1500MPa级酸洗热成形钢开发_孔加维.pdf

总第 328 期2023 年第 4 期HEBEI METALLUGYTotal No 3282023，Number 41 500 MPa 级酸洗热成形钢开发孔加维，苏振军，马子洋，曹晓恩，杨建宽(河钢集团邯钢公司 技术中心，河北 邯郸 056000)摘要:汽车轻量化已经成为汽车行业新的发展趋势，而轻量化的最重要途径之一是采用高强或超高强度钢，从而在不降低碰撞安全性时大幅降低汽车重量。高强钢在冷成形过程中易存在开裂、回弹大等问题，热成形技术可将高温成形与淬火强化相结合，有效解决强度与成形性两者间的矛盾。本文以此为思路，采用 C Mn Cr Nb Ti 复合微合金成分设计，结合 TMCP 控轧控冷工艺，成功开发了 1 8 8 0 mm厚度规格 1 500 MPa 级酸洗热成形钢。经检测，热成形前基板显微组织为铁素体、珠光体，屈服强度350 480 MPa，抗拉强度490 630 MPa，断后延伸率16%27%;热冲压成形后显微组织近乎全部为板条马氏体，屈服强度 1 000 1 200 MPa，抗拉强度1 500 MPa，断后延伸率5%。将该热成型钢板应用于汽车零件 B 柱，冲压过程中钢板成形性良好，无开裂起皱等缺陷，完全满足客户的使用要求。关键词:热成形钢;TMCP;微合金;马氏体;屈服强度;抗拉强度;断后延伸率中图分类号:TF762文献标志码:A文章编号:1006 5008(2023)04 0022 04doidoi:10 13630/j cnki 13 1172 2023 0405DEVELOPMENT OFDEVELOPMENT OF1 5001 500 MPa GMPa G ADE PICKLED HOT STAMPING STEELADE PICKLED HOT STAMPING STEELKong Jiawei，Su Zhenjun，Ma Ziyang，Cao Xiaoen，Yang Jiankuan(Technical Center of HBIS Group Hansteel Company，Handan 056000，Hebei)AbstractAbstract:Automotive lightweight has become a new development trend in the automotive industry，and one ofthe most important ways to lightweight is to use high strength or ultra high strength steel，to significantlyreduce the weight of the vehicle without reducing the crash safety High strength steel is prone to crackingand rebound in the cold forming process，and hot forming technology can combine high temperature form-ing with quenching strengthening to effectively solve the contradiction between strength and formabilityBased on this idea，this paper successfully developed 1 8 8 0 mm thickness 1 500 MPa grade pickled hotstamping steel by using C Mn Cr Nb Ti composite micro alloy composition design and TMCP con-trolled rolling and cooling process After testing，the microstructure of the substrate before hot forming wasferrite and pearlite，the yield strength was 350 480 MPa，the tensile strength was 490 630 MPa，and theelongation after breaking was 16%27%;After hot stamping，the microstructure is almost all slatted mar-tensite，the yield strength is 1 000 1 200 MPa，the tensile strength is 1 500 MPa，and the elongation afterbreaking is 5%The hot stamped steel plate is applied to the B pillar of automobile parts，and the steelplate has good formability during the stamping process，without cracking and wrinkling and other defects，which fully meets the requirements of customersKey wordsKey words:hot stamping steel;TMCP;microalloys;Martensite;yield strength;tensile strength;elongationafter break收稿日期:2022 12 27作者简介:孔加维(1991 )，男，硕士，工程师，2018 年毕业于北京科技大学冶金工程专业，现在河钢集团邯钢公司技术中心主要从事产品研发，E mail:kongjiawei hbisco com通讯作者:苏振军(1980 )，男，高级工程师，主要从事汽车家电板产品研发及工艺研究，E mail:suzhenjun hbisco com0引言随着汽车行业的快速发展，实现轻量化已经成为新的潮流，而轻量化的最重要途径之一是采用高强或超高强度钢，从而在不降低碰撞安全性时大幅降低汽车重量1。高强钢在冷成形过程中存在开22河北冶金2023 年第 4 期裂、回弹大等问题，热成形技术应运而生，其将高温成形与淬火强化相结合，可有效解决强度与成形性的矛盾2，3。目前，热成形技术广泛应用于汽车工业，尤其是汽车上的重要安全结构件，如保险杠、A/B柱、防撞梁等，热成形钢是白车身上应用强度最高的材料之一。随着全球对汽车碰撞安全的要求越来越高，热成形零件在车身上的作用越来越大，占比越来越高，最高应用比例将达到 35%以上4。本文结合邯钢产线特点，成功开发了 1 8 8 0 mm厚度规格 1 500 MPa 级酸洗热成形钢，产品各项性能指标均满足技术要求和客户使用要求。1研发设计1 1生产工艺路线1 500 MPa 级酸洗热成形钢采用的生产工艺路线为:铁水预处理 转炉冶炼 LF 精炼 板坯连铸 板坯加热 预除鳞 粗连轧(四辊可逆轧机1/2)精连轧(四辊轧机 F1 F7)层流冷却 卷取 开卷 酸洗 卷取 成品。1 2成分设计热成形钢的设计化学成分如表 1 所示。(1)化学元素 C。C 是热成形钢中重要的元素且较廉价，可与微合金元素结合起到析出强化的作用，但碳含量过高会恶化焊接性能，因此碳含量设计应兼 顾 钢 板 的 各 项 力 学 性 能，一 般 控 制 碳 含量0 25%。(2)化学元素 Mn。Mn 可显著增加淬透性，但锰含量过高会导致中心偏析，形成严重带状组织，恶化钢板性能5。(3)化学元素 Cr。Cr 可显著增加淬透性，同时可大幅提高热成形过程中抗高温氧化性能，含量高易导致合金成本高。(4)化学元素 Ni、Ti。微合金元素 Ni 在控制轧制过程中抑制奥氏体再结晶，可细化原奥氏体晶粒6;Ti 的碳氮化合物析出强化可显著提高热成形钢强度7。(5)化学元素 P、S。P、S 的存在均会降低材料加工和使用性能，是钢中有害元素，为降低其不利影响，生产中应最大限度脱磷、脱硫，严格控制其含量。(6)化学元素 B。微量的 B 会在奥氏体晶粒边界处发生偏析，从而延缓铁素体和贝氏体形核速度，提高淬透性，大大提升钢的强度;但 B 含量过高容易产生偏析，形成碳硼化合物，恶化钢的韧性8。表 1热成形钢化学成分(质量分数)Tab 1Chemical composition of hot stamping steelwt%元素CSiMnPSAlsCrNbTiB含量021 023011 1 1 30 018001002 0040 1 0 30015 0045 002 0040002 0 0051 3冶炼工艺设计铁水预处理:钢中硫对热成形钢韧性有较大影响，而铁水预处理是主要的脱硫工序。采用 CaO Mg 复合喷吹处理工艺进行深脱硫处理，并深度扒渣，尽可能降低入转炉铁水硫含量，控制硫含量0 006%，确保进入转炉前铁水硫含量处于较低水平，脱硫后温度控制在 1 310 1 360。转炉冶炼:钢中磷严重影响热成形钢的焊接性能、韧性等，转炉是主要的脱磷工序。因此，冶炼前期快速造渣，并采用双渣法冶炼工艺强化脱磷，防止出钢 过 程 中 下 渣 回 磷，确 保 出 钢 终 点 磷 含 量0 018%，终点碳含量0 20%，转炉终点温度控制在 1 570 1 600。LF 精炼:精炼采用微正压操作，精炼时间45 min，充分脱硫，确保硫含量0 01%，加入合金进行成分微调，确保铌、钛等合金元素及基本元素符合要求。板坯连铸:内部质量是连铸坯的重要指标，因此采用低温浇铸、电磁搅拌及轻压下技术减少铸坯中心偏析、疏松等缺陷9;为防止连铸过程中钢水二次氧化，全程保护浇注。1 4轧制工艺设计1 4 1加热工艺加热的目的是提高塑性，满足金属压力加工的要求。研究表明10，加热温度过高，易造成原始奥氏体晶粒粗化，相变后铁素体晶粒粗大，不利于钢的韧性;加热温度过低，Nb、Ti 的碳氮化合物得不到充分回溶，存在部分未溶微合金碳氮化物，无法起到抑制奥氏体再结晶的作用。综合考虑 Nb、Ti 等微合金元素的充分固溶及防止奥氏体晶粒异常长大，应控制 均 热 温 度 为 1 180 1 220，在 炉 时间180 min。1 4 2控轧 控冷工艺文献表明11，奥氏体再结晶区终轧后所得到的铁素体晶粒有一个尺寸限度，最小仅 8 9 级。为细化铁素体晶粒，采用“奥氏体再结晶区+奥氏体未再结晶区”的 TMCP 工艺，粗轧保证在奥氏体再结晶区轧制，精轧保证在奥氏体再结晶区+奥氏体未32总第 328 期HEBEI METALLUGY再结晶区轧制。在奥氏体再结晶区进行多道次大变形轧制，粗轧采用 3+5 道次进行轧制，累计压下率80%，粗轧入口温度1 100 1 150;精轧轧制道次较多，为避免末道次进入两相区轧制，精轧入口温度为 1 010 1 060，终轧温度 870 890。控制冷却利用细晶强化、相变强化等方式，能在不降低材料韧性的前提下进一步提高材料的强度。为了强化轧制效果，轧后采用前段集中快速冷却，冷却速率30 /s，卷取温度 650 670。具体控轧 控冷工艺参数见表 2。表 2控轧 控冷工艺参数Tab 2Controlled rolling controlled cooling process parameters粗轧入口温度/精轧入口温度/终轧温度/卷取温度/冷却速率/(s1)1 100 1 1501 010 1 060870 890650 67030采用上述 TMCP 工艺，在奥氏体未再结晶区进行大变形多道次轧制，奥氏体晶粒沿轧制方向伸长，晶界面积扩大，在晶粒内部形成大量变形带，奥氏体相变后可获得晶粒细小的铁素体，铁素体晶粒平均截距 5 8 m，显微晶粒度级别 10 5 11 0。1 5热冲压工艺设计热冲压工艺是热冲压技术之中至关重要的环节。当加热温度低时，板料不能完全奥氏体化，导致热成形件组织出现铁素体或贝氏体，影响热成形件机械性能;加热温度过高，奥氏体晶粒异常长大，影响冲压件塑形12。综合考虑，加热温度 900 950，加热时间 5 8 min。加热后的奥氏体化板料迅速转移至冲压模具中进行热冲压成形，转移时间 10 15 s。为了控制冷却速度和模具温度以快速获得全马氏体组织，冲压后需保压 20 30 s。研究表明13，热冲压工艺中，实现奥氏体向马氏体转变的最小 冷 却 速 度 为27 /s。保压结束在闭合模具中快冷，冷却速度32 /s，得到以马氏体组织为主的零件。热冲压工艺参数见表 3。表 3热冲压工艺参数Tab 3Hot stamping process parameters加热温度/加热时间/min转移时间/s保压时间/s冷却速度/(s1)900 9505 810 1520 30322性能组织分析2 1力学性能热成形前基板常规力学性能检验包括屈服强度、抗 拉 强 度、断 后 延 伸 率、冷 弯 试 验，按 照Q/HG 088 2019的要求，对基板进行力学性能检验，结果见表 4。可以发现，屈服强度达到 400 MPa以上，抗拉强度高于 500 MPa，断后延伸率高于15%，满足力学性能标准要求。表 4热成形前基板力学性能Tab 4Mechanical properties of substrate before hot forming指标厚度/mmeL/MPam/MPaA/%冷弯试验标准320 630480 80015合格实绩20425582186合格热冲压后热成形钢力学性能见表 5。屈服强度达到 1 100 MPa 以上，抗拉强度高于 1 500 MPa，断后延伸率高于 5%，产品具有强度高、成形能力强等优点，满足力学性能标准要求。表 5热成形钢力学性能Tab5Mechanical properties of hot stamping steel指标厚度/mmel/MPam/MPaA/%标准1 000 1 3001 500 1 80050实绩201 1801 542852 2显微组织图 1 为 2 0 mm 热成形前基板 0/4 处、1/4 处、1/2 处的显微组织，图 2 为 2 0 mm 热成形钢 0/4处、1/4 处、1/2 处显微组织。热成形前基板显微组织由铁素体、珠光体组成，全厚度截面上组织均匀，晶粒尺寸细小，1/2 处显微组织存在轻微带状组织;热成形钢显微组织为板条马氏体组织及少量贝氏体，且马氏体板条上弥散分布着非常细小的碳化物，为材料高强度提供了充分条件。3生产试用酸洗热成形钢基板在某客户处纵切落料后进行热冲压，板料在加热炉加热至完全奥氏体化，加热温度 932，加热时间 6 min，加热后的奥氏体化板料迅速转移至冲压模具中进行热冲压成形，转移时间12 s，冲压后保压25 s，然后在闭合模具中快冷，冷却42河北冶金2023 年第 4 期速度 35 /s。热冲压工艺参数见表 6。图 1热成形前基板厚度截面显微组织Fig1Microstructure of substrate thickness section before hot forming图 2热成形钢厚度截面显微组织Fig2Microstructure of thickness section of hot stamping steel表 6热冲压工艺参数Tab 6Hot stamping process parameters加热温度/加热时间/min转移时间/s保压时间/s冷却速度/(s1)9326122535将该热成形钢用于冲压某车型汽车零件 B 柱，共计冲压 100 件，发现成形性良好，无开裂、起皱等缺陷，满足客户的使用要求，如图 3 所示。图 3B 柱零件Fig3B pillar parts4结语采用 C Mn Cr Nb Ti 复合微合金成分设计，结合 TMCP 控轧控冷工艺，成功开发了 1 8 8 0 mm厚度规格 1 500 MPa 级酸洗热成形钢。热成形前基板显微组织为铁素体、珠光体，晶粒尺寸均匀细小;热冲压成形后显微组织为板条马氏体，且马氏体板条上弥散分布着非常细小的碳化物。同时各项性能指标均满足标准要求，满足了汽车加强件、安全结构件等领域的使用要求，得到了用户的高度认可。参考文献 1艾兵权，候明山，李兴华，等 1 200 MPa 级双相钢电阻点焊接头失效原因 J 河北冶金，2022(1):64 68 2 孙岩，安治国，孙晓冉，等 22MnB5 高温热塑性研究J 河北冶金，2021(11):38 41+79 3张彩东，熊自柳，齐建军，等 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