專利名稱：高強度鋼帶或薄鋼板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種主要包括鐵素體-馬氏體顯微組織的高強度鋼帶或薄鋼板，并涉及所述鋼帶或薄鋼板的制造方法。
從上述類型鋼帶和薄鋼板的應(yīng)用角度來看，對其多功能性、使用性和耐用特性的要求越來越高。因而，要求不斷地改進(jìn)這種鋼帶和薄鋼板的機械特性。這特別牽涉到這種材料的成形特性。
成形特性良好的鋼帶或薄鋼板，其特征表現(xiàn)在代表良好深拉特性的高r值，代表良好拉伸成形特性的高n-值，和表示正平面應(yīng)變特性的高應(yīng)變值。計算屈服強度和拉伸強度之比所得的低屈服強度比也是良好拉伸成形特性的特征。
提高強度的總的要求包括在輕型結(jié)構(gòu)方面大加努力。在這方面，使用降低厚度的薄板來節(jié)省重量。與輕量化設(shè)計相關(guān)聯(lián)的強度損失，可藉增加薄板自身強度來補償。然而，強度的絲毫提高，易導(dǎo)致成形特性變差。因此，進(jìn)一步改進(jìn)在此所探討的這種類型材料的主要目的是，既提高強度，又使成形特性的變差盡可能少。
鋼鐵材料薄板093和094羅列了許多冷成形性良好的高強度微量合金鋼或P-合金鋼。這些鋼中的一些具有烘焙-硬化特性。這些特征尤可應(yīng)用連續(xù)退火處理來獲得，所述連續(xù)退火處理必要時與熱浸精煉過程一起進(jìn)行。
此外，在實際應(yīng)用中對提高鋼的強度而又獲得改進(jìn)得多的成形特性，已借助于提高合金含量進(jìn)行了成功的嘗試。通過補充或可供選擇的措施，已可能在熱軋過程或連續(xù)退火過程中以較高的冷卻速率提高這些特征。然而，伴隨這種方法，會因提高合金元素含量和安裝、運行所需冷卻設(shè)備而產(chǎn)生增加成本的缺點。
常規(guī)的薄板連續(xù)退火裝置包括一臺置于退火、冷卻構(gòu)件之后的過時效爐。在這樣的過時效區(qū)段中，由于所處理鋼帶或薄鋼板保持在≤500℃溫度范圍之內(nèi)，所述鋼帶或薄鋼板就發(fā)生“過時效”。在低合金、軟鋼的情況下，這種將溫度保持在至多500℃下，就引起溶解碳徹底沉淀成碳化物。作為碳化物沉淀的結(jié)果，鋼帶或薄鋼板的機械/工藝特性受到良好影響。然而，在連續(xù)退火裝置中制造雙相鋼的過程中，在通過過時效區(qū)段時，馬氏體中會發(fā)生不良的回火效應(yīng)。
因此，本發(fā)明的目的是，制造一種由雙相鋼制成的高強度鋼帶或薄鋼板，所述鋼帶或薄鋼板具有良好的機械/工藝特性，即使在經(jīng)受包括過時效處理的退火處理之后亦然。此外，還應(yīng)該公開一種制造這種帶材或薄板的方法。
該目的借助一種高強度鋼帶或薄鋼板來實現(xiàn)，該高強度鋼帶或薄鋼板的顯微組織主要包括鐵素體-馬氏體的顯微組織，馬氏體含量在4和20％之間，其中所述鋼帶或薄鋼板除鐵和熔煉所產(chǎn)生的雜質(zhì)之外，還包括(以重量百分比計)0.05-0.2％碳、≤1.0％硅、0.8-2.0％錳、≤0.1％磷、≤0.015％硫、0.02-0.4％鋁、≤0.005％氮、0.25 1.0％鉻、0.002-0.01％硼。優(yōu)選的是，在主要為馬氏體-鐵素體的顯微組織中馬氏體含量近似為5％至20％。
本發(fā)明所述鋼帶或薄鋼板的特征是，強度至少高達(dá)500牛頓/米2，同時成形特性良好，又不需要特別高的特定合金元素含量。為提高強度起見，本發(fā)明利用元素硼的變形影響效應(yīng)，這種效應(yīng)就熱軋帶材和鍛件所用鋼而論，它原本就是已知。在這方面，由于按照本發(fā)明，將至少一種任選的氮化物形成物(優(yōu)選鋁)和一種用作添加物的鈦添加到鋼材中，故而保證了硼的強度提高效應(yīng)。添加的鈦和鋁之所以能起作用，是它們能同存在于鋼中的氮化合，從而硼可用來形成能提高硬度的碳化物。在必然存在的鉻含量支持下，以此方式獲得了比常規(guī)組成的對比鋼更高的強度等級。
正如已提及的那樣，現(xiàn)有技術(shù)中早已聯(lián)系熱軋帶鋼或鍛件的制造，探討過硼在鋼中提高強度的效應(yīng)。因此，舉例來說，德國專利申請公開說明書DE 197 19 546 A1記敘了一種強度最高的熱軋帶鋼，該熱軋帶鋼借合金化選擇性地添加了鈦，其添加量足以按化學(xué)計算量固定鋼中所存在的氮。以此方式，保持了也已添加的硼量，使其不固定氮。這樣，硼就能毫無阻礙地有助于提高鋼的強度和淬透性。另外，德國專利申請公開說明書DE 30 07 560 A1記敘了較高強度熱軋雙相鋼的制造，對此鋼添加了量為0.0005至0.01％(重量)的硼。在此情況下，添加硼以遲緩鐵素體-珠光體轉(zhuǎn)變。
事實業(yè)已出人意料地表明，就本發(fā)明高強度鋼帶或薄鋼板而論，即使在冷軋之后，各別材料經(jīng)受退火處理并隨后冷卻和過時效，或若各別材料經(jīng)受熱浸精煉過程，馬氏體的量均保持不變。本發(fā)明帶材或薄板的屈服強度介乎250N/mm2和350N/mm2之間。拉伸強度為500N/mm2至大于600N/mm2，尤其高達(dá)650N/mm2。表面處于非清理狀態(tài)時，所述材料實際上沒有屈服強度延伸率(ARE≤1.0)。因此，本發(fā)明鋼帶或薄鋼板具有一些在低合金鋼情況下迄今不可能獲得的特性和特征。
本發(fā)明鋼的另一個優(yōu)點是它們的抗回火性效果。鉻在本發(fā)明鋼中的存在，防止了尤其在常規(guī)組成的雙相鋼情況下發(fā)生的難題，亦即，時效處理過程中馬氏體含量被回火過、從而強度降低的難題。
本發(fā)明鋼帶或薄鋼板優(yōu)選還包括至少2.8×AN的鈦，式中AN＝氮含量(以重量百分比計)。在此，鋁含量可被限制在0.02-0.05％(重量)的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的這個實施方案中，向鋼中所含的氮提供用作氮化物形成物的鋁，此外還存在其量足以按化學(xué)計算量固定氮的鈦。相反，倘若鋼中不存在鈦，則所述鋼帶或薄鋼板的鋁含量應(yīng)當(dāng)介于0.1至0.4％(重量)之間。由于鋁和/或鈦的存在，冷卻過程中首先形成較大晶粒的TiN和/或AlN。由于鈦和鋁對氮的親合力比硼大，故而所存在的硼含量可用來形成碳化物。這比鈦或鋁的含量不足時譬如首先沉淀小晶粒BN的情況，對本發(fā)明鋼的機械性能有著更為有利的影響。
制造本發(fā)明鋼帶或薄鋼板的一種選擇方案在于，借助于冷軋一種熱軋帶鋼，來制造所述鋼帶或薄鋼板。然而，作為一種選擇，也可處理一種薄的熱軋帶鋼，不另行冷軋來制造本發(fā)明的一種鋼帶，只要其厚度充分減小到可供進(jìn)一步加工即可。這樣一種熱軋帶鋼例如可用連鑄坯直接軋制機來制造，其中將鑄鋼線材直接軋成薄的熱軋帶鋼。不論選擇哪一種制造所述鋼帶或薄鋼板的方法，實現(xiàn)上述關(guān)于生產(chǎn)方法的目的所用的措施在于，在連續(xù)作業(yè)爐中，對所述鋼帶或薄鋼板進(jìn)行退火處理，在該處理過程中退火溫度介乎750℃和870℃之間，優(yōu)選在750℃和850℃之間，還在于隨后使所述退火鋼帶或薄鋼板以至少20℃/秒和至多100℃/秒的冷卻速率從所述退火溫度冷卻下來。
采用本發(fā)明方法，可以制造一種鋼帶，它以碳錳鋼為基準(zhǔn)，其中添加了硼和至少鋁，而且必要時補加用作氮化物形成物的鈦，這種鋼帶甚至在退火和冷卻條件下也可控制，它含有大約5％至20％的所希望高的馬氏體含量。與常規(guī)方法相反，在連續(xù)退火之后，不需要用高冷卻速率冷卻所述鋼帶或薄鋼板，以便在顯微組織中形成馬氏體。作為替代，大量溶于晶格的硼保證了馬氏體甚至在低冷卻速率下形成，因此產(chǎn)生具有綜合性能、典型雙相的鐵素體-馬氏體占主導(dǎo)地位的顯微組織?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，此效應(yīng)在硼含量為0.002至0.005％時就已明顯。因此，本發(fā)明不需要昂貴的冷卻裝置或者不使用大量合金元素，就可制造高強度鋼帶或薄鋼板。
此外，還已發(fā)現(xiàn)，按照本發(fā)明制造的鋼在進(jìn)行過時效時，不會因回火影響馬氏體而發(fā)生絲毫特性下降，這是值得一提的。在那些不對所述鋼帶或薄鋼板進(jìn)行熱浸精煉的情況下，過時效可在介于300℃和400℃之間的處理溫度下至多持續(xù)300秒。相反，倘若進(jìn)行熱浸精煉，例如熱浸鍍鋅，則在可能進(jìn)行的過時效過程中，在鍍鋅期間應(yīng)當(dāng)至多持續(xù)80秒，同時處理溫度介于420℃和480℃之間。另外，按照本發(fā)明所制造鍍鋅鋼帶或薄鋼板的特性，可因鍍鋅后進(jìn)行原本已知的鍍鋅層擴散退火處理而進(jìn)一步得以改進(jìn)。在這樣的處理過程中，熱鍍鋅薄板或帶材在熱浸之后予以退火。視特定應(yīng)用場合而定，如果所述鋼帶或薄鋼板隨后進(jìn)行表面清理，還可能是有利的。
下面參考實施方案更為詳細(xì)地解釋本發(fā)明。
表1示明本發(fā)明鋼帶A1-A4的合金含量和工藝/機械特征值A(chǔ)RE(屈服強度延伸率)、ReL(低屈服強度)、Rm(拉伸強度)、ReL/Rm(屈服強度比)和A80(至斷裂的延伸率)。為比較起見，該表還示明對比鋼帶B1-B5、C1-C5、D1-D4和E1的各別情況。
就表1中所示的本發(fā)明所有鋼帶A1-E1而論，供對比而示出的鋼帶，其碳含量介于0.07和0.08％(重量)之間。就所示對比鋼帶B1-B5而論，1.5-2.4％(重量)的錳含量用來影響轉(zhuǎn)變過程。就對比鋼帶C1-C5而論，為了同一目的，采用了硅(約0.4％，以重量計)和錳(1.5-2.4％(重量))的元素組配，就對比鋼帶D1-D4而論，采用了硅(至多0.7％(重量))、錳(1.2-1.6％(重量))和鉻(0.5％(重量))的含量組配。就對比鋼帶E1而論，還添加了鉬。
就本發(fā)明鋼帶A1-A4而論，除了也已采用硅(至多1.0％(重量))和錳(0.8-1.5％(重量))之外，還利用了硼的高度轉(zhuǎn)變延遲性質(zhì)。為防止氮化硼生成，以用作氮化物形成物的鈦來固定氮。在氮含量為0.004至0.005％(重量)而硼含量近似0.003％(重量)情況下，為此目的而存在的鈦含量約為0.03％(重量)。
經(jīng)熔煉鋼A1-A4并每次澆鑄一塊扁坯后，將各扁坯加熱至1170℃。然后將各個加熱后的扁坯軋成厚度為4.2mm的熱軋帶鋼。終軋溫度在845和860℃之間變化。接著，在620℃溫度下，以0.5℃/分的平均盤卷冷卻速率，將熱軋帶鋼盤繞成卷。接著對熱軋帶鋼進(jìn)行酸洗，并冷軋到厚度為1.25mm。
對各冷軋帶鋼進(jìn)行連續(xù)退火處理，該連續(xù)退火處理由附有低合金軟鋼過時效的標(biāo)準(zhǔn)爐操作來指導(dǎo)。連續(xù)退火過程中退火溫度為800℃，以及連同最終通過過時效區(qū)段的二級冷卻，是這種退火、過時效處理的基本特征。起初，以近似20℃/秒的冷卻速率冷卻到550-600℃。隨后，以近似50℃/秒的冷卻速率冷卻至400℃。所述連續(xù)的過時效處理是，在400-300℃的溫度范圍內(nèi)將帶材保溫150秒。
表1中所示按照本發(fā)明制造的鋼帶A1至A4的常規(guī)非表面清理狀態(tài)連續(xù)退火后的機械/工藝特征值，當(dāng)與另外所示的對比鋼帶的高強度合金化構(gòu)思相比，證明了按照本發(fā)明制造的鋼帶或薄鋼板的有利特性。在本發(fā)明鋼帶情況下，非表面清理狀態(tài)沒有屈服強度延伸率的事實，清楚顯示有利的鐵素體/馬氏體顯微組織形成。延伸率極限值低于300N/mm2，強度值介于530N/mm2和630N/mm2之間。因此，鋼帶A1-A4在塑性變形過程中呈現(xiàn)良好的淬硬性能。這也證明其本身屈服強度比(Re/Rm小于0.5)非常低。在強度為540-580N/mm2的情況下，破斷延伸率介于27和30％之間；在近似630N/mm2的情況下，破斷延伸率仍為良好的25％。從整體來看，機械性能是各向同性的。
多數(shù)情況下，所有與本發(fā)明鋼帶同一等級的對比鋼帶的強度均顯現(xiàn)不太有利的應(yīng)變值，尤其在屈服強度延伸率增加值明顯的情況下。這表示淬硬性能更為不利。
在對比鋼帶情況下，只有用大于2.1％(重量)的很高錳含量才能實現(xiàn)屈服強度延伸率缺失(對比鋼帶B4、B5、C5)。此外，還發(fā)現(xiàn)強度值明顯更高。但同時，又得到不太有利的屈服強度比和較小的延伸率。
表2示明本發(fā)明鋼帶F1的合金含量和工藝/機械特征值A(chǔ)RE(屈服強度延伸率)、RcL(低屈服強度)、Rm(拉伸強度)、RcL/Rm(屈服強度比)和A80(至斷裂的延伸率)。為制造鋼帶F1起見，先將鈦-硼合金化的碳-錳鋼熔化，再以常規(guī)方法熱軋并冷軋。接著對冷軋帶鋼F1進(jìn)行退火，并將其輸送經(jīng)過熱浸鍍鋅設(shè)備。
退火在870℃下進(jìn)行。繼此之后，在480℃下，相保持(holding phase)60秒。鍍鋅液溫度為460℃。表3示明操作條件的詳細(xì)說明。以此方式進(jìn)行熱浸精煉并接著進(jìn)行表面清理后鋼帶F1的特性是在本發(fā)明帶材特性范圍之內(nèi)，其值列于表1中。
表4示明本發(fā)明鋼帶G11-G14的合金元素含量和工藝/機械特征值A(chǔ)RE(屈服強度延伸率)、ReL(低屈服強度)、Rm(拉伸強度)、ReL/Rm(屈服強度比)和A80(至斷裂的延伸率)。鋼帶G11-G14中的每一種，都以同一組成、經(jīng)常規(guī)熱軋和冷軋加工的鋼為原料來制造。
冷軋帶鋼G11和G12經(jīng)受過連續(xù)退火處理，而鋼帶G13和G14則經(jīng)受過熱浸鍍鋅處理。表5示明各操作條件。采用780-800℃的退火溫度，鋼帶G11-G14的拉伸強度約為500N/mm2。蠕變的開始是很大程度上缺失屈服強度延伸率(ARE≤1.0％)。
表1
表2
表3
表4
表權(quán)利要求
1.一種高強度鋼帶或薄鋼板，其主要包括鐵素體-馬氏體顯微組織，馬氏體含量在4％和20％之間，其中所述鋼帶或薄鋼板除Fe及熔煉所產(chǎn)生的雜質(zhì)之外，還包括(以重量百分比計)C0.05-0.2％；Si≤1.0；Mn0.8-2.0％；P≤0.1％；S≤0.015％；Al0.02-0.4％；N≤0.005％；Cr0.25-1.0％；B0.002-0.01％。
2.權(quán)利要求1所述的鋼帶或薄鋼板，其特征在于，它還含至少2.8×AN的Ti，式中AN＝N含量％(重量)。
3.權(quán)利要求2所述的鋼帶或薄鋼板，其特征在于，其Al含量為0.02-0.05％(重量)。
4.權(quán)利要求1所述的鋼帶或薄鋼板，其特征在于，其Al含量為0.1-0.4％(重量)。
5.前述各權(quán)利要求中任何一項所述的鋼帶或薄鋼板，其特征在于，其B含量為0.002-0.005％(重量)。
6.權(quán)利要求1至5中任何一項所述鋼帶或薄鋼板的制造方法，其中所述鋼帶或薄鋼板經(jīng)冷軋一種熱帶鋼來制造，其特征在于，在連續(xù)作業(yè)爐中對所述冷軋帶鋼或薄鋼板進(jìn)行退火處理，在該處理過程中，退火溫度在750℃和870℃之間，優(yōu)選在750℃和850℃之間，其特征還在于，其后使所述退火鋼帶或薄鋼板以至少20℃/秒和至多100℃/秒的冷卻速率從退火溫度冷卻下來。
7.權(quán)利要求1至5中任何一項所述鋼帶或薄鋼板的制造方法，其中所述鋼帶或薄鋼板經(jīng)將薄的熱帶鋼退火來制造，其特征在于，在連續(xù)作業(yè)爐中對作為薄的熱帶鋼狀態(tài)的所述鋼帶或薄鋼板進(jìn)行退火處理，在該處理過程中，退火溫度在750℃和870℃之間，優(yōu)選在750℃和850℃之間，其特征還在于，隨后將所述退火鋼帶或薄鋼板以至少20℃/秒和至多100℃/秒的冷卻速率，從退火溫度冷卻下來。
8.權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，使經(jīng)連續(xù)退火、冷卻的所述鋼帶或薄鋼板通過過時效區(qū)段。
9.權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，在所述過時效區(qū)段中的保持時間至多為300秒，且處理溫度為300℃至400℃。
10.權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，對所述鋼帶或薄鋼板進(jìn)行熱浸精煉。
11.權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，鍍鋅和行經(jīng)過時效區(qū)段所需的處理持續(xù)時間至多為80秒，且處理溫度在420℃和480℃之間。
12.權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于，鍍鋅后進(jìn)行鍍鋅層擴散退火處理。
13.權(quán)利要求6至12中任何一項所述的方法，其特征在于，隨后對所述鋼帶或薄鋼板進(jìn)行表面清理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高強度鋼帶或薄鋼板,其主要包括鐵素體－馬氏體顯微組織,馬氏體含量在4和20%之間,其中所述鋼帶或薄鋼板,除鐵和熔煉所產(chǎn)生的雜質(zhì)之外,還包括(以重量百分比計)0.05－0.2碳、≤1.0%硅、0.8－2.0%錳、≤0.1%磷、≤0.015%硫、0.02 0.4%鋁、≤0.005%氮、0.25－1.0%鉻、0.002－0.01%硼。優(yōu)選的是,在主要為馬氏體－鐵素體的顯微組織中馬氏體含量近似為5%至20%。這樣一種以雙相鋼為原料制成的高強度鋼帶或薄鋼板具有良好的機械/工藝特性,即使經(jīng)受了包括過時效處理的退火處理之后亦然。此外,本發(fā)明還涉及一種本發(fā)明所述鋼帶或薄鋼板的生產(chǎn)方法。
文檔編號C21D9/46GK1367846SQ00811187
公開日2002年9月4日 申請日期2000年7月31日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月31日
發(fā)明者B·恩格爾, T·戈泊, K·漢恩 申請人:蒂森克虜伯鋼鐵(股份)公司