CN102321844A - 一种热轧耐腐蚀烘烤硬化钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种热轧耐腐蚀烘烤硬化钢及其制备方法,属于金属材料领域。该钢的化学组成重量百分数为:C:≤0.005%,Si:≤0.05%,Mn:≤0.15%,P:0.06~0.080%,S:≤0.01%,Cu:0.20~0.35%,Ti:0.015~0.025%,B:0.0010~0.0020%,Als:0.020~0.030%,Ca:0.0025~0.0035%,余为Fe。制备方法包括炼钢、连铸、均热、热连轧、卷取工序。优点在于,与现有技术相比:能够高效、低成本的生产热轧耐腐蚀烘烤硬化钢;并且,节能环保、成本低、产品质量稳定、抗腐蚀性能好、使用寿命长;该热轧烘烤硬化钢应用于汽车生产上,可有效减轻汽车重量。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域,特别涉及到一种热轧耐腐蚀烘烤硬化钢及其制备方法。
背景技术
烘烤硬化性能即Baking Hardening Ability,简称“BH性”,系指钢在退火、平整后的供货状态下有较低的屈服强度,经过冲压成形、喷漆烘烤后屈服强度得到一定程度增加的性能。烘烤硬化钢归属于汽车用薄钢系列,主要用于制造汽车覆盖件(卡车驾驶室)和车身部件,对烘烤硬化钢的基本性能要求:①钢的总伸长率和均匀伸长率;②钢的塑性应变比(r)和应变强化指数(n);③冲压成形性能;④抗凹陷性能;⑤抗冲击性能;⑥焊接性能。
汽车用钢可用性的主要技术要求是深冲性与抗凹陷性能。为解决深冲性能与抗凹陷性能的矛盾,开发了热轧耐腐蚀烘烤硬化IF钢。其优点为:①耐腐蚀性比普通低碳钢或BH钢高1倍以上;②比普通钢强度高100~150MPa,具有极强的抗凹性;③深冲性比普碳钢更优秀;④成本低于普碳钢。
以超低碳无间隙原子钢(IF钢)为代表的第三代产品是超深冲钢。这是20世纪80年代以来所开发的以超低碳为基本成分,IF钢为主要代表的新一代汽车薄钢系列产品。它具有极强烈的{111}织构、纯净的钢质以及较粗大的铁素体晶粒,从而获得超深冲性。目前,世界各国都在竞相研制和开发由IF钢所繁衍的超低碳系列产品的汽车薄钢,预计不远的将来.超低碳系列产品格逐步取代第二代产品,使汽车薄钢应用水平上升到一个新高度。
美国内陆钢铁公司最早利用冲压时的应变和喷漆烘烤时的温度条件,开发出BH钢板,提高了汽车钢板构件的强度。目前该公司已经可以进行低碳钢、含磷钢和超低碳钢三个化学成分系列BH钢种的生产;德国蒂森钢铁公司在20世纪80年代末期已经能够系列化、标准化的生产BH钢板,并同德国大众、宝马、戴姆勒-奔驰和沃尔沃等汽车公司合作,进行高强度BH钢板成形性和实际应用的研究开发工作。法国阿赛洛集团是当今世界最大的汽车板生产商,该公司可生产160~300MPa级别的BH钢板;日本各大钢铁公司在20世纪80年代就普遍生产BH钢板,但是目前通常采用连铸、热轧、连续退火的生产工艺进行生产,生产效率较低。
热轧耐腐蚀烘烤硬化钢是在IF钢中加入耐腐蚀元素P、Cu,使生产的热轧钢同时具有优异的深冲性能、相对较高的强度和良好的耐腐蚀性能,在热轧后可直接酸洗、平整、加工成形,省去了后续的冷轧、退火、镀锌等工序,生产企业不仅节省成本,也降低了能源消耗和污染气体的排放,同时对汽车制造企业的用户有利于汽车减重和延长汽车使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热轧耐腐蚀烘烤硬化钢及其制备方法,实现了节能环保、成本低、产品质量稳定、抗腐蚀性能好、使用寿命长;该钢种可用作汽车零部件。
根据上述目的,本发明整体的技术方案为:
本发明的设计原理是通过在理论上***分析钢中P、C、Ti、Mn、B等元素对耐蚀钢性能的影响,同时兼顾生产成本及工艺,对这种新型耐蚀钢的化学成分进行优化设计,并提出相应的生产方法,由此可获得一种成本低、产品质量稳定、抗腐蚀性能好、使用寿命长的热轧耐腐蚀烘烤硬化钢,并完全满足汽车企业用户要求。该钢种成分特点是:(1)碳含量尽可能低;(2)硅含量要低;(3)精炼采用硼微合金化技术;(4)钢水经Ca处理;(5)合理控制氮含量。
根据上述目的和整体的技术方案,本发明具体技术方案为:
本发明的热轧耐腐蚀烘烤硬化钢板的化学组成成分(重量%)为:C:≤0.005%,Si:≤0.05%,Mn:≤0.15%,P:0.06~0.080%,S:≤0.01%,Cu:0.20~0.35%,Ti:0.015~0.025%,B:0.0010~0.0020%,Als:0.020~0.030%,Ca:0.0025~0.0035%余为Fe。
本发明所述的耐腐蚀烘烤硬化钢金相组织结构为铁素体,晶内有少量的渗碳体,晶粒度低于9级。
该钢的性能:抗拉强度Rm为340~350MPa,屈服强度Re1为265~280MPa,伸长率A80为41.5~45.5%,r90≥1.2,n90≥0.18,BH≥50MPa,相对腐蚀率不高于镀锌板的50%,同等使用环境下寿命提高1.0倍。
本发明的制备方法包括炼钢、连铸、均热、热连轧、卷取工序,在工艺中控制的技术参数为:在均热工序温度为1100~1150℃,热连轧工序中终轧温度880~930℃,卷取过程采用多段式控制冷却,先由终冷温度快速冷却到720~760℃,自然冷却4~8s,卷取温度为650~700℃。
经Ca处理后,钢中的夹杂物可以有效变性为以CaS为核心的硬质质点,上浮后可从钢水中去除,使钢水洁净度提高。采用控制轧制和控制冷却热轧后,该钢板的抗拉强度Rm为340~350MPa,屈服强度Re1为265~280MPa,伸长率A80为41.5~45.5%,r90≥1.2,n90≥0.18,预变形2%后在170℃下加热20min,BH≥50MPa,相对腐蚀率不高于镀锌板的50%,同等使用环境下寿命可提高1.0倍。
该钢耐蚀性的检验方法采用GB/T1771-2007色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定方法进行测定,本试验中,将150mm×100mm×1mm的试样磷化后涂漆,浸入50±5g/l的NaCl溶液中,pH:(6.5~7.2),喷雾压力:(70~170)kPa,降雾量:(1~2.5)ml/h,测定产生锈层的时间和划痕层离宽度及腐蚀宽度。
本发明化学成分的设计依据为:
C:现代烘烤硬化钢强度的增加归根结底是由于填隙碳原子。本发明使用Ti形成的固溶氮化物来固定氮原子。氮在室温时比碳原子的扩散速率快,这使得它在室温储存过程中通过铁素体基体和钉扎的位错进行扩散。碳原子较慢的扩散速率允许钢在室温保持六个月而不时效。碳含量增加,对应的烘烤硬化性能也增加,这是由于:更多的固溶原子可以更加有效的钉扎移动的位错,簇状物可以更加迅速的形成。研究表明,碳含量从0增加到40ppm,对应的烘烤硬化性能从40MPa增加到70MPa;进一步增加固溶碳原子对烘烤硬化性能的增加没有作用。随碳含量的增加,形成的析出物也增加,导致基体强化,这会增加材料的抗拉强度,同时也会少量的影响屈服强度。但是随着碳含量的增加,缺口韧性降低,而HAZ(热影响区)硬度提高,并且钢的延伸率随之下降,当碳含量偏高时,在快速加热和冷却的半平衡状态下(如焊接)会发生局部包晶反应,P、S很容易偏析到奥氏体晶界。因此对含P高的钢,降低碳含量是改善缺口韧性、焊接性以及冲压性最有效的办法之一,因此本发明钢将碳含量控制在0.005%以下以保证产品钢中固溶碳在15~25ppm。
Si:硅能显著提高钢的弹性极限,屈服点和抗拉强度,硅量增加,会降低钢的焊接性能,而本发明所述的耐腐蚀钢要求具有较低的强度和良好的可焊性能,因此,将硅含量设定为0.05%以下。
Mn:锰加入钢中的主要作用为固溶强化提高钢的强度,而在耐腐蚀钢中Mn的作用是有害的,因为其易于形成MnS,对耐蚀性危害较大(当钢中硫含量≥0.01%)。考虑到最终用户需冲压加工成型,就必须在耐蚀的前提下兼顾钢的强度和塑韧性,因此本发明钢的Mn需控制在0.15%以下。
P:提高P含量对改善处于潮湿环境中的钢耐蚀性是非常有效的,但是加入过量的磷会降低缺口韧性和焊接性能,且在后续加工过程会出现二次加工硬化,不利于成形性。当P含量由0.01%提高到0.08%时,钢经五年大气暴露后,重量损失由160mg/cm2减少至90mg/cm2,而P含量超过0.08%后重量损失随P含量的增加而减少是轻微的,因此本发明钢的P含量控制在0.06~0.080%。
S:硫是有害元素(易切削钢除外)。S在δ铁及γ铁中的溶解度都很小,所以钢液在凝固时,随着钢液的凝固,S向未凝固的液体部富集,造成凝固组织偏析,结果使钢的宏观组织极不均匀;其次S可以形成多种硫化物(如FeS、MnS)。硫对焊接性能也不利。钢中S是耐腐蚀钢的大敌,因此要尽可能将S控制极低的水平。
Cu:铜不仅对焊接热影响区硬化及韧性没有不良的影响,还可以使母材的强度、低温韧性大大提高,同时由于Cu的沉淀析出增强了钢的晶间抗腐蚀能力,尤其对抗气体腐蚀(H2S等)的能力。但当钢中铜含量过高时,使钢件在热加工时表面容易产生裂纹。为此,本发明钢中的铜含量设计为0.20~0.35%。
B:钢中加入微量B元素可以有效的防止P在晶界偏析,对改善和消除铸坯纵裂有一定积极的作用,并且为了保证钢的低屈服强度和较高的伸长率,希望通过加入微量的B抑制奥氏体向铁素体转变过程铁素体的形核,促进铁素体晶粒长大。本发明钢设计B含量在0.0010~0.0020%。
该钢耐蚀性的检验方法采用GB/T1771-2007色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定方法进行测定,本试验中,将150mm×100mm×1mm的试样磷化后涂漆,浸入50±5g/l的NaCl溶液中,pH:(6.5~7.2),喷雾压力:(70~170)kPa,降雾量:(1~2.5)ml/h,测定产生锈层的时间和划痕层离宽度及腐蚀宽度。
本发明采用与现有技术相似的制备方法,既可采用常规转炉(或电炉)炼钢+RH精炼+板坯连铸+轧制工艺,也可采用转炉(或电炉)炼钢+RH精炼+薄板坯连铸连轧生产工艺。在整个生产工艺流程中,从成分控制到连铸、热轧、卷取、平整的每一工序都影响热轧板卷的最终性能。
本发明与现有技术相比具有节能环保、成本低、产品质量稳定、抗腐蚀性能好、使用寿命长的优点。上述优点具体为烘烤前抗拉强度Rm为340~350MPa,屈服强度Re1为265~280MPa,伸长率A80为41.5~45.5%,r90≥1.2,n90≥0.18,预变形2%后在170℃下加热20min,BH≥50MPa,相对腐蚀率不高于镀锌板的50%,同等使用环境下寿命可提高1.0倍。
附图说明
图1为镀锌板对比板试样外观。
图2为镀锌板对比板磷化后涂漆外观。
图3为耐腐蚀烘烤硬化钢板试样外观。
图4为耐腐蚀烘烤硬化钢板磷化后涂漆外观。
图5为镀锌板腐蚀后照片,192小时。
图6为镀锌板腐蚀后照片,840小时。
图7为耐腐蚀烘烤硬化钢板腐蚀后照片,192小时。
图8为耐腐蚀烘烤硬化钢板腐蚀后照片,840小时。
具体实施方式
本发明采用15kg真空电磁冶炼炉冶炼出符合设定成分控制范围的钢水后,用50mm×100mm×300mm的结晶器得到小铸坯,铸坯加热到1150℃后进行热轧,热轧重点是控制终轧温度890℃和卷取温度≥680℃以获得理想的力学性能、适合的BH值和良好的抗室温时效性。
采用本发明所述的化学成分,制备了一批次热轧耐缝隙烘烤硬化钢,经过冶炼及浇铸凝固的铸坯加热至1150℃,终轧温度为893℃,卷取温度690℃,轧制成3mm厚钢带,从钢带中间部位截取若干试样进行分析,其化学成分和机械性能分别如表1和表2所示。
表1本发明实施例钢成分wt%
元素 | C | Si | Mn | P | S | Als | Cu | B | Ti |
成分 | 0.005 | 0.03 | 0.13 | 0.064 | 0.006 | 0.0283 | 0.25 | 0.0015 | 0.019 |
表2本发明实施例钢带力学性能对比表
为检测新开发耐腐蚀烘烤硬化钢板的耐腐蚀性,进行了耐盐雾型试验。
试验标准:GB/T1771-2007色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定;
试样尺寸:150mm×100mm×1mm,试样情况见表3;
工作室温度:33~37℃;NaCl浓度:50±5g/l;pH:(6.5~7.2);
喷雾压力:(70~170)kPa;降雾量:(1~2.5)ml/h。
表3试验所用试样情况
编号 | 试样名称 | 片数 | 试样外观 | 磷化后涂漆 |
1 | 镀锌板(对比板) | 3 | 见图1 | 见图2 |
2 | 耐腐蚀烘烤硬化钢板(新开发板) | 3 | 见图3 | 见图4 |
试验结果见表4。从表中数据看,镀锌板在192h时开始出现白锈,意味着表面的镀锌层开始受到腐蚀,在840h时白锈更多;而新开发的耐腐蚀烘烤硬化钢板虽然192h时开始出现红锈,但其在随后的腐蚀过程中腐蚀量很小,表面的锈层起到了防腐蚀的作用,因此在耐腐蚀性能方面(起泡等级、划痕层离宽度、腐蚀宽度等),所开发的耐腐蚀烘烤硬化钢板的耐腐蚀性能优于镀锌板。
表4试验结果
*1号为镀锌板,2号为开发的热轧耐腐蚀烘烤硬化钢板
腐蚀后照片如图5~8所示。
Claims (3)
1.一种热轧耐腐蚀烘烤硬化钢,其特征在于,该钢的化学成分重量百分数为:C:≤0.005%,Si:≤0.05%,Mn:≤0.15%,P:0.06~0.080%,S:≤0.01%,Cu:0.20~0.35%,Ti:0.015~0.025%,B:0.0010~0.0020%,Als:0.020~0.030%,Ca:0.0025~0.0035%余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的热轧耐腐蚀烘烤硬化钢,其特征在于,该钢金相组织结构为铁素体,晶内有少量的渗碳体,晶粒度低于9级;
该钢的性能:抗拉强度Rm为340~350MPa,屈服强度Re1为265~280MPa,伸长率A80为41.5~45.5%,r90≥1.2,n90≥0.18,BH≥50MPa,相对腐蚀率不高于镀锌板的50%,同等使用环境下寿命提高1.0倍。
3.一种权利要求1或2所述热轧耐腐蚀烘烤硬化钢的制备方法,包括炼钢、连铸、均热、热连轧、卷取工序;其特征在于,在工艺中控制的技术参数为:在均热工序温度为1100~1150℃,热连轧工序中终轧温度880~930℃,卷取过程采用多段式控制冷却,先由终冷温度快速冷却到720~760℃,自然冷却4~8s,卷取温度为650~700℃;
经Ca处理后,钢中的夹杂物变性为以CaS为核心的硬质质点,上浮后从钢水中去除,使钢水洁净度提高;采用控制轧制和控制冷却热轧后,该钢板的抗拉强度Rm为340~350MPa,屈服强度Re1为265~280MPa,伸长率A80为41.5~45.5%,r90≥1.2,n90≥0.18,预变形2%后在170℃下加热20min,BH≥50MPa,相对腐蚀率不高于镀锌板的50%,同等使用环境下寿命可提高1.0倍。
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