專利名稱：高強度、可冷成形的鋼和鋼帶或薄鋼板,鋼帶的制備方法以及所述鋼的用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有良好冷成形性能和高強度的Fe-Mn-Al-Si輕質(zhì)鋼材和鋼帶或薄鋼板。此外，本發(fā)明還涉及由所述鋼制備帶材的方法以及該鋼特別適合的用途。
由德國專利197 27 759 C2已知一種用于制備車體部件和用于低溫用途的輕質(zhì)鋼。該鋼除Fe之外，還含有10-30％Mn，1-8％Al和1-6％Si，Al和Si含量之和不超過12％。在該已知鋼中，碳含量，如果有，也只處于雜質(zhì)范圍。
與之相反，在德國專利申請199 00 199 A1公布的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼中，碳作為一種任選合金元素存在。該已知輕質(zhì)鋼含有大于7％但最多27％的Mn，大于1％但最多10％的Al，大于0.7％但最多4％的Si，＜0.5％C，＜10％Cr，＜10％Ni，以及＜0.3％Cu。另外，該鋼可以含有N，V，Nb，Ti和P，這些元素之和不超過2％。
歐洲專利申請1 067 203 A1公布的輕質(zhì)鋼也含有碳，其范圍為0.001-1.6％。此外，除了鐵，該鋼還含有6-30％Mn，≤6％Al，≤2.5％Si，≤10％Cr，≤10％Ni和≤5％Cu。另外，該鋼可以含有V，Ti，Nb，B，Zr和稀土元素，它們的含量之和不超過3％。該已知鋼也可以含有P，Sn，Sb和As，這些元素的含量之和不高于0.2％。
已表明雖然存在碳，但具有這類組成的鋼只能進行熱軋而難于冷軋。因此，經(jīng)常在帶材棱邊處看到不穩(wěn)定相或裂紋，這使得實際上難于由這類鋼大規(guī)模生產(chǎn)帶材或薄板。而且，這類鋼具有極強的各向同性變形特性，該特性用高的Эr值表示。由于成形性差，更難于對根據(jù)已知方法制備的薄鋼板進一步加工。具有更高強度的可深度成形的鋼對于制造帶有齒或相當形狀的組件的部件也是必須的。這些部件典型地是帶有內(nèi)齒或外齒的齒輪部件。通過流動成形可以低成本、高尺寸精度地制備所述部件。
德國專利197 24 661 C2公開了一種通過流動成形制備齒輪部件的方法。根據(jù)該已知方法，由下屈服點至少500N/mm2的微合金化、高強度結(jié)構(gòu)鋼薄板制備出薄板坯。然后，通過流動成形將該板坯冷軋成齒輪。在形成齒的過程中，薄板材料重新變形最多至其成形能力的極限。隨后，對帶有齒的工件表面進行硬化，硬化時溫度基本保持在不發(fā)生熱變形的溫度。
基于前述相關(guān)技術(shù)，本發(fā)明的目的是提供一種輕質(zhì)鋼和/或由其制備的具有良好成形性和良好強度、還容易工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的鋼帶或薄鋼板。此外，還將涉及鋼帶或薄鋼板的制備方法以及所述鋼的優(yōu)選用途。
上述目的由一種輕質(zhì)鋼實現(xiàn)，該鋼具有下述組成(以重量百分數(shù)計)C≤1.00％Mn 7.00-30.00％Al 1.00-10.00％Si ＞2.50-8.00％Al+Si ＞3.50-12.00％B＞0.00-＜0.01％以及，任選地Ni ＜8.00％Cu ＜3.00％N＜0.60％Nb ＜0.30％Ti ＜0.30％V＜0.30％P＜0.01％余者為Fe和不可避免的雜質(zhì)。這種情況下雜質(zhì)包括硫和氧。
令人驚奇地，已發(fā)現(xiàn)有目的地添加硼會顯著改善本發(fā)明鋼的性能和可生產(chǎn)性。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明鋼中存在的硼含量使屈服點降低，從而顯著改善了成形性。如果根據(jù)本發(fā)明的鋼中碳含量為0.10-1.00wt.％，即鋼中可檢測到的碳含量至少為0.10wt.％，則上述元素對本發(fā)明鋼的機械-技術(shù)性能的有利影響甚至可以進一步增強。
在這種情況下，這些元素的存在可以獲得特別良好的機械性能與技術(shù)性能的組合。因此，與由此處述及的相關(guān)技術(shù)了解的薄鋼板相比，根據(jù)本發(fā)明的鋼和/或由其制備的鋼帶或薄鋼板具有顯著降低的Эr值。
此外，具有根據(jù)本發(fā)明的組成的冷軋鋼帶和薄鋼板的特征包括較低的屈服點、高硬化指數(shù)(n值)下改善的拉伸成形性、較高的深拉拔質(zhì)量(r值)和較低的平面各向異性(Эr值)以及較高的屈服點與延伸率之積。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的鋼帶和薄鋼板的抗拉強度至少680MPa，屈服點與延伸率之積至少41000MPa。根據(jù)本發(fā)明的薄鋼板和鋼帶的屈服點不超過520MPa。同時，根據(jù)本發(fā)明的鋼和/或由其制備的薄板和帶材具有20％，最高超過45％的格外高的均勻延伸率。n值最高可達0.7。
結(jié)果，這樣就獲得了冷成形性特別良好的輕質(zhì)鋼帶或薄鋼板，由于其具有較高的強度和較低的密度，因此特別適于制備汽車車身部件。突出的強度與重量比也使得根據(jù)本發(fā)明制備的薄鋼板適于制備車輛，尤其是汽車車輛的車輪，適于制備內(nèi)部或外部液壓成形的部件，適于制備高強度發(fā)動機部件如凸輪軸或活塞連桿，適于制備用來阻擋脈沖應力如爆炸的部件，例如裝甲板，以及適于制備專門用于保護人類不受爆炸傷害的保護性部件。特別是在所述后面的應用中，根據(jù)本發(fā)明的薄鋼板的較低重量和同時具有的較高強度效果很好。
根據(jù)本發(fā)明的薄鋼板如果具有純奧氏體組織結(jié)構(gòu)，還尤其適于制備非磁性部件。
另外，已發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的鋼甚至在極低溫度下也能保持其強度。因此，它們特別適于制備用于低溫工程的部件，例如用于低溫工程的容器或管道。
如果硼含量為0.002-0.01wt.％，尤其是0.003-0.008wt.％，則能夠特別可靠地獲得硼在根據(jù)本發(fā)明的鋼中的有利作用。
碳含量為0.1-1.0％，也能確保提高根據(jù)本發(fā)明的薄鋼板和鋼帶的可生產(chǎn)性。在根據(jù)本發(fā)明的鋼中，由于存在碳，金屬間化合物的形成受到抑制。因此使在由已知鋼制備的鋼帶中存在的帶棱邊區(qū)開裂和不穩(wěn)定相顯著減少，尤其是隨著C含量的增加，所述不穩(wěn)定相減少。添加硼可進一步改善帶材棱邊質(zhì)量。結(jié)果，由于C和B的共同添加，帶材棱邊的不穩(wěn)定相幾乎可完全避免。
在對機械-技術(shù)性能的影響上硼可作為合金元素Mn的替代元素。結(jié)果，已證實含有20％Mn和0.003％B的鋼的性能分布與含25％Mn但不含B的鋼相似。因此，根據(jù)本發(fā)明的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼可以具有較低的Mn含量，但仍具有較高的強度。這會導致合金元素成本降低，而且，還能夠使本發(fā)明使用的輕質(zhì)鋼的熔煉冶金制備更為容易。
此外，本發(fā)明提供的C和B的含量容許采用寬范圍的熱軋參量。結(jié)果，已表明當所選擇的熱軋終了溫度和卷取溫度較高時獲得的根據(jù)本發(fā)明的鋼的特性與在熱軋終了溫度和卷取溫度較較低時獲得的特性基本一致。這種熱軋帶材期間的不敏感性也有利于容易制備根據(jù)本發(fā)明的薄鋼板。
由于將Si含量限制在2.50wt.％以上，優(yōu)選在2.70wt.％以上，因此，與Si含量較低的輕質(zhì)鋼帶或薄板相比，根據(jù)本發(fā)明的鋼帶和薄鋼板具有改善的冷成形性。較高的Si含量意味著更均勻的屈服點和抗拉強度值，還意味著更高的斷裂時的延伸率和均勻延伸率。此外，根據(jù)本發(fā)明的鋼中的Si導致更高的r和n值，還能夠獲得各向均勻的機械性能。Al與Si含量之和的上限為12％，原因是Al與Si含量之和超過此極限會產(chǎn)生脆化的危險。
根據(jù)本發(fā)明的鋼帶和薄板優(yōu)選采用下述方法制備，該方法中澆注出由具有上述組成的本發(fā)明的鋼制備的進料毛坯，例如板坯、薄板坯或帶材，將澆注的進料毛坯加熱到1100℃或者在該溫度下直接使用，將預熱的進料毛坯熱軋成熱軋帶材，其中熱軋終了溫度至少800℃，以及，在450-700℃的卷取溫度下對所述終軋的熱軋帶材進行卷取。
由于所述熱軋帶材在至少800℃的熱軋終了溫度下熱軋和在根據(jù)本發(fā)明的較低溫度下進行卷取，因此，碳和，尤其是前述硼的有利作用得以充分發(fā)揮。結(jié)果，硼和碳使在該范圍熱軋的帶材具有較高的抗拉強度和屈服點，而其斷裂時的延伸率仍然可以接受。隨著熱軋終了溫度的提高，抗拉強度和屈服點均下降，而延伸率增大。通過在本發(fā)明給定的范圍內(nèi)改變熱軋終了溫度，可以容易且有目的地影響所要求的鋼帶性能。
通過限制卷取溫度至多700℃能夠可靠地避免材料發(fā)生脆化。已表明當卷取溫度較高時形成脆性相，這例如可能使材料發(fā)生剝落，并且因此使進一步的加工變得更為困難或者甚至不可能。
根據(jù)本發(fā)明的熱軋帶材的特征甚至在于其良好的使用性能。如果制備較薄的薄板或帶材，則可以在卷取之后將熱軋帶材冷軋成冷軋帶材，冷軋優(yōu)選以30-75％的壓下量進行。隨后優(yōu)選對所獲得的冷軋帶材進行退火，退火溫度為600-1100℃。這時退火可以在爐罩內(nèi)，600-750℃下進行，或者在退火爐內(nèi)，750-1100℃下連續(xù)進行。最后，在最后步驟對冷軋帶材進行矯正(dressing)，這有利于冷成形性和表面結(jié)構(gòu)的獲得。
根據(jù)本發(fā)明的鋼和/或由其制備的鋼帶和薄板的另一種特別有利的用途是通過流動成形制備冷成形部件。為此，由所述鋼制備出板坯，然后，通過流動成形(flow forming)完成終加工。由于其特殊的性能分布，根據(jù)本發(fā)明的鋼和/或由其制備的薄板坯特別適于此目的。
依據(jù)組成不同，根據(jù)本發(fā)明的鋼的顯微組織或者是純奧氏體，或者是包含馬氏體組元的鐵素體與奧氏體的混合物。因此，根據(jù)本發(fā)明的鋼的成形性能顯著提高。與已知用于通過流動成形制備的高強度微合金化或多相鋼相比，其可以在冷成形過程中進行更為強烈的壓制。結(jié)果，依據(jù)冷成形條件，部件強度可以達1400-2200N/mm2。因此，可以省去對冷成形后獲得的部件進行附加的硬化處理。如果輕元素如Si和Al含量較高，故根據(jù)本發(fā)明使用的鋼密度較低，結(jié)果該鋼對于特定目的，尤其是齒形齒輪部件的制備也很有利。
如果使用具有根據(jù)本發(fā)明組成并且根據(jù)本發(fā)明制備的鋼，則可以免于對流動成形的部件進行熱處理或表面硬化處理。如果根據(jù)本發(fā)明的鋼用于制備使用期間受到強烈局部應力作用的齒形部件，那么，將不再存在現(xiàn)有技術(shù)中由上述附加處理步驟引起的變形和起鱗的危險。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的鋼能夠通過冷成形，特別是流動成形低成本地制備輕質(zhì)、重載且尺寸穩(wěn)定的部件。
下面，參照示例性實施方案和對比實例對本發(fā)明進行更詳細介紹。
表1中示出了四種鋼A，B，C，D和E的組成，鋼A，B和C對應的是根據(jù)本發(fā)明提供的合金，而鋼D和E則是對比實例。
表1
將具有所述組成的鋼A-E熔化并澆注成板坯。隨后，將該板坯預熱至1150℃。然后，對所述預熱的板坯熱軋并隨后進行卷取。
表2中列出了各個熱軋終了溫度ET，卷取溫度HT，以及獲得的熱軋帶材的抗拉強度Rm、屈服點Re、A50延伸率、均勻延伸率Ag1和n值等各種性能。
表2
由不是根據(jù)本發(fā)明的鋼D制備的帶材不能進行冷軋，除此之外，對所獲得的其他熱軋帶材隨后在約65％的變形度下進行冷軋，并且在950℃下進行連續(xù)退火。表3中列出了以這種方式獲得的冷軋薄鋼板的機械性能。
表3
結(jié)果表明根據(jù)本發(fā)明由鋼A-C制備的鋼帶具有突出的冷成形性能。在這種情形下，在具有高的強度和高的斷裂延伸率的同時，各鋼帶均具有顯著的各向同性變形特性(r～1，Эr～0)。即使由根據(jù)本發(fā)明的鋼C制備的帶材中不含碳但含有硼，其仍然具有較低的屈服點、較高的斷裂和均勻延伸率以及各向同性成形性能。
因此，根據(jù)本發(fā)明的薄鋼板的所有變化均特別適于制備車身部件，尤其是車身的外面板，適于制備車輛，尤其是汽車車輛的車輪，適于制備非磁性部件，適于制備用于低溫工程的容器，適于制備內(nèi)部或外部液壓成形的部件，適于制備專門用于制造高強度發(fā)動機部件如凸輪軸或活塞連桿的管件，適于制備用來阻擋脈沖應力如爆炸的部件、或保護性部件如裝甲板，或者用于人或動物身體的身體用盔甲。也可以由根據(jù)本發(fā)明的薄鋼板制備特征為重量輕且使用性能良好的重載齒輪部件，而不需要進行附加的熱處理。
權(quán)利要求
1.一種具有良好冷成形性和高強度的輕質(zhì)鋼，其具有下述組成(以重量百分數(shù)計)C ≤1.00％Mn 7.00-30.00％Al 1.00-10.00％Si ＞2.50-8.00％Al+Si ＞3.50-12.00％B ＞0.00-＜0.01％以及，或者Ni ＜8.00％Cu ＜3.00％N ＜0.60％Nb ＜0.30％Ti ＜0.30％V ＜0.30％P ＜0.01％余者為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的輕質(zhì)鋼，其特征在于碳含量為0.10-1.00wt.％。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一項的輕質(zhì)鋼，其特征在于Si含量大于2.70wt.％。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一項的輕質(zhì)鋼，其特征在于硼含量為0.002-0.01wt.％，特別是0.003-0.008wt.％。
5.由具有根據(jù)權(quán)利要求1-4中之一項的組成的鋼制備的鋼帶或薄鋼板。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的鋼帶或薄鋼板，其特征在于其抗拉強度至少680MPa。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的鋼帶或薄鋼板，其特征在于其抗拉強度與延伸率之積至少41000MPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求4-7中之一項的鋼帶或薄鋼板，其特征在于其屈服點最多520MPa。
9.一種可冷成形、高強度鋼帶或薄鋼板的制備方法，其中-由具有根據(jù)權(quán)利要求1-4中之一項的組成的鋼澆注出進料毛坯，例如板坯、薄板坯或帶材，-將澆注的進料毛坯加熱到1100℃或者在該溫度下直接使用，-將預熱的進料毛坯熱軋成熱軋帶材，其中熱軋終了溫度至少800℃，以及，-在450-700℃的卷取溫度下對所述終軋的熱軋帶材進行卷取。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于在卷取之后將熱軋帶材冷軋成冷軋帶材。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征在于在600-1100℃的退火溫度下對冷軋帶材進行退火。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于以爐罩退火方式，所述退火在600-750℃的退火溫度下進行。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于以連續(xù)退火方式，所述退火在750-1100℃的退火溫度下進行。
14.根據(jù)權(quán)利要求10-13中之一項的方法，其特征在于對所述冷軋帶材進行展平。
15.根據(jù)權(quán)利要求9-14中之一項的方法，其特征在于冷軋以30-75％的冷軋壓下量進行。
16.根據(jù)權(quán)利要求9-15中之一項的方法，其特征在于隨后將冷軋成成品部件的板坯由所獲得的相應熱軋帶或冷軋帶制備而成。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其特征在于所實施的冷成形為流動成形。
18.由根據(jù)權(quán)利要求1-8中之一項的鋼或鋼帶或薄鋼板在制備支撐車體部件中的用途。
19.由根據(jù)權(quán)利要求1-8中之一項的鋼或鋼帶或薄鋼板在制備車體外在可視部件中的用途。
20.由根據(jù)權(quán)利要求1-8中之一項的鋼或鋼帶或薄鋼板在制備車輛特別是汽車車輛的車輪中的用途。
21.由根據(jù)權(quán)利要求1-8中之一項的鋼或鋼帶或薄鋼板在制備非磁性部件中的用途。
22.由根據(jù)權(quán)利要求1-8中之一項的鋼或鋼帶或薄鋼板在制備用于低溫工程的部件中的用途。
23.由根據(jù)權(quán)利要求1-8中之一項的鋼或鋼帶或薄鋼板在制備內(nèi)部或外部液壓成形的部件中的用途。
24.由根據(jù)權(quán)利要求1-7中之一項的鋼或鋼帶或薄鋼板在制備尤其用于制造高強度發(fā)動機部件如凸輪軸或活塞桿的管件中的用途。
25.由根據(jù)權(quán)利要求1-8中之一項的鋼或鋼帶或薄鋼板在制備用來阻擋脈沖應力如爆炸的部件如裝甲板中的用途。
26.由根據(jù)權(quán)利要求1-8中之一項的鋼或鋼帶或薄鋼板在制備用于保護人身不受脈沖應力如爆炸傷害的保護性部件如頭盔和身體鎧甲中的用途。
27.由根據(jù)權(quán)利要求1-8中之一項的鋼或鋼帶或薄鋼板在通過流動成形制備部件中的用途。
28.由根據(jù)權(quán)利要求1-8中之一項的鋼或鋼帶或薄鋼板在制備齒輪部件中的用途。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的用途，其特征在于所述齒輪部件帶有齒。
30.根據(jù)權(quán)利要求28或29的用途，其特征在于所述齒輪部件通過流動成形制備而成。
全文摘要
介紹了一種具有良好冷成形性和高強度、由一種輕質(zhì)鋼構(gòu)成的鋼帶或薄鋼板，該輕質(zhì)鋼具有下述組成(以重量百分數(shù)計)C≤1.00％，Mn7.00－30.00％，Al1.00－10.00％，Si>2.50－8.00％，Al+Si>3.50－12.00％，B>0.00－<0.01％，以及，任選地，Ni<8.00％，Cu<3.00％，N<0.60％，Nb<0.30％，Ti<0.30％，V<0.30％，P<0.01％，余者為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
文檔編號C21D9/46GK1463297SQ02801892
公開日2003年12月24日 申請日期2002年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月13日
發(fā)明者H·霍夫曼, B·恩格爾, M·曼恩, T·赫勒, W·齊默曼 申請人:蒂森克魯伯鋼鐵股份公司