熱爐內呈弱氧化氣氛，即使爐內殘氧量在0.5～5.0%；
6）對鑄坯入進行加熱，並控制鑄坯入爐溫度在750～950℃，出爐溫度為1105～1135℃；
7）進行進軋機之前的高壓水除鱗，並控制除鱗水壓力在280～420bar；
8）軋制，並控制第一道次壓下率為：40～50%，第二道次壓下率為：40～50%，末道次壓下率為：10～16%；控制軋制速度在3～8 m/s；並在第一道次及第二道次之間進行中壓水除鱗，除鱗水壓力為200～280bar；控制終軋溫度在800～850℃；
9）進行冷卻，冷卻方式為層流冷卻、或水幕冷卻、或加密冷卻的方式冷卻到卷取溫度；
10）進行卷取，並控制卷取溫度為665~695℃；
11）進行開卷落料後的奧氏體化，控制奧氏體化溫度在930～980℃，並保溫6～15 min；
12）模具衝壓成形，並在模具內保壓6～9 s；
13）進行淬火，控制淬火冷卻速度在50～100 ℃/s；後自然冷卻至室溫。
其在於：所述中薄板坯的軋制過程在軋機布置形式為6F產線或1R+6F產線、或2R+6F產線、或7F產線、或3R+4F產線、或2R+5F產線、或1R+5F的短流程產線進行。
本發明中各元素及主要工藝的作用及機理
C：碳是強固溶強化元素，對超高強度的獲得起決定作用，碳含量對最終產品的組織形態和性能有較大影響，但是含量太高，在精軋後的冷卻過程中易形成大量的珠光體或貝氏體、馬氏體，其含量愈高，強度愈高，從而造成塑性降低，進行成形前的落料困難。所以在保證熱處理強化的前提下，碳含量不易過高。故將其含量限定在0.12～0.16%範圍。
Si：矽有較強的固溶強化效果，可提高鋼的強度，同時，矽能提高鋼的淬透性，有減少奧氏體向馬氏體轉變時體積變化的作用，從而有效控制淬火裂紋的產生；在低溫回火時能阻礙碳的擴散，延緩馬氏體分解及碳化物聚集長大的速度，使鋼在回火時硬度下降較慢，顯著提高鋼的回火穩定性及強度。所以，將其含量限定在0.15～0.20%範圍。
Mn：錳起固溶強化作用，同時能清除鋼中的FeO，顯著改善鋼的質量。還能與硫化物生成高熔點的MnS，在熱加工時，MnS有足夠的塑性，使鋼不產生熱脆現象，減輕硫的有害作用，提高鋼的熱加工性能。錳能降低相變驅動力，使「C」曲線右移，提高鋼的淬透性，擴大γ相區，另它可降低鋼的Ms點，故可保證在合適的冷卻速度下得到馬氏體。所以，將其含量限定在0.7～1.0%範圍。
Cr：鉻能降低相變驅動力，也降低相變時碳化物的形核長大，所以提高鋼的淬透性。另外，鉻能提高鋼的回火穩定性。所以，將其含量限定在0.15～0.20%範圍。
B: 硼是強烈提高淬透性元素，鋼中加入微量的硼元素能顯著提高鋼的淬透性。但是其含量低於0.0005％，或者高於0.002％，對提高淬透性的作用不明顯。所以，為考慮生產實際及淬透性效果，將其含量限定在0.0005～0.002%範圍。
Als，其在鋼中起脫氧作用，應保證鋼中有一定量的酸溶鋁，否則不能發揮其效果，但過多的鋁也會使鋼中產生鋁系夾雜，且不利於鋼的冶煉和澆鑄。同時鋼中加入適量的鋁可以消除鋼中氮、氧原子對性能的不利影響。故將其含量限定在0.015～0.060％範圍。
P：磷是鋼中的有害元素，易引起鑄坯中心偏析。在隨後的熱連軋加熱過程中易偏聚到晶界，使鋼的脆性顯著增大。同時基於成本考慮且不影響鋼的性能，將其含量控制在0.02%以下。
S：硫是非常有害的元素。鋼中的硫常以錳的硫化物形態存在，這種硫化物夾雜會惡化鋼的韌性，並造成性能的各向異性，因此，需將鋼中硫含量控制得越低越好。基於對製造成本的考慮，將鋼中硫含量控制在0.008%以下。
N：氮在加鈦的鋼中可與鈦結合形成氮化鈦，這種在高溫下析出的第二相有利於強化基體，並提高鋼板的焊接性能。但是氮含量高於0.005％，氮與鈦的溶度積較高，在高溫時鋼中就會形成顆粒粗大的氮化鈦，嚴重損害鋼的塑性和韌性；另外，較高的氮含量會使穩定氮元素所需的微合金化元素含量增加，從而增加成本。故將其含量控制在0.005％以下。
Ti：鈦是強C、N化物形成元素，鋼中加入Ti的目的是固定鋼中的N元素，但是過量的Ti會與C結合從而降低試驗鋼淬火後馬氏體的硬度和強度。另外，鈦的加入對鋼的淬透性有一定的貢獻。所以，將其含量限定在0.005～0.02%範圍。
Nb、V: 鈮和釩也是強C、N化物形成元素，能起到細化奧氏體晶粒的作用，鋼中加入少量的鈮或釩就可以形成一定量的鈮的碳、氮化物，從而阻礙奧氏體晶粒長大，因此，其淬火後的馬氏體板條尺寸較小，大大提高鋼的強度。故將其含量均控制在0.005～0.02%之間。
Mo：鉬能顯著提高鋼的淬透性，並且鉬的層錯能較高，加入鋼中可提高鋼的低溫塑性和韌性。故將其含量控制在0.10～0.13%之間。
本發明之所以在整個生產過程中採取三次除鱗，是由於通過控制除鱗道次和合適的除鱗水壓力，可以儘可能的去除帶鋼表面的氧化鐵皮，從而保證帶鋼具有良好的表面質量。另外通過一、二道及末道次壓下率控制，可實現帶鋼的組織均勻和性能穩定。
本發明與現有技術相比，流程短，產品表面質量好，厚度精度高，能夠達到冷軋產品的質量要求，能順利完成複雜變形，且變形後無回彈，零件的尺寸精度高。
附圖說明
圖1為本發明產品金相組織圖。
具體實施方式
下面對本發明予以詳細描述：
表1為本發明各實施例及對比例的化學成分取值列表；
表2為本發明各實施例及對比例的主要工藝參數取值列表；
表3為本發明各實施例及對比例的性能檢測情況列表。
本發明各實施例均按以下工藝生產：
1）鐵水脫硫，並控制S≤0.002%，扒渣後鐵水裸露面不低於96%；
2）常規電爐或轉爐冶煉，及常規精煉；
3）進行連鑄，控制中包鋼水過熱度在15～30℃，鑄坯厚度在61～150mm，拉坯速度在2.5～6.0 m/min；
4）進行鑄坯入均熱爐前的除鱗處理，並控制除鱗水的壓力在300～400 bar；
5）對鑄坯進行常規均熱，控制均熱爐內呈弱氧化氣氛，即使爐內殘氧量在0.5～5.0%；
6）對鑄坯入進行加熱，並控制鑄坯入爐溫度在750～950℃，出爐溫度為1105～1135℃；
7）進行進軋機之前的高壓水除鱗，並控制除鱗水壓力在280～420bar；
8）軋制，並控制第一道次壓下率為：40～50%，第二道次壓下率為：40～50%，末道次壓下率為：10～16%；控制軋制速度在3～8 m/s；並在第一道次及第二道次之間進行中壓水除鱗，除鱗水壓力為200～280bar；控制終軋溫度在800～850℃；
9）進行冷卻，冷卻方式為層流冷卻、或水幕冷卻、或加密冷卻的方式冷卻到卷取溫度；
10）進行卷取，並控制卷取溫度為665~695℃；
11）進行開卷落料後的奧氏體化，控制奧氏體化溫度在930～980℃，並保溫6～15 min；
12）模具衝壓成形，並在模具內保壓6～9 s；
13）進行淬火，控制淬火冷卻速度在50～100 ℃/s；後自然冷卻至室溫。
表1本發明各實施例及對比例的化學成分（wt.%）
表2 本發明各實施例及對比例的主要工藝參數取值列表
表3本發明各實施例及對比例的的力學性能情況列表
從表3可以看出，通過薄板坯直接軋制的短流程工藝，實現了發明鋼的強度達到了1100MPa以上，同時其強度遠遠高於現有短流程產線產品強度，對於推進汽車輕量化發展具有重要意義。
本具體實施方式僅為最佳例舉，並非對本發明技術方案的限制性實施。