CN103422020A - 一种冲焊桥壳用钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加热后冲压、焊接桥壳用的600MPa级热冲压成型性能优良的钢板及其制造方法，通过添加Nb、V等保证钢的高温性能的元素，降低了C、Si等影响冲压性能的元素含量，通过Ti、Al等固氮元素的配合，从根本上保证了钢板具有良好的成型性的同时高温强度提高、低温韧性优异、焊接性能改善，疲劳强度显著提高，延长构件的疲劳寿命50%以上。可广泛应用于热加工成型、大型鼓风机、振动筛等在高温条件下作业的大型结构用钢要求高温强度的中厚板轧件生产。

Description

一种冲焊桥壳用钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种冲焊桥壳用钢板及其制造方法，尤其是一种700-850℃加热后直接冲压、焊接成桥壳总成的600MPa级热冲压成型的高性能钢板及其制造方法。 

背景技术

减重、节能、安全、环保是当今世界制造业持续发展的主题，而减少设备自重是降低燃油消耗及减少排放的最有效措施之一。桥壳作为汽车重要的安全件和功能件，它支撑车架及车架以后的各总成重量，同时它保护传动系统的各部件。在使用方面，桥壳的形状及其结构特点决定了桥壳件材料要求强度高、弯曲及拉延成形性好并具有优良的焊接性能，在国内重载制造领域，桥壳的生产工艺正由冲焊桥壳逐步代替铸造桥壳。

目前，国内重型汽车冲焊桥壳由厚度10mm以上的Q345、汽车大梁钢510L等钢板热冲压成形，其制造工艺是：钢板件加热至要求温度700-850℃短时保温后，在压力机上热冲压成半桥壳，由两个半桥壳对焊形成桥壳，然后再由桥壳与半轴套管焊接成桥壳体。采用Q345、汽车大梁钢510L等普通大梁钢替代存在着热冲压成型后钢板强度下降程度大、强度低、成形性能差、废品率高、产品质量不稳定等相应问题。考虑到桥壳安全性与热冲压成型的特点，冲焊工艺要求桥壳钢的强度级别提高，还要求疲劳强度高，良好的冲击韧性、热成形后性能不降低和优良的焊接性能，以此保证最终成品件尺寸与性能。因此迫切需要开发一种更高强度桥壳薄钢板代替过去低强度厚钢板，在保证桥壳强度刚度等特性不降低的情况下，减轻桥壳自重，降低生产成本。

由国家知识产权局公开的一项武汉钢铁（集团）公司申请的申请号为200910063835.0，名称为“一种抗拉强度510MPa级汽车用热轧冲压桥壳钢及其制备方法”的专利，其特点在于成分设计中采用了常规大梁钢的C-Si-Mn成分设计、采用热连轧—卷取工艺生产、抗拉强度仅510MPa级、最大厚度16mm，其成分设计、生产工艺、提高热成型性机理与本发明有实质性的不同。

由国家知识产权局公开的一项柳州钢铁股份有限公司申请的申请号为201110263882.7，名为“汽车桥壳用钢板及其生产方法”的专利，该专利提供了一种屈服强度400MPa、屈强比在0.73-0.79之间的冷成型用钢，强度级别低，而且着重保证其良好的冷成型性能，其成分设计与热冲压成型用钢的成分设计有实质性的不同，最终体现在工艺性能上，难以满足下游用户热加工后强度不降低的要求。 

发明内容

本发明的目的就是针对上述存在的缺陷而提供一种冲焊桥壳用钢板及其制造方法，尤其是一种能够满足加热后直接冲压、焊接的600MPa级热冲压成型性能优良的钢板及其制造方法。该钢板采用的成分设计添加了Nb、V等保证钢的高温性能的元素，降低了C、Si等影响冲压性能的元素含量，通过转炉冶炼时钢水氧化性控制，出钢时的S含量控制、脱氧程度控制、LF合理的精炼，充分发挥中厚板轧机在生产纵横向性能均匀的钢板方面的优势直接控温轧制成材，因而省略正火工序降低成本。生产的冲焊桥壳用钢板具有优良的热加工成型性，热加工后力学性能变化小，延伸率、弯曲指标高；本发明钢板具有良好的疲劳性能，提高构件寿命50%以上；纯净钢的生产保证了良好的低温冲击韧性，具有低碳当量易焊接、成本低廉、质量稳定、工艺简单、易于工业化大批量生产的特点。

本发明的一种冲焊桥壳用钢板及其制造方法技术方案为，钢板化学成分含量按重量百分比为：碳0.15-0.19%，硅≤0.10%，锰1.45-1.65%，磷≤0.015%、硫≤0.008%，铌0.025-0.045%，钒0.035-0.050%，钛0.015-0.030%，铝0.020-0.045%；碳当量≤0.46%，余量为铁及不可避免的杂质。

进一步的，钢板化学成分含量按重量百分比为：碳0.16-0.18%，硅≤0.06%，锰1.50-1.60%，磷≤0.012%、硫≤0.006%，铌0.030-0.040%，钒0.035-0.045%，钛0.015-0.025%，铝0.020-0.035%；碳当量≤0.46%，余量为铁及不可避免的杂质。

优选的，钢板化学成分含量按重量百分比为：碳0.17%，硅0.04%，锰1.55%，磷0.010%、硫0.003%，铌0.035%，钒0.040%，钛0.025%，铝0.028%，碳当量0.44%，余量为铁及不可避免的杂质。

屈服强度≥480MPa，抗拉强度600-700MPa，延伸率≥21%，180⁰冷弯性能d=2a，钢板厚度6-20mm。

上述冲焊桥壳用钢板的制造方法，包括KR铁水脱硫处理、转炉终点控制、脱氧合金化、LF精炼、连铸、缓冷加热、轧制工艺。

一种冲焊桥壳用钢板的制造方法，具体步骤为， 

（1）KR铁水脱硫：KR铁水脱硫后铁水温度≥1300℃。

（2）转炉终点控制：转炉终点成分 C=0.07-0.10%、Si≤0.01%、S≤0.010％、P≤0.012％，终点温度1640～1660℃； 

（3）脱氧合金化：采用铝锰铁和高碳锰铁脱氧合金化，铝线一次性加入；

（4）LF精炼：使用低硅含量的精炼渣和埋弧渣浅处理，LF精炼时间在50分钟内，加热结束后加入钛铁；精炼处理后进行Ca处理；第一炉出站温度1585℃～1595℃，其它炉次出站温度1585℃～1590℃。

（5）连铸：采用全程保护浇注工艺，大包自动开浇，不卷渣情况下，向中间包内加低碳覆盖剂；增大氩封的氩气流量至40-70L/min。

（6）缓冷、加热：对连铸坯堆垛缓冷48小时，之后进行加热，加热时间3.5-4.5小时，加热后出炉温度1120-1180℃。

（7）轧制：连铸坯加热后进行高压水除鳞，中厚板轧机开轧温度1050～1090℃，高温阶段前三道次的道次压下率大于20%，精轧道次为6-8道次，精轧终轧温度控制在850-880℃。

步骤（1）中处理后的铁水硫含量[S]≤0.003%。

步骤（2）中冶炼过程一次拉碳操作，无点吹操作。

步骤（4）中加入钛铁，使Ti含量≥3.4N+1.5S。

步骤（4）中Ca处理后钢中Ca、Al质量比为0.09～0.14。

本发明的一种冲焊桥壳用钢板及其制造方法有益效果为：本发明选择的主要合金元素及其数量在钢板中的作用在于：

碳（C）：本发明是一种焊接结构用钢，为改善钢的焊接性，需要有较低碳含量。C作为固溶强化元素是对钢基体的强化，对钢的屈服强度有重要影响，而且其强化作用是一定的，不因轧制制度变化而发生变化。但随着碳含量的提高，钢的强度提高，塑性、韧性下降，焊接性能变差，综合考虑热成型性能要求、冶炼成本等技术经济指标，本发明的最佳碳含量为0.15～0.19%。

硅（Si）：硅提高钢的强度的同时降低塑性。如果Si含量过高又会使晶粒粗化，增加钢的过热敏感性，同时会恶化钢的焊接性能。本发明中硅含量在≤0.10%。 

锰（Mn）：Mn作为置换元素影响了基体的层错能，它将对加工硬化程度即抗拉强度产生较大的影响，对改善钢的均匀塑性十分有利，可有效降低屈强比。综合考虑本发明Mn以1.45-1.65%为宜。

铌（Nb）、钒（V）、钛（Ti）：热冲压成型用钢的关键性能是要求其高温加热情况下强度损失小、热冲压性能良好。虽然Cr、Mo可提高钢的高温强度，但它们是贵重元素，钢中添加大量的这类元素将大幅度增加生产成本，这对使用量大面广的结构材料是不可行的。另外，Cr、Mo等合金元素增加钢的淬透性，提高碳当量，易恶化焊接性和焊接热影响区的韧性。而Nb-V-Ti微合金元素的析出物具有良好的高温稳定性，对提高高温强度会产生有益的影响。研究表明，Nb在针状铁素体组织中的高温析出，可显著提高钢的高温强度。V、Ti的作用与Nb相同，Nb-V-Ti微合金化元素复合使用，可达到最佳的高温强化效果。钢中添加Nb、V、Ti等一种或多种碳氮化物的形成元素，可控制钢中碳、氮间隙水平，提高成型性和抗时效性。钛还可作为钢中硫化物变性元素使用，以改善钢板的纵横性能差异。因此本发明热成型钢添加这些微合金元素充分利用了其对性能的有利作用。

铝（Al）：铝作为AlN形成元素，与Nb、Ti复合使用，有效地细化晶粒的同时固定N元素。由于钢中脱氧元素Si含量很低，成分设计中必须加Al保证充分脱氧，作为补充脱氧剂加入钢中，改善钢质，但含量过高会增加钢中的氧化铝夹杂。本发明的铝含量在0.020-0.045%。

硫（S）：减少钢中夹杂物的体积分数或改变夹杂物形状可改善钢的成型性、焊接性和机械性能。尤其是要减少轧制过程中产生的条形夹杂物MnS，为此需要在炼钢过程中进行Ca处理使夹杂物由条形转化为危害较小且易均匀分布的球状夹杂，把夹杂物的负面影响降低到最小。本发明的S含量在0.008%以下。

磷（P）：P提高钢的强度，降低钢的塑性。磷属于偏析较严重的元素，考虑偏析以及经济性冶炼因素，本发明的P控制在0.015%以下可以满足钢的延性要求。

按照热成型工艺要求对钢板再加热、冲压后解剖的性能与普通的600MPa级钢Q460C进行了对比，表1 所示为热成型前后的性能试验结果对比。通过万能试验机可以得到钢板最终的屈服强度Rel,抗拉强度Rm，延伸率A，为体现均匀性，有的试验做了两个拉伸试验，有的做了三个拉伸试验。

表1

。

从上表来看，普通钢Q460C加热后强度下降较大，已经不符合屈服强度460MPa的要求，而本发明钢板在加热后强度下降幅度小，完全可以满足用户要求的屈服强度480MPa以上的要求。

用本发明钢与普通600MPa级产品Q460C两种材料做成的桥壳总成模拟工况疲劳试验结果请见表2，利用普通Q460C制造的桥壳总成循环次数远达不到设计要求的80万次，而本发明钢疲劳试验结果高于同类型钢板的指标，表现出良好的疲劳性能，大约提高了构件寿命50%以上。

表2

。

因此与现有技术相比，本发明的一种冲焊桥壳用钢板及其制造方法具有如下有益效果：

（1）成分设计独特，钢中添加了Nb、V等保证钢的高温性能的元素，降低了C、Si等影响冲压性能的元素含量，通过Ti、Al等固氮元素的配合，从根本上保证了钢板具有良好的成型性的同时高温强度提高、低温韧性优异、焊接性能改善，其成分设计明显区别于现有技术。

（2）工艺路径控制独特，通过转炉冶炼时钢水氧化性控制，出钢时的S含量控制、脱氧程度控制、LF合理的精炼时间控制，使得低硅的窄成分控制得到保证、钢水洁净度提高、夹杂物尺寸减小，钢的洁净度的提高保证了桥壳钢在循环载荷作用下疲劳强度显著提高，延长构件的疲劳寿命50%以上；

（3）充分采用直接控温轧制成材获得细晶粒钢，省略正火工序，确保钢板热成型性能的同时降低工序消耗、缩短交货期； 

（4）工艺技术适应性强、厚度规格范围宽。

本发明的方法技术具有广泛的适应性，可推广至大型鼓风机、振动筛等在高温条件下作业的大型结构用钢要求较高高温强度的中厚板轧件生产。所生产的高强度钢板最大厚度可达20mm，钢的强度水平突破现有Q345、510L强度级别范围，达到600MPa以上水平，真正实现高性能钢的生产。

附图说明

图1为钢板金相组织。

具体实施方式：

为了更好地理解本发明，下面用具体实例来详细说明本发明的技术方案，但是本发明并不局限于此。

实施例１

钢板化学成分为：

C：0.16%，Si：0.04%，Mn：1.48%，P：0.010%，S：0.003%， Nb：0.027%， V：0.039%，Ti：0.019%，Al：0.029%，CEV：0.41%。其余为Fe及不可避免的杂质。

钢板的生产方法如下：

1）采用KR铁水预处理后铁水温度为1355℃，处理后铁水中的[S]=0.001%。

2）转炉冶炼终点成分碳控制在[C]=0.074%、Si=0.0045%、S=0.009％、P=0.012％，终点温度1640℃；双挡渣出钢时间4.7分钟，出钢过程中保证钢包全程吹氩搅拌。

3）脱氧合金化工艺中，高碳锰铁、铝锰铁、铌铁、钒铁合金加入量按实际出钢量及合金成分进行折算，出钢4/5 前加完合金；在CAS 站吹氩喂铝线。

4）LF精炼使用SiO₂含量为10.6%的精炼渣和埋弧渣浅处理，LF精炼时间45分钟，加热结束后添加钛铁，精炼后喂Ca线，喂线后软吹氩时间10min，钢中Ca为0.0027%，Ca、Al比(Ca/Al)为0.093，出站温度1590℃。

5）采用全保护浇注工艺；使用低碳保护渣、低碳碱性覆盖剂，钢包自动开浇，中间包温度1536℃，过热度21℃，增大氩封的氩气流量至60L/min。

6）连铸坯堆垛缓冷48小时，中厚板加热炉内加热时间按照3.5小时，出炉温度1150℃。

7）高压水喷吹去除表面氧化铁皮，中厚板轧机开轧温度1090℃，高温粗轧阶段11道次变形，高温阶段前三道次的道次压下率大于20%，精轧7道次，终轧温度856℃，轧后空冷。 

所生产的钢板机械性能：

规格：6mm；屈服强度（MPa）:540；抗拉强度（MPa）：680；断后伸长率（%）：23； 180⁰冷弯性能d=2a合格。铁素体晶粒度10级。

实施例2

钢板化学成分为：

C：0.17%，Si：0.03%，Mn：1.54%，P：0.012%，S：0.004%， Nb：0.036%， V：0.043%，Ti：0.024%，Al：0.032%，CEV：0.44%。其余为Fe及不可避免的杂质。

钢板的生产方法如下：

1）采用KR铁水预处理后铁水温度为1371℃，处理后铁水中的[S]=0.003%。

2）转炉冶炼终点成分碳控制在[C]=0.10%、Si=0.0005%、S=0.010％、P=0.0086％，终点温度1642℃；双挡渣出钢时间4.8分钟，出钢过程中保证钢包全程吹氩搅拌。

3）脱氧合金化工艺中，高碳锰铁、铝锰铁、铌铁、钒铁合金加入量按实际出钢量及合金成分进行折算，出钢4/5 前加完合金；在CAS 站吹氩喂铝线。

4）LF精炼使用SiO₂含量为11.2%的精炼渣和埋弧渣浅处理，LF精炼时间50分钟，加热结束后添加钛铁，精炼后喂Ca线，喂线后软吹氩时间11min，钢中Ca为0.0041%，Ca、Al比(Ca/Al)为0.13，出站温度1585℃。

5）采用全保护浇注工艺；使用低碳保护渣、低碳碱性覆盖剂，钢包自动开浇，中间包温度1539℃，过热度25℃，增大氩封的氩气流量至50L/min。

6）连铸坯堆垛缓冷48小时，中厚板加热炉内加热时间按照4小时，出炉温度1160℃。

7）高压水喷吹去除表面氧化铁皮，中厚板轧机开轧温度1080℃，高温粗轧阶段9道次变形，高温阶段前三道次的道次压下率大于20%，精轧7道次，终轧温度875℃，轧后空冷。 

所生产的钢板机械性能：

规格：14mm；屈服强度（MPa）:510；抗拉强度（MPa）：650；断后伸长率（%）：25.5； 180⁰冷弯性能d=2a合格。铁素体晶粒度9.5级。

实施例3

钢板化学成分为：

C：0.18%，Si：0.04%，Mn：1.58%，P：0.008%，S：0.001%， Nb：0.042%，V：0.046%，Ti：0.026% Al：0.035%，CEV：0.45%。其余为Fe及不可避免的杂质。

钢板的生产方法如下：

1）采用KR铁水预处理后铁水温度为1367℃，处理后铁水中的[S]=0.002%。

2）转炉冶炼终点成分碳控制在[C]=0.061%、Si=0.003%、S=0.008％、P=0.010％，终点温度1650℃；双挡渣出钢时间4.7分钟，出钢过程中保证钢包全程吹氩搅拌。

3）脱氧合金化工艺中，高碳锰铁、铝锰铁、铌铁、钒铁合金加入量按实际出钢量及合金成分进行折算，出钢4/5 前加完合金；在CAS 站吹氩喂线。

4）LF精炼使用SiO₂含量为10.54%的精炼渣和埋弧渣浅处理，LF精炼时间47分钟，加热结束后添加钛铁；精炼后喂Ca线，喂线后软吹氩时间11min，钢中Ca为0.0045%，Ca、Al比(Ca/Al)为0.13，出站温度1590℃。

5）采用全程保护浇注工艺；使用低碳保护渣、低碳碱性覆盖剂，钢包自动开浇，中间包温度1536℃，过热度23℃，增大氩封的氩气流量至70L/min。

6）连铸坯堆垛缓冷48小时，中厚板加热炉内加热时间按照4.5小时，出炉温度1170℃。

7）高压水喷吹去除表面氧化铁皮，中厚板轧机开轧温度1085℃，高温粗轧阶段9道次变形，高温阶段前三道次的道次压下率大于20%，精轧5道次，终轧温度860℃，轧后空冷。 

所生产的钢板机械性能：

规格：20mm；屈服强度（MPa）:485；抗拉强度（MPa）：605；断后伸长率（%）：31.5； 180⁰冷弯性能d=2a合格。铁素体晶粒度9.5级。 

Claims (10)

1.一种冲焊桥壳用钢板，其特征在于，钢板化学成分含量按重量百分比为：碳0.15-0.19%，硅≤0.10%，锰1.45-1.65%，磷≤0.015%、硫≤0.008%，铌0.025-0.045%，钒0.035-0.050%，钛0.015-0.030%，铝0.020-0.045%；碳当量≤0.46%，余量为铁及不可避免的杂质。

2. 根据权利要求1所述的一种冲焊桥壳用钢板，其特征在于，钢板化学成分含量按重量百分比为：碳0.16-0.18%，硅≤0.06%，锰1.50-1.60%，磷≤0.012%、硫≤0.006%，铌0.030-0.040%，钒0.035-0.045%，钛0.015-0.025%，铝0.020-0.035%；碳当量≤0.46%，余量为铁及不可避免的杂质。

3. 根据权利要求1所述的一种冲焊桥壳用钢板，其特征在于，钢板化学成分含量按重量百分比为：碳0.17%，硅0.04%，锰1.55%，磷0.010%、硫0.003%，铌0.035%，钒0.040%，钛0.025%，铝0.028%，碳当量0.44%，余量为铁及不可避免的杂质。

4. 根据权利要求1-3任一所述的一种冲焊桥壳用钢板，其特征在于，屈服强度≥480MPa，抗拉强度600-700MPa，延伸率≥21%，180⁰冷弯性能d=2a，钢板厚度6-20mm。

5. 如权利要求1-3任一所述的一种冲焊桥壳用钢板的制造方法，其特征在于，包括KR铁水脱硫处理、转炉终点控制、脱氧合金化、LF精炼、连铸、缓冷加热、轧制工艺。

6. 根据权利要求5所述的一种冲焊桥壳用钢板的制造方法，其特征在于， 

（1）KR铁水脱硫：KR铁水脱硫后铁水温度≥1300℃；

（2）转炉终点控制：转炉终点成分 C=0.07-0.10%、Si≤0.01%、S≤0.010％、P≤0.012％，终点温度1640～1660℃； 

（3）脱氧合金化：采用铝锰铁和高碳锰铁脱氧合金化，铝线一次性加入；

（4）LF精炼：使用低硅含量的精炼渣和埋弧渣浅处理，LF精炼时间在50分钟内，加热结束后加入钛铁；精炼处理后进行Ca处理；第一炉出站温度1585℃～1595℃，其它炉次出站温度1585℃～1590℃；

（5）连铸：采用全程保护浇注工艺，大包自动开浇，不卷渣情况下，向中间包内加低碳覆盖剂，增大氩封的氩气流量至40-70L/min；

（6）缓冷、加热：对连铸坯堆垛缓冷48小时，之后进行加热，加热时间3.5-4.5小时，加热后出炉温度1120-1180℃；

（7）轧制：连铸坯加热后进行高压水除鳞，中厚板轧机开轧温度1050～1090℃，高温阶段前三道次的道次压下率大于20%，精轧道次为6-8道次，精轧终轧温度控制在850-880℃。

7. 根据权利要求6所述的一种冲焊桥壳用钢板制造方法，其特征在于，步骤（1）中处理后的铁水硫含量[S]≤0.003%。

8. 根据权利要求6所述的一种冲焊桥壳用钢板制造方法，其特征在于，步骤（2）中冶炼过程一次拉碳操作，无点吹操作。

9. 根据权利要求6所述的一种冲焊桥壳用钢板制造方法，其特征在于，步骤（4）中加入钛铁，使Ti含量≥3.4N+1.5S。

10. 根据权利要求6所述的一种冲焊桥壳用钢板制造方法，其特征在于，步骤（4）中Ca处理后钢中Ca、Al质量比为0.09～0.14。