钒和钛复合添加的QP钢及其制造方法.pdf

本发明公开了一种钒和钛复合添加的Q&P钢及其制造方法，属于第三代汽车用钢研究领域。钒和钛复合添加的具有节能、高效的Q&P钢的组分及重量百分比含量为：C 0.17~0.22%、Si 1.3~1.6%、Mn 1.5~2.2%、P≤0.010%、S≤0.008%、V 0.03~0.070%、Ti 0.02~0.04%，余量为Fe和不可避免的杂质。钢中的Ti起到细化晶粒的作用，V起到析出强化的作用。本发明制备的节能、高效的Q&P钢的组织为多边形铁素体、马氏体和残余奥氏体组织，屈服强度为550~650 MPa，抗拉强度为1350~1450 MPa，断后伸长率≥15.0 %，强塑积≥22.0 GPa·%。

权利要求书
1.  一种钒和钛复合添加的Q&P钢，其特征在于，所述Q&P钢的主要成分的重量百分比为：C 0.17~0.22%、Si 1.3~1.6%、Mn 1.5~2.1%、P≤0.010%、S≤0.008%、V 0.03~0.07%、Ti 0.02~0.04%，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.  一种如权利要求1所述的钒和钛复合添加的Q&P钢的制造方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1.配料：按照设计成分分别称取各个原料，混合均匀，进行熔炼铸坯，得到板坯；
步骤2.热轧工艺：将步骤1制备的板坯从室温加热至1170~1220℃，保温1.5~2小时，在温度为1150℃开轧，热轧终轧温度为890~920℃，在层流冷却线上将热轧后的板坯空冷至780~820℃时开始水冷，冷速控制在15-25℃/s，冷至低于200℃时开始卷取，使热轧板的组织为铁素体+马氏体+贝氏体，热轧板厚3.5-4.5 mm；
步骤3.冷轧工艺：将步骤2得到热轧板经过酸洗之后进行冷轧，冷轧压下率50~70%，冷轧板厚1.4-1.7 mm；
步骤4.连退工艺：将步骤3得到冷轧板以10℃/s从室温加热至780~820℃，保温时间为120~150 s，以30~50℃/s冷却至170~210℃，保温100~150 s，后冷却至室温，即得到汽车用钢。

3.  根据权利要求书2所述的制造方法，其特征在于，所述汽车用钢的屈服强度为550~650 MPa，抗拉强度为1350~1450 MPa，断后伸长率≥15.0%，强塑积≥22.0 GPa·%。

说明书钒和钛复合添加的Q&P钢及其制造方法
技术领域
本发明属于第三代汽车用钢的Q&P钢生产研究领域，特别是涉及一种具有节能、高效的钒、钛复合添加的Q&P钢及其制造方法。
背景技术
自从19世纪80年代第一代汽车问世，尤其是从20世纪六七十年代以来，北美、日本和西欧的汽车工业得到了飞速发展。汽车是我国国民经济的支柱性产业之一，对拉动国民经济和保障就业等具有十分重要的作用。近年来，我国汽车产销量逐年增加，2013年，我国汽车产量2211.68万辆，销量2198.41万辆；2014年，我国汽车产销量双双突破2300万辆；2015年，汽车产销量预计会继续增长，达到2500万辆。在过去的十年中，我国的汽车产量从200万辆增长至突破2300万辆，连续7年保持25％左右的增速，若国家今后十年把汽车市场年增速控制在8.5％，到2020年我国汽车保有量将超过3亿辆；如果年增速低至5.5％，预计2020年销量约3000多万辆，保有量将超过2.6亿辆。鉴于上述发展趋势，汽车行业的快速发展必然会带动汽车用钢新理论、新技术的出现、发展及应用。
新型汽车用钢不但可以通过高强化来达到汽车的轻量化，而且需要较高的塑性来提高钢的成形能力和汽车的碰撞安全性能。为了直观而准确地描述这种高强高塑性钢材，美国学者Krupitzer和Heimbuch率先提出了具有高强塑积性能(即抗拉强度Rm与塑性A的乘积)的第3代汽车用钢的概念，作为未来新型汽车钢的研发方向。由于汽车用钢量大面广而且技术含量高，高品质汽车用钢的发展水平也是一个国家整个钢铁研究和生产水平的重要标志。Q&P钢为第三代汽车用钢的代表，通过Q&P工艺，可以实现高的强度和塑性的结合。Q&P钢因优异的强韧性的结合，并且不需要添加合金元素而有着广阔的应用前景。目前对Q&P钢的研究较多的是两步法热处理工艺，一步法工艺研究得较少。一步热处理工艺是较为简单的生产工艺，也是更加高效和节能的热处理过程，易于实现实际工业生产。本文通过实验，确定一步法工业生产的成分控制范围，以及轧制和热处理最佳工艺参数，
在已公开的有关第三代汽车用Q&P钢的专利中，中国专利申请CN201310051807.3，介绍了一种利用合金元素配分制备硅锰系Q&P钢的方法，其采 用合理的化学成分设计、利用合金元素在双相区配分作用机理，制备低碳高强Q&P钢。中国专利申请CN201310520580.2，公开介绍了一种两步法Q&P980钢的热处理工艺，其中抗拉强度达到1000MPa，强塑积达到25GPa·％以上。以上两个发明主要通过两步法Q&P工艺进行生产，相比于一步法，耗能，效率低，而且两步法生产无法满足某些企业的热处理生产线，而一步法虽然塑性没有两步法高，但是其抗拉强度要比两步法高200-400MPa，强塑积也能达到20GPa·％以上的水平。本发明加入钛和钒之后，使其强度更高，而塑性几乎没有减少。所以本文的一步法Q&P工艺是具有节能、高效的制造方法。
综上所述，目前对于第三代汽车用Q&P钢正处于发展阶段，对于含钛和钒的一步法Q&P工艺在国内外还未见报道。由于含钛和钒的一步法Q&P工艺与两步法在生产过程中有较大差别，主要是淬火温度较难控制。因此需要根据实验室的研究，在冶金成分设计以及工艺控制上采取新的设计和工艺路线，以低成本、低能耗和高效率生产符合性能要求的第三代汽车用钢，以满足市场需求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种生产成本低，时间短，效率高，节能，且性能稳定的钒和钛复合添加的Q&P钢及其制造方法。
本发明采用了如下技术方案：钒和钛复合添加的Q&P钢，该Q&P钢的主要成分及重量百分比含量为：C 0.17～0.22％、Si 1.3～1.6％、Mn 1.5～2.2％、P≤0.010％、S≤0.008％、V 0.03～0.07％、Ti 0.02～0.04％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明的另一目的是提供上述钒和钛复合添加的Q&P钢的制造方法，具体包括以下步骤：
1.配料：按照设计成分分别称取各个原料，混合均匀，进行熔炼铸坯，得到板坯；
步骤2.热轧工艺：将步骤1制备的板坯从室温加热至1170～1220℃，保温1.5～2小时，在温度为1150℃开轧，热轧终轧温度为890～920℃，在层流冷却线上将热轧后的板坯空冷至780～820℃时开始水冷，冷速控制在15-25℃/s，冷至低于200℃时开始卷取，使热轧板的组织为铁素体+马氏体+贝氏体，热轧板厚3.5-4.5mm；
步骤3.冷轧工艺：将步骤2得到热轧板经过酸洗之后进行冷轧，冷轧压下率50～70％，冷轧板厚1.4-1.7mm；
步骤4.连退工艺：将步骤3得到冷轧板以10℃/s从室温加热至780～820℃，保 温时间为120～150s，以30～50℃/s冷却至170～210℃，保温100～150s，后冷却至室温，即得到汽车用钢。
C：是低碳钢传统、经济的强化元素，钢的强度随碳含量的增加而提高。在一步法Q&P钢的配分过程中，C从马氏体向奥氏体中扩散，起到稳定奥氏体的作用，使钢中的残余奥氏体增加，使钢的强塑积提高。
Si：是钢中的基本元素，在炼钢过程中起脱氧作用，在Q&P钢的配分过程中，Si起到阻止渗碳体的形成，使C在配分时不形成渗碳体而充分向奥氏体中扩散。
Mn：作为低合金钢的基本组成元素，Mn在钢中起固溶强化的作用，在Q&P钢中Mn可以起到稳定奥氏体的作用。
V：V可以提高钢的淬透性，溶入铁素体中具有强化作用，可以形成稳定的碳化物，细化晶粒，N可以加强V的作用。可以利用V的沉淀强化和Ti的晶粒细化相结合的方法获得更大的强化效果。
Ti：是微合金化元素，在钢中加少量的Ti可以提高钢的强度，起到沉淀强化及晶粒细化的作用。其中TiN可有效阻止奥氏体晶粒在加热过程中的长大，起到细化奥氏体晶粒的作用，并能改善钢的韧性。
本发明由于采用了以上技术方案，使之与二步法Q&P工艺及现有技术相比，具有以下优点和积极效果：
(1)本发明提供了一种可以在传统连退工艺下生产的Q&P钢及其制备方法，此方法在连退时不需要经过二次加热配分过程，直接淬火至一定稳定进行保温配分，仅通过适当的成分设计和工艺控制，使屈服强度达到550～650MPa，抗拉强度为1350～1450MPa，断后伸长率≥15.0％，强塑积≥22.0GPa·％；
(2)本发明制造出来的汽车钢板组织类型为多边形铁素体、马氏体和残余奥氏体组织，以及含有V、Ti的析出物，起到析出强化的作用，相比于二步法Q&P工艺，其生产出的钢板强度高，并具有一定的塑性，满足汽车用钢高强韧性的标准；
(3)本发明制造出来的钢板生产成本低，时间短，效率高，节能，且性能稳定，具有优良的强韧性匹配。通过成分及工艺调整，可以在某些不能生产二步法Q&P钢的企业中推广一步法Q&P钢，为实现企业生产线向高性能、低成本、低能耗及高效率生产线的转变奠定基础。
附图说明
图1为本发明的钒和钛复合添加的具有节能、高效的Q&P钢的淬火温度与性能的关系图。其中横坐标为温度，纵坐标为抗拉强度和强塑积。
图2为本发明的钒和钛复合添加的具有节能、高效的Q&P钢的热轧金相照片。
图3为本发明的钒和钛复合添加的具有节能、高效的Q&P钢的热处理后的金相
照片；(a)配分温度190℃，(b)配分温度200℃，(c)配分温度210℃。
图4为热处理后不同奥氏体形貌的透射电镜照片。
具体实施方式
下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
首先按照上述成分范围进行冶炼、连铸，然后检测铸坯的成分，见下表1。
表1铸坯的成分(wt.％)

热轧采用以下工艺：将制备的铸坯从室温加热至1200℃，保温2小时，开轧温度为1150℃，热轧终轧温度为900℃，在层流冷却线上将热轧后的板坯空冷至800℃时开始水冷，冷速为在20℃/s，冷至低于190℃时开始卷取。这时热轧板的组织为铁素体+马氏体+贝氏体，见图2，热轧板厚为3.6mm。冷轧工艺如下：将热轧板经过酸洗之后进行冷轧，冷轧压下率58％，冷轧板厚1.5mm。下面采取3个实例，为不同的配分温度，然后进行性能检测。
将冷轧板以10℃/s从室温加热至800℃，保温时间为150s，以50℃/s冷却至190℃，保温100s，后冷却至室温，性能见表2。
表2配分温度为190℃时Q&P钢的性能

从上表可以看出各个力学性能均达到所要求的性能指标，抗拉强度为1389MPa，伸长率为17.5％，强塑积24.3GPa·％。其中抗拉强度相比于两步法要高200MPa左右。金相照片如图3(a)所示，由铁素体、马氏体和残余奥氏体组成。
实施例2：
首先按照上述成分范围进行冶炼、连铸，然后检测铸坯的成分，见下表3。
表3铸坯的成分(wt.％)

热轧采用以下工艺：将制备的铸坯从室温加热至1170℃，保温1.7小时，开轧温度为1150℃，热轧终轧温度为920℃，在层流冷却线上将热轧后的板坯空冷至820℃时开始水冷，冷速为在25℃/s，冷至低于190℃时开始卷取。这时热轧板的组织为铁素体+马氏体+贝氏体，见图2，热轧板厚为3.5mm。冷轧工艺如下：将热轧板经过酸洗之后进行冷轧，冷轧压下率70％，冷轧板厚2.45mm。下面采取3个实例，为不同的配分温度，然后进行性能检测。
将冷轧板以10℃/s从室温加热至780℃，保温时间为135s，以40℃/s冷却至200℃，保温130s，后冷却至室温，性能见表4。
表4配分温度为200℃时Q&P钢的性能

从上表可以看出各个力学性能均达到所要求的性能指标，抗拉强度为1364MPa，伸长率为19.7％，强塑积26.9GPa·％。其中抗拉强度相比于两步法要高200MPa左右。金相照片如图3(b)所示，由铁素体、马氏体和残余奥氏体组成。
实施例3：
首先按照上述成分范围进行冶炼、连铸，然后检测铸坯的成分，见下表5。
表5铸坯的成分(wt.％)

热轧采用以下工艺：将制备的铸坯从室温加热至1220℃，保温1.5小时，开轧温度为1150℃，热轧终轧温度为890℃，在层流冷却线上将热轧后的板坯空冷至780℃ 时开始水冷，冷速为在15℃/s，冷至低于190℃时开始卷取。这时热轧板的组织为铁素体+马氏体+贝氏体，见图2，热轧板厚为4.5mm。冷轧工艺如下：将热轧板经过酸洗之后进行冷轧，冷轧压下率50％，冷轧板厚2.1mm。下面采取3个实例，为不同的配分温度，然后进行性能检测。
将冷轧板以10℃/s从室温加热至820℃，保温时间为120s，以30℃/s冷却至210℃，保温100s，后冷却至室温，性能见表6。
表6配分温度为210℃时Q&P钢的性能

从上表可以看出各个力学性能均达到所要求的性能指标，抗拉强度为1351MPa，伸长率为17.6％，强塑积23.8GPa·％。其中抗拉强度相比于两步法要高200MPa左右。金相照片如图3(c)所示，由铁素体、马氏体和残余奥氏体组成。
上述三种不同配分温度的透射电镜照片如图4，其中都包括不同奥氏体形貌的照片，其中(a)为马氏体板条间的薄膜状奥氏体，(b)为晶内的块状奥氏体，(c)为晶内长条状奥氏体。钢中存有部分残余奥氏体，使钢在变形时发生TRIP效应，增加钢的强塑性。综上可见，本发明中的钢板具有优异的强韧性能。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。