一种汽车用梯度组织结构高铝中锰钢焊接件及其制备工艺专利检索-用热处理或变形以外的方法来改变物理性能专利检索查询-专利查询网

一种汽车用梯度组织结构高铝中锰钢焊接件及其制备工艺
申请号	CN202211507623.9	申请日	2022-11-29	公开(公告)号	CN115786798A	公开(公告)日	2023-03-14
申请人	常州大学;			发明人	潘海军; 虞旺旺; 韦超凡; 刘麟; 李京; 赵玉杰; 王志坚;
摘要	本发明公开了一种汽车用梯度组织结构高铝中锰钢焊接件及其制备工艺，属于汽车用钢制备技术领域。制备工艺包括依次连接的冶炼、锻造、多道次热轧、多道次中温轧制、临界热处理、激光焊接及中低温区激光喷丸步骤，通过上述工艺制得的高铝中锰钢焊接件具有优异的拉伸性能和抗氢脆敏感性能，大大提升了高铝中锰钢在汽车制造领域的应用和服役性能。
权利要求	1.一种汽车用梯度组织结构高铝中锰钢焊接件的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤；步骤1，冶炼：按照C 0.05～0.2％，Mn 3～8％，Al 3～5％，N 0.1～0.5％，余量为Fe及不可避免杂质，进行配比、冶炼、浇铸获得钢锭；步骤2，锻造：将步骤1所得钢锭加热到1200～1250℃，保温2～3h，锻造成钢坯；步骤3，多道次热轧：将步骤2所得钢坯加热到1050～1200℃，保温2～3h；随后在900～ 1000℃温度区间内进行多道次热轧，获得热轧板；步骤4，多道次中温轧制：将步骤3所得热轧板冷却至350～500℃，随后在350～500℃温度区间内进行多道次温轧，获得温轧板；步骤5，临界热处理：将步骤4所得温轧板在两相区温度600～750℃进行临界热处理，获得高铝中锰钢板料；步骤6，激光焊接：将步骤5所得高铝中锰钢板料进行焊接获得高铝中锰钢焊接件；步骤7，中低温区激光喷丸：对步骤6所得高铝中锰钢焊接件在400～500℃温度范围内进行激光喷丸，获得梯度结构高铝中锰钢焊接件。 2.根据权利要求1所述的一种汽车用梯度组织结构高铝中锰钢焊接件的制备工艺，其特征在于，步骤2中，所得钢坯厚度为20～30mm。 3.根据权利要求1所述的一种汽车用梯度组织结构高铝中锰钢焊接件的制备工艺，其特征在于，步骤3中，多道次热轧的总压下率为60～70％。 4.根据权利要求1所述的一种汽车用梯度组织结构高铝中锰钢焊接件的制备工艺，其特征在于，步骤4中，多道次中温轧制的总压下率为75～87％。 5.根据权利要求1所述的一种汽车用梯度组织结构高铝中锰钢焊接件的制备工艺，其特征在于，热轧及温轧的道次均为6～7道。 6.根据权利要求1所述的一种汽车用梯度组织结构高铝中锰钢焊接件的制备工艺，其特征在于，步骤5中，临界热处理的时间为0.5～1.5h。 7.根据权利要求1所述的一种汽车用梯度组织结构高铝中锰钢焊接件的制备工艺，其特征在于，步骤6中，激光功率为500W～2000W，焊接速度为1～2m/min。 8.根据权利要求1所述的一种汽车用梯度组织结构高铝中锰钢焊接件的制备工艺，其特征在于，步骤7中，还包括喷丸前热处理步骤，即将步骤6所得高铝中锰钢焊接件加热至 400～500℃，保温10～30min。 9.根据权利要求1所述的一种汽车用梯度组织结构高铝中锰钢焊接件制备工艺，其特征在于，步骤7中，激光喷丸功率在200W～700W，激光脉冲时间为25s～30s之间，光斑直径为 0.1～5mm，喷丸时间为1min～30min。 10.一种汽车用梯度组织结构高铝中锰钢焊接件，其特征在于，由权利要求1～9任意一项所述制备工艺制备而成。
说明书全文	一种汽车用梯度组织结构高铝中锰钢焊接件及其制备工艺技术领域 [0001] 本发明涉及汽车用钢制备技术领域，具体涉及一种汽车用梯度组织结构高铝中锰钢焊接件及其制备工艺。背景技术 [0002] 我国的汽车保有量逐年增加带来了诸多的环境以及能源问题。在降低汽车油耗和减少废气排放的众多措施中，汽车轻量化带来的效果最为明显。汽车轻量化的主要途径有：1)通过采用高强钢降低钢板厚度来降低汽车重量，如以中锰钢为代表的第三代汽车用钢，这些钢具有优良的综合力学性能，具有一定的减重潜力；2)通过向钢中添加一定量的Al或Mg元素，得到具备高强度、良好塑性的新型汽车用钢板；3)采用激光焊接技术替代传统焊接技术制备焊接件，激光焊接技术可将不同材质、厚度、涂层的钢板连接起来，通过降低装配公差，减少外围加强件的数量来实现车身轻量化。 [0003] 相比于其他先进高强汽车用钢，高铝中锰合钢具有低密度、更好的强韧性等特点，从而使这类钢具备更大的开发前景与优势，如中国专利CN111945054A公开的一种高铝中锰钢及其冶炼方法，通过采用“铁水预处理+转炉+LF炉精炼”的方法制备高铝中锰钢，其合金成分为C：0.10‑0.40％，Si：0.01‑1.00％，Mn：4.0‑8.0％，Al：2.0‑4.0％，P：≤0.010％，S≤0.008％，其余为Fe及不可避免的杂质。然而现有高铝中锰钢的Al含量过高，在轧制过程中会产生块状、长条状的δ‑铁素体微观组织，这对钢板的力学性能将造成不良影响。另外，激光焊接过程中，峰值温度超过中锰钢的Ac3温度，焊后板材的焊缝区以及热影响区会出现大量的马氏体组织，导致焊缝区以及热影响区的强度和塑性降低，具有较高的氢脆敏感性，从而影响了焊接件的整体力学性能，这也限制了高铝中锰钢在汽车行业的应用发展。发明内容 [0004] 为解决上述技术问题，本发明提供一种汽车用梯度组织结构高铝中锰钢焊接件及其制备工艺，通过优化轧制工艺及采用激光喷丸技术，使高铝中锰钢焊接件具有梯度结构的超细微观组织，实现了高铝中锰钢的强韧性匹配和抗氢脆敏感性，提升了高铝中锰钢焊接件的整体力学性能。 [0005] 本发明采用的技术方案是： [0006] 一种汽车用梯度组织结构高铝中锰钢焊接件的制备工艺，包括以下步骤； [0007] 步骤1，冶炼：按照C 0.05～0.2％，Mn 3～8％，Al 3～5％，N 0.1～0.5％，余量为Fe及不可避免杂质，进行配比、冶炼、浇铸获得钢锭； [0008] 步骤2，锻造：将步骤1所得钢锭加热到1200～1250℃，保温2～3h，锻造成钢坯； [0009] 步骤3，多道次热轧：将步骤2所得钢坯加热到1050～1200℃，保温2～3h；随后在900～1000℃温度区间内进行多道次热轧，获得热轧板； [0010] 步骤4，多道次中温轧制：将步骤3所得热轧板冷却至350～500℃，随后在350～500℃温度区间内进行多道次温轧，获得温轧板； [0011] 步骤5，临界热处理：将步骤4所得温轧板在两相区温度600～750℃进行临界热处理，获得高铝中锰钢板料； [0012] 步骤6，激光焊接：将步骤5所得高铝中锰钢板料进行焊接获得高铝中锰钢焊接件； [0013] 步骤7，中低温区激光喷丸：对步骤6所得高铝中锰钢焊接件在400～500℃温度范围内进行激光喷丸，获得具有梯度结构的高铝中锰钢焊接件。 [0014] 作为优选地，步骤2中，所得钢坯厚度为20～30mm。该厚度能够和中锰钢实际生产过程进行很高匹配，且能都满足制备超细晶的要求。 [0015] 作为优选地，步骤3中，多道次热轧的总压下率为60～70％。补充效果 [0016] 作为优选地，步骤4中，多道次中温轧制的总压下率为75～87％。在此压下率范围内，能保证温轧过程中，TWIP效应的充分进行。 [0017] 作为优选地，热轧及温轧的道次均为6～7道。补充效果 [0018] 作为优选地，步骤5中，临界热处理的时间为0.5～1.5h。补充效果 [0019] 作为优选地，步骤6中，激光功率为500W～2000W，焊接速度为1～2m/min。补充效果[0020] 作为优选地，步骤7中，还包括喷丸前热处理步骤，即将步骤6所得高铝中锰钢焊接件加热至400～500℃，保温10～30min。补充效果 [0021] 作为优选地，步骤7中，激光喷丸功率在200W～700W，激光脉冲时间为25s～30s之间，光斑直径为0.1～5mm，喷丸时间为1min～30min。补充效果 [0022] 一种汽车用梯度组织结构高铝中锰钢焊接件，由上述任意一种制备工艺制备而成。 [0023] 本发明的有益效果： [0024] 1、通过加入大量Al元素实现钢材轻量化，通过加入N元素，一方面N元素与Al元素结合，可以减小轧制过程中大块铁素体的生成，另一方面N元素的添加可通过后续的激光喷丸实现AlN析出物。 [0025] 2、通过采用多道次热轧+多道次温轧的轧制工艺，在热轧过程中材料的微观组织主要为奥氏体，随着轧制压下率的不断增加，奥氏体晶粒被压扁且尺寸减小，经多道次热轧后最终获得晶粒细小的奥氏体和少量铁素体的微观组织；温轧过程中奥氏体发生TWIP效应而使晶粒尺寸进一步减小，经多道次温轧，最终获得超细多尺度等轴和板条状奥氏体与铁素体的微观组织。 [0026] 3、通过采用轧制后热处理工艺，热处理过程中发生奥氏体和铁素体相变，在晶界或晶内发生再结晶，形成更为细小的组织，进一步细化晶粒尺寸，提升力学性能。 [0027] 4、通过对焊接件进行激光喷丸处理，激光喷丸一方面打碎焊缝区以及热影响区的马氏体组织，并且为表层和芯部提供不同的梯度作用力，使焊接件产生梯度结构和AlN的梯度析出，提升焊接件的整体力学性能；另一方面，激光喷丸提供的机械驱动力促进Al和N析出形成AlN析出物，AlN析出物起到钉扎作用，可以固定住氢原子，达到抗氢脆敏感性的效果。附图说明 [0028] 图1是本发明实施例1所得梯度组织结构高铝中锰钢焊接件沿中心部位至表面的硬度分布图。 [0029] 图2是本发明实施例1所得梯度组织结构高铝中锰钢焊接件表层析出物的TEM图。 [0030] 图3是本发明实施例1所得梯度组织结构高铝中锰钢焊接件芯部析出物的TEM图。 [0031] 图4是本发明实施例1所得梯度组织结构高铝中锰钢焊接件表层微观组织的金相图。 [0032] 图5是本发明实施例1所得梯度组织结构高铝中锰钢焊接件芯部微观组织的金相图。具体实施方式 [0033] 下面结合具体实例对本发明作进一步说明，以便于对本发明的理解，但并不因此而限制本发明。 [0034] 实施例1 [0035] 一种汽车用梯度组织结构高铝中锰钢焊接件，其制备工艺包括以下步骤： [0036] 步骤1，冶炼：按照C 0.05％、Mn 3％、Al 3％、N 0.1％，余量为Fe及不可避免杂质，进行配比、冶炼、浇铸获得钢锭； [0037] 步骤2，锻造：将钢锭加热到1200℃，保温2h，锻造成钢坯； [0038] 步骤3，多道次热轧：将钢坯加热到1050℃，保温2h；经6道次热轧，轧制温度区间为900～1000℃，获得热轧板； [0039] 步骤4，多道次中温轧制：将上述热轧板随后冷却至350℃，切不可冷至室温，随后在350～500℃温度区间经6道次轧制，获得温轧板； [0040] 步骤5，临界热处理：将上述温轧板在两相区温度600℃进行临界热处理，保温时间为0.5h，获得高铝中锰钢板料； [0041] 步骤6，激光焊接：将上述板料进行焊接获得高铝中锰钢焊接件；激光功率为500W，焊接速度为1m/min； [0042] 步骤7，中低温区激光喷丸：将上述焊接件在400℃下热处理10min，然后对所述焊接件的正反面进行激光喷丸处理，激光强度为200W、脉冲时间为25s、光斑直径为0.1mm，喷丸时间为1min，获得梯度组织结构高铝中锰钢焊接件。 [0043] 对步骤7所得梯度组织结构高铝中锰钢焊接件的横截面进行硬度性能测试，结果如图1所示。从图1可见中心部位硬度小，表层硬度高，试验钢的硬度沿中心向表面呈上升趋势，即呈现梯度分布特征。 [0044] 借助线切割将步骤6所得高铝中锰钢焊接件和步骤7所得梯度组织结构高铝中锰钢焊接件按照ASTM‑E8‑E8M标准沿轧制方向加工成拉伸试样，随后按照1mm/min拉伸速率进行拉伸性能测试，结果如表1所示；将上述拉伸试样进行电化学充氢试验，其中以试样为阴2 极，铂片为阳极，充氢溶液为0.1mol/L的NaOH和0.5g/L的硫脲，电流密度为40mA/cm ，充氢时间为2h，随后按照1mm/min拉伸速率进行拉伸性能测试，结果如表2所示。 [0045] 借助线切割制备10mm×10mm的焊接试样，用不同型号的砂纸将样品逐级研磨至2000#，随后进行抛光和腐蚀，对试样进行微观组织表征，表征结果见图2～图5。从图中可以看出，焊接件表层AlN析出物较多，如图2所示；焊接件芯部AlN析出物较少，如图3所示；焊接件表层微观组织的晶粒相比于焊接件芯部微观组织的晶粒尺寸细小，如图4和图5所示。 [0046] 表1 [0047] [0048] 表2 [0049] [0050] 实施例2 [0051] 一种汽车用梯度组织结构高铝中锰钢焊接件，其制备工艺包括以下步骤： [0052] 步骤1，冶炼：按照C 0.2％、Mn 8％、Al 5％、N 0.5％，余量为Fe及不可避免杂质，进行配比、冶炼、浇铸获得钢锭； [0053] 步骤2，锻造：将钢锭加热到1250℃，保温2h，锻造成钢坯； [0054] 步骤3，多道次热轧：将钢坯加热到1050℃，保温2h；经7道次热轧，轧制温度区间为900～1000℃，获得热轧板； [0055] 步骤4，多道次中温轧制：将上述热轧板随后冷却至350℃，切不可冷至室温，随后在350～500℃温度区间经7道次轧制，获得温轧板； [0056] 步骤5，临界热处理：将上述温轧板在两相区温度750℃进行临界热处理，保温时间为1h，获得高铝中锰钢板料； [0057] 步骤6，激光焊接：将上述板料进行焊接获得高铝中锰钢焊接件；激光功率为2000W,焊接速度为2m/min； [0058] 步骤7，中低温区激光喷丸：将上述焊板在500℃热处理30min，然后进行激光强度为700W、脉冲时间为30s、光斑直径为5mm和喷丸时间为30min的喷丸处理，获得梯度组织结构高铝中锰钢焊接件。 [0059] 借助线切割将步骤6所得高铝中锰钢焊接件和步骤7所得梯度组织结构高铝中锰钢焊接件按照ASTM‑E8‑E8M标准沿轧制方向加工成拉伸试样，随后按照1mm/min拉伸速率进行拉伸性能测试，结果如表3所示；将上述拉伸试样进行电化学充氢试验，其中以试样为阴2 极，铂片为阳极，充氢溶液为0.1mol/L的NaOH和0.5g/L的硫脲，电流密度为40mA/cm ，充氢时间为2h，随后按照1mm/min拉伸速率进行拉伸性能测试，结果如表4所示。 [0060] 表3 [0061] [0062] 表4 [0063] [0064] 实施例3 [0065] 一种汽车用梯度组织结构高铝中锰钢焊接件，其制备工艺包括以下步骤： [0066] 步骤1，冶炼：按照C 0.1％、Mn 5％、Al 5％、N 0.5％，余量为Fe及不可避免杂质，进行配比、冶炼、浇铸获得钢锭； [0067] 步骤2，锻造：将钢锭加热到1200℃，保温2h，锻造成钢坯； [0068] 步骤3，多道次热轧：将钢坯加热到1050℃，保温2h；经6道次热轧，轧制温度区间为900～1000℃，获得热轧板； [0069] 步骤4，多道次中温轧制：将上述热轧板随后冷却至350℃，切不可冷至室温，随后在350～500℃温度区间经7道次轧制，获得温轧板； [0070] 步骤5，临界热处理：将上述温轧板在两相区温度710℃进行临界热处理，保温时间为1.5h，获得高铝中锰钢板料； [0071] 步骤6，激光焊接：将上述板料进行焊接获得高铝中锰钢焊接件；激光功率为2000W,焊接速度为1m/min； [0072] 步骤7，中低温区激光喷丸：将上述焊板在400℃热处理20min，然后进行激光强度为500W、脉冲时间为30s、光斑直径为2mm和喷丸时间为10min的喷丸处理，获得梯度组织结构高铝中锰钢焊接件。 [0073] 借助线切割将步骤6所得高铝中锰钢焊接件和步骤7所得梯度组织结构高铝中锰钢焊接件按照ASTM‑E8‑E8M标准沿轧制方向加工成拉伸试样，随后按照1mm/min拉伸速率进行拉伸性能测试，结果如表5所示；将上述拉伸试样进行电化学充氢试验，其中以试样为阴2 极，铂片为阳极，充氢溶液为0.1mol/L的NaOH和0.5g/L的硫脲，电流密度为40mA/cm ，充氢时间为2h，随后按照1mm/min拉伸速率进行拉伸性能测试，结果如表6所示。 [0074] 表5 [0075] [0076] 表6 [0077] [0078] 实施例4 [0079] 一种汽车用梯度组织结构高铝中锰钢焊接件，其制备工艺包括以下步骤： [0080] 步骤1，冶炼：按照C 0.08％、Mn 6％、Al 4％，N 0.3％，余量为Fe及不可避免杂质，进行配比、冶炼、浇铸获得钢锭； [0081] 步骤2，锻造：将钢锭加热到1200℃，保温2h，锻造成钢坯； [0082] 步骤3，多道次热轧：将钢坯加热到1050℃，保温2h；经6～7道次热轧，轧制温度区间为900～1000℃，获得热轧板； [0083] 步骤4，多道次中温轧制：将上述热轧板随后冷却至350℃，切不可冷至室温，随后在350～500℃温度区间经7道次轧制，获得温轧板； [0084] 步骤5，临界热处理：将上述温轧板在两相区温度710℃进行临界热处理，保温时间为1h，获得高铝中锰钢板料； [0085] 步骤6，激光焊接：将上述板料进行焊接获得高铝中锰钢焊接件；激光功率为1500W,焊接速度为2m/min； [0086] 步骤7，中低温区激光喷丸：将上述焊板在400℃热处理20min，然后进行激光强度为400W、脉冲时间为25s、光斑直径为1mm和喷丸时间为10min的喷丸处理，获得梯度组织结构高铝中锰钢焊接件。 [0087] 借助线切割将步骤6所得高铝中锰钢焊接件和步骤7所得梯度组织结构高铝中锰钢焊接件按照ASTM‑E8‑E8M标准沿轧制方向加工成拉伸试样，随后按照1mm/min拉伸速率进行拉伸性能测试，结果如表7所示；将上述拉伸试样进行电化学充氢试验，其中以试样为阴2 极，铂片为阳极，充氢溶液为0.1mol/L的NaOH和0.5g/L的硫脲，电流密度为40mA/cm ，充氢时间为2h，随后按照1mm/min拉伸速率进行拉伸性能测试，结果如表8所示。 [0088] 表7 [0089] [0090] 表8 [0091] [0092] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。

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