CN115109999B

CN115109999B - 一种热浸镀锌铝镁高强钢及其制造方法

Info

Publication number: CN115109999B
Application number: CN202210728235.7A
Authority: CN
Inventors: 孙伟华; 阎元媛; 陈一鸣; 孟庆格; 胡宽辉; 陈昊
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2022-06-24
Filing date: 2022-06-24
Publication date: 2023-05-16
Anticipated expiration: 2042-06-24
Also published as: CN115109999A

Abstract

本发明涉及一种热浸镀锌铝镁高强钢及其制造方法，该高强钢包括基材和附着在基材表面的镀层，其中基材按照质量百分数计的化学组成为：C 0.18～0.22％，Si 0.2～0.3％，Mn 0.5～1.0％，Als 0.02～0.05％，P≤0.02％，S≤0.008％，N≤0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质；镀层按照质量百分数计的化学组成为：Al 4.0～8.0％，Mg 2.0～4.0％，Si 0～0.5％，余量为Zn及不可避免的杂质。本发明基材不含Nb、Ti、V等微合金化元素，采用了低合金、低成本设计；镀层不含稀土金属，仅包括锌、铝、镁、硅；通过精心设计的配方再结合对卷取温度、冷轧退火温度、镀液温度等的有效调控，成功制得了一种屈服强度在400MPa以上、抗拉强度在500Mpa以上且伸长率大于10％的薄规格镀锌铝镁高强钢板，满足了建筑用板等的高强减薄需求。

Description

一种热浸镀锌铝镁高强钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及钢铁技术领域，具体涉及一种热浸镀锌铝镁高强钢及其制造方法。

背景技术

相比于热镀锌，热镀锌铝镁显著提高了钢板的耐蚀性。为了降低成本、节约能耗，高强减薄板材在建筑、家电等的制造过程中也日益受到重视，高强镀锌铝镁薄规格钢板是一种非常有竞争力的高强减薄板材。

由于轧制能力的限制，常规冷轧产线在生产薄规格高强钢板(如屈服强度400Mpa以上，0.5mm厚度规格的钢板)时对热轧来料卷的厚度规格上限有要求，然而常规热轧产线往往不易生产薄规格高强原料卷。薄板坯连铸连轧CSP工艺可以直接轧制生产厚度为0.8～2.5mm的薄钢板，因此可以采用该工艺提供薄规格热轧来料，进而在常规冷轧产线生产薄规格高强钢。相比于常规热轧，薄板坯连铸连轧工艺还能有效缩短工艺流程，大幅度降低能耗。

检索发现，中国专利CN110777290B公开了一种基于CSP流程的屈服强度大于550Mpa的热浸镀锌铝镁高强钢，其基材的化学成分及重量百分比为：C：0.055～0.10％，Si≦0.5％，Mn：0.55-1.7％，P≤0.0150％，S≤0.030％，Als：0.015～0.045％，Ti+Nb≦0.1％，余量为铁和不可避免的杂质；其锌铝镁合金镀层的化学组成按照重量百分比计包括：Al：9.0-13.0％，Mg：2.0-4.0％，Si：0.02-0.1％，Ni：0.01-0.05％，RE(Ce或La)：0.01-0.2％，余量为Zn以及不可避免的杂质元素。该热浸镀锌铝镁高强钢的基板成分采用了低碳、Nb-Ti复合微合金化的设计思路，并且在镀液中引入稀土成分提高镀层的耐蚀性，但是这种在基板中引入Nb和Ti、在镀液中加入稀土成分的做法会提高材料的成本。

如前所述，常规热轧产线不易提供高强薄规格冷轧产品生产所需的薄规格热轧原料卷。另外，屈服强度350MPa级以上的冷轧材料通常采用析出强化或者相变强化路线(如CN110777290B)，析出强化路线需要在材料中加入Nb、Ti、V等微合金化元素，相变强化路线对冷轧机组能力有要求，例如快冷速率等。镀层成分中引入除Al、Mg、Si外的其它元素，不仅会提高镀层成本，而且也会使生产中的表面质量不易控制。这些都对热浸镀锌铝镁高强钢的研发、生产提出了诸多挑战。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种热浸镀锌铝镁高强钢，其包括基材和附着在基材表面的镀层；所述基材以质量百分数计的化学组成为：C 0.18～0.22％，Si 0.2～0.3％，Mn0.5～1.0％，Als 0.02～0.05％，P≤0.02％，S≤0.008％，N≤0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质；所述镀层以质量百分数计的化学组成为：Al 4.0～8.0％，Mg 2.0～4.0％，Si 0～0.5％，余量为Zn及不可避免的杂质。

进一步的，所述基材的金相组织包括铁素体和珠光体，其中铁素体晶粒的尺寸为8-20μm。

进一步的，所述镀层的组织包括块状(Al)相、块状(Zn)相、块状MgZn₂相、共晶Al/Zn/MgZn₂组织。

进一步的，所述热浸镀锌铝镁高强钢的厚度为0.4～1.0mm，其屈服强度为420～570Mpa，抗拉强度520～630MPa，伸长率≥10％。

本发明的目的之二在于提供上述热浸镀锌铝镁高强钢的制造方法，该方法包括以下步骤：首先采用薄板坯连铸连轧CSP工艺生产薄规格冷轧原料卷，接着将该原料卷冷轧并在其表面镀上锌铝镁合金即可。

进一步的，所述CSP工艺包括冶炼、精炼、薄板坯连铸、铸坯均热、轧制、层流冷却、卷取、平整等步骤。

进一步的，在冶炼和精炼工序按照前述设计好的基材配方进行冶炼。

进一步的，在薄板坯连铸工序控制中包钢水过热度为15～30℃，控制铸坯厚度为70～75mm，控制拉速为4.0～4.8m/s。

进一步的，在铸坯均热工序铸坯入炉前需进行除鳞处理，除鳞压力为15～30bar；铸坯入炉温度为820～1050℃，出炉温度为1150～1190℃。

进一步的，在轧制工序轧制道次压下分配为：第一道次50～60％，第二道次40～50％，末道次8～12％，期间控制轧制速度为7～12m/s，终轧温度为840～880℃；轧制过程的除鳞工艺为进轧机前采用高压水进行除鳞，除鳞水压力为200～380bar。

进一步的，在卷取工序控制卷取温度为520～650℃，待钢卷温度降至50℃以下后进行平整。

进一步的，所述原料卷的厚度控制在2.0～2.5mm之间。

进一步的，原料卷酸洗后再冷轧，酸洗时的酸液温度控制在70～90℃，冷轧总压下率为65～80％，冷轧后的带钢厚度控制在0.4～1.0mm。

进一步的，热镀锌铝镁工序中冷轧所得带钢的加热速率为5～40℃/s，退火温度为680～800℃且不需要保温，接着直接以5～15℃/s的降温速率将带钢冷却到400～450℃或者高于镀液温度10～15℃，然后进入装有镀液的锌锅中热浸镀锌铝镁，出锌锅后先风冷再水冷。

进一步的，所述镀液的温度高于其熔点40～50℃。

本发明对高强钢的基材、镀层成分以及整个制造工艺都进行了优化设计，具体体现在以下几个方面：

(1)基材成分设计：采用低合金、低成本设计，不含Nb、Ti、V等微合金化元素，主要组成元素及其含量控制如下：

C：碳为钢中最基本的强化元素。含C量越高，钢的屈服强度和抗拉强度越高，但是塑性和韧性降低，且较高的C含量会降低钢材的焊接性能。由于CSP工艺中要避开包晶区，因此C含量需高于0.17％或者低于0.07％。为了保证强度和焊接性能，本发明将C含量严格控制在0.18～0.22％的区间范围内。

Si：硅为炼钢中常用的脱氧剂。Si在钢中不生成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中，进而提高固溶体的强度。低温回火时，Si能降低碳的扩散速率，增加钢的回火稳定性及强度。但过高的Si含量将显著降低钢材的塑性、韧性和焊接性能。除此之外，过高的Si含量降低了镀层的附着力。为此本发明将Si含量严格控制在0.20～0.30％区间范围内。

Mn：锰为炼钢中优良的脱氧剂和脱硫剂。Mn与S易形成高熔点的MnS，防止因FeS导致的热脆现象。Mn虽然能提高钢的强度，但是过高的Mn含量会降低镀层的附着力。因此本发明将Mn含量严格控制在0.5～1.0％区间范围内。

(2)镀层成分设计：本发明的镀层成分主要包括锌、铝、镁、硅，不含稀土金属等其它组分。

Al：镀层中的Al可以显著提升钢板的耐蚀性，一般Al含量＞3.0％可以更好的发挥其对耐蚀性的提升作用；而当Al含量较高时，在熔融镀液与基板界面上脆性Fe-Al化合物增长显著，导致镀层与基板结合性变差。为了确保镀层的附着力，本发明严格控制镀层中的Al含量为4.0～8.0％。

Mg：镀层中的Mg可以在镀层表面均匀地生成具有一定流动性的腐蚀产物，该腐蚀产物的存在使钢板加工切口具备了“自愈合”能力与机制。为了充分发挥Mg的这种作用，需确保其含量＞2.0％。当Mg含量＞4.0％时，镀层中容易出现大块的脆性MgZn₂相，其本身极易产生裂纹，严重影响镀层的成形性。因此为了获得耐蚀性与成形性兼顾的高品质镀层，本发明严格控制镀层中的Mg含量为2.0～4.0％。

Si：镀液中添加少量的Si，Fe-Al化合物的生长就可以得到有效抑制，有利于提升镀层与钢板的结合性。另外，少量的Si添加还可以抑制Zn-Al-Mg系镀层的黑变。然而Si含量过高也不利于基板上Fe-Al反应的发生，还会在锌锅中产生大量浮渣。因此，本发明严格控制镀层中的Si含量为0～0.5％。

(3)制造工艺方面，主要通过调控卷取温度、冷轧退火温度、镀液温度等改善了产品性能。

卷取温度：当CSP轧制卷取温度过高时，冷轧原料卷的晶粒粗大、强度较低，导致最终冷轧产品的强度下降；当CSP轧制卷取温度过低时，不仅对产线层流冷却能力要求高，而且卷取前板头易翘起不利于卷取，因此本发明最终将卷取温度控制在520～650℃。

退火温度：退火温度是决定钢板力学性能的关键因素，可通过调节该温度来调节材料的强度和伸长率，以满足不同的用材需求。当温度介于680～730℃时，材料处于不完全退火状态，屈服和抗拉强度较高，伸长率较低；当温度在740℃以上时，材料完全再结晶，虽然屈服和抗拉强度下降，但是伸长率提升。对于伸长率要求高于14％的高强钢板，可采用较高的Mn成分和较高的退火温度工艺；对于伸长率要求低于14％而强度要求高的高强钢板，可采用不完全退火工艺，较低的合金成分和较低的退火温度可以达到此效果。温度达到目标退火温度后不需要保温，而是直接将钢板冷却到镀前温度，然后进行热浸镀。

镀液温度：镀层体系的熔点与成分相关，成分靠近该体系三元共晶点时熔点较低。过高的镀液温度将导致锌渣增加，镀层表面缺陷增多，基于上述原则本发明将镀液温度设定为高于镀层熔点40～50℃。

与现有技术相比，本发明的进步效果主要体现在以下几个方面：

(1)产品性能优异，生产制造成本低。本发明提供的热浸镀锌铝镁高强钢产品的屈服强度为420～570Mpa，抗拉强度为520～630MPa，伸长率≥10％，满足建筑等制造行业高强减薄需求。

(2)采用了CSP热轧和冷轧镀锌铝镁相结合的工艺，更加简单可行。与常规热轧相比，CSP工艺不仅能提供薄规格原料卷，而且制造流程短，同时又降低了生产成本。

(3)冷轧退火过程中采用快速加热，且达到目标退火温度后不需要保温，有效节约了能源降低了生产成本。

(4)镀层不含稀土元素因而成分简单、成本较低，这种简单的镀层配方不仅易于涂镀而且镀层质量有保障，其耐腐蚀性能也优于纯锌镀层。

(5)工艺灵活，产品性能可控。通过调节卷取温度可适当调控最终产品强度，通过调节退火温度实现完全退火或者不完全退火，也能够调控最终产品的强度和伸长率，以满足不同的用材需求。

附图说明

图1为实施例1所得钢材试样的基板金相显微组织照片；

图2为实施例4所得钢材试样的基板金相显微组织照片；

图3为对比例16所得钢材试样的基板金相显微组织照片。

具体实施方式

为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例及附图进行进一步说明。

一种热浸镀锌铝镁高强钢，其基板的化学成分及所占质量百分比为：C 0.18～0.22％，Si 0.2～0.3％，Mn 0.5～1.0％，Als 0.02～0.05％，P≤0.020％，S≤0.008％，N≤0.008％，余量为Fe和其它不可避免的杂质；其锌铝镁系合金镀层的化学成分质量百分比为：Al：4.0～8.0％，Mg：2.0～4.0％，Si：0～0.5％，余量为Zn及其它不可避免的杂质。分析测试结果表明，该高强钢板的金相组织包括铁素体和珠光体，其中铁素体晶粒的尺寸为8～20μm，其屈服强度为420～570Mpa，抗拉强度520～630MPa，伸长率≥10％。

该高强钢板的制造过程分为两个阶段：CSP工艺和冷轧工艺，其中CSP工艺主要包括冶炼、精炼、薄板坯连铸、铸坯均热、轧制、层流冷却、卷取，平整等步骤，冷轧工艺主要包括酸洗、轧制和热镀锌铝镁等步骤。

在CSP工艺阶段的薄板坯连铸步骤，中包钢水过热度为15～30℃，铸坯厚度为70～75mm，拉速为4.0～4.8m/s。薄板坯连铸时铸坯入炉前需进行除鳞处理，除鳞压力为15～30bar，铸坯入炉温度为820～1050℃，出炉温度为1150～1190℃。轧制道次压下分配为：第一道次50～60％，第二道次40～50％，末道次8～12％，期间控制轧制速度为7～12m/s，终轧温度为840～880℃。轧制过程的除鳞工艺为进轧机之前采用高压水除鳞，除鳞水压力(高压)为200～380bar。卷取温度为520～650℃。待钢卷温度降到50℃以下后进行平整，该工艺制得的原料卷的厚度为2.0～2.5mm。

在冷轧工艺阶段带钢酸洗时的酸液温度为70～90℃，冷轧总压下率为65～80％，冷轧后的带钢厚度控制在0.4～1.0mm。热镀时的加热速率为5～40℃/s，退火目标温度为680～800℃且不需要保温，直接以5～15℃/s的速率将带钢冷却至400～450℃或者高于镀液温度10～15℃，然后进入锌锅热镀锌铝镁，出锌锅后先风冷再水冷。锌锅中的镀液温度高于其熔点40～50℃。

参照上述基板、镀层配方以及制造工艺，按照下表1-3所述条件(编号1-3为实施例，编号4为对比例)制备了一批钢板。

表1不同编号的基板化学成分组成表(wt.％)

表2不同编号的镀液化学成分组成表(wt.％)

表3各实施例及对比例主要工艺参数表

按照相关标准对实施例1-15及对比例16-20制得的钢板进行了各项测试，结果如表4所示。

表4不同钢板产品的性能测试结果对照表

注：√表示镀后表面良好；×表示镀后表面差，有明显漏镀。

从表4中可以得出以下结论：

①实施例1-6以及对比例16所得试样的拉伸性能测试结果表明，当退火温度≤660℃时，材料完全没有再结晶，轧硬态组织明显，如图3所示。当退火温度处于680℃和720℃之间时，材料的强度较高但是伸长率较低，材料处于不完全退火状态，保留了部分轧硬态组织，如图1所示。当均热温度≧740℃时，材料的强度降低但伸长率上升，此时材料完全退火，再结晶完全，组织如图2所示。之后随着温度升高，由于晶粒缓慢长大，强度稍微降低。

②实施例4、7所得试样的拉伸性能测试结果表明，当卷取温度提高时最终产品的强度降低，但是伸长率上升。

③实施例8-9采用了不同的冷轧原料厚度和压下率，产品的拉伸性能略有不同，说明当压下率已经很高时，再提高压下率对拉伸性能没有明显改善作用。

④实施例4、10、11以及对比例18采用了不同的镀液成分，当镀液中的Al、Mg含量提高时，产品的耐腐蚀性能升高；当镀液中的Mg含量低于2.0％时，产品的耐腐蚀性能明显下降。

⑤实施例12-15采用了不同的基板成分，当基板中的Si、Mn含量提高时，产品的强度随之上升。

⑥对比例19-20基板中Si含量大于0.3％，热浸镀所得产品的表面质量不良，有漏镀，这说明基板中的Si含量应控制在0.3％以内。

Claims

1. 一种热浸镀锌铝镁高强钢，其特征在于：该高强钢包括基材和附着在基材表面的镀层，所述基材按照质量百分数计的化学组成为：C 0.18%～0.22%，Si 0.2%～0.3%，Mn 0.5%～1.0%，Als 0.02%～0.05%，P≤0.02%，S≤0.008%，N≤0.008%，余量为Fe和不可避免的杂质；所述镀层按照质量百分数计的化学组成为：Al 4.0%~8.0%，Mg 2.0%~4.0%，Si 0%~0.5%，余量为Zn及不可避免的杂质；该高强钢的制备方法包括以下步骤：首先采用薄板坯连铸连轧CSP工艺生产薄规格冷轧原料卷，接着将该原料卷冷轧并在其表面热镀上锌铝镁合金，所述CSP工艺包括冶炼、精炼、薄板坯连铸、铸坯均热、轧制、层流冷却、卷取、平整；其中在铸坯均热工序铸坯入炉前需进行除鳞处理，除鳞压力为15～30bar；铸坯入炉温度为820～1050℃，出炉温度为1150~1190℃；在轧制工序轧制道次压下分配为：第一道次50%～60%，第二道次40%～50%，末道次8%～12%，期间控制轧制速度为7～12m/s，终轧温度为840～880℃；轧制过程的除鳞工艺为进轧机前采用高压水进行除鳞，除鳞水压力为200～380bar；在热镀锌铝镁工序中冷轧所得带钢的加热速率为5～40℃/s，退火温度为680～800℃且不需要保温，接着直接以5～15℃/s的降温速率将带钢冷却到400～450℃或者高于镀液温度10～15℃，然后进入装有镀液的锌锅中热浸镀锌铝镁，出锌锅后先风冷再水冷。

2.如权利要求1所述的一种热浸镀锌铝镁高强钢，其特征在于：所述基材的金相组织包括铁素体和珠光体，其中铁素体晶粒的尺寸为8-20μm；所述镀层的组织包括块状Al相、块状Zn相、块状MgZn₂相、共晶Al/Zn/MgZn₂组织。

3.如权利要求1所述的一种热浸镀锌铝镁高强钢，其特征在于：所述高强钢的厚度为0.4～1.0mm，屈服强度为420～570MPa，抗拉强度520～630MPa，伸长率≥10%。

4.如权利要求1所述的一种热浸镀锌铝镁高强钢，其特征在于：按照前述设计好的基材配方进行冶炼和精炼；在薄板坯连铸工序控制中包钢水过热度为15～30℃，控制铸坯厚度为70～75mm，控制拉速为4.0～4.8m/s。

5.如权利要求1所述的一种热浸镀锌铝镁高强钢，其特征在于：在卷取工序控制卷取温度为520～650℃，待钢卷温度降至50℃以下后进行平整，由此制得的原料卷厚度为2.0～2.5mm。

6.如权利要求1所述的一种热浸镀锌铝镁高强钢，其特征在于：原料卷酸洗后再冷轧，酸洗时的酸液温度控制在70～90℃，冷轧总压下率为65%～80%，冷轧后的带钢厚度控制在0.4～1.0mm之间。

7.如权利要求1所述的一种热浸镀锌铝镁高强钢，其特征在于：所述镀液的温度高于其熔点40～50℃。