一种具有优异的强度及延展性的轻质钢板及其制造方法

摘要

本发明提供一种抑制包含奥氏体的钢板进行热处理过程中所发生的脱碳，从而防止因脱碳引起的奥氏体的损失，因此，添加少量的碳和锰也可确保强度和延展性的轻质钢板及其制造方法。

权利要求

1.一种具有优异的强度及延展性的轻质钢板的制造方法，其特征在于，所述轻质钢板的制造方法包括以下步骤：在1000～1200℃的温度下再加热钢锭的步骤，所述钢锭按重量％计，包含0.1～1.2％的C、2～10％的Mn、3～10％的Al、0.1％以下的P、0.01％以下的S，包含选自由5.0％以下的Ni、5.0％以下的Cu、0.01～0.05％的Sb及0.01％以下的B组成的组中的一种以上，余量为Fe及不可避免的杂质，并且下述B*的值满足2～10；上述再加热的钢锭进行热轧后，在700℃以上的温度下进行精热轧的步骤；所述热轧后进行收卷从而制造热轧钢板的步骤；在500～800℃的温度上对所述热轧钢板进行1小时以上的热处理；及所述经过热处理的热轧钢板用40％的冷轧压下率进行冷轧的步骤，B*＝Ni+0.5Cu+100Sb+500B，其中，各成分的值为重量％。

2.如权利要求1所述的具有优异的强度及延展性的轻质钢板的制造方法，其特征在于，在所述热轧过程中，所述钢锭的微细组织是包含5％以上面积分率的奥氏体。

3.如权利要求1所述的具有优异的强度及延展性的轻质钢板的制造方法，其特征在于，所述热轧钢板在大气气氛下、在700℃的温度下维持30分钟时，脱碳层的厚度为10μm以下。

4.如权利要求1所述的具有优异的强度及延展性的轻质钢板的制造方法，其特征在于，所述轻质钢板的制造方法包括，用1～20℃/s的加热速度将所述冷轧钢板从再结晶温度加热到900℃后，维持10～180秒，用1～100℃/s的冷却速度进行冷却的步骤。

5.如权利要求1所述的具有优异的强度及延展性的轻质钢板的制造方法，其特征在于，所述轻质钢板的制造方法包括，冷轧后形成选自Zn、Zn-Fe、Zn-Al、Zn-Mg、Zn-Al-Mg、Al-Si及Al-Mg-Si中的一种涂层的步骤。

说明书

一种具有优异的强度及延展性的轻质钢板及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用作汽车结构部件、内外板等的钢板，详细而言，涉及一种具有优异的强度和延展性的轻质钢板。

背景技术

[0002] 近来，随着新型燃料汽车(例如电动汽车)的问世，电瓶等汽车燃料系统的重量同现有内燃机相比预计会大幅增加，因此，需要开发能显著减少车身重量的轻质材料。

[0003] 虽然考虑使用铝或锰作为轻质材料，但是由于所述铝或锰的强度和延展性低并且费用高，因此，不能避免继续利用钢材。

[0004] 钢材的强度和延展性明显比铝、锰优异，并且成本也非常低。到目前为止，虽然试图通过降低高强度高延展性钢材的厚度来谋求车身的轻质化，但实际上当钢材自身的高比重无法满足汽车所要求的轻质化限度时，钢材中不可避免的使用诸如Al等非铁金属。

[0005] 因此，正在开发主要通过添加轻元素Al来降低比重的钢材。目前已知的制造技术有：超低碳钢中添加2.0～10.0wt％的Al的铁素体钢材的制造技术和超低碳钢中添加8wt％的Al、添加10～30wt％的Mn的奥氏体类钢材的制造技术。

[0006] 但是存在以下问题。上述铁素体钢材含有0.8～1.2wt％的碳，其中包含10～30wt％的锰和8～12wt％的铝的技术(专利文献1)，以及添加0.2wt％以下的碳和2.5～
10wt％的铝，通过抑制析出物和晶体组织来确保钢性，并确保了一定程度的延展性，但是抗张强度降至400MPa，延伸率仅为约25％。

[0007] 为了解决上述问题，开发了包含大量的残余奥氏体，从而引起相变诱发塑性(Transformation Induced Plasticity)，通过抑制铁素体晶体组织，获得没有皱纹状变形，强度和延展性优异的双相(Duplex)轻质钢板(专利文献2)。

[0008] 但是，上述双相轻质钢板，为了热轧板钢进行再加热或为了获得机械特性进行热处理，则双相轻质钢板形成脱碳(Decarbonization)导致碳损失，同时奥氏体也减少，从而降低强度和延展性。

[0009] (专利文献1)日本公开专利特开2006-176843号

[0010] (专利文献2)日本公开专利特开2009-287114号

发明内容

[0011] 要解决的技术问题

[0012] 本发明的一方面，其目的在于提供一种可确保高强度和延展性的轻质钢板及其制造方法，通过抑制对包含奥氏体的钢板进行热处理过程中所发生的脱碳，防止脱碳引起的奥氏体的损失，从而即使当向所述钢板添加少量碳和锰，也可确保所述钢板的高强度和高延展性。

[0013] 技术方案

[0014] 本发明提供一种具有优异的强度和延展性的轻质钢板，其按重量％计，包含0.1～1.2％的C、2～10％的Mn、3～10％的Al、0.1％以下的P以及0.01％以下的S，包含选自由
5.0％以下的Ni、5.0％以下的Cu、0.01～0.05％的Sb及0.01％以下的B组成的组中的一种以上，余量为Fe及不可避免的杂质，并且其中下述B*的值满足2～10，

[0015] B*＝Ni+0.5Cu+100Sb+500B(各成分的值为重量％)。

[0016] 并且，本发明提供一种具有优异强度和延展性的轻质钢板的制造方法，其包括如下步骤：

[0017] 在1000～1200℃下再加热满足上述组成及B*值的钢锭的步骤；

[0018] 所述再加热的钢锭进行热轧后，在700℃以上进行精热轧的步骤；

[0019] 所述热轧后进行收卷从而制造热轧钢板的步骤；及

[0020] 所述热轧钢板用40％以上的冷轧压下率进行冷轧的步骤。

[0021] 有益效果

[0022] 根据本发明，有效地抑制具有包含奥氏体的双相轻质钢板的脱碳，从而添加少量合金元素也能获得充分的剩余奥氏体，并且剩余奥氏体和碳化物分散在铁氧体基体上，以降低材质异方性和提高强度和延展性，其中抗张强度为700MPa以上，延伸率为30％以上，从而不仅可以提供成形性优异的热轧钢板，还可以提供冷轧钢板和镀金钢板，因此，可使得车身非常轻。

附图说明

[0023] 图1为图示双相(Duplex)钢脱碳机理的模式图。

[0024] 图2为图示比较例4中在700℃维持30分后的组织照片和碳浓度分布图表。

[0025] 图3为图示发明例4和比较例4的热轧钢板组织照片。

[0026] 图4为图示发明例4中根据冷轧前热处理的组织变化照片。

[0027] 优选实施方式

[0028] 图1示出了包含奥氏体和铁氧体的双相钢的脱碳机制模式。如图1所述，当铁氧体和奥氏体都包含于钢材组织时，在高温的氧化性气氛中，在铁氧体表面上，碳和氧反应形成CO2或CO。钢表面的铁氧体的碳变得比平衡浓度低，根据浓度梯度，碳扩散到表面，从而持续形成脱碳。但是，作为铁氧体单相，其碳浓度的梯度不大，因此脱碳较少。

[0029] 但是，奥氏体和铁氧体彼此接触时，因奥氏体上存在大量的平衡固溶碳，而铁氧体上存在极少量的平衡固溶碳，导致浓度梯度变得非常大。因此，由于从奥氏体获得充足的碳，脱碳可以持续地进行，导致被铁氧体抢走碳的奥氏体，因碳含量降低而变成铁氧体。因此，可以减少有利于加工性的奥氏体的量。

[0030] 因此，本发明的发明人认识到，通过晶界使碳活跃扩散，从而导出如下抑制脱碳的方法：(1)添加晶界偏析元素来降低碳的晶界扩散速度的方法；(2)利用强烈的氧化元素在晶界上形成氧化物，防止氧渗透过晶界和防止碳(C)扩散。本发明的在晶界上添加所述晶界偏析元素及形成氧化物的方法，没有降低机械性质，可以有效地防止脱碳，由此在不损失奥氏体的情况下，用少量的碳和锰就可以制造强度和延展性优异的低比重轻质钢板。

[0031] 本发明的轻质钢板按重量计，包含0.1～1.2％的C、2～10％的Mn、3～10％的Al、0.1％以下的P、0.01％以下的S，包含选自由5.0％以下的Ni、5.0％以下的Cu、0.01～0.05％的Sb及0.01％以下的B组成的组中的一种以上，余量为Fe及不可避免的杂质，并且下述B*的值满足2～10。

[0032] B*＝Ni+0.5Cu+100Sb+500B(各成分的值为重量％)

[0033] 以下，对本发明的组成进行详细的说明(重量％)。

[0034] C(碳)：0.1～1.2％

[0035] 钢中的碳不仅可以稳定化奥氏体，还可以形成碳化铁从而提供弥散硬化效果。特别是，连续铸造中所形成的柱状晶的再结晶速度快，从而热轧时形成粗大的对象组织，因此，为了形成高温的碳化物从而将组织微细并且增加强度，需要一定量的碳含量。本发明的示例性实施方案可以防止脱碳，从而不需要大量的碳，因此，优选其下限为0.1％。

[0036] 此外，当碳的添加量增加时，由于碳化铁和卡巴碳化物的增加，虽然强度得以提高，但是显著降低了钢的延展性。特别是，添加Al的钢，卡巴碳化物析出在铁氧体晶粒上引起脆性，因此，卡巴碳化物的上限优选为1.2％。

[0037] Mn(锰)：2～10％

[0038] 在本发明中锰元素用于同碳一起控制碳化物的特性，有助于在高温下形成奥氏体。锰通过与碳共存有助于碳化物高温析出，由此，可通过抑制晶界上的碳化物来抑制热脆性，从而最终提高所述轻质钢板的强度。此外，锰能够通过增加钢的晶格常数来降低密度，因此，降低钢材的比重。因此，锰的下限优选为2％。

[0039] 但是，锰的添加量过多，带来锰的中心偏析及热轧钢板上过多的膜组织，从而降低延展性，因此上限优选为10％。

[0040] Al(铝)：3～10％

[0041] 铝在本发明中与C、Mn一起是非常重要的元素。通过添加铝，可降低钢材的比重。为此，优选添加3％以上。为了降低比重，优选大量添加铝，但是，大量添加时会增加卡巴碳化物、FeAl、Fe3Al等金属间化合物，从而降低钢的延展性，因此，其上限优选为10％。

[0042] 如本发明，即使控制C、Mn、Al的含量，高温(例如650-1250℃)中结构相优选包含5面积％以上的奥氏体。当所述奥氏体相不足5面积％时，钢板退火后常温上无法获得双相(Duplex)，从而无法获得抗张强度为700MPa以上、延伸率为30％以上的优异强度及延展性。

[0043] 为此，需要抑制脱碳，本发明中为了抑制脱碳，所述轻质钢板包含选自由5.0％以下的Ni、5.0％以下的Cu、0.01～0.05％的Sb及0.01％以下的B组成的组中的一种以上。

[0044] Ni(镍)偏析于铁素体晶界，不仅可以抑制脱碳，也可以防止碳的扩散。Ni还增大了奥氏体的稳定性来提高强度和延展性。但是，Ni过多，会导致钢的制造成本增加，因此，其上限优选为5％以下。

[0045] Cu(铜)也是奥氏体上固溶度高的元素，在热轧工程中再加热板钢时，表面形成熔融膜，从而起到抑制氧渗透和脱碳的作用。但是，所述Cu含量过于多，根据因熔融Cu的晶界侵蚀，引起钢表面形成微细裂纹，从而热轧钢板上会引起疤痕(scab)及开裂(sliver)等表面缺陷，因此，其上限优选为5％。

[0046] Sb(锑)如同Ni为晶界偏析元素，但是，晶界偏析倾向比Ni强，因此，可以添加0.01％以上的少量Sb。本发明中Sb除了晶界偏析外，形成在高温中具有延展性的晶界氧化物Mn2Sb2O7，并且新发现这些氧化物防止氧的晶界扩散引起的渗透和碳扩散。但是，当大量添加所述Sb，会增加晶界氧化物的量，从而降低高温延展性，热轧中可能会发生双相钢边缘裂纹问题，因此，其上限优选为0.05％。

[0047] B(硼)如同Sb为晶界偏析元素，也是氧化物形成元素。与Sb不同，奥氏体偏析于晶粒的倾向强，脱碳抑制效果没有Sb高。此外，不仅是晶界，因表面上形成如B2O3的氧化物的倾向强，因此，在大量添加B时在热轧过程中会引起表面缺陷和开裂的问题。其上限优选为0.01％。

[0048] 余量为Fe及不可避免的杂质。

[0049] 本发明的轻质钢板的Ni、Cu、Sb及B的含量满足下述B*的值优选为2～10。所述B*为考虑到本发明中所要求的机械性质和合金的经济性，并且，为了确保最佳脱碳效果，调节所述成分的含量而设定的值。特别是，当大量添加Ni时，存在提高制钢成本的问题，而其他元素存在引起表面缺陷和常温裂纹的问题。综上，谋求成分元素的最佳化是重要的。

[0050] B*＝Ni+0.5Cu+100Sb+500B(各成分的值为重量％)

[0051] 当上述B*的值为2以上时，体现脱碳抑制效果，当超过10时，合金成本的上升和晶界氧化物的增加会降低延展性，因此，其值优选不超过10。

[0052] 本发明的轻质钢板的铁素体基体上优选包含剩余奥氏体。所述剩余奥氏体按面积分率计，优选为10～50％。即使添加比本发明的轻质钢板基准少的合金元素，也可确保充分的剩余奥氏体，可以提供材质异方性少的抗张强度为700MPa以上，延伸率为30％以上的强度和延展性优异的钢板。此时的钢板包含冷轧钢板及镀金钢板。

[0053] 以下，对本发明的轻质钢板制造方法进行详细地说明。

[0054] 首先，准备满足上述组成及B*值的钢锭或板钢(以下统称为板钢)，上述板钢用1000～1200℃再加热。所述再加热温度，为了确保通常的热轧温度，优选为1000～1200℃。

[0055] 上述再加热后进行热轧，优选在700℃以上进行热轧。上述热轧温度是通过高温中具有双相(Duplex)组织、延展性优异的铁氧体能顺利完成轧钢的温度，上述热轧温度越低，轧钢负荷会增加，因此优选在700℃以上进行。

[0056] 上述热轧后，用通常的方法进行收卷，制造热轧钢板。

[0057] 在进行上述热轧的温度范围(700～1200℃)内，按面积分率计，钢锭优选包含5％以上的奥氏体组织。所述钢锭可以包含5％以上的上述奥氏体组织，因此在进行热轧温度下不会生成充分的碳化物，并且奥氏体不会损失。因此，下述冷轧钢板可以据高强度和高延展性。

[0058] 此外，上述热轧钢板在大气气氛700℃温度上维持30分钟时，脱碳层的厚度优选为10μm以下。研磨热轧钢板表面去除氧化层后，在大气气氛700℃上维持30分钟后，评价脱碳层时，当脱碳层的厚度为10μm以下时，没有奥氏体的损失，从而具有优异的强度和延展性。

[0059] 为了减少钢的各向异性特性及碳化物或奥氏体带状组织，可在500～800℃的温度上对所述热轧钢板进行1小时以上的热处理。包含奥氏体组织的双相(Duplex)钢具有柔软的铁氧体和坚固的奥氏体两相结构，在热轧过程中大部分铁氧体变形。这是因为低强度铁氧体的恢复和再结晶非常快。因此，铁氧体基体组织上会形成碳化物或奥氏体层状排列的带状组织。带状组织会导致钢的机械性质各向异性，对加工性不利，并且可以是冷轧中脆性断裂的原因。因此，为了解决此问题，优选在500℃以上的温度将所述热轧钢板热处理1小时以上，用于使碳化物球状化，并且为了去除奥氏体带，优选在800℃以下的温度将所述热轧钢板热处理1小时以上，用于除去奥氏体带。

[0060] 此外，对上述热轧钢板，用40％以上的冷轧压下率进行冷轧可制造冷轧钢板。冷轧通常在酸洗后进行，当冷轧压下率为40％以上时，才能因冷加工确保累积能量，并且能得到新的再结晶组织。

[0061] 对所述冷轧钢板，去除表面轧制油后进行连续退火或进行镀金来制造镀金钢板。

[0062] 所述连续退火可按1～20℃/s的加热速度加热，在再结晶温度以上900℃以下的温度退火10～180秒后，优选用1～100℃/s的冷却速度冷却到400℃。

[0063] 当所述加热速度不足1℃/s时，会降低生产率，并且长时间暴露在高温中，会发生晶粒粗大化和强度降低，从而降低材质，当超过20℃/s时，因碳化物的再溶解不足降低奥氏体的形成量，最终因剩余奥氏体的量减少，存在降低延展性的问题。

[0064] 为了在所述再结晶温度和900℃以下之间的温度充分地再结晶并使晶粒成长从而形成龟裂，优选维持加热所述冷轧钢板10秒以上，当使所述冷轧钢板退火超过180秒时，生产率降低，并且在后续镀金过程中有可能增加锌浴和合金处理时间，由此有可能使耐蚀性和表面特性变差。

[0065] 此外，所述镀金并没有特别的限制，为了确保耐蚀性，可以应用锌类镀金、铝类、金属合金镀金。例如可形成Zn、Zn-Fe、Zn-Al、Zn-Mg、Zn-Al-Mg、Al-Si、Al-Mg-Si等镀金层。为了确保充分的耐蚀性，优选形成每一面厚度为10～200μm的镀金层。

具体实施方式

[0066] 以下，对本发明的实施例进行详细地说明。所述实施例仅限于为了本发明的理解，并不是限定本发明的权利范围。

[0067] 实施例

[0068] 制作具有下述表1组成的钢锭，在1150℃下进行再加热，在750～850℃的温度范围进行精热轧。这时热轧钢板的厚度为3.2mm，此钢板在500～700℃的温度上维持1小时后常温冷却，并去除表面氧化皮后，在700℃温度上进行5小时的碳化物球状化及奥氏体膜去除处理，从而制造1.0mm厚度的冷轧钢板。

[0069] 表1

[0070]

[0071]

[0072] 上述表1中成分的单位是重量％，余量为Fe和不可避免的杂质。此外，B*为Ni+0.5Cu+100Sb+500B。

[0073] 用5℃/s的加热速度将上述冷轧钢板加热到800℃维持60秒后，缓慢冷却到600～680℃，再用20℃/s的冷却速度急速冷却到400℃，恒温维持处理100秒后，在400～500℃的熔融锌镀金槽中实施锌镀金，制造锌镀金钢板。

[0074] 评价上述制造的锌镀金钢板的物理性质显示于下述表2中。在下述表2中，为了测定1000℃上的钢锭奥氏体百分率，各热轧钢放入事先加热到1000℃的炉中维持1小时，用水进行冷却后，奥氏体百分率可当作除铁氧体之外剩余相的百分率来测定。

[0075] 表2

[0076]

[0077] 如上述表2所示，作为发明例几乎没有奥氏体的损失，相反比较例发生非常多的奥氏体损失，从而最终可以确认轻质钢板未能满足本发明所要求的拉伸强度和延伸率。

[0078] 此外，作为比较例5，不能制作冷轧退火样片，这可以解释为，因热轧过程中晶界上大量析出B2O3，虽然具有抑制脱碳效果，但是冷轧过程中会引起脆性断裂。

[0079] 此外，图2显示所述比较例4的热轧钢板在大气气氛中、在700℃下维持30分钟后的组织照片和碳浓度分布。所述比较例4的热轧钢板已经提前进行了显著脱碳。为了充分除去脱碳层，将所述热轧钢板研磨到1.2mm厚度，并于在大气气氛中、在700℃的温度下预热的炉中维持30分钟。用2次电子显微镜观察所述热轧钢板的组织。在组织照片上观察到的脱碳层平均深度为170μm水平，但从表面评价碳浓度结果可知，脱碳层形成至约400μm深度。由此，在约400μm时，损失了相当程度的残余奥氏体，从而延展性不高，C含量低的奥氏体因热稳定性降低，由此在冷却为常温的同时，会变形为包含马氏体或碳化物的铁氧体。

[0080] 图3为显示发明例4和比较例4的热轧钢板在大气气氛中在700℃下维持加热30分钟后观察到的表面脱碳的组织照片。

[0081] 可以看出，图3(a)的发明例4的热轧钢板在7μm的深度时几乎没有形成脱碳，由于较多量的稳定奥氏体残留到常温，所述热轧钢板从而具有优异的强度和延展性，但可以看出，图3(b)的比较例4的热轧钢板在170μm的深度时发生严重脱碳。

[0082] 图4为显示根据发明例4的冷轧前热处理的组织变化的照片。

[0083] 发明例4的热轧钢板进行酸洗去除表面形成的氧化物后，在700℃温度上进行5小时的碳化物球状化及奥氏体带去除的热处理。发明例4的热轧钢板具有防止脱碳效果，从而具有可进行下述热处理的优点。之后进行67％的冷轧，加热到800℃进行60秒钟龟裂退火后，用扫描电子显微镜观察微细组织。

[0084] 图4(a)为上述热处理前所述热轧钢板的微细组织。在热轧温度领域中双相(Duplex)钢具有柔软的铁氧体和坚固的奥氏体两相结构，在热轧过程中大部分铁氧体变形。这是因为强度低的铁氧体的恢复和再结晶非常快。由此，铁氧体基体组织上形碳化物或奥氏体层状排列的膜型组织。这种膜型组织会导致钢的机械性质异方性，对加工性不利，并且可能是冷轧中脆性断裂的原因。

[0085] 相反，可知热处理的图4(b)的微细组织分布了比较均匀的残余奥氏体。这种效果应如同本发明，抑制脱碳才有可能。当没有脱碳抑制效果，在700℃温度下进行球状化热处理时，因脱碳降低奥氏体稳定性，损失奥氏体，从而明显降低强度和延展性。

[0086] 因此，通过抑制脱碳，本发明即使在进行热处理以便使碳化物球状化及奥氏体膜组织减少等时，也具有未损失奥氏体的优点，从而可以制造与现有技术相比异方性更少的高延展性、低比重的轻质钢板。