專利名稱：：一種熱成型馬氏體鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于合金鋼領(lǐng)域，特別涉及一種熱成型馬氏體鋼，主要適用于抗拉強(qiáng)度在1.3-1.7GPa的熱沖壓成型的薄厚度零件用鋼。技術(shù)背景隨著汽車輕量化和安全性的提高，要求汽車結(jié)構(gòu)件用鋼在重量減輕的前提下對(duì)強(qiáng)度要求越來越高。傳統(tǒng)的鐵素體鋼、珠光體鋼以及貝氏體鋼的強(qiáng)度水平都低于1.2GPa，因此只有選擇超高強(qiáng)度的馬氏體鋼才能滿足要求。通常情況下，馬氏體鋼是通過加工成型后再進(jìn)行淬火回火熱處理而獲得，對(duì)于薄厚度零件淬火變形非常嚴(yán)重；而如果釆用先熱處理再冷沖壓成型的話，則存在變形難度大、變形后零件回彈大等問題。最近，國外開發(fā)了一種將熱沖壓成型和熱處理結(jié)合起來的新工藝，即熱成型工藝(HotStamping)(TaylanAltan.StampingJournal,2007,(1):14-15)，釆用該工藝能夠生產(chǎn)汽車用超高強(qiáng)度馬氏體鋼薄厚度零件。熱成型工藝對(duì)鋼材的成分和冶金質(zhì)量有特定的要求，能夠滿足熱成型工藝要求的鋼種稱為熱成型馬氏體鋼。目前，國外常用的熱成型馬氏體鋼是22MnB5鋼，而囯內(nèi)沒有熱成型馬氏體鋼。經(jīng)熱成型工藝處理后，22MnB5鋼熱成型零件的抗拉強(qiáng)度在1.0-1.5GPa。盡管22MnB5熱成型馬氏體鋼較其它組織的鋼在抗拉強(qiáng)度上有較大幅度的提高，但其遠(yuǎn)沒有發(fā)揮馬氏體鋼的強(qiáng)度潛力，并且不能完全滿足汽車結(jié)構(gòu)件日益提高的強(qiáng)度要求。目前，國內(nèi)外未見有更高強(qiáng)度級(jí)別的熱成型馬氏體鋼的報(bào)道。提高熱成型馬氏體鋼使用強(qiáng)度的難點(diǎn)在于提高強(qiáng)度的同時(shí)如何保證良好的塑性和屈強(qiáng)比以及如何克服氫致延遲斷裂問題。通常情況下，隨馬氏體鋼強(qiáng)度的提高，塑性會(huì)有所下降。為保證熱成型馬氏體鋼吸收能量(同時(shí)與強(qiáng)度和塑性有關(guān))的提高，在提高強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，必須保證有良好的塑性及相對(duì)較低的屈強(qiáng)比。通常情況下，隨著強(qiáng)度的提高，馬氏體鋼的氫致延遲斷裂敏感性提高(MaoqiuWangetal.CorrosionScience,2007，49(11):4081-4087)。對(duì)熱成型馬氏體鋼而言，一般經(jīng)熱成型工藝后不進(jìn)行回火處理，氫致延遲斷裂問題可能會(huì)因?yàn)殇撝懈叩奈诲e(cuò)密度而更加突出。因此，為克服氫致延遲斷裂問題，開發(fā)更高強(qiáng)度的熱成型馬氏體鋼需在成分和工藝上同時(shí)釆取措施。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種抗拉強(qiáng)度為1.3-1.7GPa、延伸率高于15%的熱成型馬氏體鋼，并且其氫致延遲斷裂敏感性顯著低于現(xiàn)有的22MnB5鋼。根據(jù)上述目的，本發(fā)明所釆取的整體技術(shù)方案是U)通過控制C元素含量來保證足夠的強(qiáng)度；(2)通過控制C、Mn、B等元素含量來控制淬透性，確保熱成型后獲得以馬氏體為主的組織；(3)通過控制Si含量結(jié)合淬火馬氏體相變結(jié)束前緩冷工藝，使組織中存在一定量殘余奧氏體，從而控制屈強(qiáng)比和延伸率，并降低氫致延遲斷裂敏感性；(4)通過控制潔凈度，特別是將S含量控制在0.015%以下、P含量控制在0.020/以下，確保延伸率高于15%，并且改善氫致延遲斷裂敏感性；(5)通過控制Al和[N]的含量，確保奧氏體晶粒不粗化，從而進(jìn)一步降低氫致延遲斷裂敏感性。根據(jù)上述目和整體的技術(shù)方案，本發(fā)明具體的技術(shù)方案為-.本發(fā)明鋼的主要化學(xué)成分組成(重量％)為C0.10-0.33%，Si0.50-2.30°/。，Mn0.50-2.00%，P《0.020%,S《0.015%,Al0.015-0.060%,0.002-0.015%,余為Fe及不可避免的不純物。另外，還添加B0.0005-0.0050%,Ti0.02-0.10%,Nb0.02-0,10%,V0.02-0.15%，RE0.001-0.050%中的任一種或任一種以上。上述各元素的作用及配比依據(jù)如下C:固溶強(qiáng)化元素，對(duì)淬火馬氏體鋼的強(qiáng)度起決定作用。為使熱成型馬氏體鋼的抗拉強(qiáng)度范圍在1.3-1.7MPa，C含量必須控制在0.10-0.33%。Si:抑制碳化物析出，確保組織中存在一定量高碳?xì)堄鄪W氏體，提高鋼的延伸率、降低屈強(qiáng)比，并改善氫致延遲斷裂敏感性。Si含量在O.50%以下時(shí)，不能起到以上作用；Si含量高于2.30%時(shí)，以上作用飽和，并可能影響韌性。因此，Si含量應(yīng)控制在0.50-2.30%。Mn:作為脫氧和脫硫的有效元素，冶煉時(shí)加入。同時(shí)也是固溶強(qiáng)化元素，對(duì)鋼的淬透性有很大貢獻(xiàn)。但使馬氏體鋼的軔塑性降低，可能使氫致延遲斷裂敏感性升高。因此，為保證脫氧效果和改善軔塑性，Mn含量應(yīng)控制在0.50-2.00%。P:在鋼液凝固時(shí)形成微觀偏析，隨后在奧氏體后溫度加熱時(shí)偏聚到晶界，使鋼的脆性顯著增大，從而使氫致延遲斷裂敏感性升高。因此，P含量應(yīng)控制在o.02oy。以下。S:不可避免的不純物，形成MnS夾雜物和在晶界偏析會(huì)惡化鋼的軔性，從而降低鋼的韌塑性，并使氫致延遲斷裂敏感性升高。因此，S含量應(yīng)控制在0.015%以下。Al:能有效脫氧和細(xì)化晶粒，提高軔性，降低氫致延遲斷裂敏感性。含量低于0.015%時(shí)以上作用不明顯，高于0.060%時(shí)作用增加不明顯，且可能形成粗大的氧化鋁夾雜物，惡化鋼的輛性。因此，Al含量應(yīng)控制在0.015-0.060%。[N]:與Al、Ti、Nb、V等結(jié)合形成化合物，從而細(xì)化晶粒和降低氫致延遲斷裂敏感性，但也會(huì)偏聚晶界而降低晶界強(qiáng)度。含量低于0.002%時(shí)晶粒細(xì)化作用不明顯，高于0.015%時(shí)不利作用明顯。因此，[N]含量應(yīng)控制在0.002-0.015°/。。[O]:有害氣體，嚴(yán)重降低韌塑性，并影響氫致延遲斷裂敏感性。通過多種手段應(yīng)將[O]含量控制在0.0020%以下。B:能夠顯著提高鋼的淬透性和凈化晶界，降低氫致延遲斷裂敏感性。含量低于0.0005%時(shí)以上作用不明顯，高于0.0050%時(shí)作用增加不明顯。因此，如添加，B含量應(yīng)控制在0.0005-0.0050°/。。Ti:以細(xì)小的碳(氮)化物形成存在時(shí)，能夠細(xì)化晶粒，從而降低鋼的氫致延遲斷裂敏感性。適量加入可以改善性能，高于0.10%時(shí)易形成塊狀氮化物，反而使韌塑性下降。因此，如添加，Ti含量應(yīng)控制在O.02-0.10%。Nb:形成碳氮化物能夠細(xì)化晶粒，從而有效降低鋼的氫致延遲斷裂敏感性。低于0.02%時(shí)以上作用不明顯，高于0.10%時(shí)作用增加不明顯，達(dá)到飽和。因此，如添加，Nb含量應(yīng)控制在0.02-0.10°/。。V:以細(xì)小的碳(氮)化物形成存在時(shí)，能夠細(xì)化晶粒，從而降低鋼的氫致延遲斷裂敏感性；以固溶形式存在時(shí)，能夠提高淬透性，從而提高強(qiáng)度。適量加入可以改善性能，高于0.15%時(shí)易形成大顆粒碳(氮)化物，反而使軔塑性下降。因此，如添加，V含量應(yīng)控制在0.02-0.15°/。。RE:脫氧和脫硫，并且使夾雜物變形，從而能夠提高鋼的軔塑性，降低鋼的氫致延遲斷裂敏感性。低于0.001%時(shí)以上作用不明顯，高于0.050%時(shí)作用增加不明顯，達(dá)到飽和。因此，如添加，RE含量應(yīng)控制在0.001-0.050%。本發(fā)明釆用與現(xiàn)有技術(shù)相近似的制備方法本發(fā)明熱成型馬氏體鋼可釆用轉(zhuǎn)爐(電爐)+精煉+連鑄(模鑄)+熱連軋+巻取工藝或真空感應(yīng)爐+模鑄+鍛造+熱軋工藝生產(chǎn)，經(jīng)900-95(TC奧氏體化及熱成型工藝處理后，可用于制造汽車用超高強(qiáng)度薄厚度零件。與現(xiàn)有熱成型馬氏體鋼22MnB5鋼相比，本發(fā)明鋼不但抗拉強(qiáng)度從1.0-1.5GPa提高到了1.3-1.7GPa,而且具有良好的塑性(延伸率>15%),并且氫致延遲斷裂敏感性明顯降低，從而為汽車輕量化、高安全性能化提供了基礎(chǔ)。具體實(shí)施方式材料準(zhǔn)備根據(jù)上述所設(shè)計(jì)的化學(xué)成分范圍，在500kg感應(yīng)爐上冶煉了5爐(爐號(hào)1-5)本發(fā)明鋼和2爐對(duì)比鋼(爐號(hào)8-9)，此外還有2爐(爐號(hào)6-7)經(jīng)電爐(EAF)+精煉(LF+VD)冶煉+模鑄+熱連軋工藝生產(chǎn)的本發(fā)明鋼和2爐對(duì)比鋼(爐號(hào)10-11),其具體化學(xué)成分如表l所示。試驗(yàn)料最終加工成厚度規(guī)格為1.8,薄板(用于熱成型)和直徑4)12隨的棒料(用于測定力學(xué)性能和氫致延遲斷裂敏感性)。拉伸力學(xué)性能將直徑cM2mm的棒料經(jīng)粗加工后在900-950°Cx30分鐘條件下進(jìn)行奧氏體化，發(fā)明鋼經(jīng)淬火到Ms-20(TC后緩冷，對(duì)比鋼淬火到室溫,然后再加工成標(biāo)準(zhǔn)室溫拉伸試樣(L產(chǎn)5d。，d產(chǎn)5mm)，并按國標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)，其拉伸力學(xué)性能如表2所示?？梢?，發(fā)明鋼的抗拉強(qiáng)度在1.3-1.7GPa范圍，高于對(duì)比鋼的1.0-1.5GPa范圍，并且發(fā)明鋼的塑性較好(延伸率>15%)。氫致延遲斷裂敏感性將直徑4)12mm的棒料經(jīng)粗加工后在900-95CTCx30分鐘條件下進(jìn)行奧氏體化，開發(fā)鋼經(jīng)淬火到Ms-200。C后緩冷，對(duì)比鋼洋火到室溫，然后再加工成帶缺口的室溫拉伸試樣(L。-5dQ，d。=10mm，缺口處直徑6腿，缺口根部曲率半徑0.15mm，理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt=4)。通過電化學(xué)方法對(duì)試樣進(jìn)行充氫(0.1NNaOH溶液，48小時(shí)，電流密度lmA/cm2),然后進(jìn)行慢速率拉伸試驗(yàn)(拉伸速度0.005mm/min)。以充氫試樣的缺口拉伸強(qiáng)度的下降百分率來表征其氫致延遲斷裂敏感性，結(jié)果如表2所示。可見，與對(duì)比鋼相比，發(fā)明鋼的氫致延遲斷裂敏感性明顯降低。熱成型工藝將厚度規(guī)格為1.8mm薄板加熱到900-950°Cx5分鐘條件下進(jìn)行奧氏體化，然后置于可控溫的模具下進(jìn)行熱成型工藝處理(U型零件)。發(fā)明鋼經(jīng)淬火到Ms-20(TC后緩冷，對(duì)比鋼淬火到室溫。對(duì)熱成型工藝處理完畢的零件進(jìn)行取樣，觀察組織對(duì)比鋼為全馬氏體，發(fā)明鋼以馬氏體為主，并含有一定的殘余奧氏體，其殘余奧氏體含量和硬度結(jié)果如表2所示。通過硬度換算得到的零件的抗拉強(qiáng)度與拉伸試樣結(jié)果一致。可見，發(fā)明鋼經(jīng)熱成型工藝后，能夠獲得超高強(qiáng)度，并且的氫致延遲斷裂敏感性明顯降低。表l本發(fā)明鋼實(shí)施例和對(duì)比鋼的化學(xué)成分，重量％<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2本發(fā)明鋼實(shí)施例和對(duì)比鋼的組織特征、力學(xué)性能和氫致延遲斷裂敏感性爐號(hào)奧氏體化溫度晶粒度殘余奧氏體含量抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度延伸率屈強(qiáng)比硬度氫致延遲斷裂<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>200810112020.2轉(zhuǎn)滯齒械7/75t權(quán)利要求1.一種熱成型馬氏體鋼，其特征在于該鋼的主要化學(xué)成分組成(重量％)為C0.10-0.33％，Si0.50-2.30％，Mn0.50-2.00％，P≤0.020％，S≤0.015％，Al0.015-0.060％，[O]≤0.002％，[N]0.002-0.015％，余為Fe及不可避免的不純物。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱成型馬氏體鋼，其特征在于還添加B0.0005-0.0050%,Ti0.02-0.10%，Nb0.02-0.10%，V0.02-0.15%，RE0.001-0.050%中的任一種或任一種以上。全文摘要本發(fā)明屬于合金鋼領(lǐng)域，特別涉及一種熱成型馬氏體鋼，主要適用于抗拉強(qiáng)度在1.3-1.7GPa的熱沖壓成型的薄厚度零件用鋼。該鋼的主要化學(xué)成分組成(重量％)為C0.10-0.33％，Si0.50-2.30％，Mn0.50-2.00％，P≤0.020％，S≤0.015％，Al0.015-0.060％，[O]≤0.002％，[N]0.002-0.015％，余為Fe及不可避免的不純物。另外，還添加B0.0005-0.0050％，Ti0.02-0.10％，Nb0.02-0.10％，V0.02-0.15％，RE0.001-0.050％中的任一種或任一種以上。與現(xiàn)有熱成型馬氏體鋼22MnB5鋼相比，本發(fā)明鋼不但抗拉強(qiáng)度從1.0-1.5GPa提高到了1.3-1.7GPa，而且具有良好的塑性，延伸率＞15％，并且氫致延遲斷裂敏感性明顯降低，從而為汽車輕量化、高安全性能化提供了基礎(chǔ)。文檔編號(hào)C22C38/14GK101275200SQ200810112020公開日2008年10月1日申請(qǐng)日期2008年5月21日優(yōu)先權(quán)日2008年5月21日發(fā)明者惠衛(wèi)軍,捷時(shí),王毛球,瀚董申請(qǐng)人:鋼鐵研究總院