CN110117756A - 一种Cu合金化深冲双相钢板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种Cu合金化深冲双相钢板及其制备方法，属于金属材料加工技术领域。该钢板的化学成分按重量百分数为：C：0.015～0.030％，Si：0:10～0.30％，Mn：0.10～0.30％，Cu：0.40～0.60％，Ni：0.30～0.50％，P≤0.020％，S≤0.0030％，N≤0.0040％，Ti：0.010～0.025％，余量为Fe和不可避免的残存杂质元素。该方法是按设计成分进行常规冶炼与浇铸，然后经酸洗冷轧轧至目标厚度，随后在连续退火生产线进行退火，通过控制退火过程中的再结晶与相变，使铁素体晶粒充分再结晶长大与降低固溶碳，获得较高的r值。产品抗拉强度≥390MPa，延伸率≥25％，r≥1.40。本发明生产工艺简单，操作可行，能满足汽车覆盖件及对成形性要求较高的复杂结构件的要求。

Description

一种Cu合金化深冲双相钢板及其制备方法

技术领域：

本发明属于金属材料加工技术领域，涉及一种汽车用冷轧深冲双相钢，特别涉及一种利用Cu合金化来获得高强度高塑性应变比的冷轧铁素体加马氏体双相钢板及其制备方法。

背景技术：

随着汽车工业的发展，以及能源和环境问题的日益尖锐，为了应对能源短缺和环境污染的挑战，减少能耗和废气排放，汽车行业开展了各种对燃油经济性改善的技术，其中轻量化是对燃油经济性改善最显著的技术。试验证明，若汽车整车重量降低10％，燃油效率可提高6％～8％。目前汽车轻量化材质有铝、镁、塑料、纤维增强复合材料与高强度钢。从成本、全生命周期碳排放、回收利用、成形、焊接等方面，钢较其他材料具有明显优势。且钢在汽车行业有广泛应用的经验，汽车行业对其特性比较熟悉，这将大大减少设计、制造、加工与成形技术开发成本。因此，钢铁材料在未来相当长一段时间内仍然为汽车工业的主体用材。以铁素体和马氏体为组织的双相钢具有低屈强比、高伸长率、高烘烤硬化性、高初始加工硬化率、无屈服平台、时效稳定性好、生产工艺简单、焊接与涂镀性能优异等特点，在汽车行业获得了广泛应用，目前广泛应用于汽车结构件与加强件。然而由于其低的塑性应变比与深冲性，限制了其在覆盖件与大型复杂结构件等方面的推广应用。这是因为传统双相钢普遍以CSiMn为基础，或添加少量的Nb、V、Cr、Mo等元素，其马氏体含量一般为5～20％，甚至更高(强度级别越高，其马氏体含量越高)。由于C、合金元素与马氏体含量较高，阻碍了冷轧退火{111}//ND织构的发展，使得深冲性能下降，其塑性应变比(r值)一般小于1.0，难以满足轿车外板及冲压性能要求较高覆盖件生产。因此如何提高双相钢深冲性能并进一步扩大双相钢在汽车白车身的应用将成为国内外钢铁行业与汽车行业所追求的目标。

目前涉及深冲双相钢的相关文献公开如下：中国专利CN104233093A公开了一种高超深冲用低碳低硅冷轧热镀锌双相钢及其制备方法，该发明向钢中添加了一定量的贵金属Cr和Mo元素，并采用织构预处理工艺进行生产，在最终退火之前需进行织构预处理退火工艺，工艺流程长，在预处理退火过程中带钢易发生粘结影响板形与表面质量，同时不利于节约化生产。中国专利CN102286696A公开了一种高塑性应变比的超深冲双相钢的制备方法，该发明向钢中添加了一定量的贵金属Al、Cr和Mo元素，Al含量相对较高，在连铸过程中易出现水口堵塞情况；在制造过程中利用Mo的碳化物低温析出与高温回溶原理，Mo在退火温度条件下很容易发生回溶，钢中间隙C原子很难精确控制，从而影响{111}//ND织构的形成与发展。中国专利CN102517492A公开了一种经亚温退火处理的含钒深冲双相钢的制备方法，该发明是通过在较高温度进行亚温预处理，获得较强的再结晶织构，然后进行最终退火处理。由于亚温退火温度过高，在退火过程中带钢之间会产生粘结，从而影响板形与表面质量，同时采用两步热处理工艺，增加了工序流程，不利于节约化生产。中国专利CN103243260A公开了深冲压双相钢及其生产方法，该发明通过向钢中添加较高的Nb元素，利用NbC低温析出与高温回溶原理，通过Nb来控制钢中固溶碳含量，此方法对连退温度的控制要求较高，温度稍高会增加钢的固溶C含量，从而影响钢的{111}//ND织构的形成；同时钢中P含量较高，在冲压与二次加工时容易产生冷脆现象。中国专利CN103469089A公开了一种饼形晶粒深冲双相钢板及其制备方法，该发明是利用低碳铝镇静钢在罩退过程中形成饼形晶粒与组织遗传原理，在随后退火过程中将饼形晶粒遗留下来，此方法也需要进行组织预处理，增加了工序流程，对节约化生产不利。中国专利CN102162073A公开了一种超深冲用低碳低硅冷轧热镀锌双相钢的制备方法，该发明向钢中添加了一定量的贵金属Cr和Mo元素，并采用织构预处理工艺进行生产，较高的织构预处理生产时带钢之间容易发生粘结，从而影响钢带板形与表面质量；同时工序流程长，不利于节约化生产。

上述技术主要是采用碳化物低温析出、高温回溶与织构预处理工艺。对于碳化物低温析出、高温回溶对连续退火工艺要求较高，退火温度较低不利于再结晶织构的发展与马氏体形成；退火温度较高使得钢中固溶C含量增加，不利于{111}织构的形成。而织构预处理工艺要求最终退火之前进行较高温度的亚温退火，目前普遍采用的是罩式退火，退火温度高带钢之间容易发生粘结影响带钢板形与表面质量；同时工序流程较长，不利于绿色节约化生产。

相关研究表明，在低碳钢中添加一定量的Cu含量，通过控制Cu的析出与偏聚，使Cu阻碍{100}晶粒长大与促进γ纤维织构的形成，进而提高γ织构密度与体积分数，改善最终产品的深冲性能。因此，通过控制Cu在钢中的存在形式，抑制{100}取向的生长与促进{111}织构的发展，提高退火板中极密度I₂₂₂/I₂₀₀的比值，显著提高r值。

发明内容：

本发明针对现有冷轧深冲双相钢及其制备技术中存在的上述不足，提供一种Cu合金化深冲双相钢板及其制备方法。本发明在传统双相钢基础上，获得相对较高的r值，可以将其应用于汽车覆盖件或对深冲性能要求较高的复杂零部件生产中。

本发明提供的一种Cu合金化深冲双相钢板按重量百分比计，该双相钢的化学成分质量百分比为：C：0.015～0.030％，Si：0:10～0.30％，Mn：0.10～0.30％，Cu：0.40～0.60％，Ni：0.30～0.50％，P≤0.020％，S≤0.0030％，N≤0.0040％，Ti：0.010～0.025％，余量为Fe和不可避免的残存杂质元素。该双相钢的主要组织为铁素体、马氏体与少量粒状碳化物，其抗拉强度≥390MPa，延伸率≥25％，r≥1.40。

本发明提供的一种Cu合金化深冲双相钢板制备方法的具体步骤如下：

首先进行冶炼，并在RH炉中精炼以去除N、O等间隙原子，然后通过连铸铸成板坯后进行热轧，热轧加热温度为1050～1150℃，热轧终轧温度为850～890℃，热轧卷取温度为500～600℃，热轧卷经酸洗后冷轧轧制成薄板，冷轧压下率为65～80％；然后进行两相区连续退火，加热温度为780～800℃，保温时间为90～120s，然后以5～8℃/s的速度冷至660～700℃，最后以40～60℃/s的冷却速度快冷至280～320℃进行过时效处理，过时效处理400～600s后冷至室温制得所述深冲双相钢板。

所述两相区连续退火过程中，采用30％H₂+N₂混合气体对所述钢板进行冷却。

本发明方法首先进行冶炼并在RH炉中精炼，主要目的是获得所需化学成分钢水以及去除钢中N、O、H等间隙原子，消除间隙原子对{111}织构形成的不利作用。将精炼后的钢水通过结晶器与连铸机铸成板坯，铸坯经热轧后获得所需组织与尺寸的热轧带钢，热轧主要目的是控制Cu在钢中的形态以及获得等轴组织，在热轧卷取过程中Cu向板面偏聚析出阻碍{100}晶粒长大，减少{100}织构组分，使γ纤维织构密度增大；部分Cu在热轧时固溶以降低对退火再结晶的作用，以及在退火过程中以细小析出物形式析出增加钢的强度。热轧后的带钢经酸洗去除表面氧化铁皮后，进行冷轧，冷轧圧下率为65～80％，主要是获得最终厚度规格以及通过一定的圧下，获得较强的α织构，为随后的退火形成强的γ织构做准备。最后进行再结晶连续退火：连续退火的目的是一方面获得铁素体加马氏体双相组织，另一方面获得相对较强的γ纤维织构，进而提高双相钢的r值。

本发明中Cu合金化深冲双相钢板各合金元素的作用机理如下：

C：C是双相钢中最有效的强化元素，是形成马氏体的主要元素，可提高钢的淬透性；因此为了获得双相组织，又能保证一定的强度要求，C含量不能低于0.015％；但随着C含量的增加，铁素体中固溶的间隙原子C将会增多，将会阻碍连退过程中{111}有利织构的发展，从而恶化钢的深冲性能；另外C含量增加，随后马氏体含量及马氏体相变时膨胀变形将增加α取向密度，恶化钢的成形性。因此钢中C含量的上限为0.030％。

Si：Si是铁素体固溶强化元素，强烈提高铁素体基体的强度，促进碳向奥氏体中富集，对铁素体中的固溶碳有清除与净化作用，有助于提高双相钢的延性；另外在冶炼过程中Si还具有脱氧作用。Si含量过低，对碳化物的抑制与铁素体的“净化”作用较小，容易形成碳化物与珠光体组织，因此Si含量必须超过0.10％；Si含量过高，对铁素体基体强化，使得屈强比增加，同时Si的固溶强化对{111}织构的发展不利，因此钢中Si含量上限为0.30％。

Mn：Mn能与S结合形成MnS，降低S的热脆作用。另外Mn属于奥氏体稳定化元素，可提高钢的淬透性，提高钢的加工硬化性能，并可显著推迟珠光体与贝氏体转变。但是若通过Mn来使钢中获得铁素体与马氏体双相组织，其含量必须要达1.60％以上，过高的固溶Mn含量对{111}纤维织构的形成不利，从而影响其深冲性能。因此Mn含量的范围控制在0.10～0.30％。

Cu：铜在钢中主要以ε-Cu相析出，产生显著的沉淀强化效果；同时固溶在钢中的Cu可提高钢的淬透性，推迟珠光体转变，促进马氏体形成。同时适量的Cu在热轧卷取过程中向钢板表层偏聚，阻碍{100}晶粒的长大，使{100}织构组分减少，{111}<100>、{112}<100>、{554}<100>织构和随机织构组分增加，从而促进γ纤维织构的发展。但Cu含量较高时，在热加工时容易开裂，并且降低r值。因此本发明将Cu含量的范围控制在0.40～0.60％。

Ni：Ni的添加一方面减少Cu在表面引起的龟裂，一般以1/2Cu含量加入；另一方面Ni还可以显著提高钢的淬透性，促进马氏体形成。但是Ni属于贵金属元素，因此综合各作用本发明将Ni含量控制在0.30～0.50％。

P：P是钢中有害杂质元素，容易在晶界富集而产生冷脆性(尤其是二次加工脆性)，使钢的冷加工成形性能下降，所以其含量越少越好。

S：S在钢中易形成MnS，在轧制后成条带状分布，从而影响钢的冲压成形性，所以越少越好。

N：N是钢中有害杂质元素，固溶在铁素体中的间隙N原子，将恶化{111}有利织构的发展，因此其上限应控制在0.004％以内。

Ti：Ti是强氮化物形成元素，通过与N形成TiN，削弱间隙N对{111}织构形成不利的影响；同时通过抑制焊接热影响区晶粒长大改善钢的焊接性能。但是Ti含量过高会在低温下与C结合形成TiC粒子，不利于双相组织的形成与再结晶织构的发展。因此本发明将Ti含量的范围控制在0.010～0.025％。

本发明具有以下特色和优势：

1、本发明以低碳Cu合金化为基础，在此基础上添加少量Ni元素。通过控制Cu的存在形式来增加I_{111}/I_{100}比值，提高r值；以及Cu的沉淀强化作用提高钢的强度；同时充分发挥Cu、Ni稳定奥氏体，提高钢的淬透性，获得所需的双相组织。另外通过控制连续退火工艺，使钢在退火过程中充分再结晶，改善{111}织构；同时控制退火过程中固溶C与马氏体相变等对{111}织构形成不利的影响，改善产品的深冲性能。最终获得的冷轧双相钢抗拉强度≥390MPa，延伸率≥25％，r≥1.40的综合力学性能。

2、本发明与织构预处理工艺相比，产品板形与表面质量好，工序流程短，能耗低，利用绿色节约化生产。由于碳化物低温析出、高温回溶受碳化物形成元素与碳原子质量之比值、析出温度等影响，其退火温度很难精准控制，容易造成再结晶退火不充分或固溶碳过高产生的{111}织构形成不利的影响。而本发明的合金元素受工艺的影响较小，稳定性好。合金元素总量低，生产成本低；在现有装备与工艺条件下即可生产，实用性更强，板形与表面质量更好。

具体实施方式：

以下实施例是在本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规生产方法。实施例中的Cu合金化深冲双相钢板的化学成分如表1所示。

表1化学成分(质量百分数：％)

编号	C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Ti	N
										DP1	0.021	0.18	0.22	0.016	0.0026	0.45	0.37	0.018	0.0033
DP2	0.028	0.26	0.16	0.012	0.0023	0.53	0.42	0.021	0.0036

按表1化学成分进行冶炼和锻造，为了防止热轧过程中Cu在表面形成龟裂缺陷，采用较低的加热温度，加热温度为1100℃，保温时间为2小时，在450mm两辊热轧机上进行热轧，锻坯出炉后迅速热轧，热轧最终厚度为3.5mm，热轧终轧温度为870℃，轧后分别水冷至540℃(DP1)与580℃(DP2)入炉保温1小时，然后随炉冷却模拟卷取。将热轧后的钢板进行酸洗以去除表面氧化铁皮，然后进行冷轧，冷轧至1.0mm，压下率为71.4％。

将冷轧后的薄板进行连续退火处理，获得较强的再结晶γ织构与铁素体+马氏体双相组织。在模拟连续退火过程中以5℃/s的加热速度加热至退火温度。具体工艺参数如表2所示。表3为实施例的力学性能。

表2连续退火工艺参数

表3力学性能

实施例	Rp0.2/MPa	Rm/MPa	A50/％	n(4～10％)	r
						DP1	291.3	407.4	28	0.26	1.56
DP2	283.3	413.2	27	0.25	1.45

Claims (3)

1.一种Cu合金化深冲双相钢板，其特征在于所述钢板的化学成分按质量百分数为：C：0.015～0.030％，Si：0:10～0.30％，Mn：0.10～0.30％，Cu：0.40～0.60％，Ni：0.30～0.50％，P≤0.020％，S≤0.0030％，N≤0.0040％，Ti：0.010～0.025％，余量为Fe和不可避免的残存杂质元素。

2.如权利要求1所述一种Cu合金化深冲双相钢板的制备方法，其特征在于该制备方法的具体步骤为：首先进行冶炼，并在RH炉中精炼，然后通过连铸铸成板坯后进行热轧，热轧加热温度为1050～1150℃，热轧终轧温度为850～890℃，热轧卷取温度为500～600℃，热轧卷经酸洗后冷轧轧制成薄板，冷轧压下率为65～80％；然后进行两相区连续退火，加热温度为780～800℃，保温时间为90～120s，随后以5～8℃/s的速度缓慢冷却至660～700℃，最后以45～60℃/s的冷却速度快速冷却至280～320℃进行过时效处理，过时效处理400～600s后冷至室温制得所述深冲双相钢板。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述两相区连续退火过程中，采用30％H₂+N₂混合气体对所述钢板进行冷却。