CN102321844A - 一种热轧耐腐蚀烘烤硬化钢及其制备方法 - Google Patents

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

一种热轧耐腐蚀烘烤硬化钢及其制备方法

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系统分析钢中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R_m为340～350MPa，屈服强度R_e1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R_m为340～350MPa，屈服强度R_e1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R_m为340～350MPa，屈服强度R_e1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R_m为340～350MPa，屈服强度R_e1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R_m为340～350MPa，屈服强度R_e1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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