一种Ti微合金化易焊接低成本贝氏体非调质钢及其制造工艺和应用的制作方法

本发明属于非调钢领域，具体涉及一种ti微合金化易焊接低成本贝氏体非调质钢及其制造工艺和应用，适用于制造高品质汽车零部件。

背景技术：

1、非调质钢因其取消调质处理从而降低碳排放的特点而成为绿色化制造的关注重点。据统计就，每调质处理一公斤调质钢需要消耗电量约为0.19kwh，排放co2约0.1976公斤，以卡车为例，每辆卡车用钢量约为10吨，每制造一辆卡车可以减少co2排放1.98吨，约占车辆制造过程中碳排放的60％。同时，调质处理过程中产生油液污染、水源污染等污染问题突出，而且零件淬火过程中的淬火变形、氧化脱碳等也会导致零件成品率低，这导致调质钢零件生产成本低，环境压力大。因此，用非调质钢代替调质钢制造汽车零部件是未来汽车零部件制造的关键材料之一，也有利于提升企业综合竞争力。

2、传统的非调质钢为铁素体-珠光体型非调质钢，通过加入大量的微合金元素(nb、v)，以获得较高的力学性能，但是其抗拉强度约为900mpa。马氏体型非调质钢中合金元素含量高，工艺窗口窄导致大规模工艺生产匹配性差，难以大规模生产应用。而贝氏体型非调质钢以其良好的强韧性和合金成本低等优点而成为未来汽车及工程机械零部件用非调质钢的重点关注方向。

3、传统的贝氏体非调质钢通常通过nb、ti、v等微合金元素进行强化，以提高其强度和韧性。中国专利cn111118403a公布了一种ti微合金化高强韧贝氏体非调质钢，抗拉强度≥1000mpa，屈服强度≥700mpa，断后伸长率≥18％，室温冲击功ku2≥65j。

4、此外，控锻控冷工艺也是决定非调质钢性能的另一重要因素。传统贝氏体非调质钢采用锻后急冷进行材料组织与性能控制。2020年5月8日公开的公开号为cn111118403a的专利，公布了一种ti微合金化高强韧性贝氏体非调质钢及其控锻控冷工艺和生产工艺，其锻后采用强风冷处理，冷却速率为0.8℃/s～2.4℃/s；2014年7月30日公开的公开号为cn103952626a公布了一种贝氏体非调质紧固件用钢性能的调控方法，其主要通过大变形和锻后控冷进行强度控制，且该专利所涉及的钢种主要应用于冷镦钢线材产品，无法满足汽车锻件用热轧圆钢性能需求。在零件生产过程中，受限于零件结构和气体流动的复杂性，强风处理无法保证零件性能的一致性和批量生产的稳定。

5、同时，由于汽车锻件零件结构复杂，一次锻造难以成型，常常需要通过焊接的方式进行连接。而关于贝氏体非调质钢的焊接性能暂未有所报道，影响了非调质钢的推广应用。传统的贝氏体非调质钢主要面临三个难点：一、合金成本与性能之间难以达到平衡点，较高的微合金元素导致成本与调质钢成本差异不大；二、零件性能一致性较差，锻造工艺窗口窄，锻后冷却条件苛刻等问题导致零件批次化生产后零件性能波动大；三、良好焊接性能的贝氏体非调质钢暂未有所报道。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种ti微合金化易焊接低成本贝氏体非调质钢及其制造工艺；本发明在si-mn-cr合金体系基础上，通过si、ti元素的综合作用，抑制贝氏体形成，提高贝氏体含量，同时实现m/a岛细化，实现材料组织细化以及韧性的提升。此外，通过引入适量的ti2o3粒子作为软化相(残余奥氏体、铁素体)形核核心，实现材料韧性的提升。另外，本发明通过合适的元素配比，材料在锻造过程中不需要进行特别风冷处理，大大提高了零件性能的一致性和工艺窗口，加快非调质钢的市场推广。最终产品抗拉强度900mpa～1000mpa，屈服强度650～760mpa，断后伸长率≥17％，断面收缩率≥45％，屈强比≥0.76，室温冲击功(ku2)≥60j，旋弯疲劳强度≥430mpa，ceq≤0.60％。

2、本发明还有一个目的在于提供一种ti微合金化易焊接低成本贝氏体非调质钢的应用，用于汽车制造。

3、本发明具体技术方案：

4、一种ti微合金化易焊接低成本贝氏体非调质钢，包括以下质量百分比成分：

5、c：0.05-0.12％，si：0.80～1.50％，mn：2.00-2.50％，cr：0.20-0.40％，al：0.030～0.050％，p：≤0.008％，s：0.010～0.030％，ti：0.035～0.10％，t.o：8～12ppm，[n]：30～60ppm，其余为fe和不可避免的杂质元素。

6、所述ti微合金化易焊接低成本贝氏体非调质钢的成分满足以下公式：x＝30×c+10×si+30×mn+15×s+20×cr+10×al+40×ti+30×v+35×t.o，x≤500。其中c、si、mn、s、cr、al、ti和v单位为wt％，t.o单位为ppm。

7、所述ti微合金化易焊接低成本贝氏体非调质钢的成分满足以下公式：ceq＝c+si/24+mn/6+cr/5+v/14，ceq≤0.60％，其中c、si、mn、cr、v单位为wt％，对于焊接件而言，还需对ceq参数进行控制。

8、所述ti微合金化易焊接低成本贝氏体非调质钢的成分满足ceq≤0.60％。

9、所述ti微合金化易焊接低成本贝氏体非调质钢的组织为贝氏体+m/a岛,贝氏体面积比含量≥90％，及m/a岛尺寸≤25μm。

10、所述ti微合金化易焊接低成本贝氏体非调质钢的抗拉强度900mpa～1000mpa，屈服强度650～760mpa，断后伸长率≥17％，断面收缩率≥45％，屈强比≥0.76，室温冲击功(ku2)≥60j，旋弯疲劳强度≥430mpa。

11、本发明提供的一种ti微合金化易焊接低成本贝氏体非调质钢的制造工艺，包括以下工艺流程：冶炼-精炼-rh真空处理-圆坯/方坯连铸-轧制-锻造-空冷。

12、所述冶炼，采用电炉/转炉冶炼，降低钢中p含量≤0.05％；

13、所述rh真空处理，利用rh真空脱气过程中吹气量的适量控制，调整氧含量至目标值。通过真空脱气过程中氧含量的控制，提升齿轮钢的材料强韧性。

14、所述轧制，圆钢加热温度≥1230℃，加热时间≥300min；开轧温度≥1180℃，终轧温度600～900℃，轧后采用保温罩或进入缓冷坑缓冷。

15、所述锻造，锻造加热温度1180～1250℃，始锻温度1100～1200℃，终锻温度900～1000℃；

16、所述空冷，锻造后空冷至400℃以下，然后堆冷至室温。

17、本发明提供的一种ti微合金化易焊接低成本贝氏体非调质钢的应用，用于汽车制造。

18、本发明设计思路如下：

19、c：c是钢中最基本的元素，是保证钢材获得较高的强度、硬度所必须的。高的c含量虽然有利于提高钢的强度，因此c含量应≥0.05％。但较高的碳含量也会导致钢的韧性下降，并且容易引起钢材脱碳层增加，强屈比和疲劳性能下降，尤其对于需要焊接材料而言，较高的碳含量导致材料焊接性能下降，不利于材料应用。因此c含量≤0.12％故确定c含量范围0.05～0.12％。

20、si：si是钢中强氧化元素，能够提高c的活性，并且能够有效抑制钢中碳化物的粗化，有利于提高钢的屈服强度，从而提高屈强比。此外，si可以提高钢的淬透性，降低贝氏体相变开始温度，从而提高零件的锻造工艺窗口，提升零件性能的一致性。因此，si含量≥0.80％；但是较高的si含量容易使的钢的贝氏体相变终止温度，恶化钢的冲击功和韧性，因此，si含量≤1.50％。故确定si含量范围0.80～1.50％。

21、mn：mn是贝氏体形成元素，能够扩大贝氏体相变区域，同时mn也是奥氏体形成元素，有利于提高钢的强度与韧性，因此mn含量≥2.00％。但是mn属于易偏析元素，且较高的mn容易导致钢中出现粗大块状的奥氏体，不仅不利于提升零件性能的一致性，而且导致零件的屈强比下降，恶化钢的疲劳性能，因此mn含量≤2.50％。故确定mn含量范围2.00～2.50％。

22、cr：cr可提高钢的淬透性及强度并且能够引入适量的铁素体，从而改善材料韧性，此外，cr与钢中碳结合形成细小碳化物，提高材料的屈强比和疲劳性能，因此，cr含量≥0.20％；但是较高的cr容易增加钢材表面脱碳倾向，不利于获得高的疲劳强度，故cr含量≤0.40％。故确定cr含量范围0.20～0.40％。

23、ti：ti易与钢中c、n结合形成ti(c、n)析出，一方面通过锻造过程中，利用锻造余热与锻造应力条件充分析出，提高钢的抗拉强度与屈服强度，另一方面ti与钢中c/n结合形成纳米级ti(c、n)颗粒，而该粒子不能作为铁素体的形核核心，抑制铁素体的析出而促进贝氏体的形成，并细化贝氏体、m-a岛组织。此外，对于焊接性能要求较高的钢材而言，ti及其氧化物ti2o3在熔池中作为形核核心，有利于提高焊接影响区的强韧性，从而获得综合性能良好的零件，因此，ti含量≥0.0350％。但是较高的ti含量，容易导致钢中出现恶性夹杂物tin，降低钢的疲劳强度。因此，n含量≤0.10％。故确定ti含量范围0.035～0.100％。

24、al：al是有效的脱氧剂且与钢中n元素结合形成aln析出相，细化钢的奥氏体晶粒，能够同时提高钢的强度与韧性。al含量低于0.030％时，作用不明显，高于0.050％时易形成粗大的夹杂物，恶化钢的性能。因此在炼钢过程中al的加入时机加以调整，保证al含量应控制在0.030-0.050％。

25、s：s容易在钢中与锰形成mns夹杂，使钢产生热脆，但是添加少量的s，在不影响产品性能的同时，适量的mns夹杂物在切削过程中液化，使得切削碎断，避免铁削划伤刀具表面，从而提高材料的加工性能。因此，s含量≥0.010％。但是较高的s含量容易导致钢中硫化物形态恶化，反而恶化钢的切削性能，而且，过高的s容易使的材料焊接影响区的塑性变差。因此，s含量≤0.030％。故确定s含量范围0.010～0.030％。

26、p：p是具有强烈偏析倾向的元素，增加钢的冷脆，降低塑性，对产品组织和性能的均匀性有害。控制p≤0.008％。

27、[n]：[n]能与ti、al等形成化合物，细化晶粒，合理的al/[n]对晶粒细化明显作用，而过高的[n]会形成气泡和tin夹杂物等缺陷。因此，[n]含量应控制在30-60ppm。

28、t.o：t.o是钢中夹杂物的主要来源，因此，对钢中氧的控制是决定非调质钢性能的关键。对于普通钢种而言，要求氧越低越好，但是在本发明中，通过在冶炼rh过程中对氧含量的精确控制，使非调质钢中保持适量的氧含量。促进钢中的ti与o结合形成ti2o3。mns能够以ti2o3为核心形核，一方面细化硫化物尺寸，改善夹杂物评级结果和切削性能；另一方面可以在ti2o3夹杂物周围形成贫mn区，可作为铁素体有限形核区域，钢中少量的铁素体能够协调材料变形，从而改善钢的韧性。因此t.o含量≥8ppm。但是较多的氧容易导致钢中氧化物夹杂物数量增多，d类夹杂物恶化，因此t.o≤12ppm。故t.o含量控制在8～12ppm。

29、本发明控制x值可以提高贝氏体组织含量、细化m/a岛尺寸，达到提高材料强韧性和拓宽材料的锻造工艺窗口的目的。本发明通过si对碳扩散的抑制作用，细化贝氏体与m/a岛尺寸，同时，在钢中c、si、mn、s、cr、al、ti、t.o等元素的综合作用下，并结合ti(c、n)、ti2o3等第二相的析出提高钢的强韧性。同时，为了提高材料的焊接性能，通过ceq控制实现良好的焊接性能，。对于汽车锻件用钢而言，工艺窗口是决定零件性能均匀性的关键因素之一，通过空冷的方法，有效避免因风冷带来的“阴阳面”问题。因此，为达到本专利所述性能，需要进行合计成分的匹配，各元素之间因满足以下公式：x＝30×c+10×si+30×mn+15×s+20×cr+10×al+40×ti+30×v+35×t.o，x≤500。其中c、mn、si、s、cr、al和v单位为wt％，t.o单位为ppm。

30、与现有技术相比，本发明通过成分设计，控制多种元素匹配，使x值＝30×c+10×si+30×mn+15×s+20×cr+10×al+40×ti+30×v+35×t.o，x值≤500，可以提高贝氏体组织含量、细化m/a岛尺寸，达到提高材料强韧性和拓宽材料的锻造工艺窗口的目的。本发明材料经锻造后，空冷至200～400℃，产品抗拉强度900mpa～1000mpa，屈服强度650～760mpa，断后伸长率≥17％，断面收缩率≥45％，屈强比≥0.76，室温冲击功(ku2)≥60j，旋弯疲劳强度≥430mpa，ceq≤0.60％。