CN107385348A - 一种精密冲压用冷轧钢板及其制造方法 - Google Patents

一种精密冲压用冷轧钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种精密冲压用冷轧钢板及其制造方法，主要解决现有用于精密冲压加工的冷轧钢板材料内部组织不均匀、带状偏析明显、不能满足高速精密冲压成型要求的技术问题。本发明提供的精密冲压用冷轧钢板，其化学成分重量百分比为：C：0.15～0.19％，Si≤0.1％，Mn：1.0～1.2％，P≤0.015％，S≤0.003％，Cr：0.8～1.0％，Alt：0.015～0.045％，余量为铁和不可避免夹杂。冷轧钢板的带状组织≤1.5B级，球化率≥95％，抗拉强度Rm为400～450MPa，断后伸长率A50为32～44％，洛氏硬度HRB为70～76。本发明冷轧钢板适用于精密冲压汽车发动机零部件。

Description

一种精密冲压用冷轧钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于精密冲压加工的钢板，特别涉及一种精密冲压用冷轧钢板及其制造方法，属于铁基合金技术领域。
背景技术
热连轧机组生产的热轧钢板，经过冷变形及球化退火处理后，改善了内部组织，使材料的强度和韧性得到良好匹配；从而较好地应用于精密冲压行业，如制造汽车、机械、五金、仪器仪表等精密零件。与传统精密零件的加工方法工序多、精度差相比，精密冲压一个工序就可以完成整个零件的制造，具有零件互换性好、成材率高的特点，经济效益显著。
目前我国精冲行业正处于快速发展阶段，对材料内质要求严格，为了达到良好的精冲性能，要求钢带有较低的强度和高的韧性。但是通过减少合金元素来降低强度，往往不能满足材料热处理后最终使用性能要求，所以开发不同用途的精冲材料成为发展精冲技术的关键。根据汽车行业用户加工和使用需求，其所用冷轧钢板应具有如下特性：材料具有高韧性(A50≥30％)，内部组织均匀，无明显带状偏析(≤2.0级)，显微组织为铁素体+粒状珠光体，珠光体球化率良好(≥90％)，易于实现精冲。
中国专利申请CN200910196007.4，公开了一种精密冲压用热轧钢板及其制造方法，其化学成份：C：0.05～0.30％；Si：≤0.50％；Mn：0.50～1.50％；P≤0.02％；S≤0.01％；Cr：0.5～1.5％；Ni：0.02～0.50％；Al：≤0.04％，还包括Ti：≤0.05％；B：0.0005～0.010％中的一种或两种。该专利通过不同程度更多地添加Ni、Ti、B等合金元素，来改变材料的内部组织，提高材料热处理效果，满足零件性能要求。但添加了较多的贵重合金元素，会增加产品制造成本；且成分设计过于宽泛，未公开与生产控制检测、精冲加工较为关键的指标，且强度偏低，不能满足零件最终热处理使用要求。
中国专利申请CN201110429986.0公开了一种MnCr渗碳齿轮钢及其制造方法，用于制作大型齿轮；其化学成份均为：C：0.25～0.30％；Si：≤0.12％；Mn：0.60～0.80％；Cr：0.80～1.10％P：≤0.035％；S：0.020-0.050％，Alt：0.020～0.055％，其余为Fe和不可避免的杂质。该发明采用电炉冶炼，连续浇铸得到连铸坯，热轧轧制成圆钢。在元素成分设计上添加了较高的C，同时添加一定的S含量来保证易切削性能。
发明内容
本发明目的是提供一种精密冲压用冷轧钢板及其制造方法，主要解决现有用于精密冲压加工的冷轧钢板材料内部组织不均匀、带状偏析明显、球化退火不完全、材料强度偏高、不能满足高速精密冲压成型要求的技术问题。
本发明通过采用合适的成分设计，热轧、冷轧和退火工艺设计，通过控制片状珠光体球化效果，获得材料强度和韧性的良好匹配，满足了汽车发动机零件的精冲加工需求。
本发明采用的技术方案是：一种精密冲压用冷轧钢板，其化学成分重量百分比为：C：0.15～0.19％，Si≤0.1％，Mn：1.0～1.2％，P≤0.015％，S≤0.003％，Cr：0.8～1.0％，Alt：0.015～0.045％，余量为铁和不可避免夹杂。
本发明精密冲压用冷轧钢板的化学成分限定在上述范围内的理由如下：
碳：碳是影响材料球化退火及淬火后硬度的元素，本发明采用较低的碳含量设定，碳含量为0.15～0.19％。若碳含量小于0.15％时，淬火后不能得到零件所要求的硬度；若碳含量超过0.19％时，则材料硬度过高，不利于精冲成型。
硅：硅作为冶炼时的一种脱氧剂加入钢中，具有一定的脱氧、脱硫效果。但大量含有时会使铁素体相硬化，加工性能降低，并且钢中Si在热轧过程中钢卷表面产生锈红氧化铁皮缺陷，对精冲钢产品外观影响很大。因此本发明限定Si≤0.1％。
锰：锰是固溶强化元素，并且能显著提高淬透性，为了得到此效果，希望含量大于1.0％，但超过1.2％时，随着Mn含量增加，强度过高，加工性能降低。因此本发明限定Mn含量为1.0～1.2％。
磷：磷为杂质元素，偏析于晶界使加工性能下降，希望尽可能减少其含量，但考虑到工艺设备控制能力和脱磷成本，本发明限定P≤0.015％。
硫：硫为杂质元素，在钢中形成MnS等夹杂物，影响精冲性能。希望尽可能减少其含量，但考虑到实际工艺控制能力和脱硫成本，本发明限定S≤0.003％。
铬：铬是碳化物形成元素，可形成多种合金碳化物；并抑制热轧后冷却过程中铁素体的生成，得到细小的铁素体晶粒和碳化物。铬可显著提高钢的淬透性，该类钢要求含量在0.8％以上。但含量过多会使合金成本增加，强度增加，同时也降低了精冲加工性能。因此本发明限定Cr含量为0.8～1.0％。
铝：铝在本发明中的作用是起到脱氧以及结合游离态氮的作用，铝是强氧化性形成元素，和钢中氧形成Al2O3在炼钢时去除。铝除了和氧结合外，还和钢中的氮结合，形成化合态的AlN，防止奥氏体晶粒的粗大。随着铝含量的增加，以上效果下降显著；同时铝过高会形成过多的Al2O3夹杂，在连铸浇注时容易堵塞浇注水口；本发明限定Alt含量为0.015～0.045％。
一种精密冲压用冷轧钢板的制造方法，该方法包括：
钢水经真空脱气处理后进行连铸得到连铸板坯，其中所述钢水成分的重量百分比为：C：0.15～0.19％，Si≤0.1％，Mn：1.0～1.2％，P≤0.015％，S≤0.003％，Cr：0.8～1.0％，Alt：0.015～0.045％，余量为铁和不可避免夹杂；
连铸板坯于1170～1210℃，加热150～240min后进行进行热轧，所述的热轧为两段式轧制工艺，粗轧为5道次连轧，在奥氏体再结晶温度以上轧制；精轧为7道次连轧，在奥氏体非再结晶温度区轧制，精轧结束温度为810～860℃，精轧后钢板厚度为5.0～9.0mm，精轧后层流冷却采用前段强冷，480～540℃卷取得到热轧钢卷；
热轧钢卷重新开卷后经酸洗、冷轧、罩式退火炉退火、卷取得到厚度为3.0mm～6.0mm成品冷轧钢板，所述冷轧压下率为25％～40％，经过冷轧后的轧硬状态带钢在罩式退火炉退火的均热段温度为690～700℃，带钢在均热段的退火时间为16h～18h。
本发明采取的制造工艺制度理由如下：
1、连铸板坯加热温度和加热时间的设定
连铸板坯加热温度和时间的设定在于保证连铸坯中C、Mn、Cr等合金元素充分扩散、固溶，粗大的碳化物颗粒溶解，在钢中均匀分布。温度过低和加热时间过短，都不能达到上述目的。采用中等的板坯加热温度，目标温度1190℃，若温度过高，加热时间过长，由于钢中碳含量较高，板坯表面氧化脱碳严重，不利于钢板最终性能和表面质量，同时也消耗能源。因此，本发明设定连铸板坯加热温度为1170℃～1210℃，加热时间为150～240min。
2、粗轧结束温度设定
粗轧轧制过程控制在奥氏体再结晶温度以上轧制，经热力学计算，本发明材料的A3点相变温度(平衡态铁素体转变)为806.4℃。为确保奥氏体经过反复变形和再结晶，得到均匀细小的奥氏体晶粒。因此，本发明设定粗轧结束温度为1010～1060℃。
3、精轧结束温度设定
本发明的精轧温度设定有两方面的作用，一方面通过材料在奥氏体未再结晶区轧制，得到内部有变形带的扁平状奥氏体晶粒，在随后的层流冷却过程中转变成细小的铁素体晶粒，起到细化晶粒，减轻带状偏析的作用；另一方面，因为材料强度较高，终轧温度过低，会导致轧制负荷过大，影响轧制稳定性。因此，本发明设定精轧结束温度为810～860℃。
4、精轧后层流冷却方式的设定
本发明精轧后层流冷却采用前段冷却工艺，能够促进精轧后材料组织中奥氏体快速转变为铁素体，且晶粒细化，组织均匀，减轻带状偏析。
5、热轧卷取温度设定
热轧卷取温度主要影响材料的组织、性能及后续的球化退火效果。采取较低的卷取温度，能够减少先共析铁素体生成，防止珠光体片层间距粗大，使组织分布均匀，减轻带状偏析。但热轧卷取温度过低，会生成大量贝氏体组织，强度过高，不利于用户加工。因此，本发明设定热轧卷取温度为480～540℃。
6、冷轧压下率设定
在冷轧工序中决定钢材质量的主要参数是冷轧变形量。它是提高钢带尺寸精度的重要手段，满足连续精冲加工要求，同时能够促进片状珠光体断裂，材料内部位错密度大量增加，为珠光体球化转变提供了更多能量。但过高的变形量会带来冷轧轧机负荷过大，冷轧轧制道次增加，冷轧轧制成本大量增加。综合考虑，本发明优选冷轧压下率为25～40％。
7、退火温度和退火时间设定
本发明采用罩式退火炉退火，经热力学计算，本发明材料的A1点相变温度(平衡态珠光体转变)为729.2℃。考虑到前工序冷轧变形累积效果，促进片状珠光体提前球化，一般在A1点温度以下进行退火。过高的退火温度则会造成铁素体晶粒粗大以及钢带表面脱碳明显，影响材料最终使用性能。为改善球化退火效果，本发明设定钢带在罩式退火炉均热段的退火温度为690～700℃。
退火时均热段保温时间也很关键；保温时间过短，则层片状珠光体链未能完全熔断、断开；不能产生细小球状颗粒，形成弥散分布；若保温时间过长，则粒状渗碳体又会重新长大、团聚在一起，形成层片状偏析，导致材料韧性下降，不利于后续精冲加工。为提高球化退火效果，本发明钢带在均热段的时间为16h～18h。
本发明方法生产的精密冲压用冷轧钢板的热轧原板的金相组织为细小铁素体+片状珠光体+少量贝氏体。
本发明方法生产的精密冲压用冷轧钢板的金相组织为块状铁素体+粒状渗碳体，组织晶粒度为I 8.5～10.5级，带状组织≤1.5B级，球化率≥95％，屈服强度RP0.2为200～270MPa，抗拉强度Rm为400～450MPa，断后伸长率A50为32～44％，洛氏硬度HRB为70～76。
本发明相比现有技术具有如下积极效果：1、本发明通过成分设计中采用中等碳含量，并添加一定量Mn、Cr普通合金元素方法，结合热轧、冷轧工艺设计，得到了一种不含Ni、Ti、B等贵重合金元素的精密冲压用冷轧钢板，冷轧钢板屈服强度RP0.2为200～270MPa，抗拉强度Rm为400～450MPa，断后伸长率A50为32～44％，性能波动范围小，冲压韧性良好；满足了精冲成型和热处理后零件硬度要求的要求，合金消耗较少，制造成本低。2、本发明通过优化控制热轧终轧温度、热轧轧后冷却工艺及卷取温度，充分发挥Mn、Cr合金元素的细晶作用；得到热轧原板组织为细小铁素体+片状珠光体+少量贝氏体组织；通过控制冷轧变形量，在保证带钢厚度精度的同时，有效促进退火过程中层片状珠光体的球化转变，进而降低退火温度和保温时间，减少能源消耗。3、本发明通过采用合理的退火工艺，使得退火钢卷组织中片状珠光体球化率达到95％，且弥散分布。冷轧钢板强度明显降低，韧性优良，性能均匀性好，满足了高速精密冲压汽车发动机零部件的需求。
附图说明
图1为本发明实施例4的热轧钢板金相组织照片。
图2为本发明实施例4的冷轧退火钢板金相组织照片。
具体实施方式
下面结合实施例1～4，对本发明做进一步说明，如表1～表4所示。
表1为本发明实施例钢的化学成分(按重量百分比计)，余量为Fe及不可避免杂质。
表1 本发明实施例钢的化学成分，单位：重量百分比。
元素 C Si Mn P S Cr Alt
本发明 0.15-0.19 ≤0.1 1.0-1.2 ≤0.015 ≤0.003 0.8-1.0 0.015-0.040
实施例1 0.174 0.0183 1.089 0.0113 0.0025 0.848 0.0256
实施例2 0.152 0.0831 1.159 0.0127 0.0014 0.934 0.0282
实施例3 0.165 0.0227 1.101 0.0141 0.0005 0.903 0.0196
实施例4 0.181 0.0406 1.053 0.0078 0.0009 0.881 0.0347
通过转炉熔炼得到符合化学成分要求的钢水，钢水经LF钢包精炼炉精炼工序深脱硫和合金成分微调，RH炉进行真空循环脱气处理，RH纯脱气时间大于10分钟，后进行板坯连铸得到连铸板坯；连铸板坯厚度为210～230mm，宽度为900～1600mm，长度为8500～11000mm。
炼钢生产的定尺板坯送至加热炉再加热，出炉除鳞后送至热连轧机组轧制。通过粗轧和精轧连轧机组控制轧制，经层流冷却后进行卷取，层流冷却采取前段强冷方式，产出合格热轧钢卷。热轧钢板的厚度为5.0～9.0mm，参见图1，热轧钢板的组织为细小铁素体+片状珠光体+少量贝氏体。热轧工艺控制参数见表2。
表2 本发明实施例热轧工艺控制参数
将上述热轧钢卷重新开卷后进行酸洗，按照宽度规格要求分条后，在可逆轧机或5机架冷连轧机上进行冷轧，冷轧压下率为25～40％；冷轧后的轧硬状态钢板经过罩式退火炉退火、卷取得到厚度为3.0～6.0mm的成品冷轧钢板，退火工艺为：钢板在罩式退火炉退火(均热段)温度690～700℃，退火(均热段)时间为16h-18h。冷轧、退火工艺控制参数见表3。
表3 本发明实施例冷轧、退火工艺控制参数
冷轧、退火参数 冷轧压下率/％ 退火温度/℃ 退火时间/h 冷轧钢板厚度/mm
本发明 25～40 690～700 16～18 3.0-6.0
实施例1 32 695 16.0 4.1
实施例2 40 698 17.0 3.1
实施例3 28 700 17.5 5.0
实施例4 35 692 16.5 5.5
利用上述方法得到的精密冲压用冷轧钢板，参见图2，冷轧退火钢板的金相显微组织为块状铁素体基体+弥散分布粒状渗碳体，组织晶粒度级别为I 8.5～10.5级，带状组织≤1.5B，球化率≥95％，冷轧钢板屈服强度RP0.2为220～270MPa，抗拉强度Rm为400～450MPa，断后伸长率A50为32～44％，洛氏硬度HRB为70～76。
将本发明得到的精密冲压用冷轧钢板按照金属材料拉伸试验方法(GB/T 228.1)、钢的显微组织评定方法(GB/T 13299)、金属材料洛氏硬度试验方法(GB/T 230.1)进行拉伸、显微组织、硬度检测，冷轧钢板的力学性能见表4。
表4 本发明实施例冷轧钢板的力学性能
本发明得到的冷轧钢板具有较高的韧性，性能稳定；内部组织无明显带状偏析性，珠光体球化充分、分布均匀；满足精密冲压要求。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种精密冲压用冷轧钢板，其化学成分重量百分比为：C：0.15～0.19％，Si≤0.1％，Mn：1.0～1.2％，P≤0.015％，S≤0.003％，Cr：0.8～1.0％，Alt：0.015～0.045％，余量为铁和不可避免夹杂。
2.如权利要求1所述的精密冲压用冷轧钢板，其组织为块状铁素体+粒状渗碳体，所述组织的晶粒度为I 8.5～10.5级，带状组织≤1.5B级，球化率≥95％。
3.如权利要求1或2所述的精密冲压用冷轧钢板，其3.0～6.0mm厚冷轧钢板的屈服强度RP0.2为200～270MPa，抗拉强度Rm为400～450MPa，断后伸长率A50为32～44％，洛氏硬度HRB为70～76。
4.一种精密冲压用冷轧钢板的制造方法，包括：
钢水经真空脱气处理后进行连铸得到连铸板坯，其中所述钢水化学成分的重量百分比为：C：0.15～0.19％，Si≤0.1％，Mn：1.0～1.2％，P≤0.015％，S≤0.003％，Cr：0.8～1.0％，Alt：0.015～0.045％，余量为铁和不可避免夹杂；
连铸板坯于1170～1210℃，加热150～240min后进行热轧，所述的热轧为两段式轧制工艺，粗轧为5道次连轧，在奥氏体再结晶温度以上轧制；精轧为7道次连轧，在奥氏体非再结晶温度区轧制，精轧结束温度为810～860℃，精轧后层流冷却采用前段强冷，480～540℃卷取得到热轧钢卷；
热轧钢卷重新开卷后经酸洗、冷轧、罩式退火炉退火、卷取得到厚度为3.0mm～6.0mm成品冷轧钢板，所述冷轧压下率为25％～40％，经过冷轧后的轧硬状态带钢在罩式退火炉退火，均热段温度为690～700℃，带钢在均热段的退火时间为16h～18h。
5.如权利要求4所述的精密冲压用冷轧钢板的制造方法，其特征在于，热轧精轧后，控制热轧钢板厚度为5.0mm～9.0mm。
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