800MPA级高强度高塑性低碳中锰钢及其制造方法.pdf

本发明提供了一种800MPa级高强度高塑性低碳中锰钢，其化学成分按质量百分比计为：C：0.05～0.25％，Si：0.02～0.40％，Mn：3.0～7.0％，P≤0.015％，S≤0.015％，Al：1.50～3.5％，Cr：0.02～0.60％，Cu≤0.50％，Mo≤0.40％，Nb≤0.10％，N≤0.010％，余量为Fe及不可避免的杂质。其制造方法，包括：冶炼、连铸、热连轧、罩式退火、酸洗冷轧轧制、罩式退火或连续退火、精整包装的步骤。本发明的800MPa级高强度、高塑性低碳含铝中锰钢具备高强度、良好冷冲压成形性能和碰撞吸能性能。

权利要求书
1.  一种800MPa级高强度高塑性低碳中锰钢，其化学成分按质 量百分比计为：C：0.05～0.25％，Si：0.02～0.40％，Mn：3.0～7.0％， P≤0.015％，S≤0.015％，Al：1.50～3.5％，Cr：0.02～0.60％，Cu≤0.50％， Mo≤0.40％，Nb≤0.10％，N≤0.010％，余量为Fe及不可避免的杂 质。

2.  一种权利要求1所述的800MPa级高强度高塑性低碳中锰钢 的制造方法，包括：冶炼、连铸、热连轧、罩式退火、酸洗冷轧轧 制、罩式退火或连续退火、精整包装的步骤，其特征在于：
所述冶炼工艺流程为：铁水预脱硫、转炉冶炼、氩站、LF钢包 炉/RH真空炉、连铸浇铸，所述转炉出钢温度为1670～1730℃；铸坯 进保温坑缓冷冷却；
所述热连轧时，铸坯经1200～1300℃加热，由粗轧机进行5～12 道次轧制，随后进精轧机组进行5～7道次轧制，终轧温度为830～910 ℃，卷曲温度400～600℃，热轧卷卷曲后利用风机进行风冷冷却；
所述罩式炉退火温度为680～720℃、退火均热时间为10～12h；
所述酸洗冷轧轧制中控制酸洗液浓度总HCl在75～150g/l范围 内；冷轧轧制总压下率控制在50～65％区间内。

3.  根据权利要求2所述的800MPa级高强度高塑性低碳中锰钢 的制造方法，其特征在于：所述连续退火炉退火温度为720～750℃、 均热时间3～5min，平整延伸率为1.0～1.2％。

4.  根据权利要求2或3所述的800MPa级高强度高塑性低碳中 锰钢的制造方法，其特征在于：所述冶炼时，锰合金化为在转炉冶 炼与炉外精炼的分配比例为4︰1。

说明书800MPa级高强度高塑性低碳中锰钢及其制造方法
技术领域
本发明属于高强钢生产技术领域，具体指一种800MPa级高强度 高塑性低碳中锰钢及其制造方法。
背景技术
汽车的发展方向是轻量化、降低燃油消耗、减少排放和提高安 全性，未来汽车用钢铁材料应该是具有强度和塑性良好结合的新一 代钢铁材料，通过高强化来达到汽车的轻量化，同时，需要较高的 塑性来提高钢的成形性能和碰撞安全性能。汽车用薄板钢的高强塑 积(抗拉强度与伸长率的乘积)需求带动了超高强度、高塑性钢的 研制与应用的发展。第一代汽车用高强钢包括高强度IF钢、DP钢、 CP钢、TRIP钢、QP钢和热成形马氏体钢，其组织结构是以铁素体 为基体，含有少量或部分马氏体、贝氏体硬化相，基本不含或含有 少量残余奥氏体。这些钢种的共有特征为具备优异的强度指标或塑 性指标，但不能两项兼得，其强塑积在10～20GPa％之间的水平。第 二代汽车用钢是以全奥氏体组织的TWIP钢和奥氏体不锈钢为代表 的，其强塑积达到50～70GPa％的水平，具有非常高的碰撞吸收能力 与良好的成型能力。但其添加了大量的Cr、Ni、Mn等合金元素，总 合金含量高达25％以上，特别是高Mn含量，导致了冶炼工艺性能 较差，冶金工业生产难度较大。目前，批量应用的汽车用高强钢只 能具备高强度与高塑性中的一项特性，而兼具高塑性、高强度特性 的TWIP钢难以适应低成本的要求。
本发明之前，申请号为200910063337.6，名称为“700MPa级高 强冷轧碳铝锰钢板及其制造方法”的发明专利，公开了一种700MPa 级高强冷轧碳铝锰钢板及其制造方法，该钢板各组分的重量百分比 为：C：0.18～0.23％；Al：1.20～1.50％；Mn：1.50～1.80％，Si≤0.50 ％，P≤0.040％，S≤0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质。该技 术方案属于含铝、低锰TRIP钢制造技术，利用C、Mn元素增强奥 氏体稳定性、Al元素控制贝氏体转变的机理，采用双相区热处理工 艺以获得铁素体+贝氏体+亚稳奥氏体多相组织，其钢板强度级别、 塑性指标均属于典型的TRIP钢性能范畴，强塑积在10～20GPa％之 间的水平。
申请号为200910091129.7，名称为“一种低成本高强塑积汽车用 钢及其制备方法”的发明专利，公开了一种基于合理化学成分设计控 制马氏体相变、C/Mn等溶质再次配分和奥氏体逆相变以获得多相、 亚稳及多尺度的M3型组织结构，其化学成分的重量百分比为：C： 0.01～0.50％；Mn：3.50～9.0％，P≤0.020％，S≤0.02％，余量为Fe 及不可避免的杂质的基础上另加一种或多种元素，其中Al： 0.015～0.06％，Si：0.3～2.3％。其试验结果均为实验室数据，且热处 理工艺流程繁杂、不适宜工业批量生产应用。
发明内容
本发明800MPa级高强度高塑性低碳中锰钢，其化学成分按质量 百分比计为：C：0.05～0.25％，Si：0.02～0.40％，Mn：3.0～7.0％，P ≤0.015％，S≤0.015％，Al：1.50～3.5％，Cr：0.02～0.60％，Cu≤0.50％， Mo≤0.40％，Nb≤0.10％，N≤0.010％，余量为Fe及不可避免的杂 质。
所述的800MPa级高强度高塑性低碳中锰钢的制造方法，包括： 冶炼、连铸、热连轧、罩式退火、酸洗冷轧轧制、罩式退火或连续 退火、精整包装的步骤，其特殊之处在于：
所述冶炼工艺流程为：铁水预脱硫、转炉冶炼、氩站、LF钢包 炉/RH真空炉、连铸浇铸，所述转炉出钢温度为1670～1730℃；铸坯 进保温坑缓冷冷却；优选地，冶炼时，锰合金化在转炉冶炼与炉外 精炼的分配比例为4︰1；
所述热连轧时，铸坯经1200～1300℃加热，由粗轧机进行5～12 道次轧制，随后进精轧机组进行5～7道次轧制，终轧温度为830～910 ℃，卷曲温度400～600℃，热轧卷卷曲后利用风机进行风冷冷却；
所述罩式炉退火温度为680～720℃、退火均热时间为10～12h；
所述酸洗冷轧轧制中控制酸洗液浓度总HCl在75～150g/l范围 内；冷轧轧制总压下率控制在50～65％区间内。
优选地，所述连续退火炉退火温度为720～750℃、均热时间 3～5min、平整延伸率大于1.0～1.2％。随后，热处理钢卷进行精整处 理。
本发明钢的组分及其制造方法工艺参数设计原理分析如下：
本发明钢组分设计时，考虑了其中C、Mn元素为奥氏体形成元 素，其含量增高有利于亚稳奥氏体的获得，综合考虑试验钢焊接性 能、钢质均匀性、合金成本等因素，设计其质量百分含量分别为C： 0.05～0.25％、Mn：3.0～7.0％；Si为铁素体形成元素，具有固溶强化 作用，高表面质量要求限制Si含量上限值，设计Si质量百分含量分 为0.02～0.40％；Al为非碳化物形成元素，具有抑制碳化物析出的作 用，并且扩大热处理工艺窗口的作用，是保证试验钢性能工艺稳定 性的关键合金元素，设计质量百分含量为1.0～3.5％；Nb为微合金化 元素，可显著提高奥氏体再结晶温度、细化晶粒，设计其质量百分 含量为≤0.10％；P、S、N为钢中杂质元素，应控制其含量。
本发明钢的工业制造方法采用大型钢铁联合企业普遍装备的转 炉设备，冶炼已属合金钢范畴的中锰钢，在转炉出钢过程中合理利 用预热锰合金进行合金化，成功解决高合金化温降制约转炉出钢温 度的技术难点。同时，在炉外精炼过程中采用逐步合金化方式进行 锰、铝合金化。根据理论分析和生产实际经验，优选冶炼时锰合金 化在转炉冶炼与炉外精炼的分配比例为4︰1，因为本发明钢合金含 量属于中合金钢范畴，由于合金添加必然产生大量的温降，单纯利 用转炉冶炼进行合金化，无法保证合金化过程完成，故创新性采用 转炉冶炼与炉外精炼分步合金化的技术策略，考虑工艺可行性与钢 质洁净性，最佳分配比例为4︰1。此时，若比例大于4︰1，合 金化后转炉温降过大，导致出钢困难；若比例小于4︰1，即炉外 精炼过程中添加过量的合金，必然增加炉外精炼时间、钢水洁净度 降低。转炉出钢温度≥1670℃，氩站采用低吹工艺处理，连铸采用 氩封保护浇铸、结晶器采用专用保护渣，拉速设置为中低速以保证 铸坯表面质量。
针对高合金含量成分设计特点，本发明采用铸坯进保温坑缓冷 冷却的制造方法，此为关键工艺是800MPa级高强度、高塑性钢工业 制造可行性的必要保证。热连轧时，铸坯经1200～1300℃加热，由粗 轧机进行5～12道次轧制，随后进7机架精轧机组进行5～7道次轧制， 终轧温度为830～910℃，卷曲温度400～600℃，热轧卷卷曲后利用风 机进行风冷冷却；热轧卷罩式炉退火温度为680～720℃、退火均热时 间为10～12h。
同时，本发明创新性实现罩退卷酸洗表面质量生产控制技术， 经检测分析，罩退后钢卷表面与热轧钢卷表面相比，存在较薄的 Fe3O4、Fe2O3(赤铁矿)，故酸洗生产控制关键要点为，酸洗冷轧轧制 中控制酸洗液浓度总HCl在75～150g/l范围内，根据工业生产实际， 冷轧轧制总压下率控制在50～65％区间内。冷硬卷热处理工艺设计为 两相区(α+γ)退火，罩式炉退火温度为680～720℃、退火均热时间 为10～12h，连续退火炉退火温度为720～750℃、均热时间3～5min、 平整延伸率1.0～1.2％。随后，热处理钢卷进行精整处理。
本发明技术方案基于低成本工业化制造角度成功开发了高强 度、高塑性低碳中锰钢，创新性采用逐步合金化与预热合金化技术 路线实现中锰钢的转炉冶炼，采用控轧控冷的热轧工艺以得到超细 晶组织，利用奥氏体形成元素C、Mn的富集提高奥氏体稳定性以在 两相区退火工艺下得到30％以上体积分数的亚稳奥氏体，成品抗拉 强度大于800MPa、延伸率大于35％、加工硬化指数n大于0.20、屈 强比小于0.75，具有良好的冷冲压成型性能。
本技术具有工业批量试制可行性，是通过生产实践经验提炼而 来，所制造的800MPa级高强度、高塑性低碳含铝中锰钢具备高强度、 良好冷冲压成形性能和碰撞吸能性能。
附图说明
图1为本发明产品钢卷表面铁皮相X射线衍射结果示意图。
图2为本发明钢产品典型试样应力应变曲线图。
图3a为本发明钢产品铁素体组织部分微观组织结构示意图。
图3b为本发明钢产品马氏体+亚稳奥氏体+铁素体部分结构示意 图微观组织结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明800MPa级高强度高塑性 低碳中锰钢及其制造方法做进一步详细说明。
实施例
分别制造四种800MPa级高强度高塑性低碳中锰实施例钢，其化 学成分按质量百分比分别如表1所示。
表1 中包钢水化学成分(余量为Fe及不可避免的杂质)/wt％
实施例 C Si Mn P S Al Cr Cu Mo Nb N 1 0.10 0.28 5.3 0.02 0.01 1.6 0.08 0.2 0.1 0.1 0.01 2 0.06 0.20 6.6 0.03 0.02 2.0 0.1 0.4 0.2 0.08 0.009 3 0.18 0.18 4.5 0.02 0.03 2.4 0.4 0.5 0.3 0.09 0.008 4 0.24 0.10 3.7 0.04 0.02 3.3 0.3 0.1 0.4 0.1 0.007
上述实施例1～4钢的制造方法，包括：冶炼、连铸、热连轧、 罩式退火、酸洗冷轧轧制、罩式退火或连续退火、精整包装的步骤， 其中：
冶炼工艺流程为：铁水预脱硫、转炉冶炼、氩站、LF钢包炉/RH 真空炉(实施例1和2钢采用LF钢包炉，实施例3和4采用RH真 空炉)、连铸浇铸，锰合金化在转炉冶炼与炉外精炼的分配比例为4： 1，铸坯进保温坑缓冷冷却；转炉出钢温度1670～1730℃，炉外精炼 实施例1和2钢选择LF炉、实施例3和4选择RH真空炉进行处理， 并进行Al合金化，随后采用专用保护渣进行中低拉速连铸，铸坯进 保温坑缓冷冷却以保证铸坯表面质量。铸坯经1200～1300℃加热，由 粗轧机进行5～12道次轧制，随后进7机架精轧，终轧温度为830～910 ℃，卷取温度400～600℃，热轧卷卷取后利用风机进行风冷冷却。
各实施例钢的具体制造工艺参数具体见表2所示。
表2：
实施例 加热温度/℃ 粗轧道次 终轧温度/℃ 卷取温度/℃ 1 1250 11 861 431 2 1260 9 876 550 3 1280 7 900 532 4 1280 9 892 580
实施例1～4钢的热轧卷进行罩式炉退火处理，罩式炉退火温度 分别对应为720、680、710、695℃、退火均热时间分别为10、12、 11、11h。随后，进行酸洗轧制，酸洗冷轧轧制中控制酸洗液浓度总 HCl在75～150g/l范围内，冷轧轧制总压下率控制在50～65％区间内。
冷硬卷分别进行罩式炉退火和连续退火，实施例1和2的钢进 行罩式炉退火温度分别为680、720℃、退火均热时间分别为10、11h， 实施例3和4的钢采用连续退火炉退火温度分别为730、740℃、均 热时间分别为3、5min、平整延伸率均为1.1％。随后，热处理钢卷 进行精整处理。
钢卷室温拉伸性能如表3所示，成品抗拉强度大于800MPa、延 伸率大于35％、加工硬化指数n大于0.20、屈强比小于0.75，典型 应力应变曲线如图2所示。
表3 典型试样室温拉伸力学性能
试样编号 Rp0.2/MPa Rm/MPa A 50mm/％ A 80mm/％ n5-10 1 607 839 35.5 31.7 0.21 2 589 834 36.5 32.5 0.22 3 600 840 33.5 29.5 0.21 4 593 841 34.0 29.5 0.21
本发明钢产品钢卷表面铁皮相X射线衍射结果如图1所示，罩 退后钢卷表面与热轧钢卷表面相比，存在较薄的Fe3O4、Fe2O3(赤铁 矿)，显示出本发明钢有较薄的氧化铁皮，在酸洗过程中易于清洗的 优点。
图2与表3结果显示，本发明钢的成品抗拉强度大于800MPa、 延伸率大于35％、加工硬化指数n大于0.20、屈强比小于0.75，兼 具高强度、高塑性性能，具有良好的冷冲压成型性能。
图3a、图3b显示本发明钢具有微米级的超细晶组织，组织为 F+M+亚稳奥氏体，铁素体成等轴晶形貌、晶粒大小为0.2～2μm，马 氏体与亚稳奥氏体成板条状形貌、板条宽度为0.2～0.5μm。