一种高性能中锰TRIP钢及其低温加工成形的方法

摘要

一种高性能中锰TRIP钢及其低温加工成形的方法，属于超高强度钢技术领域。该方法为：将切削后的中锰钢铸锭加热至600～800℃保温0.5～1.5h，进行两相区轧制，空冷，再加热至600～800℃保温5～10min，得到奥氏体化处理后的中锰TRIP钢板转移至冲压模具中，确保降温在50～100℃，进行冲压成形，保压10～30s后，随模冷却至180～250℃，加热至250～450℃保温10～30min，空冷，得到高性能中锰TRIP钢成形件。该方法通过两相区轧制，让C/Mn提前配分，然后通过后续的Q&P处理，再次让C/Mn配分。该成形方法提高了轧制效率和冲压件表面质量，使得制备的冲压件强度高、且综合性能优良，满足了汽车产业的目标要求。

说明书

技术领域

本发明属于超高强度钢技术领域，具体涉及一种高性能中锰TRIP钢及其低温加工成形的方法。

背景技术

进入21世纪以来，随着能源危机和环境问题的加剧，节能和安全已经成为汽车制造业发展的趋势。为了实现节能减排，同时兼具安全性的要求，极大的促进了汽车用先进高强钢冲压件的应用。目前，较为成熟的汽车用的冲压件材料是硼钢，例如22MnB5。在热冲压过程中22MnB5加热到950℃，获得全奥氏体组织，然后转移到冲压模具上快速淬火成形。奥氏体将完全转变为马氏体组织，成形件具有较高的强度(抗拉强度≥1500MPa)，但是塑性较差(延伸率≤8％)。因此探究硼钢的新的成形工艺和寻找可替代材料成为了新的方向。中锰钢(5-7wt％Mn)具有多相、亚稳、多尺度结构，能够达到较高的塑性和强度，成为了先进高强钢的典型代表。一些研究者尝试用中锰钢代替硼钢，并且取得了优异的机械性能。

然而，目前中锰钢冲压工艺主要为热轧/冷轧板+奥氏体化退火+冲压成形，虽然热轧/冷轧板中锰钢较硼钢取得了优异的力学性能。然而仍存在一些问题：(1)热轧板具有较低的屈服强度(400-700MPa)及较厚的氧化层，导致较差的冲压件表面质量；(2)冷轧中锰钢具有较大的弹性模量，虽然较热轧具有优异的表面质量，但是冷轧过程中由于中锰钢具有较大的反弹，降低了轧制效率；(3)为了考虑生产的连续性，目前热冲压中锰钢奥氏体化退火时间往往低于10min，然而中锰钢的最佳热处理时间较长(≥30min)，因为较短时间的退火会导致C/Mn得不到充分的配分，奥氏体含量及稳定性相对较低，进而会降低冲压件的表面质量。

发明内容

本发明旨在克服上述技术缺陷，提供了一种高性能中锰TRIP钢及其低温加工成形的方法，该方法将中锰钢进行两相区轧制、温冲的低温成形与Q&P工艺处理(淬火配分工艺)相结合，进一步提高冲压件的机械性能。该加工过程的特点是，通过两相区轧制，让C/Mn提前配分，然后通过后续的Q&P处理，再次让C/Mn配分。该成形方法提高了轧制效率和冲压件表面质量，使得制备的冲压件强度高、且综合性能优良，满足了汽车产业节约资源、降低能耗、轻量化和提高碰撞安全性的目标要求。

本发明采用的技术手段如下：

本发明的一种高性能中锰TRIP钢的低温加工成形方法，包括以下步骤：

S1：两相区轧制

将切削后的中锰钢铸锭，加热至600～800℃，保温0.5～1.5h，在600～700℃进行两相区轧制，空冷至室温，得到纳米/超细的两相区轧制的中锰TRIP钢板；其中，两相区轧制过程中，总变形量为95～97％；

S2：温冲的低温成形

(1)奥氏体化处理

将纳米/超细的两相区轧制的中锰TRIP钢板，加热至600～800℃，保温5～10min，得到奥氏体化处理后的中锰TRIP钢板；

(2)冲压成形

将奥氏体化处理后的中锰TRIP钢板转移至冲压模具中，确保降温在50～100℃之间，进行冲压成形，保压10～30s后，得到冲压件；

将冲压件随模冷却至180～250℃，得到降温后的冲压件；

S3：Q&P工艺处理

将降温后的冲压件置于加热炉中，在250～450℃保温10～30min，空冷至室温，得到高性能中锰TRIP钢成形件。

进一步的，所述的步骤1中，所述的中锰钢，其含有的化学成分及各个化学成分的质量百分比为：C为0.17～0.25wt.％，Si为0.00～0.50wt.％，Mn为5.00～7.00wt.％，Al为1.00～1.50wt.％，N为0.014～0.03wt.％，Nb为0.00～0.06wt.％，Mo为0.00～0.25wt.％，余量为Fe及不可避免的杂质。

进一步的，所述的步骤1中，所述的两相区轧制，采用二辊热轧机，进行6～10道次热轧，得到的纳米/超细的两相区轧制的中锰TRIP钢板的厚度为1.5～2.5mm。

进一步的，所述的步骤1中，为了保证两相区轧制温度在600～700℃，每进行2道次热轧后，在800～900℃进行回炉再加热，保温时间为2～10min。

进一步的，所述的步骤S2的(1)中，加热至600～800℃，升温速率≥8℃/s。

进一步的，所述的步骤S2的(2)中，在冲压成形过程中，采用热电偶对冲压件的整体温度进行跟踪测定，保证温度的准确性。

进一步的，所述的步骤S2的(2)中，在转移至冲压模具的过程中，采用氩气进行保护，防止氧化。

进一步的，所述的步骤S2的(2)中，降温了50～100℃，降温时间为3～8s。

进一步的，所述的步骤S3中，加热炉的温度场，温差≤5℃，加热炉的温度场相对均匀，能够保证降温后的冲压件性能均匀。

一种高性能中锰TRIP钢，采用上述低温加工成形方法制备得到。

本发明制备的高性能中锰TRIP钢，其抗拉强度为1710～1810MPa，屈服强度为930～1300MPa，硬度为460～530HV，延伸率为17～19％，强塑积为29070～33896MPa·％。

本发明的制备的高性能中锰TRIP钢，其微观组织包括马氏体、残余奥氏体和铁素体，其中，铁素体的体积百分比为0～25％，残余奥氏体为10～30％，余量为马氏体，高性能中锰TRIP钢的晶粒尺寸<500nm。

本发明的一种高性能中锰TRIP钢低温加工成形件的制备方法，较现有的成形工艺，其制备高性能中锰TRIP钢的原理是：本发明采用中锰钢低温成形加工工艺(两相区轧制+温冲)，冲压前的轧板具有奥氏体、铁素体和马氏体组织，晶粒尺寸达到了超细晶。采用两相区轧制时，中锰TRIP钢中奥氏体逆相变和铁素体动态再结晶同时发生，这种低温轧制导致层状+等轴铁素体和奥氏体复相组织的形成。此外，相比于热成形，该发明成形过程，具有较低的成形温度，冲压件具有较好的表面质量。较冷成形相比，该发明成形过程，能够使高强中锰钢冲压件具有较高的尺寸精度。现有冲压生产线退火时间为5min，然而中锰钢最佳性能退火时间较(≥30min)，因此本发明引入了两相区轧制和Q&P工艺，进一步提高了奥氏体中的C/Mn含量，能够解决短时间退火造成奥氏体含量和稳定性不足的问题。

本发明的一种高性能中锰TRIP钢低温加工成形件的制备方法，具有如下优点：

(1)和现有的热轧及热成形相比，该发明成形工艺具有较低的成形温度，能够更加节能环保，有利于节约成本。

(2)和硼钢相比，本发明中锰钢具有多相、亚稳、多尺度结构，特别是中锰钢在退火过程中产生不同稳定性级别的奥氏体，进而在变形过程中能够产生持续的变形，进而得到优异的力学性能。

(3)本发明中锰钢采用两相区轧制工艺，能够解决热轧中锰钢表面氧化的现象和冷轧效率低的问题。更为重要是中锰钢在两相区轧制过程中C/Mn进行了配分，能够进一步缩短C/Mn配分的时间，从而间接的提高冲压效率。

(4)Q&P工艺应用于冲压过程，一方面可以提高奥氏体的C/Mn含量，进而提高奥氏体的稳定性；另一方面，可以间接的缩短冲压的退火时间，提高冲压的生产率。

(5)本发明钢对温成形后的冷却速率敏感性不强，可采用空冷或缓冷代替水淬，从而有助于减少零件回弹和提高其尺寸精度。

本发明具有工艺简单、成形周期短，操作方面，节能环保，更为重要是本发明得到的冲压件具有优异的力学性能和表面质量，因此本发明中锰钢低温成形工艺为中锰钢的加工提供了一个新的加工方法。结合Q&P工艺，能够进一步提高中锰钢的力学性能和冲压效率。

附图说明

结合附图和具体实施方法对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明实施例2中冲压前中锰TRIP钢板的SEM组织图；

图2为本发明实施例2中冲压前中锰TRIP钢板的XRD组织图；

图3为本发明实施例3中中锰TRIP冲压成形件样品性能测试取点图；

图4为本发明实施例3中中锰TRIP冲压成形件P1位置SEM组织图；

图5为本发明实施例3中中锰TRIP冲压成形件P4位置SEM组织图；

图6为本发明实施例3中中锰TRIP冲压成形件P7位置SEM组织图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

一种高性能中锰TRIP钢的低温加工成形方法，采用将中锰钢进行低温成形工艺(两相区轧制+温冲)及Q&P处理工艺进行处理，其实施步骤如下：

S1：两相区轧制

将中锰钢铸锭加热到700℃后，保温1h后，在二辊热轧机上，进行9道次轧制，轧制温度控制在600～700℃，每进行两道次轧制后，在800℃回炉再加热5min，得到1.5～2.5mm厚的轧板，总变形量为95～97％，然后空冷至室温，制得纳米/超细的两相区轧制的中锰TRIP钢板。

所述中锰钢的成分为：C为0.2wt.％，Si为0.50wt.％，Mn为7.00wt.％，Al为1.50wt.％，N为0.014wt.％，Nb为0.06wt.％，Mo为0.25wt.％，余量为Fe及不可避免的杂质。

S2：温冲的低温成形

(1)冲压前奥氏体化处理：

根据冲压件尺寸要求，将纳米/超细的两相区轧制的中锰TRIP钢板裁剪成设定的尺寸，并放到加热炉中，加热至700℃，保温8min，热处理炉的升温速度为8℃/s，得到奥氏体化处理后的中锰TRIP钢板；

(2)冲压成形：将奥氏体化处理后的中锰TRIP钢板，采用机械手快速转移到冲压平台，耗时5s，温降80℃。然后设定冲压机参数，进行保压成形，保压时间为20s，然后取出冲压件，随模冷却到200～210℃，得到降温后的冲压件。为了实现冲压过程的温度控制，全程进行热电偶定点(边部，底部，和中心部)测温，保证温度的准确性。

S3：Q&P工艺处理

将降温后的冲压件，快速转移到加热炉中，加热温度为400℃，保温时间为20min，空冷到室温，得到高性能中锰TRIP钢成形件。

实施例2

一种高性能中锰TRIP钢，其化学成分及其含量是：C为0.20wt.％，Si为0.05wt.％，Mn为5.59wt.％，Al为1.22wt.％，N为0.014wt.％，Nb为0.06wt.％，Mo为0.22wt.％，余量为Fe及不可避免的杂质。

上述一种高性能中锰TRIP钢的低温加工成形方法，包括以下步骤：

S1：两相区轧制

将切好的中锰钢方锭加热至800℃后，保温1h后，快速转移到二辊热轧机上，进行8道次热轧，轧制温度控制在600～700℃之间，每进行两道次轧制后，在800℃回炉再加热5min，总变形为97％，轧制得到1.5mm厚的轧板，然后空冷至室温，得到纳米/超细的两相区轧制的中锰TRIP钢板。

将S1制备得到纳米/超细的两相区轧制的中锰TRIP钢板进行测试分析，其SEM组织图见图1，其XRD图见图2。

S2：温冲的低温成形

(1)冲压前奥氏体化处理：

根据冲压件尺寸要求，将纳米/超细的两相区轧制的中锰TRIP钢板裁剪成设定的尺寸，并放到加热炉中，加热至800℃，保温5min，热处理炉的升温速度为9℃/s，得到奥氏体化处理后的中锰TRIP钢板；

(2)冲压成形：将奥氏体化处理后的中锰TRIP钢板，采用机械手快速转移到冲压平台，耗时5s，温降至750℃。然后设定冲压机参数，进行保压成形，保压时间为30s，然后取出冲压件，随模冷却到180～190℃，得到降温后的冲压件。为了实现冲压过程的温度控制，全程进行热电偶定点(边部，底部，和中心部)测温，保证温度的准确性。

S3：Q&P工艺处理

将降温后的冲压件，快速转移到加热炉中，加热温度为250℃，保温时间为30min，空冷到室温，得到高性能中锰TRIP钢成形件。

本实施例制备的高性能中锰TRIP钢成形件，其抗拉强度为1710MPa，屈服强度为930MPa，延伸率为17％，强塑积为29070MPa·％。

实施例3

一种高性能中锰TRIP钢，其成分同实施例2。

一种高性能中锰TRIP钢的低温加工成形方法，同实施例2，不同之处在于：

将实施例1中的S2中，将纳米/超细的两相区轧制的中锰TRIP钢板裁剪成设定的尺寸，并放到加热炉中，加热至800℃，保温8min，热处理炉升温速度为8℃/s，然后快速转移到冲压平台，耗时5s，温降至700℃，然后快速冲压成形，保压20s，然后取下冲压件，随模冷却至200℃，然后快速转移到加热炉中，温度450℃，保温10min，空冷到室温，得到U形高性能中锰TRIP钢成形件。

采用上述参数，制备的U形高性能中锰TRIP钢成形件，其结构如图3所示，从上面选取8个典型的位置进行力学性能测试。其相关力学性能如下表1：

表1本发明U形高性能中锰TRIP钢成形件典型位置的力学性能数值

从测得的力学性能看，两相区轧制中锰钢结合Q&P处理，力学性能分布均匀，屈服强度和冷轧中锰钢热处理相当，抗拉强度高于现有的热成形硼钢，并且在保证强度的同时，本发明冲压件具有相对高的延伸率，硬度超过460HV，能够满足现在汽车用钢对安全性能的要求。对本实施例中，位置P1、P4、P7的金相组织进行扫描观察，分别如图4、图5、图6，本发明微观组织为马氏体、残余奥氏体及少许铁素体，晶粒尺寸小于500nm，达到了超细晶组织，且在选取的三个位置，组织分布较为均匀，因此得到了较为均匀的力学性能。