CN111304543B - 一种具有优异焊接性能的耐低温热镀锌钢板及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有优异焊接性能的耐低温热镀锌钢板及其生产方法，所述基板包括以下质量百分比的化学成分：C：≤0.003％，Si：≤0.02％，Mn：0.06～0.30％，P：≤0.010％，S：≤0.008％，Als：0.025～0.065％，Ti：0.01～0.07％，Nb：0.01～0.05％，B：0.0005～0.005％，N：0.0005～0.008％，O：＜0.004％，且Cu+Ni+Cr+Mo+Sn+As≤0.03％，且满足[P]＜[B]+[Mn]/10及[Nb]+[N]＞[Ti]+[B]，余量为Fe及不可避免的杂质；所述镀层中总铝质量百分含量控制在0.18～0.23％；经炼钢、连铸、火焰清理、热轧、酸洗、冷轧、退火、镀锌、光整、钝化工艺进行生产，生产出的热镀锌钢板具有良好的超深冲性能、耐腐蚀性能，钢板的A80延伸率≥45％、r值≥2.5，钢板在中性盐雾下72h内无腐蚀，同时具有优异的焊接性能，能够满足螺柱焊接的要求，而且符合在寒冷地区‑50℃的服役要求。

Description

一种具有优异焊接性能的耐低温热镀锌钢板及其生产方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种具有优异焊接性能的耐低温热镀锌钢板及其生产方法。
背景技术
家电、汽车、燃气仪表行业的多数零件对材料耐蚀性有一定要求，一般使用热镀锌等耐蚀镀层钢板制造，而且经常需要焊接螺钉、螺柱、栓钉等来固定线路，螺柱焊接因在生产效率、焊工劳动环境方面存在巨大的优势而被广泛采用，因此，材料在具有优良耐腐蚀性的基础上，还必须具有优异的焊接性能，以满足螺柱焊接的要求。部分零件形状较为复杂，要求材料具有良好的超深冲性能，同时，在保证成形性的基础上，在严寒区域使用环境(-50℃)下要求材料具有良好的耐低温性能。而普通的超深冲级热镀锌钢板不能满足耐低温、易焊接的服役要求。
以下对国内现有已公开的低温钢的生产方法及技术现状作简要分析：
以下对国内现有已公开的具有优异焊接性能、耐低温性能的钢板的生产方法及技术现状作简要分析：
中国专利号为CN 109252090 A的《高硅含量345MPa级低温韧性结构钢板及制造方法》，化学成分按重量百分比如下：C:0.06％～0.10％，Mn:1.30％～1.60％，Si:0.50％～0.80％，P≤0.020％，S≤0.005％，Nb:0.015％～0.030％，Ti≤0.020％，Alt:0.020％～0.050％，N≤0.006％，CEV≤0.40％，余量为Fe和杂质，其中CEV＝C+Mn/6+Si/24+Cr/5+Ni/40+Cu/13+V/14+P/2。：本发明在Si含量0.50％～0.80％的基础上，采用低碳成分设计，加入较低含量的Nb、Ti微合金化，不添加Ni、V等贵重合金元素钢板低温冲击性能优异，可以满足低温服役、易焊接等使用要求。该专利为热轧结构钢板，不涉及热镀锌工艺，厚度为6mm～50mm，且强度较高，不适合复杂变形。
中国专利号为CN《一种易焊接高性能钢板的控制冷却方法》，化学成分按重量百分比如下：为C：0.05-0.09％、Si：0.1-0.25％、Mn：1.55-1.65％、Nb：0.025-0.035％、V：0.025-0.035％、Cr：0.20-0.30％、B：0.0008-0.0025％、Alt：0.020-0.045％、Ti0.015-0.030％、低焊接裂纹敏感性指数Pcm值小于0.21％的钢坯，在未再结晶区轧制成最终为12-60mm厚度钢板，根据最终钢板性能要求不同，然后采取不同的在线冷却模式，充分发挥轧后冷却时的位错强化、析出强化、相变强化的作用，根据不同性能要求对微观组织进行控制，获得适宜的复相组织，生产的钢板组织均匀、屈强比低、塑性高、低温韧性优异，钢板焊前无须预热、焊后无须热处理，以生产线的柔性、灵活性应对用户的个性化需求。该专利为高强度钢板，抗拉强度大于700MPa，通过热处理的方式获得，不涉及热镀锌工艺，且用于工程机械、特种汽车、重型钢结构等行业。
中国专利号为CN 101545077 B的《一种低温用钢及其制造方法》，化学成分按重量百分比如下：C：0.060％～0.090％，Si：≤0.20％，Mn：1.10％～1.50％，P：≤0.015％，S：≤0.003％，Als：0.040％～0.070％，Cu：0.05％～0.45％，Ni：0.05～0.35％，Cr：0.05％～0.30％，Ti：0.007％～0.011％，Nb：0.007％～0.020％，N：≤0.0040％，Ca：0.001％～0.005％，其余为Fe和不可避免的夹杂。优化控轧及后续热处理工艺，获得极高的超低温韧性，而且钢板可承受大线能量焊接。该专利用于石油天然气管线、低温储气罐体LPG、LNG，该专利为低碳钢，不审核复杂变形，且含有Ni、Cr等成本较高的合金元素。
关于已公开的具有优异焊接性能、耐低温性能的钢板：(1)主要为高强钢，超深冲性能较差，用途工程机械、特种汽车、重型钢结构、天然气管线、低温储气罐体；(2)钢板厚度较厚，不适合汽车、家电、燃气仪表领域轻量化的要求；(3)通过热处理的方式，获得高的耐低温性能，未涉及连续热镀锌工艺的优化控制；目前尚未***的方法涉及具有优异焊接性能的耐低温热镀锌钢板及其生产方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种具有优异焊接性能的耐低温热镀锌钢板及其生产方法，通过添加B元素，减少P元素在晶界的偏析，通过控制杂质元素P、S、O、控制残余元素Cu、Ni、Cr、Mo、Sn、As，以提高钢水纯净度，改善材料的耐低温性能，通过控N处理、添加Nb元素，以改善材料的焊接性能，通过热镀锌钢板表面处理控制，进一步地提高材料的焊接性能，配合全流程工艺控制，获得的热镀锌钢板耐低温性能、焊接性能优异，并且具有良好的耐腐蚀性。
本发明采取的技术方案为：
一种具有优异焊接性能的耐低温热镀锌钢板及其生产方法，包括基板和镀层，所述基板包括以下质量百分比的化学成分：C：≤0.003％，Si：≤0.02％，Mn：0.06～0.30％，P：≤0.010％，S：≤0.008％，Als：0.025～0.065％，Ti：0.01～0.07％，Nb：0.01～0.05％，B：0.0005～0.005％，N：0.0005～0.008％，O：＜0.004％，且Cu+Ni+Cr+Mo+Sn+As≤0.03％，将Ti含量(％)标记为[Ti]、将Nb含量(％)标记为[Nb]，将Mn含量(％)标记为[Mn]，将P含量(％)标记为[P]，将B含量(％)标记为[B]，将N含量(％)标记为[N]，以上成分满足以下公式：(a)[P]＜[B]+[Mn]/10；(b)[Nb]+[N]＞[Ti]+[B]，余量为Fe及不可避免的杂质。所述镀层中总铝质量百分含量控制在0.18～0.23％。
所述基板优选为包括以下质量百分比的化学成分：C：0.005～0.003％，Si：0.002～0.010％，Mn：0.08～0.20％，P：≤0.008％，S：≤0.008％，Als：0.030～0.060％，Ti：0.020～0.050％，Nb：0.020～0.050％，B：0.0006～0.035％，N：0.0006～0.007％，O：＜0.003％，且Cu+Ni+Cr+Mo+Sn+As≤0.03％，且满足公式(a)[P]＜[B]+[Mn]/10；公式(b)[Nb]+[N]＞[Ti]+[B]，余量为Fe及不可避免的杂质；
本发明还提供了所述具有优异焊接性能的耐低温热镀锌钢板的生产方法，所述生产方法包括以下步骤：
1)铁水预处理；
2)转炉冶炼；
3)合金微调站；
4)RH炉精炼；
5)连铸；
6)铸坯进行火焰清理；
7)热轧；
8)酸洗；
9)冷轧；
10)连续退火；
11)热浸镀锌；
12)光整；
13)钝化。
进一步地，步骤1)中，要求前扒渣和后扒渣；
步骤2)中，不加生铁、渣钢；采用自循环废钢出钢，强化转炉脱磷，加强挡渣操作；出钢过程加石灰，不进行脱氧。
步骤3)中，进行钢包顶渣改质。
步骤4)中，RH采用轻处理工艺，如需吹氧，则根据温度和氧位在前中期吹入氧气；破空前保证净循环时间不小于6min。
步骤5)中，中包目标温度控制在液相线温度以上20～40℃。
步骤7)中，铸坯出炉温度控制在1170℃～1210℃；终轧温度控制在900℃～950℃；卷取温度控制在700℃～760℃。
步骤8)中，采用喷流式酸洗，酸槽的温度为80℃～90℃。
步骤9)中，采用五机架连轧，冷轧总压下率控制在70％～85％。
步骤10)中，连续退火温度控制在820℃～860℃。
步骤11)中，锌液温度为450～465℃，锌液中的总铝质量百分含量控制在0.18～0.23％。
步骤12)中，光整延伸率控制在0.5％～2.0％。
步骤13)中，钝化膜重量控制在0.5～1.0g/m2；所述钝化工艺为：涂辊压力为2800～5000N，固化炉温度为180～230℃，热镀锌钢板表面钝化处理可以增加材料的耐腐蚀性能。钝化膜重量较高时将影响材料的焊接性能，钝化膜重量较低时将对材料的耐腐蚀性不利，因此，本专利的钝化膜重量控制在0.5～1.0g/m2。
本发明公开的适合低温环境的燃气仪表壳体用热镀锌板生产主要基于以下原理：
碳(C)：C是钢中对性能影响最大的元素，C含量增高会使钢的强度增加，但使塑性下降、冲压性能变坏，为获得良好的深冲性能，一般IF钢要求C元素含量≤0.007％，超深冲钢对C含量的控制要求更高。因此，本专利优选地C元素含量控制为≤0.003％。
硅(Si)：Si在钢中具有较强的强化作用，但Si易形成氧化物，不利于酸洗，退火后表面容易形成氧化色，而且还降低钢板的涂镀性。因此，本发明采用低硅控制，Si元素的含量≤0.02％。
锰(Mn)：Mn是脱氧的主要元素，适量添加Mn元素对钢的低温冲击性能有利，但添加过多的Mn会增加钢的淬透性，而且，在连铸过程中易导致偏析程度增大，对塑性、焊接性能、疲劳性能都不利。因此，本发明中Mn元素百分含量控制范围为0.06～0.30％。
磷(P)：P为钢中不可避免的有害杂质，对钢的冲压性能、冷脆性、二次加工脆性等均有不良影响，应严格控制钢中P元素的含量。因此，本发明的P元素百分含量控制范围为≤0.010％。
硫(S)：S为钢中不可避免的有害杂质，对钢的焊接性能、冷弯性能、韧性均产生不利影响，应严格控制钢中S元素的含量。因此，本发明的S元素百分含量控制范围为≤0.008％。
铝(Al)：Al为了脱氧而添加的，当Als含量不足0.01％时，不能发挥其效果；另一方面，由于添加多量的铝容易形成氧化铝夹杂物。因此，本发明的Als元素百分含量控制范围为0.025～0.060％。
钛(Ti)：Ti是钢中强脱氧剂，它能使钢的内部组织致密，细化晶粒，提高钢的强度，改善焊接性能，但Ti含量过多时，将与钢中的N结合，形成大尺寸的TiN粒子，将促进钢中裂纹的萌生。因此，本发明的Ti元素百分含量控制范围为0.01～0.07％。
铌(Nb)：Nb能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度和韧性，可改善材料的焊接性能。本发明控制Nb百分含量控制范围为0.01％～0.05％。
硼(B)：微量的B元素可使晶粒细化，增加组织的均匀性，B元素还可以阻碍P元素在晶界的偏析，从而提高钢的低温冲击性能，但B过高时易与O、N等形成非金属夹杂。因此，本专利的B元素百分含量控制范围为0.0005～0.005％。
氮(N)：N能提高钢的强度、低温韧性和焊接性，但过高时将与B形成BN，导致热塑性较差，且过高的N将偏析分布于晶界，影响钢的低温韧性。因此，本发明将N元素百分含量控制范围为0.0005～0.008％。
氧(O)：O为钢中不可避免的有害杂质，主要以氧化物系非金属夹杂物的形式存在于钢中，将引起应力集中，导致产生微裂纹，降低韧性，应严格控制钢中O元素的含量。因此，本发明的O元素百分含量控制范围为＜0.004％。
控制残余元素Cu、Ni、Cr、Mo、Sn、As含量：炼钢原料废钢、铁水、铁合金等在炼钢过程中，通常将大量的杂质元素带入炉中，在冶炼过程中一部分杂质元素可以去除，一部分最终残留在钢中，过高的残余元素将在钢种偏析，影响钢的低温性能。因此，本发明的残余元素Cu+Ni+Cr+Mo+Sn+As百分含量控制范围为≤0.03％。
控制公式(a)[P]＜[B]+[Mn]/10：P元素易在晶界偏析，造成材料在低温开裂，B元素可以阻碍P在晶界的偏析，Mn元素可增加材料的低温冲击性能，二者综合作用可提高材料的耐低温性能，但若[P]大于[B]+[Mn]/10，材料的耐低温性能将变坏。因此，为使材料获得良好的耐低温性能，本发明控制[P]＜[B]+[Mn]/10。
控制公式(b)[Nb]+[N]＞[Ti]+[B]：N元素可提高材料的焊接性能，但N元素含量较少时，将与Ti元素、B元素结合，起不到应有的作用，同时，Nb元素与Ti元素复合对材料焊接性能的改善远大于单一成分，但Ti元素与钢中的C、N结合的活性要远大于Nb元素，当Ti元素较多时，将促进裂纹的形成。因此，为使材料获得良好的焊接性能，本发明控制[Nb]+[N]＞[Ti]+[B]。
铸坯扒皮处理：尺寸大于10μm的非金属夹杂物主要存在于连铸坯0～4mm表层内，且在1～3mm表层内大尺寸夹杂物的数量最多，而在距表面超过4mm的连铸坯内部，大尺寸夹杂物的数量很少。通过对铸坯表面进行火焰清理，可显著降低表面裂纹、皮下气泡、夹渣等缺陷，是提高成品卷表面质量的最有效方式。因此，本专利对铸坯进行扒皮处理。
本发明通过通过对化学成分进行合理设计，控制钢水洁净度，控制钢板表面处理，并对炼钢、热轧、酸洗、冷轧、退火、镀锌、光整、钝化工艺进行全流程控制，生产出的热镀锌钢板基体组织为铁素体，晶粒度为8.5级以上，成品具有良好的超深冲性能、耐腐蚀性能，钢板的A80延伸率≥45％、r值≥2.5，钢板在中性盐雾下72h内无腐蚀，同时具有优异的焊接性能，能够满足螺柱焊接的要求，而且符合在寒冷地区-50℃的服役要求。
附图说明
图1为实施例1中的热镀锌钢板基体金相组织；
图2为实施例1中的热镀锌钢板螺柱焊接后的宏观形貌；
图3为比较例2中的热镀锌钢板螺柱焊接后的宏观形貌；
图4为实施例1中的热镀锌钢板螺柱焊接后的焊缝处微观形貌；
图5为比较例3中的热镀锌钢板螺柱焊接后的焊缝处微观形貌；
图6为比较例4中的热镀锌钢板螺柱焊接后的焊缝处微观形貌；
图7为实施例1中的热镀锌钢板在中性盐雾下72h的宏观形貌；
图8为比较例1中的热镀锌钢板在中性盐雾下72h的宏观形貌。
具体实施方式
根据本发明中的优异焊接性能的耐低温热镀锌钢板的化学成分、炼钢、热轧、酸洗、冷轧、连续热镀锌、光整工艺要求，通过各实施具体说明本专利。
各实施例及比较例中的热镀锌板，包括基板和镀层，基板的化学成分如表1所示，其余为Fe和不可避免的杂质元素，实施例的残余元素Cu+Ni+Cr+Mo+Sn+As≤0.03％，且满足[P]＜[B]+[Mn]/10及[Nb]+[N]＞[Ti]+[B]；镀层中总铝质量百分含量控制在0.18～0.23％。
表1实施例化学成分，wt％
样例 C Si Mn P S Als Ti Nb B N O
实施例1 0.003 0.003 0.08 0.007 0.008 0.040 0.040 0.045 0.0010 0.0070 0.0017
实施例2 0.002 0.010 0.16 0.006 0.007 0.030 0.025 0.030 0.0020 0.0006 0.0009
实施例3 0.003 0.005 0.11 0.008 0.005 0.060 0.045 0.050 0.0006 0.0060 0.0008
实施例4 0.001 0.002 0.20 0.006 0.004 0.055 0.020 0.020 0.0035 0.0040 0.0030
比较例1 0.003 0.005 0.11 0.012 0.013 0.039 0.040 0.030 / 0.0090 0.0120
比较例2 0.001 0.009 0.15 0.014 0.010 0.043 0.067 0.005 / 0.0003 0.0050
比较例3 0.003 0.006 0.06 0.012 0.009 0.035 0.060 / 0.0006 0.0020 0.0010
比较例4 0.005 0.020 0.12 0.008 0.007 0.040 0.065 0.020 0.0050 0.0200 0.0060
各实施例的热镀锌板的生产方法如下，比较例不进行步骤6)操作：
1)铁水预处理：要求前扒渣和后扒渣；
2)转炉冶炼：不加生铁、渣钢；采用自循环废钢出钢，强化转炉脱磷，加强挡渣操作；出钢过程加石灰，不进行脱氧；
3)合金微调站：进行钢包顶渣改质；
4)RH炉精炼：RH采用轻处理工艺，如需吹氧，则根据温度和氧位在前中期吹入氧气；破空前保证净循环时间不小于6min；
5)连铸：中包目标温度控制在液相线温度以上20～40℃；
6)铸坯进行火焰清理，去除表面氧化铁皮；
7)热轧；
8)酸洗：采用喷流式酸洗；
9)冷轧；
10)连续退火；
11)热浸镀锌；
12)光整；
13)钝化。
上述各工艺主要工艺参数及最终性能分别如表2、表3所示。
表2生产工艺参数
Figure BDA0002444336490000101
Figure BDA0002444336490000111
表3产品性能
Figure BDA0002444336490000112
钢板先经过冲压成形为零件，分别进行耐低温试验和螺柱焊接试验。零件在低温环境下进行撞击试验，在螺柱焊机上进行焊接试验，表3为实施例和比较例的耐低温、螺柱焊接试验结果。图1为实施例1中的热镀锌钢板基体金相组织，可以看出：基体金相组织为，晶粒度为8.5级；图2为实施例1焊接试验后的宏观形貌，图3为比较例2焊接试验后的宏观形貌，可以看出：比较例2的焊缝与基体未熔合；图4为实施例1中的热镀锌钢板螺柱焊接后的焊缝处微观形貌，图5为比较例3中的热镀锌钢板螺柱焊接后的焊缝处微观形貌，图6为比较例4中的热镀锌钢板螺柱焊接后的焊缝处微观形貌，可以看出：实施例1焊缝无夹层，熔化良好，比较例3和比较例4在焊缝中间明显分布白色的“夹层”，使螺钉和钢板之间形成固相连接，在力矩的作用下容易脱落；图7为实施例的盐雾腐蚀结果，图8为比较例1的盐雾腐蚀结果，可以看出：实施例在中性盐雾下72h无锈蚀，比较例1在72h内已出现红锈。
表3耐低温试验、螺柱焊接试验结果
Figure BDA0002444336490000121
从上述内容可以看出，采用本发明生产工艺生产的热镀锌钢板表面质量较好，超深冲性能、耐腐蚀性能较好，钢板的A80延伸率≥45％、r值≥2.5，钢板在中性盐雾下72h内无腐蚀，符合在寒冷地区-50℃的服役要求，同时具有良好的焊接性能，能够满足螺柱焊接的要求。本发明的核心生产工艺除适用于生产热镀锌钢板外，同样适用于需要退火工序的其它涂镀层产品，如镀铝钢板、镀锌铝镁钢板、镀铝硅钢板、镀铜钢板等及冷轧退火产品，同样具有较好的超深冲性能低温韧性、焊接性能的优点。
上述参照实施例对一种具有优异焊接性能的耐低温热镀锌钢板及其生产方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有优异焊接性能的耐低温热镀锌钢板，包括基板和镀层，其特征在于，所述基板包括以下质量百分比的化学成分：C：≤0.003％，Si：≤0.02％，Mn：0.06～0.30％，P：≤0.010％，S：≤0.008％，Als：0.025～0.065％，Ti：0.01～0.07％，Nb：0.01～0.05％，B：0.0005～0.005％，N：0.0005～0.008％，O：＜0.004％，且Cu+Ni+Cr+Mo+Sn+As≤0.03％，且满足[P]＜[B]+[Mn]/10及[Nb]+[N]＞[Ti]+[B]，余量为Fe及不可避免的杂质；所述镀层中总铝质量百分含量控制在0.18～0.23％；
所述耐低温热镀锌钢板的基体组织为铁素体。
2.一种如权利要求1所述的具有优异焊接性能的耐低温热镀锌钢板的生产方法，所述生产方法包括以下步骤：
1)铁水预处理；
2)转炉冶炼；
3)合金微调站；
4)RH炉精炼；
5)连铸；
6)铸坯进行火焰清理；
7)热轧；
8)酸洗；
9)冷轧；
10)连续退火；
11)热浸镀锌；
12)光整；
13)钝化。
3.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤4)中，RH采用轻处理工艺，破空前保证净循环时间不小于6min。
4.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤7)中，铸坯出炉温度控制在1170℃～1210℃；终轧温度控制在900℃～950℃；卷取温度控制在700℃～760℃。
5.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤8)中，采用喷流式酸洗，酸槽的温度为80℃～90℃。
6.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤9)中，采用五机架连轧，冷轧总压下率控制在70％～85％。
7.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤10)中，连续退火温度控制在820℃～860℃。
8.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤11)中，锌液温度为450～465℃，锌液中的总铝质量百分含量控制在0.18～0.23％。
9.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤12)中，光整延伸率控制在0.5％～2.0％。
10.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤13)中，钝化膜重量控制在0.5～1.0g/m2。
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