CN113025897A - 一种疲劳性能优异的600MPa级热轧扩孔钢及生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有优异疲劳性能的600MPa级热轧高扩孔钢，其化学成分及wt%为：C为0.03~0.06%，Si为0.10~0.30%，Mn为1.30~1.70%，P≤0.009%，S≤0.003%，Ti为0.08~0.13%，Mo为0.18~0.22%，Nb为0.015~0.035%，V为0.08~0.12%；生产方法：经转炉冶炼后进行真空处理；连铸成坯后对铸坯加热；粗轧；精轧；前段式冷却；卷取。本发明铁素体晶粒度等级≥10级；铁素体基体内含有大量的纳米级簇团析出物，其尺寸在1~10nm，密度可达1.5×103/μm2；钢板的抗拉强度≥600MPa、延伸率≥25%，屈强比≥0.90，扩孔率≥150%，且由于含有大量纳米级析出物，钢板的条件疲劳强度由原来的不超过135MPa达到170MPa以上。
Description
技术领域
本发明涉及热轧汽车用钢生产方法，具体涉及一种具有优异疲劳性能600MPa级热轧高扩孔钢板及其制造方法。
背景技术
21世纪的汽车行业，降低燃料消耗、减少CO2和废气排放已成为社会的需求，作为材料生产厂的钢铁业为了适应这种发展趋势，已开发出许多种类的超高强度钢板来帮助减轻汽车重量，适应汽车工业的新要求。越来越多的热轧产品用于制造汽车的零部件，例如汽车悬架件和底盘件。随着汽车轻量化的不断发展，具有优异扩孔性能的高强度高扩孔钢在汽车行业的应用越来越普遍。
汽车用钢在追求高强度高塑性的同时，还必须满足其使用性能，例如疲劳性能。因为汽车本身就是一个运动部件，有很多零部件不仅需要承受静载荷，还需要承受循环载荷，这就需要良好的疲劳性能。纳米析出强化是金属材料最有前途的强韧化机制之一，也是新型超高强度钢最重要的强化机制。通过纳米析出强化不仅能获得高强度高塑性还能获得优异的扩孔性能。另外通过本发明采用的化学成分和制备方法，这些纳米级析出物还能有效的抑制疲劳裂纹扩展，大大提高汽车钢的疲劳性能，在汽车领域具有良好的应用前景。
经初步检索：中国专利公开号为CN108004475A的文献，其为获得优异的强度、塑性和韧性匹配，钢的化学成分重量百分比为：0.10％≤C≤0.20％，1.0％≤Mn≤2.0％，P≤0.015％，S≤0.005％，0.02％≤Al≤0.08％，N≤0.005％，0.02％≤Nb≤0.05％，0.10％≤Ti≤0.20％，0.20％≤Mo≤0.50％，0.10％≤V≤0.50％，O≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质，且上述元素同时需满足：0.10％≤Nb/7.74+(Ti-3.42N)/4+Mo/8+V/4.24≤0.20％。微观组织需满足生成贝氏体和纳米级碳化物，贝氏体板条的宽度为0.2～0.3μm，纳米级碳化物尺寸≤10nm，最终产品性能能够达到屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥900MPa，延伸率≥14％，-40℃冲击功≥50J。产品可应用于汽车底盘、大梁、车轮等需要高强减薄的部位。所发明的钢板碳含量较高，基体组织为贝氏体，在生产中不易控制。且该发明的扩孔性能只有30～50％，不能满足对扩孔性能要求高的汽车底盘件。
中国专利公开号为CN104726770A的文献，其对钢板的扩孔性能进行了界定。所发明的钢板扩孔性为60％以上，屈强比为0.8以上。主要手段为控制钢的化学成分重量百分比为：C：0.07～0.15％，Si：0～0.3％，Mn：0～1.5％，P：0.02～0.07％，S≤0.01％，N≤0.005％，Al：0.02～0.05％，Ti：0.03～0.1％，B：0～0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质。微观组织为面积率包括2～10％的珠光体和铁素体。所发明的钢板有较低的碳含量，且组织为珠光体和铁素体，生产时容易控制，但该成分和组织得到的扩孔率较低即为60～90％，不能满足高扩孔率的需求。
再就目前本技术领域其条件疲劳强度也较低，即不超过135MPa，因此不能满足更高端市场的需要。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的不足，提供一种抗拉强度≥600MPa、延伸率≥25％，屈强比≥0.90，扩孔性能≥150％，金相组织为铁素体组织，条件疲劳强度≥170MPa，晶粒度等级≥10级；铁素体基体内含有大量尺寸在1～10nm，密度可达1.5×103/μm2的纳米级簇团析出物热轧扩孔钢及生产方法。
实现上述目的的措施：
一种具有优异疲劳性能的600MPa级热轧高扩孔钢，其特征在于：化学成分及重量百分含量为：C为0.03～0.06％，Si为0.10～0.30％，Mn为1.30～1.70％，P≤0.009％，S≤0.003％，Ti为0.08～0.13％，Mo为0.18～0.22％，Nb为0.015～0.035％，V为0.08～0.12％，其余为Fe和不可避免的杂质；力学性能：金相组织为晶粒尺寸细小的铁素体组织，晶粒度等级≥10级；铁素体基体内含有大量的纳米级簇团析出物，其尺寸在1～10nm，密度可达1.5×103/μm2；热轧钢板厚度为2.0mm-8.0mm，力学性能：热轧钢板的抗拉强度≥600MPa、延伸率≥25％，屈强比≥0.90，扩孔性能≥150％。
优选地：所述C的重量百分含量在0.033～0.057％。
优选地：所述Ti的重量百分含量在0.107～0.128％。
优选地：所述Mo的重量百分含量在0.18～0.196％。
优选地：所述V的重量百分含量在0.08～0.097％。
一种具有优异疲劳性能的600MPa级热轧高扩孔钢的制备方法，其步骤：
1)经转炉冶炼后进行真空处理，控制脱硫后的硫含量S≤0.003％；
2)连铸成坯后对铸坯进行加热，并控制铸坯加热温度在1240～1280℃，加热时间不低于150min；
3)进行粗轧，并控制粗轧结束温度在1080～1120℃，并在粗轧期间除鳞不少于五道次；
4)进行精轧，在精轧前除鳞集管开启数不少于二根；控制精轧终轧温度在880～920℃；在精轧期间，开启F1后除鳞装置；
5)对轧制后钢板进行前段式冷却，冷却速度控制在15～35℃/s，冷却至卷取温度；
6)进行卷取，控制卷取温度在630-670℃。
本发明各元素及主要工艺的机理及作用
C：C是廉价的固溶强化元素，是影响屈服强度和抗拉强度的主要因素之一。同时，碳元素对材料的焊接性能也有重要影响。一般而言，钢中的碳元素含量越高，屈服强度和抗拉强度也随之提高，而焊接性能则随之降低。本发明为了保证钢板获得抗拉强度在600MPa级别的双相钢，在采用C-Mn钢以及少量微合金元素的情况下，碳含量至少要达到0.03％以上，否则板材的抗拉强度难以满足要求。另一方面，碳含量过高将会对板材的焊接性能造成影响，从而降低材料的使用价值，为尽量降低碳含量满足焊接需要，C含量最高为0.06％。因此综合考虑碳元素对强度和焊接性能的影响，钢中的碳含量应当控制在0.03～0.06％，优选地C的重量百分含量在0.033～0.057％。
Si：Si对于板材的力学性能没有特别直接的影响。热轧汽车用钢对钢板表面要求较高，如果Si含量过高，降低钢板表面质量，Si含量要低于0.30％；如果Si含量控制在0.10％以下，那么将会额外增加冶炼的成本。因此Si含量控制在0.10～0.30％。
Mn：Mn是提高强度和韧性最有效的元素，也是本发明采用的重要合金元素之一。Mn可以起到细化铁素体晶粒的作用，对推迟珠光体转变的效果好。Mn含量超过2.0％，将会显著增加板坯开裂的风险。因此Mn含量应控制在1.20～2.00％。
S：S是钢中的杂质元素，如果S含量过高，将会增加钢材的热脆倾向。钢中的S常以锰的硫化物形态存在，这种硫化物夹杂对钢的冲击韧性是十分不利的，并造成性能的各向异性，因此，需将钢中硫含量控制得越低越好。因此，将钢中硫含量控制在0.003％以下。
P：磷是钢中的杂质元素，如果磷含量过高，将会在钢坯凝固时析出Fe2P共晶组织并导致冷脆现象。因此磷元素的含量越低越好，实际生产时一般控制在0.009％以下。
Nb：Nb是本发明采用的重要合金元素之一。因为添加Nb元素可以有效的细化原奥氏体晶粒尺寸，通过霍尔-佩奇效应提升钢板强度，同时细化晶粒还能提高塑性，提高钢板扩孔率。如果Nb含量超过0.035％，晶粒细化效果增加不明显，反而导致成本升高，因此Nb含量控制在0.015～0.035％。
Ti：Ti是本发明采用的重要合金元素之一。Ti能够发挥细化晶粒、改善强韧性的作用。Ti与固溶C结合析出Ti系碳化物，可提高钢板强度，细化铁素体晶粒。当Ti含量低于0.08％时，析出强化效果不明显，对强度贡献不大。当超过0.12％时，在连铸时易出现铸坯裂纹，影响钢板表面质量。因此Ti含量应控制在0.08～0.12％，优选地Ti的重量百分含量在0.107～0.128％。
Mo：Mo是本发明采用的重要合金元素之一。添加Mo，一方面可以形成Mo系碳化物析出物，进一步实现析出强化，另外Mo还可以促进其他析出物析出，并且形成尺寸更加细小的析出物，析出物尺寸越细小，带来的强化效果越明显。但是Mo属于贵重合金元素，不宜添加太多，在满足性能的前提下导致钢板成本升高。因此Mo含量应控制在0.18～0.22％，优选地Mo的重量百分含量在0.18～0.196％。
V：V是本发明采用的重要合金元素之一。V可以在奥氏体向铁素体转变的过程中形成纳米级下析出物，也可以达到析出强化效果。V被认为是一种可以部分替代Mo形成细小析出物的元素，与Mo相比，V合金成本更低，但仍不宜添加大量的V，在满足性能的前提下导致钢板成本升高。因此V含量应控制在0.08～0.12％，优选地V的重量百分含量在0.08～0.097％。
本发明之所以控制铸坯加热温度在1240～1280℃加热，并保温150～180min，是在实验中被证明，在其温度范围内，能够保证轧钢过程中钢板的温度满足各环节的要求。从氧化动力学和热力学原理上来看，加热温度过高和保温时间过长，均会导致轧制前的原始奥氏体晶粒粗大，这会造成后续的轧制过程无法完成奥氏体完全再结晶过程，使最终产品发生混晶(即产品晶粒大小不均匀)，严重影响产品质量。因为本发明采用添加了微合金元素，需要这些微合金元素在高温过程中完全固溶进基体中，在后续冷却过程中通过析出大量纳米级析出物来实现钢板的性能，加热温度过低或者保温时间不够，都会导致部分微合金元素无法固溶，导致后续难以形成大量纳米级的析出物，从而达不到添加这些合金元素的作用。此外加热温度过低会导致轧制前初始奥氏体晶粒过小，导致后续轧制过程变形抗力过大超过轧钢设备极限能力，而无法完整个轧制过程。
本发明之所以控制粗轧温度在1080～1120℃，精轧的终轧温度在880～920℃，其在于为了确保精轧环节在奥氏体区轧制，确保精轧过程中奥氏体完全再结晶，形成细小的原奥氏体晶粒。同时最后一道轧制即形变在880～920℃以上，可以显著细化铁素体晶粒尺寸，同时有利于奥氏体向铁素体转变的相变过程。
本发明之所以采用前段式冷却，且控制冷却速度为15～35℃/s，冷却至终冷温度630-670℃进行卷取。在于通过前段冷却，奥氏体向铁素体转变，并且在相变过程中还伴随纳米级析出物的析出过程，因此冷却速度和卷取温度的确定至关重要。冷却速率过快不利于铁素体形成，更不利于纳米级析出物的析出。实验数据表明，对于微合金元素的最佳析出温度在630～670℃，通过卷取过程实现微合金元素的析出，卷取温度过高或过低都不利于纳米级析出物的析出，不能保证材料的扩孔性能。
本发明与现有技术相比，通过采用合理的化学成分以及热轧工艺，获得晶粒尺寸细小的铁素体组织，晶粒度等级≥10级；铁素体基体内含有大量的纳米级簇团析出物，其尺寸在1～10nm，密度可达1.5×103/μm2。综合力学性能良好的热成形钢板材，热轧钢板的抗拉强度≥600MPa、延伸率≥25％，屈强比≥0.90，扩孔率≥150％，完全能满足汽车钢高强度高塑性同时具有优异的扩孔性能的使用要求，并且由于含有大量纳米级的析出物，钢板的疲劳性能十分优异，即条件疲劳强度可由原来的不超过135MPa达到170MPa以上。
附图说明
图1为用本发明工艺钢的金相组织图；
图2为本发明纳米级析出物形貌。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述：
表1为本发明各实施例及对比例的组分取值列表；
表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数取值列表；
表3为本发明各实施例及对比例的性能检测结果列表。
本发明各实施例均按照以下步骤生产：
1)经转炉冶炼后进行真空处理，控制脱硫后的硫含量S≤0.003％；
2)连铸成坯后对铸坯进行加热，并控制铸坯加热温度在1240～1280℃，加热时间不低于150min；
3)进行粗轧，并控制粗轧结束温度在1080～1120℃，并在粗轧期间除鳞不少于五道次；
4)进行精轧，在精轧前除鳞集管开启数不少于二根；控制精轧终轧温度在880～920℃；在精轧期间，开启F1后除鳞装置；
5)对轧制后钢板进行前段式冷却，冷却速度控制在15～35℃/s，冷却至卷取温度；
6)进行卷取，控制卷取温度在630-670℃。
表1本发明各实施例和对比例的化学成分列表
表2本发明各实施例和对比例的主要工艺参数列表
表3本发明各实施例和对比例力学性能检测结果列表
如表1、2的实施例1-10所示，在本发明限定的化学成分和热轧工艺参数，钢中添加Ti、Mo、Nb、V与C结合，在适当的热轧工艺形成纳米级的簇团析出，在终轧温度880～920℃，轧制后钢板进行前段式冷却，冷却速度为15～35℃/s，冷却至终冷温度630-670℃进行卷取，热轧组织为晶粒尺寸细小的铁素体组织，晶粒度等级≥10级；铁素体基体内含有大量的纳米级簇团析出物，其尺寸在1～10nm，密度可达1.5×103/μm2。由实施例可知，钢板铁素体晶粒组织细小，如图1所示。由图2可知，铁素体中析出物尺寸细小，数量较多，对铁素体有一定的强化效果，可以显著提高钢板的扩孔率。
相对地，对于未控制化学成分和热轧工艺参数的比较例1-3中，钢中的析出物尺寸较大、数量较少，与实施例1-10相比，力学性能和扩孔性能无法满足要求。
本发明的实施例仅为最佳例举，并非对技术方案的限定性实施。
Claims (6)
1.一种具有优异疲劳性能的600MPa级热轧高扩孔钢，其特征在于：化学成分及重量百分含量为：C为0.03~0.06%，Si为0.10~0.30%，Mn为1.30~1.70%，P≤0.009%，S≤0.003%，Ti为0.08~0.13%，Mo为0.18~0.22%，Nb为0.015~0.035%，V为0.08~0.12%，其余为Fe和不可避免的杂质；力学性能：金相组织为晶粒尺寸细小的全铁素体组织，晶粒度等级≥10级；铁素体基体内含有大量的纳米级簇团析出物，其尺寸在1~10nm，密度可达1.5×103/μm2；
所述制备方法获得的热轧钢板的厚度为2.0mm-8.0mm，力学性能：热轧钢板的抗拉强度≥600MPa、延伸率≥25%，屈强比≥0.90，扩孔性能≥150%。
2.如权利要求1所述的一种具有优异疲劳性能的600MPa级热轧高扩孔钢，其特征在于：所述C的重量百分含量在0. 033~0. 057%。
3.如权利要求1所述的一种具有优异疲劳性能的600MPa级热轧高扩孔钢，其特征在于：所述Ti的重量百分含量在0.107~0.128%。
4.如权利要求1所述的一种具有优异疲劳性能的600MPa级热轧高扩孔钢，其特征在于：所述Mo的重量百分含量在0.18~0.196%。
5.如权利要求1所述的一种具有优异疲劳性能的600MPa级热轧高扩孔钢，其特征在于：所述V的重量百分含量在0.08~0.097%。
6.如权利要求1所述的一种具有优异疲劳性能的600MPa级热轧高扩孔钢的制备方法，其步骤：
1）经转炉冶炼后进行真空处理，控制脱硫后的硫含量S≤0.003%；
2）连铸成坯后对铸坯进行加热，并控制铸坯加热温度在1240~1280℃，加热时间不低于150min；
3）进行粗轧，并控制粗轧结束温度在1080~1120℃，并在粗轧期间除鳞不少于五道次；
4）进行精轧，在精轧前除鳞集管开启数不少于二根；控制精轧终轧温度在880~920℃；在精轧期间，开启F1后除鳞装置；
5）对轧制后钢板进行前段式冷却，冷却速度控制在15~35℃/s，冷却至卷取温度；
6）进行卷取，控制卷取温度在630-670℃。
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