一種有利于優(yōu)化殘余奧氏體的抗沖撞熱成形馬氏體鋼的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種有利于優(yōu)化殘余奧氏體的抗沖撞熱成形馬氏體鋼，其特征是，其主要化學(xué)成分按重量百分比是：C 0.1~0.35，Mn 1.5~3.5，Al 1.0~2.5，Si 0.5~1.25，Cu 0.2~0.8，Cr 0.3~0.7，Nb 0.01~0.05，Zr 0.005~0.02，B 0.001~0.005，Ti 0.005~0.01，Mo 0.02~0.08，RE 0.001~0.005，N ≤0.004，P ≤0.01，S ≤0.005，余量為Fe，其中(Al+Si)≥2.0并且Si/Al≤0.5。本發(fā)明的熱成形馬氏體鋼材料，適用于通過傳統(tǒng)熱成形工藝即可提升殘余奧氏體含量、優(yōu)化殘余奧氏體形態(tài)與分布。
【專利說明】
一種有利于優(yōu)化殘余奧氏體的抗沖撞熱成形馬氏體鋼
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及合金鋼技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種有利于優(yōu)化殘余奧氏體的抗沖撞熱成 形馬氏體鋼。
【背景技術(shù)】
[0002] 為應(yīng)對當(dāng)前日益突出的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題，對交通運(yùn)輸工具的輕量化提出 更高要求。在降低車輛自身重量的同時，安全性和可靠性的提升成為實現(xiàn)車輛輕量化的主 要目標(biāo)。高強(qiáng)度或超高強(qiáng)度鋼的廣泛使用是車輛輕量化的重要且有效途徑之一。由于高強(qiáng) 度鋼的高剛度、高回彈性、高成形力以及易產(chǎn)生裂紋等特點，熱成形技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過熱 成形技術(shù)解決了高強(qiáng)度鋼成形困難、回彈嚴(yán)重及尺寸精度差等難題，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在 汽車保險杠、防撞桿、A/B/C柱及中通道等防沖撞結(jié)構(gòu)安全部件的制造。然而，這些防沖撞結(jié) 構(gòu)部件多以低碳馬氏體組織為主，在提高強(qiáng)度的同時，塑性顯著降低，強(qiáng)度有余而塑性不 足，如目前廣泛使用的硼合金鋼22MnB5,其抗拉強(qiáng)度達(dá)1500MPa以上，屈服強(qiáng)度高達(dá) 1200MPa，但其延伸率僅為6 %左右，對應(yīng)的強(qiáng)塑積僅為9000MPa %左右，因此車輛受到強(qiáng)烈 沖擊時，能量吸收能力欠佳，容易產(chǎn)生變形或開裂，造成車輛安全性降低。現(xiàn)有熱成形鋼較 低的強(qiáng)塑積指標(biāo)限制了熱成形車輛零部件的應(yīng)用范圍，因此，提高塑性，改善強(qiáng)塑積是熱成 形馬氏體鋼的亟需解決的主要問題之一。
[0003] 針對提升熱成形馬氏體鋼韌性及強(qiáng)塑積的問題，主要存在以下措施或方法:①熱 成形后回火處理:通過回火方法，以消除熱成形鋼在快速冷卻過程中的內(nèi)應(yīng)力和軟化馬氏 體組織，改善其塑韌性(專利CN102296242A);②微合金化方法:通過添加 Nb、V等微合金，形 成細(xì)小的鈮、釩的碳或氮化物，降低成形前奧氏體化過程中晶粒長大，細(xì)化晶粒，提高其塑 韌性(CN101270453A、CN103320702A);③形成復(fù)相組織:通過控制AUMn元素，形成鐵素體+ 馬氏體雙相組織以提高塑韌性(CN102286689A)。此外，最近一些研究者提出在熱成形馬氏 體組織中分布?xì)堄鄪W氏體有利于提高塑韌性，認(rèn)為鋼中殘余奧氏體的存在有利于提高沖擊 過程中的塑性變形能力，延遲起裂，提高起裂功，有利于獲得優(yōu)異的抗沖擊性能，該方法工 藝簡單、成本低廉(謝振家等，低合金多相鋼中殘余奧氏體對塑性和韌性的影響，金屬學(xué)報， 2016,52(2):224-232)。很顯然，形成殘余奧氏體組織以提高熱成形馬氏體鋼塑性是目前最 具有發(fā)展?jié)摿Φ姆椒ㄖ唬欢?，如何控制殘余奧氏體含量、分布、形態(tài)是提高熱成形馬氏 體鋼塑性及強(qiáng)塑積的關(guān)鍵技術(shù)。
[0004] 有研究者采用淬火-碳配分處理(Q&P)，通過淬火后等溫工序，碳原子由過飽和馬 氏體配分至殘余奧氏體，使軟相奧氏體富碳進(jìn)而穩(wěn)定至室溫，形成板條馬氏體與薄膜狀殘 余奧氏體雙相組織，從而達(dá)到改善高強(qiáng)熱成形鋼的韌性及強(qiáng)塑積指標(biāo)的目的，然而該工藝 的配分過程必須借助一個獨(dú)立的等溫工序才能完成，從而增加工序，且無法在常規(guī)的熱沖 壓生產(chǎn)設(shè)備上實現(xiàn)(王成林等，一種可適用于Q&P處理的熱成形鋼的組織與力學(xué)性能，金屬 熱處理，2015,40(11):1-5)。
[0005] 專利CN102766818A公開了一種熱成形馬氏體鋼，其化學(xué)成分(wt%)為：C 0.15- 0·3、Μη 0.3-0.5、Cr 0·5-1、Μ〇 0.2-0.6、Si 0·2-1·5、Α1 0·02-1·0、Β 0.002-0.004、Ti 0.02-0.05、S〈0.01、Ρ〈0.0 l5，經(jīng)熱成形后殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)為9~12wt %，表現(xiàn)出良好 抗沖擊性能。然而該鋼種的馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度較高(>350°C)、且冷速必須控制在<40°C/s 范圍內(nèi)，目前僅局限于實驗室制備，生產(chǎn)操作困難，極大限制了其工業(yè)化生產(chǎn)。
[0006] 專利CN101275200A、CN101270449A、CN101270453A分別公開了含碳量C 0· Ιο · 33wt% 、0 · 26~0.45wt% 、0.4~0.6wt% 的低 、中、高碳熱成形馬氏體鋼，通過提高Si 、Ni 含量，并結(jié)合淬火相變前的緩冷工藝，使組織中存在5~20wt %的殘余奧氏體，從而提高強(qiáng) 塑積指標(biāo)。然而這些鋼種Si含量較高，在鋼板熱乳時，表面將形成非常穩(wěn)定的Mn2SiO 4等氧化 物，這些氧化皮易乳入鋼板表面，并很難通過酸洗清除，從而惡化熱成形鋼板表面鍍覆性 能，降低鍍層質(zhì)量，導(dǎo)致熱成形時表面易產(chǎn)生氧化皮等缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種有利于優(yōu)化殘余奧氏體的 抗沖撞熱成形馬氏體鋼，在傳統(tǒng)熱成形工藝下，優(yōu)化殘余奧氏體的分布、含量及形態(tài)，提升 熱成形馬氏體鋼塑性和強(qiáng)塑積指標(biāo)。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種有利于優(yōu)化殘余奧氏體的抗沖撞熱成形 馬氏體鋼，其特征是，其主要化學(xué)成分按重量百分比是:(：0.1~0.35，1111.5~3.5,411.0 ~2.5，Si 0.5~1.25，Cu 0.2~0.8，Cr 0.3~0.7，Nb 0.01~0.05，Zr 0.005~0·02，Β 0.001~0.005，Ti 0.005~0.01，Mo0.02~0.08，RE0.001~0.005，N<0.004，P<0.01，S 彡0.005，余量為?6及不可避免的雜質(zhì)，其中以1+31)彡2.0并且31/^1彡0.5。
[0009] 本發(fā)明中元素作用及配比依據(jù)如下：
[0010]碳(c):固溶強(qiáng)化及奧氏體穩(wěn)定化元素，其含量對馬氏體鋼的強(qiáng)度起決定作用，能 夠影響殘余奧氏體含量及淬透性，另外在熱成形工藝下，C與Mn共同配分到殘余奧氏體中， 提高應(yīng)變誘發(fā)馬氏體能力，改善塑韌性，為使熱成形馬氏體鋼的抗拉強(qiáng)度范圍在1550~ 1750MPa，延伸率在15~20 %，C含量控制在O · 1~O · 35wt %。
[0011] 錳(Μη):提高合金鋼強(qiáng)度、改善韌性的重要合金元素，Mn與S易形成MnS，消除熱脆 性，提高鋼的熱加工性能，Mn在奧氏體中無限固溶，使奧氏體穩(wěn)定性提高，擴(kuò)大奧氏體相區(qū)， 提高淬透性，此外Mn可降低Ms(馬氏體的參數(shù)）點，故可保證在合適的冷卻速度下得到馬氏 體。此外，在熱成形工藝下，Mn與C能夠共同配分到殘余奧氏體中，且富Mn的殘余奧氏體尺寸 更小，能夠有效提高奧氏體含量，改善塑韌性。Mn含量低于1.5wt %時以上效果不明顯，當(dāng)含 量大于3.5wt%時韌性顯著降低，因此，Mn含量控制在1.5~3.5wt%。
[0012] 鋁(Al) :A1能夠有效抑制滲碳體形成，促進(jìn)碳原子向殘余奧氏體內(nèi)富集，使殘余奧 氏體穩(wěn)定至室溫，且對后面變形時的應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變均能發(fā)揮重要作用，提高塑性，而 且含Al的熱成形馬氏體鋼具有良好的涂鍍效果，此外，Al能夠有效脫氧和細(xì)化晶粒。當(dāng)Al含 量低于l.Owt%時以上作用不明顯，高于2.5wt%時形成粗大的氧化鋁夾雜物，惡化韌性。因 此，Al含量控制在1.0~2.5wt %。
[0013] 硅（Si):抑制碳化物析出，保證組織中存在一定量的殘余奧氏體，提高鋼的延伸 率、降低屈強(qiáng)比，并提高淬透性，為提高塑性，其含量應(yīng)大于〇.5wt%，然而Si含量提高會引 起熱加工時脆性增加，且Si能夠降低熱成形鋼的涂覆層質(zhì)量，要求Si含量不應(yīng)大于 1.25￥七％。因此，51含量控制在0.5~1.25￥七％。
[0014]銅(Cu) :Cu是奧氏體穩(wěn)定化元素，能擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，有助于獲得更多的殘余奧氏 體，同時Cu也是析出強(qiáng)化元素，強(qiáng)化基體，且能夠在殘余奧氏體中富集來保證殘余奧氏體的 穩(wěn)定性，但Cu含量過多會導(dǎo)致鋼材表面出現(xiàn)裂紋的風(fēng)險且對熱加工有害。因而，Cu含量控制 在0.2 ~0.8wt%。
[0015]鉻(Cr):能夠降低相變驅(qū)動力以及碳化物的形核長大，顯著提高鋼的淬透性，此外 也能夠改善熱加工時抗氧化性，但含量較多時會降低韌性和塑性。因此，本發(fā)明Cr應(yīng)控制在 0 · 3~0 · 7wt% 〇
[0016] 鈮(Nb):碳氮化物形成元素，起到細(xì)化奧氏體晶粒的作用，有利于淬火后馬氏體板 條尺寸細(xì)化，顯著提高鋼的強(qiáng)度，也能夠有效降低氫致延遲斷裂敏感性。Nb含量低于 0.0 lwt %時上述作用不明顯，且其價格昂貴，因此，Nb含量控制在0.01~0.05wt %。
[0017] 鋯(Zr) :Zr在鋼中能夠使夾雜物呈球形、彌散分布，改善夾雜物形態(tài)和分布，有利 于改善鋼的塑韌性，Zr是強(qiáng)碳氮化物形成元素，溶解溫度較高，因此在高溫下能夠有效阻止 熱乳晶粒和奧氏體晶粒長大，也能夠抑制奧氏體相變，在室溫下可獲得較多的殘余奧氏體， 此外，有利于淬火后馬氏體板條尺寸細(xì)化，也能夠有效降低氫致延遲斷裂敏感性。Zr含量低 于0.005wt %時上述作用不明顯，且其價格昂貴，因此，Zr含量控制在0.005~0.02wt %。 [0018]而且MnS依附于含Zr化合物成核和長大，此外，Nb與Zr具有類似作用，形成碳氮化 物能夠細(xì)化熱乳晶粒和原奧氏體晶粒，強(qiáng)化基體，同時細(xì)小尺寸的碳氮化物能夠代替造成 裂紋起始點的碳氮化鈦粒子，為防止硼與溶解的Nb相結(jié)合，應(yīng)消除或減少Ti元素含量。 [0019]硼(B):是熱成形馬氏體鋼中常見元素，主要通過偏聚在奧氏體晶界發(fā)揮作用，是 顯著提高淬透性元素，其含量低于〇. 〇〇 Iwt %和高于0.005wt %時效果不明顯。因此，B含量 控制在0.001 ~0.005wt %。
[0020] 鈦(Ti):主要作用為固定鋼中的N元素，此外，以細(xì)小的碳化物形式存在時，能夠細(xì) 化晶粒，降低氫致延遲斷裂敏感性，但過量的Ti會奪取馬氏體中的C，降低馬氏體的強(qiáng)度。因 此，Ti含量應(yīng)控制在0·005~0·Olwt%。
[0021] 鉬(Mo):能夠提高淬透性，且有助于固溶強(qiáng)化和提高淬硬性。然而，當(dāng)含量大于 O.OSwt%時，容易在奧氏體化后形成貝氏體組織，這些組織對冷卻速率的變化非常敏感。因 此，Mo含量應(yīng)控制在0.02~0.08wt %。
[0022]混合稀土 (RE):熔煉時去除夾雜、減小偏析、細(xì)化晶粒等作用，但價格昂貴，其含量 控制在0.001 ~0.005wt %。
[0023]氮(N):能夠與鈦結(jié)合形成TiN，有利于強(qiáng)化基體，但當(dāng)N含量大于0.004wt %時，在 高溫下形成粗大氮化物，嚴(yán)重?fù)p害鋼的塑性和韌性，此外，N還與其它微合金化元素反應(yīng)，增 加微合金化元素含量，增加成本。因此，N含量控制在0.004wt %以下。
[0024] 磷(P):有害元素，容易引起鑄坯成分偏析，在熱加工過程中易偏聚的晶界，使鋼制 品脆性增大。因此，P含量應(yīng)控制在〇. Olwt %以下。
[0025] 硫(S):有害元素，容易形成MnS夾雜物和在晶界偏析，從而降低鋼制品的塑韌性。 因此，S含量應(yīng)控制在0.005wt %以下。
[0026] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所達(dá)到的有益效果是：
[0027] 1)本發(fā)明的熱成形馬氏體鋼材料，適用于通過傳統(tǒng)熱成形工藝即可提升殘余奧氏 體含量、優(yōu)化殘余奧氏體形態(tài)與分布。
[0028] 2)本發(fā)明熱成形馬氏體鋼材料可采用傳統(tǒng)的冶煉和熱成形工藝制備，不需要改變 工藝技術(shù)或參數(shù)，工藝流程簡單、操作可行，節(jié)約成本。
[0029] 3)與現(xiàn)有熱成形馬氏體鋼材料相比，利用本發(fā)明的板材或坯件制備的部件抗拉強(qiáng) 度Rm大于1550MPa，屈服強(qiáng)度RPO. 2大于lOOOMPa，屈強(qiáng)比不大于0.7，延伸率A大于16%，強(qiáng)塑 性大于26000MPa%。因此，本發(fā)明的板材或坯件制備的部件應(yīng)用在車輛的結(jié)構(gòu)件和安全件， 不僅能夠減輕車身重量，而且能夠防止沖撞造成的變形，吸收能量和沖擊力，不至于發(fā)生斷 裂，有效提升車輛內(nèi)駕乘人員的安全。
【具體實施方式】
[0030] 以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0031] 本發(fā)明的一種有利于優(yōu)化殘余奧氏體的抗沖撞熱成形馬氏體鋼，其主要化學(xué)成分 按重量百分比是：C 0.1 ~0·35，Μη 1.5~3·5，Α1 1.0~2.5，Si 0.5~1.25，Cu 0.2~0.8， Cr0.3~0.7，Nb0.01~0.05，Zr 0.005~0.02，B0.001~0.005，Ti 0.005~0.01，Mo 0.02~0.08，RE 0.001~0.005，N彡0.004，P彡0.01，S彡0.005,余量為Fe及不可避免的雜 質(zhì)，其中Al與Si的重量百分比之和大于等于2.0并且Si與Al的重量百分比之比小于等于 0.5〇
[0032]本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0033] (I)Zr微合金化。一方面，Zr能夠改善夾雜物形態(tài)和分布，使夾雜物呈球形、彌散分 布，而且MnS依附于含Zr化合物成核和長大，從而有利于改善鋼的塑韌性，另一方面，Zr是強(qiáng) 碳氮化物形成元素，溶解溫度較高，在高溫下能夠有效阻止熱乳晶粒和奧氏體晶粒長大，也 能夠抑制奧氏體相變，在室溫下可獲得較多的殘余奧氏體，此外，有利于淬火后馬氏體板條 尺寸細(xì)化，也能夠有效降低氫致延遲斷裂敏感性，同時細(xì)小尺寸的碳氮化鋯能夠代替造成 裂紋起始點的碳氮化鈦粒子，有效緩解裂紋擴(kuò)展、增加裂紋擴(kuò)展功。
[0034] (2)以Al代替Si13Al與Si在奧氏體相變過程中具有相同的機(jī)制，能夠有效抑制滲碳 體形成，促進(jìn)碳原子向殘余奧氏體內(nèi)富集，使殘余奧氏體穩(wěn)定至室溫，其對后面變形時的應(yīng) 變誘導(dǎo)馬氏體相變均能發(fā)揮重要作用，提高塑性，而且Al替代Si的熱成形馬氏體鋼具有良 好的涂鍍效果。
[0035] (3)Cu合金化。通過熱成形及相應(yīng)熱處理控制，Cu在鐵素體基體中主要以B2結(jié)構(gòu)的 析出相形式存在，這種B2結(jié)構(gòu)析出相提高了析出相的密度，強(qiáng)化基體，且能夠在殘余奧氏體 中富集來保證殘余奧氏體的穩(wěn)定性。
[0036] (4)Mn與C元素共同配分?；趧討B(tài)Mn與C元素共同配分原理，在不改變熱成形工藝 的前提下，室溫下殘余奧氏體由富Mn的殘余奧氏體和經(jīng)C配分作用穩(wěn)定的殘余奧氏體共同 組成，富Mn的殘余奧氏體尺寸更小，且Mn元素含量較高，從而使高強(qiáng)度熱成形馬氏體鋼具有 更優(yōu)異的塑性。
[0037] (5)殘余奧氏體分布、形態(tài)控制。通過熱成形及相應(yīng)熱處理控制，殘余奧氏體以薄 膜狀分布于奧氏體晶界、板條束間，有利于促使加工硬化維持在較高水平，均勻延伸率提 高，且在沖擊應(yīng)力作用下，薄膜狀殘余奧氏體有利于位錯更容易塞積，且其發(fā)生馬氏體相 變，新形成的馬氏體硬相顆粒可以提供更多的第二相界面，從而有利于提高沖擊過程中的 裂紋擴(kuò)展功。
[0038] 實施例
[0039]根據(jù)本發(fā)明設(shè)計的化學(xué)成分范圍，在500Kg感應(yīng)電爐上冶煉了6爐鋼水，并連鑄成 坯，將鑄坯進(jìn)行熱粗乳、精乳，再進(jìn)行酸洗并冷乳，加工成厚度約為2mm薄板，然后將薄板加 熱到900~950°C保溫5分鐘進(jìn)行奧氏體化，快速取出置于可控溫的模具下進(jìn)行熱成形工藝 處理，獲得一種U形零件，總共生成6個實施例鋼體。將此6個實施例和兩個對比例的成分(如 表1)和性能（如表2)相比較，兩個對比例分別為發(fā)明專利CN101275200A、CN102766818A公開 的馬氏體鋼，其具體化學(xué)成分如表1所示，對熱成形工藝處理后的零件進(jìn)行取樣，按國標(biāo)進(jìn) 行拉伸力學(xué)性能測試，其結(jié)果如表2所示?？梢姡景l(fā)明鋼制備的零件抗拉強(qiáng)度在1550~ 1750MPa范圍，屈服強(qiáng)度在1000~1200MPa范圍，延伸率在15~20%范圍，強(qiáng)塑積在26000~ 34000MP%范圍內(nèi)。并對熱成形工藝處理后的零件顯微組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，具體組織分析結(jié) 果如表2所示。從表2可看出本發(fā)明鋼制備的零件組織以板條馬氏體為主，在馬氏體條邊界 和原奧氏體晶界存在薄膜狀殘余奧氏體，其含量約為9~15wt%。，可看出本發(fā)明鋼制品的 沖撞防變形和防斷裂性能顯著優(yōu)于對比例中的鋼。
[0040]表1本發(fā)明實施例和對比例的化學(xué)成分(單位;wt % )

[0045]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種有利于優(yōu)化殘余奧氏體的抗沖撞熱成形馬氏體鋼，其特征是，其主要化學(xué)成分 按重量百分比是:C 0.1~0·35，Μη 1.5~3·5，Α1 1.0~2.5，Si 0.5~1.25，Cu 0.2~0.8，Cr 0.3 ~0.7,Nb 0.01-0.05,Zr 0.005-0.02,B 0.001-0.005,Ti 0.005-0.01,Mo 0.02-0.08,RE 0.001~0.005，N 彡0.004，P 彡0.01，S 彡0.005,余量包括Fe，其中（Al+Si)彡2.0并且Si/ A1^0.5〇
【文檔編號】C22C38/12GK106086655SQ201610691356
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月17日 公開號201610691356.3, CN 106086655 A, CN 106086655A, CN 201610691356, CN-A-106086655, CN106086655 A, CN106086655A, CN201610691356, CN201610691356.3
【發(fā)明人】王章忠, 毛向陽, 張保森, 巴志新, 巨佳
【申請人】南京工程學(xué)院