CN112458382B - 一种550MPa级汽车结构用钢及生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种550MPa级汽车结构用钢及生产方法，化学成分按质量百分比计：C：0.075％～0.10％、Si：0.02％～0.10％、Mn：1.50％～1.80％、Al：0.020％～0.040％、Nb：0.045％～0.055％、V：0.010％～0.030％、Cr：0.25％～0.35％、Cu：0.30％～0.90％、Sb：0.064％～0.20％、Ni：0.012％～0.025％、Bi：0.010％～0.045％、P≤0.015％、S≤0.006％，余量为Fe和不可避免杂质。优点是：具有优异的力学性能及防腐性能，轧后采用前段快速连续冷却工艺，避免钢板中带状组织的产生。
Description
技术领域
本发明属于汽车结构用钢生产领域，尤其涉及一种550MPa级汽车结构用钢及生产方法。
背景技术
随着我国汽车工业以及交通、运输业的飞速发展，特别是对大吨位载重汽车需求量不断增加，为了减轻汽车结构部件的重量以降低其自重，达到节约能源、减轻环境污染并提高运载效率目的，促进了高性能、高表面质量的热轧汽车钢板的应用。现代汽车工业针对钢板的腐蚀的防护措施一般是在钢板表面镀锌或进行刷涂防腐涂漆，汽车钢板本身并不具有防腐蚀性能。一旦防腐涂层脱落，钢板会加速腐蚀，导致钢板使用失效，并且防腐涂层会产生污染，破坏生态环境。因此，开发出可以防腐高性能、高表面质量的热轧汽车结构用钢，可以提高汽车结构用钢的使用寿命，还可以占领汽车结构钢用钢国内市场。
汽车结构用钢板中屈服强度≥550MPa、抗拉强度≥650MPa，横向伸长率A≥25％的钢板应用较多。现有技术中，公布号为CN 107641760 A的中国专利申请公开了460MPa级具有良好的疲劳性能热轧汽车结构钢板及制造方法，利用普通C-Mn成分体系设计添加一定量的Nb和Ti生产出的热轧钢板，利用微量的Ti固定钢中的S、N，充分发挥Nb、Ti的细晶作用。但该钢板伸长率最高为22％，不符合高成形汽车零件的要求，且无防腐性能。
公布号为CN 107723607 A的中国专利申请公开了420MPa级具有优良冷成型性能热轧汽车结构钢板及制造方法，利用普通C-Mn成分体系设计添加一定量的Nb和Ti生产出的热轧钢板，利用微量的Ti固定钢中的S、N，充分发挥Nb的细晶作用，但该钢板伸长率最高为25％，不符合高成形汽车零件的要求，且无防腐性能。
公告号为CN 105369134 B的中国专利申请公开了400MPa级免酸洗汽车结构热轧钢板及其生产方法，是普通C-Mn成分体系设计，通过碳、锰元素的固溶强化提高强度生产出的热轧钢板，但该钢板屈服强度最高为311MPa，不符合高强成形汽车零件的要求，且无防腐性能。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种550MPa级汽车结构用钢及生产方法，该钢板屈服强度≥550MPa、抗拉强度≥650MPa、横向伸长率A≥25％，具有防腐性能，符合高强成形汽车零件的生产需要。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种550MPa级汽车结构用钢，该结构用钢的化学成分按质量百分比计：
C：0.075％～0.10％、Si：0.02％～0.10％、Mn：1.50％～1.80％、Al：0.020％～0.040％、Nb：0.045％～0.055％、V：0.010％～0.030％、Cr：0.25％～0.35％、Cu：0.30％～0.90％、Sb：0.064％～0.20％、Ni：0.012％～0.025％、Bi：0.010％～0.045％、P≤0.015％、S≤0.006％，余量为Fe和不可避免的杂质；铁素体体积百分比25％～35％、贝氏体体积百分比65％～75％。
该结构用钢屈服强度≥550MPa、抗拉强度≥650MPa，横向伸长率A≥25％的热轧板。
其中，550MPa级汽车结构用钢成分的主要作用为：
C：碳是钢中最主要的固溶强化元素，是钢材强度的保证。考虑到优良的冷冲压成形性能和焊接性能，并且冷冲压后尺寸稳定，所以碳含量不能过高，而碳含量太低则达不到固溶强化的作用，因此，选择碳的含量为0.075％～0.10％。
Si：硅是固溶强化元素，可以贡献钢板的强度。然而，钢中过高的硅会影响热轧表面质量。因此，选定硅的含量为0.020％～0.10％。
Mn：锰在钢中可以形成置换固溶体，起到较强的固溶强化作用，使屈服强度和抗拉强度线性增加，该元素含量在一定的范围内增加钢强度的同时几乎不降低钢的塑性和韧性，但锰含量过高，可使钢的碳当量增加。因此，选定锰含量为1.50％％～1.80％。
Al：Al是钢中常用的脱氧剂，钢中加入少量的Al，可以形成AlN析出，起到一定的细化晶粒作用，Al还具有抗氧化性和耐腐蚀性，Al与Cr、Si合用可显著提高钢的高温不起皮性能，提高钢板表面质量，Al过高，易形成氧化物夹杂，因此，将Al含量限定在0.020％～0.040％。
P：磷可以提高α相的形成温度，扩大形成α相的温度范围。但磷含量过多，会使钢板的加工性恶化，为了得到较高的延伸率，因此将其上限定为0.015％。
S：硫通过形成MnS等硫化物夹杂，成为裂纹的起点而使加工性能恶化，因此含量越少越好，将其上限定为0.006％。
Nb：铌能够有效地延迟变形奥氏体的再结晶、阻止奥氏体晶粒长大、提高奥氏体再结晶温度，细化晶粒，同时改善钢的强度和韧性，而且，Nb是强碳、氮化物形成元素，能够与碳、氮结合形成稳定细小的碳、氮化物，起到显著的析出强化作用，Nb的加入提高了再结晶终止温度，使终轧温度可以在较高的温度下进行，降低了轧机的负荷，因此，铌含量的最优范围在0.045％～0.055％之间。
V：是强碳化物形成元素，在钢中加入微量的V，所形成的VC能使钢坯加热时奥氏体晶粒不过分长大，从而起到细化原始奥氏体晶粒的目的。V在钢中还可以第二相粒子的形式存在，起到沉淀强化作用，因此，选定V添加量为0.010％～0.030％。
Cr：是碳化物形成元素，可推迟珠光体转变，提高钢的淬透性。从而有利于贝氏体组织的形成，并细化组织，起到强化效果。铬含量过高，会使材料的加工、成型性变差。含铬量的选择原则是促进贝氏体的形成，因此，铬含量的选择在0.25％～0.35％。
Cu：铜元素可以扩大奥氏体相区，提高钢的耐候性，提高钢的可焊性，也可以有效的提高钢的耐腐蚀能力，但Cu含量高时，引起热脆，恶化钢板表面性能，此外，在一定Cu含量下，有利于钢板的强度和热加工性，有效降低钢板的热轧边裂倾向，显著改善了钢板的表面质量。Cu还具有降低加工硬化的作用，提高钢板的塑性。因此，铜含量的选择在0.30～0.90％
Sb：锑元素在钢中主要分布在晶界和晶粒内部，起到提高钢板强度，减小碳、氧等元素在晶界上扩散的速率，减少脱碳和氧化现象，提高钢板表面和力学性能，并且锑的加入会促使钢板基体表面形成一层均匀致密的氧化膜(富含Sb、Cu、Cr等元素)，可以有效地阻止空气水分、氧继续进入基体构成腐蚀内环境，提高基体耐腐蚀性，增强钢板的耐腐蚀能力。Sb含量过低，使钝化膜分散不均匀，达不到整体抗腐蚀效果；超过设计上限时，起到了防腐效果，但是显著降低热加工性能，因此，将Sb含量限定在0.064％～0.20％。
Ni：镍元素对钢的焊接热影响区硬化性及韧性没有不良影响，同时能够提高钢的耐腐蚀性，但是Ni为贵重元素，含量不宜过高。因此，将Ni含量限定在0.012％～0.025％。
Bi：铋元素在钢中主要分布在晶界和晶粒内部，起到提高钢板强度，减小碳、氧等元素在晶界上扩散的速率，减少脱碳和氧化现象，提高钢板表面和力学性能。因此，将Bi含量限定在0.010％～0.045％。
一种450MPa级汽车结构用钢的生产方法，包括冶炼、加热、轧制工序，轧制工序采用6机架进行精轧生产，具体生产方法包括以下步骤：
1)加热工艺：将(170-230)mm厚×(1550～1880)mm宽的连铸板坯直接热送热装到加热炉内加热，热装温度＞750℃，预热段以800～1000℃的炉气温度进行预热，预热时间25～30min，加热1段、加热2段的温度分别控制在1120～1200℃、1210～1240℃，加热1段和加热2段的总时间15～20min，均热段的温度1220～1240℃，均热时间65～110min，炉膛压力为微正压状态，正压力值控制在3～15Pa；
2)轧制工艺：粗轧采用6道次轧制和3道次除鳞工艺，第一架粗轧机R1的1、3、5道次除鳞，除鳞箱上下2排喷水集管同时开启，高压水出口压力为21～30MPa；粗轧出口温度为1050～1090℃，中间坯厚度30～40mm，宽度1550～1880mm，中间坯进热轧精轧机组前采用保温罩保温，精轧为6机架连续轧制，精轧前高压水除鳞，精轧入口温度不高于1060℃，终轧温度为810-910℃，精轧采用大张力轧制；同时，F5、F6机架采用高水压21～30MPa除鳞，其余机架间冷却水全部开启，钢板凸度控制精度为±13μm，平直度控制在25I以内，厚度控制精度为±25μm，成品厚度为3～10mm。
步骤2)中精轧采用大张力轧制：
第一架精轧机F1与第二架精轧机F2机架间张力控制在8～15N/mm2，第二架精轧机F2与第三架精轧机F3机架间张力控制在14～23N/mm2，第三架精轧机F3与第四架精轧机F4机架间张力控制在14～22N/mm2，第四架精轧机F4与第五架精轧机F5机架间张力控制在9～18N/mm2，第五架精轧机F5与第六架精轧机F6机架间张力控制在6～11N/mm2。
还包括冷却工艺：终轧后采用前段快速连续层流冷却，冷却速率为45-60℃/s。
还包括卷取温度：卷取温度为570-640℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、Nb的加入提高了再结晶终止温度，使终轧温度可以在较高的温度下进行，降低了轧机的负荷；
2、Cu的加入扩大奥氏体相区，提高钢的耐候性，提高钢的可焊性，也可以有效的提高钢的耐腐蚀能力；
3、Sb的加入减小碳、氧等元素在晶界上扩散的速率，减少脱碳和氧化现象，提高钢板表面和力学性能，并且锑的加入会促使钢板基体表面形成一层均匀致密的氧化膜(富含Sb、Cu、Cr等元素)，可以有效地阻止空气水分、氧继续进入基体构成腐蚀内环境，提高基体耐腐蚀性，增强钢板的耐腐蚀能力；
4、Ni的加入对钢的焊接热影响区硬化性及韧性没有不良影响，同时能够提高钢的耐腐蚀性；
5、Bi：铋元素在钢中主要分布在晶界和晶粒内部，起到提高钢板强度，减小碳、氧等元素在晶界上扩散的速率，减少脱碳和氧化现象，提高钢板表面和力学性能。
6、轧后采用前段快速连续冷却工艺，避免了钢板中带状组织的产生。
7、本发明是具有优异的力学性能及防腐性能用于汽车结构用钢，其屈服强度≥550MPa、抗拉强度≥650MPa，横向伸长率A≥25％。
具体实施方式
下面对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。
一种550MPa级汽车结构用钢，该结构用钢的化学成分按质量百分比计：
C：0.075％～0.10％、Si：0.02％～0.10％、Mn：1.50％～1.80％、Al：0.020％～0.040％、Nb：0.045％～0.055％、V：0.010％～0.030％、Cr：0.25％～0.35％、Cu：0.30％～0.90％、Sb：0.064％～0.20％、Ni：0.012％～0.025％、Bi：0.010％～0.045％、P≤0.015％、S≤0.006％，余量为Fe和不可避免的杂质；铁素体体积百分比25％～35％、贝氏体体积百分比65％～75％。该结构用钢屈服强度≥550MPa、抗拉强度≥650MPa，横向伸长率A≥25％的热轧板。
550MPa级汽车结构用钢采用以上化学成分，包括冶炼、加热、轧制工序，轧制工序采用6机架进行精轧生产，其具体的制造方法包括以下步骤：
(1)加热工艺：将(170-230)mm厚×(1550～1880)mm宽的连铸板坯直接热送热装到步进式加热炉内加热，热装温度＞750℃，预热段以800～1000℃的炉气温度进行预热，预热时间25～30min，加热1段、加热2段的温度分别控制在1120～1200℃、1210～1240℃，加热时间15～20min(加热1段+加热2段的加热时间)，均热段的温度1220～1240℃，均热时间65～110min，炉膛压力为微正压状态，正压力值控制在3～15Pa，降低氧化烧损。适当的加热温度和合适的保温时间使板坯中合金元素完全固溶、板坯成分均匀，并起到控制原始奥氏体晶粒尺寸及节约能源等作用。
(2)轧制工艺：粗轧采用6道次轧制和3道次除鳞工艺，第一架粗轧机R1的1、3、5道次除鳞，除鳞箱上下2排喷水集管同时开启，高压水出口压力为21～30MPa；粗轧出口温度为1050～1090℃，中间坯厚度30～40mm，宽度1550～1880mm，中间坯进热轧精轧机组前采用保温罩保温，减轻中间坯在延迟辊道上的温降和头尾及板宽方向的温差，精轧为6机架连续轧制，精轧前高压水除鳞，精轧入口温度不高于1060℃，终轧温度为810-910℃，精轧采用大张力轧制，第一架精轧机F1与第二架精轧机F2机架间张力控制在8～15N/mm2，第二架精轧机F2与第三架精轧机F3机架间张力控制在14～23N/mm2，第三架精轧机F3与第四架精轧机F4机架间张力控制在14～22N/mm2，第四架精轧机F4与第五架精轧机F5机架间张力控制在9～18N/mm2，第五架精轧机F5与第六架精轧机F6机架间张力控制在6～11N/mm2，同时，F5、F6机架采用高水压21～30MPa除鳞，其余机架间冷却水全部开启，钢板凸度控制精度为±13μm，平直度控制在25I以内，厚度控制精度为±25μm，成品厚度为3～10mm。
(3)冷却工艺：终轧后采用前段快速连续层流冷却，冷却速率为45-60℃/s。连续的层流冷却工艺使贝氏体大量快速的析出，在抑制晶粒长大同时，还使贝氏体的含量得到了保证，从而使得贝氏体晶粒细化。
(4)卷取温度：卷取温度为570-640℃。卷取温度过高导致钢板强度不足，过低会使延伸率降低，在温度范围，可以保证钢板卷取后第二相粒子的充分析出，同时塑性良好。
实施例
本发明的6个实施例的具体成分、温度制度、精轧张力控制参数、钢板的性能、组织体积百分比见表1-5。
表1本发明实施例的化学成分(wt，％)
表2本发明实施例的热轧温度制度
表3实施例精轧张力控制参数
表4本发明实施例的力学性能参数
表5本发明实施例中组织体积百分比
| 编号 | 铁素体 | 贝氏体 |
| 实施例1 | 25％ | 75％ |
| 实施例2 | 28％ | 72％ |
| 实施例3 | 30％ | 70％ |
| 实施例4 | 35％ | 65％ |
| 实施例5 | 32％ | 68％ |
| 实施例6 | 33％ | 67％ |
。
Claims (3)
1.一种550MPa级汽车结构用钢的生产方法，该结构用钢的化学成分按质量百分比计：
C：0.075%~0.10%、Si：0.02%~0.10%、Mn：1.50%~1.80%、Al：0.020%~0.040%、Nb：0.045%~0.055%、V：0.010%~0.030%、Cr：0.25%~0.35%、Cu：0.30%~0.90%、Sb：0.064%~0.20%、Ni：0.012%~0.025%、Bi：0.010%~0.045%、P≤0.015%、S≤0.006%，余量为Fe和不可避免的杂质；铁素体体积百分比25%～35%、贝氏体体积百分比65%～75%；其特征在于，所述的生产方法包括冶炼、加热、轧制工序，轧制工序采用6机架进行精轧生产，具体生产方法包括以下步骤：
1）加热工艺：将（170-230）mm厚×（1550～1880）mm宽的连铸板坯直接热送热装到加热炉内加热，热装温度＞750 ℃，预热段以800～1000℃的炉气温度进行预热，预热时间25～30min，加热1段、加热2段的温度分别控制在1120～1200℃、1210～1240℃，加热1段和加热2段的总时间15～20min，均热段的温度 1220～1240℃，均热时间65～110min，炉膛压力为微正压状态，正压力值控制在3～15Pa；
2）轧制工艺：粗轧采用6道次轧制和3道次除鳞工艺，第一架粗轧机R1的1、3、5道次除鳞，除鳞箱上下2排喷水集管同时开启，高压水出口压力为21~30MPa；粗轧出口温度为1050～1090℃，中间坯厚度30～40mm，宽度1550～1880mm，中间坯进热轧精轧机组前采用保温罩保温，精轧为6机架连续轧制，精轧前高压水除鳞，精轧入口温度不高于1060℃，终轧温度为810-910℃，精轧采用大张力轧制；同时，F5、F6机架采用高水压21~30MPa除鳞，其余机架间冷却水全部开启，钢板凸度控制精度为±13μm，平直度控制在25I以内，厚度控制精度为±25μm，成品厚度为3~10mm；冷却工艺：终轧后采用前段快速连续层流冷却，冷却速率为45-60℃/s；卷取工艺：卷取温度为570-640℃。
2.根据权利要求1所述的一种550MPa级汽车结构用钢的生产方法，其特征在于，步骤2）中精轧采用大张力轧制：
第一架精轧机F1与第二架精轧机F2机架间张力控制在8～15N/mm2，第二架精轧机F2与第三架精轧机F3机架间张力控制在14～23N/mm2，第三架精轧机F3 与第四架精轧机F4机架间张力控制在14～22N/mm2，第四架精轧机F4与第五架精轧机F5机架间 张力控制在9～18N/mm2，第五架精轧机F5与第六架精轧机F6机架间张力控制在6～11N/mm2。
3.根据权利要求1所述的一种550MPa级汽车结构用钢的生产方法，其特征在于，该结构用钢屈服强度≥550MPa、抗拉强度≥650MPa，横向伸长率A≥25%。
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