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CN111448329A - 经冷轧和涂覆的钢板及其制造方法 - Google Patents

经冷轧和涂覆的钢板及其制造方法 Download PDF

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CN111448329A
CN111448329A CN201880079366.9A CN201880079366A CN111448329A CN 111448329 A CN111448329 A CN 111448329A CN 201880079366 A CN201880079366 A CN 201880079366A CN 111448329 A CN111448329 A CN 111448329A
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萨马内哈·阿利贝吉
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ArcelorMittal SA
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Abstract

一种经冷轧和热处理的钢板，以重量百分比表示，其组成包含以下元素：0.11％≤碳≤0.15％，1.1％≤锰≤1.8％，0.5％≤硅≤0.9％，0.002％≤磷≤0.02％，0％≤硫≤0.003％，0％≤铝≤0.05％，0％≤氮≤0.007％，并且可以包含以下任选元素中的一者或更多者：0.05％≤铬≤1％，0.001％≤钼≤0.5％，0.001％≤铌≤0.1％，0.001％≤钛≤0.1％，0.01％≤铜≤2％，0.01％≤镍≤3％，0.0001％≤钙≤0.005％，0％≤钒≤0.1％，0％≤硼≤0.003％，0％≤铈≤0.1％，0％≤镁≦0.010％，0％≤锆≦.010％，剩余部分由铁和不可避免的杂质构成，所述钢板的显微组织包含：50％至80％的铁素体、10％至30％的贝氏体、1％至10％的残余奥氏体和1％至5％的马氏体，其中贝氏体和残余奥氏体的累积量大于或等于25％。

Description

经冷轧和涂覆的钢板及其制造方法
本发明涉及适合用作汽车用钢板的经冷轧和热处理的钢板。
汽车部件需要满足两个不一致的需求，即，易于成形且具有强度，但是近年来，考虑到全球环境问题，还给予汽车以改善燃料消耗的第三个要求。因此，现在汽车部件必须由具有高可成形性的材料制成，以符合复杂汽车组件的易于装配的标准，并且同时必须针对车辆耐撞性和耐久性而改善强度同时减小车辆的重量以改善燃料效率。
因此，进行了大量的研究和开发努力以通过增加材料的强度来减少汽车中使用的材料的量。相反地，钢板强度的增加使可成形性降低，并因此必须开发具有高强度和高可成形性二者的材料。
高强度和高可成形性钢板领域中的早期研究和开发已经产生了数种用于生产高强度和高可成形性钢板的方法，本文中列举其中的一些方法以用于对本发明的明确理解：
US20140234657是要求保护热浸镀锌钢板的专利申请，所述热浸镀锌钢板具有如下显微组织：按体积分数计，等于或大于20％且等于或小于 99％的马氏体和贝氏体中的一者或两者的总计，残余组织包含按体积分数计小于8％的残余奥氏体、铁素体中的一者或两者和按体积分数计等于或小于10％的珠光体。此外，US20140234657达到了980MPa的抗拉强度，但不能达到25％的延伸率。
US8657969要求保护具有590MPa或更大的抗拉强度和优异的可加工性的高强度镀锌钢板。组分组成按质量％计包含：C：0.05％至0.3％， Si：0.7％至2.7％，Mn：0.5％至2.8％，P：0.1％或更少，S：0.01％或更少， Al：0.1％或更少，N：0.008％或更少，余量：Fe或不可避免的杂质。显微组织按面积比计包含：铁素体相：30％至90％，贝氏体相：3％至30％，马氏体相：5％至40％，其中，在马氏体相中，具有3或更大的纵横比的马氏体相以30％或更大的比例存在。
本发明的目的是通过使得可获得同时具有以下特性的经冷轧的钢板来解决这些问题：
-大于或等于630MPa并且优选大于650MPa的极限抗拉强度，
-大于或等于26％并且优选大于28％的总延伸率。
在一个优选的实施方案中，根据本发明的钢板还可以呈现出320MPa 或更大的屈服强度。
在一个优选的实施方案中，根据本发明的钢板还可以呈现出0.5或更大的屈服强度与抗拉强度比。
优选地，这样的钢还可以具有良好的成形适用性(特别是对于轧制) 以及良好的可焊性和可涂覆性。
本发明的另一个目的还在于使得可获得与常规工业应用相容同时对制造参数变化稳健的用于制造这些板的方法。
本发明的经冷轧和热处理的钢板可以任选地涂覆有锌或锌合金，或者涂覆有铝或铝合金以改善其耐腐蚀性。
碳以0.11％至0.15％存在于钢中。碳是通过产生低温转变相例如贝氏体来增加钢板的强度所必需的元素，此外，碳也在奥氏体稳定中起关键作用，因此是用于确保残余奥氏体的必需元素。因此，碳起着两个关键作用，一个作用是增加强度，另一个作用是保留奥氏体以赋予延展性。但是，小于0.11％的碳含量将不能使奥氏体稳定在本发明的钢所需的足够量。另一方面，在超过0.15％的碳含量下，钢表现出差的可点焊性，这限制其应用于汽车部件。
本发明的钢的锰含量为1.1％至1.8％。该元素是γ相生成元素 (gammagenous)。添加锰的目的本质上是获得包含奥氏体的组织并赋予钢以强度。发现至少1.1重量％的量的锰用以提供钢板的强度和淬透性并且用以使奥氏体稳定。但是，当锰含量大于1.8％时，其产生不利的影响，例如在用于贝氏体转变的过时效保持期间，其阻碍奥氏体向贝氏体的转变。此外，大于1.8％的锰含量也使本发明的钢的延展性降低并且还使可焊性劣化，因此可能无法实现延伸率目标。用于本发明的优选含量可以保持在1.2％至1.8％，进一步更优选1.3％至1.7％。
本发明的钢的硅含量为0.5％至0.9％。硅是可以在过时效期间阻碍碳化物的析出的成分，因此，由于硅的存在，富碳奥氏体在室温下是稳定的。此外，由于硅在碳化物中的差的溶解性，其有效地抑制或阻碍碳化物的形成，因此也促进贝氏体组织的形成，这是根据本发明为了赋予钢以其基本特征所寻求的。然而，不相称的硅含量无法产生提及的效果并导致诸如回火脆化的问题。因此，将浓度控制在0.9％的上限内。用于本发明的优选含量可以保持在0.6％至0.8％。
本发明的钢的磷成分为0.002％至0.02％。磷特别是由于其在晶界处偏析或者与锰共偏析的倾向而使可点焊性和热延展性降低。由于这些原因，将其含量限制于0.03％并且优选低于0.014％。
硫不是必需元素，但是可以作为杂质包含在钢中，并且从本发明的观点出发，硫含量优选尽可能低，但是从制造成本的观点出发，硫含量为 0.003％或更小。此外，如果钢中存在较高的硫，则其尤其与锰结合以形成硫化物并且降低其对本发明的钢的有益影响。
铝不是必需元素，但是可以作为加工杂质包含在钢中，由于以下事实：在熔化态的钢中添加铝以通过除去钢水中存在的氧来防止氧形成气体相来清洁本发明的钢，因此可以作为残留元素以高至0.05％存在。但是从本发明的观点出发，铝含量优选尽可能低。
将氮限制于0.007％以避免材料的老化并使凝固期间氮化物的析出 (这对钢的机械特性是不利的)最小化。
铬对于本发明是任选元素。可以存在于本发明的钢中的铬含量为 0.05％至1％。铬是向钢提供强度和硬化的必需元素，但当以大于1％使用时，其损害钢的表面光洁度。此外，低于1％的铬含量使贝氏体组织中碳化物的分散图案粗化，因此，将贝氏体中碳化物的密度保持为低。
镍可以作为任选元素以0.01％至3％的量添加以增加钢的强度并改善其韧性。需要最少0.01％以产生这样的效果。然而，当其含量大于3％时，镍导致延展性劣化。
铌对于本发明是任选元素。铌含量可以以0.001％至0.1％存在于本发明的钢中并添加在本发明的钢中以通过析出硬化来形成碳氮化物以赋予本发明的钢以强度。铌还通过其作为碳氮化物的析出以及通过在加热过程期间阻碍再结晶来影响显微组织组分的尺寸。因此，在保持温度结束时以及因此在退火完成之后形成的显微组织更精细，这将导致本发明的钢的硬化。然而，由于观察到其影响的饱和效应(这意味着额外量的铌不引起产品的任何强度改善)，因此大于0.1％的铌含量在经济上是不令人感兴趣的。
钛是任选元素，并且可以以0.001％至0.1％添加到本发明的钢中。与铌一样，其参与碳氮化物形成，因此在本发明的钢的硬化中起作用。此外，钛还形成在铸造产品的凝固期间出现的钛氮化物。因此将钛的量限制于 0.1％以避免对可成形性不利的粗的钛氮化物的形成。在钛含量低于0.001％的情况下，其不对本发明的钢赋予任何效果。
本发明的钢中的钙含量为0.0001％至0.005％。钙作为任选元素尤其是在夹杂物处理期间添加到本发明的钢中。钙通过阻止球状形式的不利的硫含量而有助于钢的精炼，从而阻碍了硫的有害效果。
铜可以作为任选元素以0.01％至2％的量添加以增加钢的强度并改善其耐腐蚀性。需要最少0.01％的铜以获得这样的效果。然而，当其含量大于2％时，其可能使表面外观劣化。
钼是构成本发明的钢的0.001％至0.5％的任选元素；钼在确定淬透性和硬度中起有效作用，延迟贝氏体的出现并避免贝氏体中的碳化物析出。然而，钼的添加过度使合金元素的添加成本增加，使得出于经济原因将其含量限制于0.5％。
钒通过形成碳化物或碳氮化物而有效地提高钢的强度，并且由于经济原因上限为0.1％。其他元素例如铈、硼、镁或锆可以按以下重量比例单独添加或者组合添加：铈≦0.1％，硼≦0.003％，镁≦0.010％和锆≦0.010％。直至所示的最大含量水平，这些元素使得可以使晶粒在凝固期间细化。钢的组成的剩余部分由铁和因加工产生的不可避免的杂质组成。
钢板的显微组织包含：
对于本发明的钢，按面积分数计，铁素体构成显微组织的50％至80％。铁素体作为基体构成钢的初相。在本发明中，铁素体累积地包括多边形铁素体和针状铁素体。铁素体赋予本发明的钢以高强度以及延伸率。为了确保26％并且优选28％或更大的延伸率，需要具有50％的铁素体。铁素体在退火之后在冷却期间形成在本发明的钢中。但是只要铁素体含量以大于 80％存在于本发明的钢中，就无法实现强度。
对于本发明的钢，按面积分数计，贝氏体构成显微组织的10％至30％。在本发明中，贝氏体累积地由板条贝氏体和粒状贝氏体组成，为了确保 630MPa并且优选650MPa或更大的抗拉强度，需要具有10％的贝氏体。贝氏体在过时效保持期间形成。
按钢的面积分数计，残余奥氏体构成1％至10％。已知残余奥氏体具有比贝氏体高的碳的溶解性，并因此用作有效的碳捕集，从而阻碍贝氏体中碳化物的形成。本发明的残余奥氏体内的碳百分比优选高于0.9％并且优选低于1.1％。根据本发明的钢的残余奥氏体赋予增强的延展性。
按面积分数计，马氏体构成显微组织的1％至5％并且以痕量发现。用于本发明的马氏体包括新鲜马氏体和回火马氏体二者。由于退火之后的冷却，本发明形成马氏体并且在过时效保持期间得到回火。新鲜马氏体也在经冷轧的钢板的涂覆之后在冷却期间形成。当马氏体小于5％时，马氏体赋予本发明的钢以延展性和强度。当马氏体超过5％时，其赋予过度的强度但是使延伸率减小超出可接受的限度。
在不损害钢板的机械特性的情况下，除上述显微组织之外，经冷轧和热处理的钢板的显微组织不含诸如珠光体和渗碳体的显微组织组分。
根据本发明的钢板可以通过任何合适的方法来生产。优选的方法包括提供具有根据本发明的化学组成的钢的半成品铸件。可以将铸件制成锭或者连续地制成薄板坯或薄带材的形式，即，厚度范围从对于板坯的约220 mm至对于薄带材的数十毫米。
例如，具有上述化学组成的板坯通过连铸来制造，其中板坯在连铸过程期间任选地经历直接轻压下以避免中心偏析并确保局部碳与标称碳之比保持低于1.10。通过连铸过程提供的板坯可以在连铸之后在高温下直接使用，或者可以首先冷却至室温然后再加热以进行热轧。
经历热轧的板坯的温度优选为至少1150℃并且必须低于1280℃。在板坯的温度低于1150℃的情况下，在轧机上施加过大的负荷，并且此外，在精轧期间钢的温度可能降低至铁素体转变温度，由此钢将在组织中含有转变铁素体的状态下被轧制。因此，优选地，板坯的温度足够高使得热轧可以在Ac3至Ac3+100℃的温度范围内完成并且终轧温度保持高于Ac3。必须避免在高于1280℃的温度下再加热，因为这在工业上是昂贵的。
Ac3至Ac3+100℃的终轧温度范围是优选的以具有有利于再结晶和轧制的组织。必须使终轧道次在高于Ac3的温度下进行，因为低于该温度，钢板表现出可轧制性的显著下降。然后将以这种方式获得的板以大于 30℃/秒的冷却速率冷却至必须低于570℃的卷取温度。优选地，冷却速率小于或等于200℃/秒。
然后将经热轧的钢板在低于570℃的卷取温度下卷取以避免椭圆化(ovalization)并且优选低于550℃以避免氧化皮形成。这样的卷取温度的优选范围为350℃至550℃。可以将经卷取的经热轧的钢板冷却至室温，然后使其经历任选的热带退火(hotband annealing)。
可以使经热轧的钢板经历任选的氧化皮去除步骤以除去在任选的热带退火之前的热轧期间形成的氧化皮。然后可以使经热轧的板在400℃至750℃的温度下经历任选的热带退火至少12小时并且不超过96小时，将温度保持低于750℃以避免使热轧显微组织部分转变，并因此，失去显微组织均匀性。此后，该经热轧的钢板的任选的氧化皮去除步骤可以通过例如这样的板的酸洗来进行。以35％至90％的厚度压下率使该经热轧的钢板经历冷轧以获得经冷轧的钢板。然后使由冷轧过程获得的经冷轧的钢板经历退火以赋予本发明的钢以显微组织和机械特性。
在退火中，使经冷轧的钢板经历两步加热以达到Ac1+30℃至Ac3的均热温度，其中对于本发明的钢，Ac1和Ac3通过使用下式来计算：
Ac1＝723-10，7[Mn]-16[Ni]+29，1[Si]+16，9[Cr]+6，38[W]+290[As]
Ac3＝910-203[C]^(1/2)-15，2[Ni]+44，7[Si]+104[V]+31，5[Mo]+13，1[W]- 30[Mn]-11[Cr]-20[Cu]+700[P]+400[AI]+120[As]+400[Ti]
其中，元素含量以重量百分比表示。
在第一步中，将经冷轧的钢板以10℃/秒至40℃/秒的加热速率加热至 550℃至650℃的温度范围。此后，在随后的第二步加热中，将经冷轧的钢板以1℃/秒至5℃/秒的加热速率加热至退火的均热温度。
然后，将经冷轧的钢板在均热温度下保持10秒至500秒时间以确保强加工硬化初始组织的至少30％转变为奥氏体显微组织。然后，将经冷轧的钢板然后在两步冷却中冷却至过时效保持温度。在第一步冷却中，将经冷轧的钢板以小于5℃/秒的冷却速率冷却至600℃至720℃的温度范围。在该第一步冷却期间，形成本发明的铁素体基体。此后，在随后的第二步冷却中，将经冷轧的钢板以10℃/秒至100℃/秒的冷却速率冷却至250℃至470℃的过时效温度范围。然后，将经冷轧的钢板在过时效温度范围内保持5秒至500秒时间。然后使经冷轧的钢板达到420℃至480℃的涂覆浴温度范围的温度以促进经冷轧的钢板的涂覆。然后，通过任何已知的工业过程(例如电镀锌、JVD、PVD、热浸镀(GI/GA)等)来涂覆经冷轧的钢板。
实施例
本文中呈现的以下测试、实施例、图形示例和表本质上是非限制性的，并且必须仅出于说明的目的而被考虑，并且将显示本发明的有利特征。
表1中汇总了由具有不同组成的钢制成的钢板，其中分别根据如表2 记明的工艺参数生产钢板。此后，表3汇总了在试验期间获得的钢板的显微组织，表4汇总了获得的特性的评估结果。
表1
Figure BDA0002529121790000071
I＝根据本发明；R＝参照；带下划线的值：未根据本发明
表2
表2汇总了在表1的钢上实施的退火工艺参数。钢组成I1至I4用于制造根据本发明的板。该表还说明了在表中指明为R1至R4的参照钢。表2还示出了Ac1和Ac3的列表。对于本发明的钢和参照钢，这些Ac1 和Ac3如下定义：
Ac1＝723-10，7[Mn]-16[Ni]+29，1[Si]+16，9[Cr]+6，38[W]+290[As]
Ac3＝＝910-203[C]^(12)-15，2[Ni]+44，7[Si]+104[V]+31，5[Mo]+13，1[W]-
30[Mn]-11[Cr]-20[Cu]+700[P]+400[AI]+120[As]+400[Ti]
其中，元素含量以重量百分比表示。
将所有板在热轧之后以34℃/秒的冷却速率冷却并且在涂覆之前最终达到460℃的温度。
表2如下：
Figure BDA0002529121790000081
表3
表3例示了在用于确定本发明的钢和参照钢二者的显微组织的不同显微镜例如扫描电子显微镜上根据标准进行的测试的结果。
本文中记明了结果：
Figure BDA0002529121790000091
I＝根据本发明；R＝参照；带下划线的值：未根据本发明
表4
表4例示了本发明的钢和参照钢二者的机械特性。为了确定抗拉强度、屈服强度和总延伸率，根据JIS Z2241标准进行抗拉测试。
汇总了根据标准进行的各机械测试的结果。
表4
Figure BDA0002529121790000092
I＝根据本发明；R＝参照；带下划线的值：未根据本发明。

Claims (17)

1.一种经冷轧和热处理的钢板，以重量百分比表示，其组成包含以下元素：
0.11％≤碳≤0.15％
1.1％≤锰≤1.8％
0.5％≤硅≤0.9％
0.002％≤磷≤0.02％
0％≤硫≤0.003％
0％≤铝≤0.05％
0％≤氮≤0.007％
并且可以包含以下任选元素中的一者或更多者：
0.05％≤铬≤1％
0.001％≤钼≤0.5％
0.001％≤铌≤0.1％
0.001％≤钛≤0.1％
0.01％≤铜≤2％
0.01％≤镍≤3％
0.0001％≤钙≤0.005％
0％≤钒≤0.1％
0％≤硼≤0.003％
0％≤铈≤0.1％
0％≤镁≦0.010％
0％≤锆≦0.010％
剩余部分组成由铁和因加工产生的不可避免的杂质构成，所述钢板的显微组织以面积分数计包含：50％至80％的铁素体、10％至30％的贝氏体、1％至10％的残余奥氏体和1％至5％的马氏体，其中贝氏体和铁素体的累积量小于94％。
2.根据权利要求1所述的经冷轧热处理的钢，其中所述组成包含0.6％至0.8％的硅。
3.根据权利要求1或2所述的经冷轧热处理的钢，其中所述组成包含0.12％至0.15％的碳。
4.根据权利要求3所述的经冷轧热处理的钢，其中所述组成包含0％至0.04％的铝。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的经冷轧热处理的钢，其中所述组成包含1.2％至1.8％的锰。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的经冷轧热处理的钢，其中所述组成包含1.3％至1.7％的锰。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的经冷轧热处理的钢，其中，铁素体和贝氏体的累积量大于或等于65％并且贝氏体的百分比高于15％。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的经冷轧热处理的钢，其中残余奥氏体的碳含量为0.9％至1.1％。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的经冷轧热处理的钢，其中所述钢板具有630MPa或更大的极限抗拉强度和26％或更大的总延伸率。
10.根据权利要求9所述的经冷轧热处理的钢，其中所述钢板具有640MPa或更大的极限抗拉强度和大于等于28％的总延伸率。
11.一种生产经冷轧热处理的钢板的方法，包括以下顺序步骤：
-提供根据权利要求1至6中任一项所述的钢组成；
-将所述半成品再加热至1150℃至1280℃的温度；
-在奥氏体范围内对所述半成品进行轧制以获得经热轧的钢板，其中热轧终止温度应高于Ac3；
-将所述板以大于30℃/秒的冷却速率冷却至低于570℃的卷取温度；以及卷取所述经热轧的板；
-将所述经热轧的板冷却至室温；
-任选地对所述经热轧的钢板进行氧化皮去除过程；
-任选地在400℃至750℃的温度下对经热轧的钢板进行退火；
-任选地对所述经热轧的钢板进行氧化皮去除过程；
-以35％至90％的压下率对所述经热轧的钢板进行冷轧以获得经冷轧的钢板；
-然后通过经由两步加热对所述经冷轧的钢板进行加热来在Ac1+30℃至Ac3的均热温度下进行退火持续10秒至500秒的持续时间，
-在第一步加热中，将所述经冷轧的钢板以10℃/秒至40℃/秒的加热速率加热至550℃至650℃的温度范围；
-然后在第二步中，将所述经冷轧的钢板以1℃/秒至5℃/秒的加热速率从550℃至650℃的温度范围加热至退火均热温度
-然后，在两步冷却中将所述经冷轧的钢板冷却，其中在第一步冷却中，将所述经冷轧的钢板以小于5℃/秒的冷却速率冷却至600℃至720℃的温度范围
-此后，将所述经冷轧的钢板以10℃/秒至100℃/秒的冷却速率从600℃至720℃的温度范围冷却至过时效温度
-然后使所述经冷轧的钢板在250℃至470℃的温度范围下经历过时效5秒至500秒时间，然后使所述经冷轧的钢板达到420℃至480℃的温度范围以促进涂覆
-然后涂覆所述经冷轧的板以获得经冷轧涂覆的钢板。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述卷取温度低于550℃。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述终轧温度为Ac3至Ac3+100℃。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中退火之后的冷却速率在600℃至700℃的温度范围内小于3℃/秒。
15.一种生产根据权利要求11至14中任一项所述的经冷轧和涂覆的钢板的方法，其中将所述经冷轧的钢板在Ac1+30℃至Ac3之间退火，并且选择退火温度以确保在退火期间存在至少30％的奥氏体。
16.根据权利要求1至10中任一项所述的钢板或者根据权利要求11至15所述的方法生产的钢板用于制造车辆的结构或安全部件的用途。
17.一种车辆，包括根据权利要求16获得的部件。
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