CN102925790B

CN102925790B - 一种连续退火工艺生产高强塑积汽车用钢板的方法

Info

Publication number: CN102925790B
Application number: CN201210429409.6A
Authority: CN
Inventors: 罗海文; 董瀚; 干勇; 翁宇庆; 时捷
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2032-10-31
Also published as: CN102925790A

Abstract

一种连续退火工艺生产高强塑积汽车用钢板的方法，属于汽车用钢技术领域。基于合理化学成分设计和合金元素的配分，关键在于冷轧板卷先获得细小弥散分布的过渡碳化物，然后再经过两相区退火通过细小碳化物的固溶促进奥氏体逆相变，获得更多且稳定的奥氏体相并可保留下来。本发明给出了形成细小弥散碳化物的严格工艺条件和进行两相区退火的工艺参数的严格区间，其优点在于，可以利用钢厂现有的连续退火生产线进行短时间退火就可得到性能均匀、表面质量良好的连续退火板卷，其强度为0.6-1.2GPa，延伸率为45-20%，强塑积为25-40GPa%。

Description

一种连续退火工艺生产高强塑积汽车用钢板的方法

技术领域

本发明属汽车用钢板卷的生产技术领域，特别是提供了一种连续退火工艺生产高强塑积汽车用钢板的方法。通过钢铁企业现有的连续退火生产线短时连续退火(≤10分钟)生产高强塑积汽车用钢板卷。

技术背景

高强度高塑性材料一直是材料工作者持之以恒的追求目标，特别是随着汽车轻量化和安全性要求的提高，要求汽车结构件用钢具有高强塑积(抗拉强度与延伸率的乘积)。第一代汽车用钢的强塑积在10-20GPa%的水平，已经不能满足汽车工业未来发展对轻量化和高安全的双重要求；近年来人们相继开发了高强度高塑性的TWIP钢和奥氏体钢，即现在被称谓的第二代汽车用钢，它们的抗拉强度可以达到800-1000MPa，强塑积达到了60GPa%的级别。但第二代汽车用钢添加了大量的Cr、Ni、Mn、Si和Al等合金元素，使得其成本较高。同时由于高合金含量，导致了钢的工艺性能较差，冶金生产困难较大，因而限制了其生产与应用。为了适应节约资源、降低成本、汽车轻量化和提高安全性的要求，需要研发高强塑积、高强度而且低成本的新一代汽车用钢。发明人团队已经在专利CN 101638749A公开了主要成分为0.02-0.50wt%C和3.50-9.00wt%Mn的第三代高强高塑汽车用钢发明专利，本发明则是通过工业化连续退火生产线短时退火来生产这一高性能汽车板卷的具体生产工艺。

汽车所用薄钢板绝大多数都要通过冷轧轧至规定厚度，然后经连续退火工艺生产出具有目标组织的基板。但钢铁企业的连续退火生产线所能提供的退火时间较短，通常不超过10分钟，而前述所发明的第三代高强高塑汽车用钢（CN 101638749A）在最终退火时要求退火时间足够长，以使扩散较慢的Mn能够充分配分进入奥氏体相，从而获得稳定的奥氏体，才能获得优异的力学性能。也即退火时间越长，其性能越好，但是在工业化的连续退火生产线上由于生产线长度的限制，其退火时间多不超过10分钟，因此难以通过短时连续退火就得到足够数量的稳定的奥氏体组织。而本发明的目的就是在最终连续退火前通过新设计的热处理工艺来对钢板卷的组织进行预调整，从而能够在短时的工业化连续退火时也能得到含有足够多和稳定奥氏体的组织，保证该钢的优异性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连续退火工艺生产高强塑积汽车用钢板的方法，通过现有的工业化连续退生产线（退火时间10分钟内）来生产制造第三代高强高塑汽车用钢板卷；其强塑积（强塑积是抗拉强度与延伸率的乘积）≥30GPa%。

本发明基于合理化学成分设计和合金元素的配分，关键在于最终退火前对冷轧组织进行预处理，使其析出弥散细小的碳化物颗粒，从而在最终两相区短时连续退火时固溶，由于碳化物固溶区域富集碳和锰，因此既提供了奥氏体形核核心又降低了奥氏体相长大所需的碳、锰配分的时间，从而促进形成足够数量的而且化学稳定性更好的奥氏体相，这些奥氏体可以在冷却过程中保留下来，在钢的应变过程中实现TRIP或TWIP机制，提高钢的塑性和强度。具体工艺如下：

1、在钢的化学成分上，按专利CN 101638749A公开的成分范围进一步细化，主要为0.05-0.45wt% C和2.50-8.00wt%Mn， P≤0.020wt%，S≤0.02wt%，余为Fe及不可避免的不纯物。在此基础上也可以另加以下一种或多种元素： Ni:0.1-3.0wt%、Cr:0.2-3.0wt%、Mo:0.1-0.8wt%、Si:0.3-2.3wt%、Cu:0.5-2.0wt%、B：0.0005-0.005wt%、Nb:0.02-0.10wt%、[N]:0.002-0.25wt%、Ti：0.05-0.25wt%、V：0.02-0.25wt%、Al：0.015-0.060wt%、RE（稀土）:0.002—0.005wt%、Ca:0.005-0.03wt%。

2、钢的冶炼与凝固：适用于转炉、电炉和感应炉冶炼，采用连铸生产铸坯或模铸生产铸锭。

3、铸坯或铸锭开坯后的热连轧：将铸坯经1100-1250℃加热，由粗轧机进行5-20道次轧制，热轧到30-50mm厚度规格，由热连机组进行5-7道次轧制到3-15mm后，轧后在550-700℃卷取，卷重需超过12吨以上；

4、上述热连轧卷可经过退火缓冷工艺以降低冷轧加工载荷，或不经过退火，进行酸洗处理后，在冷轧连轧机组直接进行轧制到0.6-4.0mm后，得到冷轧钢板。

5、在进入连续退火前冷轧钢板的目标组织是有尺寸不超过25nm以上的碳化物或者渗碳体。根据(4)可能得到不同类型的冷轧组织，设计如下不同的预处理工艺来得到细小碳化物颗粒析出与分布的目标组织；

(a)如果冷轧板中有粗大的碳化物或者渗碳体(尺寸大于25nm)，则需要利用钢厂的连续退火生产线，将钢板加热到Ac₃+10至80℃进行初次退火，保温3-10分钟以固溶碳化物或者渗碳体，而后快冷至100-400^oC范围内卷取，冷却速度不小于20^oC/s以避免在慢冷时进入高温区间析出相对粗大的渗碳体；然后将钢板卷吊入钢厂保温坑内或其他可进行温度保持的设备中或鼓入相应温度的热风保温进行细小碳化物析出的预处理，保持温度在100-400^oC之间，保温时间可在2分钟至40小时之间；其中保温时间(t，单位小时)的范围和温度(T,单位K)的关系按下式(1)计算。保温时间随着时效温度的不同而显著不同，因为碳化物析出和长大显著依赖温度，在温度较高时保温所需时间显著缩短。设计此工序的目的就是通过低温区域的时效形成细小的碳化物(<25nm)，进行C和Mn预富集。当保温时间在10分钟以内时，还可采用如下工艺，以在上述奥氏体化固溶退火后直接快冷至室温卷取，然后直接进入两段式连续退火炉退火，在第一段退火炉短时退火以析出弥散细小碳化物，退火时间1-5分钟，退火温度控制在300-400^oC，具体控制数值参考下式（1）计算；然后再接着进入第二段连续退火炉进行两相区退火，其工艺参数控制参见步骤（6）。

1670.66×exp(-T/64.31)-0.0008≤t≤37046×exp(-T/54.66)+0.04（1）

(b)如果冷轧钢卷中不含碳化物或者渗碳体，则直接将冷轧钢板卷吊入钢厂保温坑内或其他可进行温度保持的设备中或鼓入相应温度的热风保温进行碳化物或者渗碳体的析出预处理，保持温度在100-400^oC之间，保温时间可在2分钟至40小时之间；其中保温时间(t，单位小时)的范围和温度(T,单位K)的关系同样按上式(1)计算。当保温时间在10分钟以内时，还可采用如下工艺，将上述不含碳化物的冷轧钢板卷直接进入两段式连续退火炉退火，在第一段退火炉短时退火以析出弥散细小碳化物，退火时间1-5分钟，退火温度控制在300-400^oC，具体控制数值参考（1）式计算；然后再接着进入第二段连续退火炉进行两相区退火，其工艺参数控制参见步骤（6）。

(c ) 如果冷轧后钢卷中已经存在细小的碳化物或者渗碳体，其尺寸小于25nm，那么冷轧钢卷不需进行预处理，则可直接进行后续的连续退火。这可以通过在先期得到的无碳化物马氏体组织在进行冷连轧时，提高轧制摩擦力，使得轧制带温保持在100-200^oC然后带温卷取放入保温设备中，时间按(1)式计算，以达到时效析出尺寸小于25nm碳化物的目的。

6、本发明要求将经过预处理的冷轧钢板卷开卷后经过连续退火生产线进行连续退火，退火时间3-10分钟。此时前期预处理时效形成的细小碳化物，在随后的两相温度区间连续退火时又可迅速溶解，从而加快了奥氏体相在连续退火的形成速度以及Mn在奥氏体相中的富集速度。因此虽然最终连续退火时间较短，依然可以形成足够多且稳定的奥氏体相。连续退火时加热速度要大于30^oC/s，以避免细小碳化物在加热过程中的粗化，退火后冷却至450^oC的时间不超过20秒，以避免奥氏体相冷却时在高温区的分解。连续退火温度T是影响最终残余奥氏体数量的关键参数，需要根据钢成分中C和Mn含量严格按如下公式(2)计算，以保证此温度下退火时渗碳体恰好可以固溶，形成的奥氏体相中碳含量达到最大，因此此时奥氏体相的化学稳定性最好，最终可有更多的奥氏体残留下来改善性能。

当碳含量≤0.25% 时，

970-12×[%wtMn]-89×[%wtC]≤T(K) ≤1030-12×[%wtMn]-89×[%wtC] (2a)

当碳含量>0.25% 时

950-12×[%wtMn]+24×[%wtC]≤T(K) ≤1005-12×[%wtMn]+24×[%wtC] (2b)

7、通过本技术制备的连续退火钢板卷，其强度为0.6-1.2GPa，延伸率为45-25%，强塑积为30-40GPa%。

在上述基础上还可以通过下列技术进一步提高或达到性能：1、可以添加Ni、Mo、Cr、B等进一步提高钢的淬透性或低温冲击韧性、添加Nb、V、Ti等细化原奥氏体晶粒、添加Cu、V等通过析出强化提高钢的强度、以及添加Si等提高强度和抑制碳化物析出等、添加[N]调节奥氏体的稳定性等；2、通过热轧或温轧等轧制工艺控制钢的微观组织结构的均匀性，细化晶粒尺寸，为最终热处理提供理想的组织结构; 3、本专利发明的工艺同样适用于连续退火-热镀锌生产线，即在钢卷在连续退火后在350-500^oC温度区间穿过锌锅进行热镀锌，从而生产出热镀锌钢板。本发明提出的概念和预处理工艺也同样适用于现有工业条件下的高性能冷轧和热轧高强度汽车板生产、高性能型材和棒线材等的生产，也适用于通过热处理手段来实现高性能的产品，如热成形零件等。

附图说明

图1 为冷轧板卷（表1中的C成分）经780^oC连续退火10分钟以奥氏体化固溶冷轧组织中的碳化物或渗碳体，然后冷却至不同温度保温不同时间（表2所示的不同预处理工艺），最后经后650^oC连续退火5分钟后的钢中的残余奥氏体分数，X射线衍射测量图。

图2 为C成分钢经预处理工艺2导致析出尺寸相对粗大的渗碳体颗粒，其在随后的650^oC×5分钟退火中无法固溶。透射电镜明场照片

图3 为C成分钢经预处理工艺2导致析出尺寸相对粗大的渗碳体颗粒，其在随后的650^oC×5分钟退火中无法固溶。透射电镜暗场照片，与图2为同一区域的对应照片。

图4 为C成分钢经预处理工艺1导致析出尺寸相对粗大的渗碳体颗粒，其在随后的650^oC×5分钟退火中无法固溶。透射电镜明场照片

图5 为C成分钢经预处理工艺1导致析出尺寸相对粗大的渗碳体颗粒，其在随后的650^oC×5分钟退火中无法固溶。透射电镜暗场照片，与图4为同一区域的对应照片

具体实施方式

实施例：

本实施例试验采用表1所示的A、B、C三种化学成分，由感应炉冶炼，浇注成锭后热锻成50mm厚的板坯，然后经中试用单机架轧机轧至6mm的热轧卷，控制终轧温度在750^oC左右，卷取温度>600^oC,放入保温炉保温5小时随后炉冷至室温，然后将热轧卷经冷轧机冷轧至2mm。冷轧板的后续退火在实验室的退火模拟机器上完成。冷轧钢板先在780^oC退火6分钟以奥氏体化并固溶碳化物，按不小于20^oC/s冷却至不同温度，按照表2所示的8种预处理工艺进行预处理。其中550^oC和室温保温工艺为对照比较工艺。最后将经上述不同工艺预处理的冷轧板卷加热至650^oC退火5分钟快冷（不小于20^oC/s），并测量其最终产品中的残余奥氏体分数（图1）和机械性能（表3）。组织的精细分析表征发现，如果在550^oC保温数分钟，会导致析出尺寸相对粗大的渗碳体（>30nm）而这些渗碳体在最终的650^oC退火5分钟无法固溶，如图2所示，因为这些渗碳体富集碳和锰，从而导致在退火时形成的富锰和碳的奥氏体相数量减少且化学稳定性差，所以最终的残余奥氏体数量最少，如图1所示，对应的性能也最差（表3所示）。而通过100-400^oC的保温处理析出细小碳化物后，在随后的650^oC退火时这些细小碳化物可以固溶，这样就实现了碳和锰的预富集，从而加快了650^oC退火时的奥氏体相的形成速度，同时由于锰的进一步富集增强了奥氏体相的化学稳定性。因此经过低温碳化物析出处理的钢相对于无析出处理的钢，在650^oC退火后的残余奥氏体数量多，差不多增加10%左右，因此机械力学性能改善，即使只是短暂的5分钟退火，其力学性能也达到了第三代汽车钢的标准。另外，实验结果发现，当预处理温度低至100^oC时，保温时间的影响变小，这意味着该工艺窗口宽泛，易于在工业上实现。

表1 发明钢的化学成分

表2 最终连续退火前预处理工艺

表3 表1所示成分的钢板经奥氏体化退火后再经表2所示的8中预处理工艺，最后经650^oC×5分钟退火后的钢板的力学性能

Claims

1.一种连续退火工艺生产高强塑积汽车用钢板的方法，转炉、电炉或感应炉冶炼，钢板化学成为0.05-0.45wt%C、2.50-8.00wt%Mn，P≤0.020wt%，S≤0.02wt%，余为Fe及不可避免的不纯物；工艺步骤及控制的技术参数为：

（1）钢的冶炼与凝固：适用于转炉、电炉和感应炉冶炼，采用连铸生产铸坯或模铸生产铸锭；

（2）铸坯或铸锭开坯后的热连轧：将铸坯经1100-1250℃加热，由粗轧机进行5-20道次轧制，热轧到30-50mm厚度规格，由热连机组进行5-7道次轧制到3-15mm后，轧后在550-700℃卷取，卷重需超过12吨以上；

（3）上述热连轧卷经过退火缓冷工艺以降低冷轧加工载荷，或不经过退火，进行酸洗处理后，在冷轧连轧机组直接进行轧制到0.6-4.0mm后，得到冷轧钢板；

（4）在进入连续退火前冷轧钢板的目标组织是有尺寸不超过25nm以上的碳化物或者渗碳体；根据(3)得到不同类型的冷轧组织，设计如下不同的预处理工艺来得到细小碳化物颗粒析出与分布的目标组织；

当冷轧板中有尺寸大于25nm的碳化物或者渗碳体，则需要利用钢厂的连续退火生产线，将钢板加热到Ac3+10至80℃进行初次退火，保温3-10分钟以固溶碳化物或者渗碳体，而后冷至100-400℃范围内卷取，冷却速度不小于20℃/s以避免在慢冷时进入高温区间析出相对粗大的渗碳体；然后将钢板卷吊入保温坑内或鼓入相应温度的热风保温进行细小碳化物析出的预处理，保持温度在100-400℃之间，保温时间在2分钟至40小时之间；其中保温时间t，温度T的关系按下式（1）计算；当保温时间在10分钟以内时，在上述奥氏体化固溶退火后直接快冷至室温卷取，然后直接进入两段式连续退火炉退火，在第一段退火炉短时退火以析出弥散细小碳化物，退火时间1-5分钟，退火温度控制在300-400℃，具体控制数值按式（1）计算；然后再接着进入第二段连续退火炉进行两相区退火，其控制按步骤（5）；

1670.66×exp(-T/64.31)-0.0008≤t≤37046×exp(-T/54.66)+0.04 （1）

其中，t的单位小时，T的单位K，

当冷轧钢卷中不含碳化物或者渗碳体，则直接将冷轧钢板卷吊入保温坑内或鼓入相应温度的热风保温进行碳化物或者渗碳体的析出预处理，保持温度在100-400℃之间，保温时间在2分钟至40小时之间；其中保温时间t和温度T的关系按上式(1)计算；当保温时间在10分钟以内时，将上述不含碳化物的冷轧钢板卷直接进入两段式连续退火炉退火，在第一段退火炉短时退火以析出弥散细小碳化物，退火时间1-5分钟，退火温度控制在300-400℃，具体控制数值按（1）式计算；然后再接着进入第二段连续退火炉进行两相区退火，其控制按步骤（5）；

当冷轧后钢卷中已经存在细小的碳化物或者渗碳体，其尺寸小于25nm，那么冷轧钢卷不需进行预处理，则直接进行后续的连续退火；通过在先期得到的无碳化物马氏体组织在进行冷连轧时，提高轧制摩擦力，使得轧制带温保持在100-200℃然后带温卷取放入保温设备中，时间按(1)式计算，以达到时效析出尺寸小于25nm碳化物的目的；

（5）将经过预处理的冷轧钢板卷开卷后经过连续退火生产线进行连续退火，退火时间3-10分钟；连续退火时加热速度要大于30℃/s，以避免细小碳化物在加热过程中的粗化，退火后冷却至450℃的时间不超过20秒，以避免奥氏体相冷却时在高温区的分解；连续退火温度T是影响最终残余奥氏体数量的关键参数，需要根据钢成分中C和Mn含量严格按如下公式(2)计算，

当碳含量≤0.25%时，

970-12×[%wtMn]-89×[%wtC]≤T(K)≤1030-12×[%wtMn]-89×[%wtC] (2a)当碳含量>0.25%时

950-12×[%wtMn]+24×[%wtC]≤T(K)≤1005-12×[%wtMn]+24×[%wtC] (2b)

所制备的连续退火钢板卷，其强度为0.6-1.2GPa，延伸率为45-25%，强塑积为30-40GPa%。

2.根据权利要求1所述的的方法，其特征在于，所述钢板化学成分另加以下一种或多种元素：Ni:0.1-3.0wt%、Cr:0.2-3.0wt%、Mo:0.1-0.8wt%、Si:0.3-2.3wt%、Cu:0.5-2.0wt%、B：0.0005-0.005wt%、Nb:0.02-0.10wt%、[N]:0.002-0.25wt%、Ti：0.05-0.25wt%、V：0.02-0.25wt%、Al：0.015-0.060wt%、RE:0.002—0.005wt%、Ca:0.005-0.03wt%；所述的碳化物为渗碳体。

3.根据权利要求1所述的的方法，其特征在于，在连续退火后，其退火钢板卷进入350-500℃的锌锅进行热镀锌，以得到汽车用热镀锌钢板卷。