CN103602890B - 一种抗拉强度540MPa级高扩孔钢板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种抗拉强度540MPa级高扩孔钢板及其制造方法，其化学成分重量百分比为：C：0.02～0.1%、Si：0.1～1.2%、Mn：1.5～2.20%、P≤0.02%、S≤0.003%、Al：0.020～0.060%、Nb：0.005～0.05%、Ca＜0.0050%其余是Fe和不可避免的杂质；其中，（[C]×[Nb]）≤0.001，[Mn]/[Si]=2～5，钢板强度与扩孔率乘积TSxλ≥48000MPa%。本发明高扩孔钢板抗拉强度大于540MPa、590MPa级热轧高扩孔钢板，满足中国汽车工业底盘高强轻量化需求。
Description
技术领域
本发明涉及高扩孔钢板，特别涉及一种抗拉强度大于540MPa高扩孔钢板。
背景技术
热轧及热轧酸洗板广泛应用于汽车底盘、车轮及车身结构零件，它们占汽车用钢的28%左右。通过汽车零件翻边和局部扩孔形状设计可提高零件的强度和刚性，达到汽车钢板减薄和轻量化的目的。钢板的扩孔性能与钢板的成分、强度和组织均匀性有关，传统540MPa钢板（55公斤级别）采用低合金析出强化，钢板的扩孔率在40～60%之间。随着汽车设计对底盘结构的要求日益提高，零件成形更加复杂，对钢板的翻边和扩孔性能要求有所提高，传统碳锰固溶强化钢和低合金析出强化钢结构钢板难易满足汽车底盘、悬臂零件成形要求，高扩孔钢已成为汽车钢板的一个重要品种之一。
中国专利CN101928881采用低碳成分添加Ti、Nb合金元素生产抗拉强度590MPa的扩孔钢，精轧后采用两段式冷却方式，在300～500℃卷取。在热轧生产中，热轧轧制中带钢速度变化大，测量空冷段的钢板板温比较困难，一般采用两段式冷却模型控制层流冷却，钢板实际温度波动大，易导致钢卷头中尾性能波动很大，相比本发明常规一段式冷却方式控制简便，热轧钢板温度控制精度高。
中国专利CN102400042采用C、Si、Mn添加少量Nb、Ti合金元素，可生产抗拉强度在500MPa以上扩孔钢，卷取温度要求在620～660℃，组织为铁素体+珠光体。
日本专利JP2003016614公开的热轧高扩孔钢，碳含量0.02～0.10%，Si≤0.5%，其抗拉强度也是≥590MPa，但其加入了不少Nb、Ti、V、Cr、RE等合金元素，以良好的表面可涂装性为主要目标。
专利W02009118945(C101978083)公开了一种热轧高扩孔钢，碳含量0.015～0.04%，其抗拉强度也是≥520MPa，但不含Nb合金成分，根据该专利要求，添加Nb后，由于碳化铌的析出，将影响Ti/C比，不能获得很高的扩孔率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗拉强度540MPa级高扩孔钢板及其制造方法，抗拉强度大于540MPa、590MPa级热轧高扩孔钢板，满足中国汽车工业底盘高强轻量化需求。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种抗拉强度540MPa级高扩孔钢板，其化学成分重量百分比为：C：0.02～0.1%、Si：0.1～1.2%、Mn：1.5～2.20%、P≤0.02%、S≤0.003%、Al：0.020～0.060%、Nb：0.005～0.05%、Ca＜0.0050%，其余是Fe和不可避免的杂质；其中，([C]×[Nb])≤0.001，[Mn]/[Si]=2～5，钢板强度与扩孔率乘积TSxλ≥48000MPa%。
又，一种抗拉强度590MPa级高扩孔钢板，其化学成分重量百分比为：C：0.02～0.1%、Si：0.1～1.2%、Mn：1.5～2.20%、P≤0.02%、S≤0.003%、Al：0.020～0.060%、Nb：0.005～0.05%、Ca＜0.0050%，其余是Fe和不可避免的杂质；其中，([C]×[Nb])≤0.003，[Mn]/[Si]=2～5，高扩孔钢板抗拉强度大于590MPa，钢板强度与扩孔率乘积TSxλ≥53000MPa%。
在本发明成分设计中：
C：用于形成足够碳化物强化相，以保证钢的强度，C太低强度达不到要求，C过高析出碳化物颗粒大不利于钢板扩孔性能。此外，对析出强化低合金高强钢而言，钢中常添加Nb、Ti等元素，这些元素与碳形成微小碳化物析物提高钢板强度。对本发明来讲，控制铌与碳的含量十分重要，两者含量过高，将导致钢板抗拉强度和屈服强度过高，不能满足汽车用户对性能规定的要求，同时钢板的扩孔率随着强度提高而下降，对钢板翻边成形不利。本发明对碳铌含量的匹配进行控制，要求([C]×[Nb])≤0.001，或([C]×[Nb])≤0.003，这样既保证钢板强度，同时获得高的扩孔率。
Si：钢中硅起固溶强化作用，同时添加硅有助于改善钢板的延伸率。钢中含硅容易使钢板表面产生红铁皮等表面缺陷，使酸洗板表面粗糙度不均匀，对表观质量有不良影响。另外，硅含量过高导致钢板表面硅富集，对钢板的磷化涂装性能不利。本发明优选的Si含量范围是0.3～0.8%。
Mn：锰是固溶强化元素，低于1.4%钢的强度不足，锰含量提高使钢的塑性下降，更容易造成连铸板坯成分偏析，影响热轧板的组织均匀性，对钢板的扩孔率不利。通过控制Mn/Si的适当比例，本发明技术控制Mn/Si比在2～5之内，可获得钢板强度-塑性-扩孔率三者平衡性能。
P：磷是钢中的杂质元素，含量应越低越好，但追求过低的磷含量会增加冶炼成本。但过高磷含量将影响钢板焊接性，磷含量控制在0.02%以下，可满足钢板生产成本控制和用户使用的要求。
S：是钢中的杂质元素，含量应越低越好，S在钢中易形成MnS，钢中硫化物数量和形态直接影响钢板的扩孔率，S必须低于0.003%，最好低于0.002%。
Al：是钢中的脱氧元素。减少钢中的氧化物夹杂、纯净钢质，有利于提高钢板的成形性能。Al：0.02～0.06%，不宜过低，但过高时影响连铸生产。
Nb：铌是重要的强化元素之一。Nb在轧制结束后的冷却中或卷取后以碳化物微细颗粒析出，利用析出强化来提高强度。在本发明中通过调整Nb、Mn含量可获得不同抗拉强度（540-590MPa）高扩孔钢板。
Ti：钛也是重要的强化元素之一。Ti在轧制结束后的冷却中或卷取后以碳化物的形式微细析出，利用析出强化来提高强度。少量Ti含量有利于改善钢板焊接特性。添加钛合金元素可能会钢板线状夹杂物数量，劣化钢板的翻边扩孔性能，本发明不采用钛元素强化钢板。
Ca：加钙可改变钢中硫化物的形态，使长条MnS夹杂转化球状CaS夹杂，对提高钢板的韧性和扩孔率有利，考虑到已对钢中硫含量进行严格控制，本发明Ca含量＜0.0050%。
本发明的一种抗拉强度540MPa级高扩孔钢板的制造方法，包括以下步骤：
1)冶炼、铸造
按下述成分冶炼、连铸成板坯，其化学成分重量百分比为：C：0.02～0.1%、Si：0.2～1.2%、Mn：1.5～2.2%、P≤0.02%、S≤0.003%、Al：0.020～0.060%，Nb：0.005～0.05%，Ca＜0.0050%，其余为Fe和不可避免的杂质；钢水采用LF炉脱硫处理，钢水硫含量小于0.003%；
2)热轧
连铸板坯加热温度1180～1250℃，终轧温度为860～920℃，卷取温度450～550℃；
3)冷却
板坯精轧完成后，采用一段式常规层流冷却方式冷却钢板到450～550℃后卷取，其中，冷却速度大于20℃/s；
4)酸洗
自然冷却到50℃以下的热轧钢卷通过酸洗机组在热盐酸溶液去除钢板的氧化铁皮，酸洗钢板经过漂洗、挤干、烘干后涂油处理。
在本发明制造方法中，钢水通过转炉冶炼，LF炉处理，确保S含量低于0.003%，并进行Ca处理改善硫化物形态，在热轧工艺中，加热温度为1180～1250℃，终轧温度为850～920℃，采用常规一段式冷却方式，以大于30℃/s的冷却速度冷却，钢板在450～550℃温度下卷取，钢卷卷取后空冷至室温。钢板卷取温度过高，导致钢板强度下降，同时，过高的卷取温度导致带状组织出现，使钢板扩孔率降低。卷取温度过低，造成钢板强度升高，延伸率下降。优选的卷取温度范围在480～540℃。
酸洗前的钢卷温度小于60℃，最好低于50℃，钢卷温度过高，易导致钢板表面腰折缺陷。钢板开卷后通过加热盐酸溶液（酸洗溶液温度70～85℃）去除钢板表面的氧化铁皮，酸洗后钢板经水漂洗、烘干，涂防锈油后卷取。
本发明提供的热轧高强度高扩孔钢板具备如下力学性能：抗拉强度达到540MPa，扩孔率大于90%。抗拉强度达到590MPa，扩孔率大于85%。热轧后无需复杂控制冷却技术，用一般层流冷却工艺就可实现，易于生产。该钢板具有良好的扩孔性能、成形性能、冷加工性能，主要用于汽车底盘复杂形状零部件成形加工。
扩孔率评价方法，按下述步骤计算扩孔率(λ：单位为%)。取150×150mm的热轧或酸洗钢板上，作为初期孔径(d[1])，开直径10mm的冲孔，使用顶角60°的圆锥冲头扩张该冲孔。测定冲孔部分产生的裂纹贯通板厚时的孔径(d[2])，由下式计算出扩孔率。在本发明中，λ为90%以上为合格。
扩孔率(λ)＝[(d[2]-d[1])/d[1]]×100%
本发明抗拉强度540MPa和590MPa高扩孔钢的金相组织为主要为铁素体，弥散细小的碳化物析出物。实现高扩孔性的主要是依靠以下几方面：
1、LF炉脱硫处理，降低钢水S含量，进而降低钢板的夹杂数量，并通过Ca处理，使长条的MnS夹杂转化为球状的CaS夹杂，减少钢板在翻边过程中非金属夹杂对基体连续性的破坏。
2、组织均匀性，采用合理成分设计和热轧工艺控制，可以使材料的晶粒细小，组织均匀，防止组织偏析和带状组织发生，减缓钢板在局部变形过程中开裂的敏感性。
3、均匀的铁素体单相组织，减少钢板在局部变形过程中不同相之间硬度差易导致开裂的敏感点。
附图说明
图1为本发明实施例1钢板的金相组织。铁素体单相组织，组织均匀，无中心偏析及带状组织。
图2为本发明实施例7钢板的金相组织。铁素体单相组织，组织均匀，无中心偏析及带状组织。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
表1为本发明实施例钢的化学成分，表2是本发明实施例钢对应热轧工艺，表3为本发明实施例钢的力学性能。
本发明实施例试样通过转炉冶炼、LF炉脱硫处理，连铸、板坯加热温度加1180～1250℃，终轧温度为850～910℃，以大于30℃/s的冷却速度冷却，钢板在480～580℃温度下卷取，钢卷卷取后空冷至室温。
对比例1、对比例2为一般同级别的商用材。图1、图2分别是本发明抗拉强度450MPa和抗拉强度590MPa高扩孔钢的金相组织。
表1 单位：重量百分比
| C | Si | Mn | P | S | Al | Nb | Ti | Ca | |
| 实施例1 | 0.030 | 0.80 | 1.70 | 0.012 | 0.0009 | 0.026 | 0.012 | 0.0013 | |
| 实施例2 | 0.050 | 0.50 | 1.60 | 0.008 | 0.0025 | 0.045 | 0.010 | 0.0020 | |
| 实施例3 | 0.080 | 0.30 | 1.50 | 0.009 | 0.0020 | 0.055 | 0.008 | 0.0017 | |
| 实施例4 | 0.023 | 0.85 | 1.80 | 0.010 | 00025 | 0.035 | 0.020 | 0.0030 | |
| 实施例5 | 0.035 | 1.00 | 2.20 | 0.010 | 0.0009 | 0.037 | 0.045 | 0.0019 | |
| 实施例6 | 0.050 | 0.65 | 2.10 | 0.011 | 0.0020 | 0.034 | 0.035 | 0.0020 | |
| 实施例7 | 0.085 | 0.40 | 1.95 | 0.009 | 0.0010 | 0.060 | 0.017 | 0.0030 | |
| 实施例8 | 0.060 | 0.75 | 1.80 | 0.010 | 00025 | 0.035 | 0.027 | 0.0025 | |
| 对比例1 | 0.080 | 0.90 | 1.40 | 0.014 | 0.007 | 0.025 | 0.006 | 0.001 | |
| 对比例2 | 0.080 | 0.18 | 1.50 | 0.014 | 0.005 | 0.028 | 0.026 | 0.015 | 0.001 |
| 对比例3 | 0.077 | 0.13 | 1.66 | 0.011 | 0.005 | 0.027 | 0.043 | 0.002 | |
| 对比例4 | 0.070 | 0.08 | 1.45 | 0.013 | 0.002 | 0.030 | 0.045 | 0.030 | 0.002 |
表2
| 板坯加热温度℃ | 终轧温度℃ | 卷取温度℃ | |
| 实施例1 | 1210 | 860 | 480 |
| 实施例2 | 1195 | 900 | 540 |
| 实施例3 | 1200 | 880 | 520 |
| 实施例4 | 1225 | 890 | 505 |
| 实施例5 | 1240 | 890 | 460 |
| 实施例6 | 1235 | 910 | 490 |
| 实施例7 | 1210 | 870 | 500 |
| 实施例8 | 1200 | 880 | 530 |
表3
Claims (3)
1.一种抗拉强度540MPa级高扩孔钢板，其化学成分重量百分比为：C：0.02～0.1％、Si：0.1～1.2％、Mn：1.5～2.20％、P≤0.02％、S≤0.003％、Al：0.020～0.060％、Nb：0.005～0.05％、Ca＜0.0050％，其余是Fe和不可避免的杂质；其中，([C]×[Nb])≤0.001，[Mn]/[Si]＝2～5；钢板强度与扩孔率乘积TSxλ≥48000MPa％；所述钢板的金相组织是均匀的铁素体单相组织。
2.一种抗拉强度540MPa级高扩孔钢板，其化学成分重量百分比为：C：0.02～0.1％、Si：0.1～1.2％、Mn：1.5～2.20％、P≤0.02％、S≤0.003％、Al：0.020～0.060％、Nb：0.005～0.05％、Ca＜0.0050％，其余是Fe和不可避免的杂质；其中，([C]×[Nb])≤0.003，[Mn]/[Si]＝2～5，高扩孔钢板抗拉强度大于590MPa，钢板强度与扩孔率乘积TSxλ≥53000MPa％；所述钢板的金相组织是均匀的铁素体单相组织。
3.如权利要求1或2的抗拉强度540MPa级高扩孔钢板的制造方法，其包括以下步骤：
1)冶炼、铸造
按下述成分冶炼、连铸成板坯，其化学成分重量百分比为：C：0.02～0.1％、Si：0.2～1.2％、Mn：1.5～2.2％、P≤0.02％、S≤0.003％、Al：0.020～0.060％，Nb：0.005～0.05％，Ca＜0.0050％，其余为Fe和不可避免的杂质；钢水采用LF炉脱硫处理，钢水硫含量小于0.003％；
2)热轧
连铸板坯加热温度1180～1250℃，终轧温度为860～920℃，卷取温度450～550℃；
3)冷却
板坯精轧完成后，采用一段式常规层流冷却方式冷却钢板到450～550℃后卷取，其中，冷却速度大于20℃/s；
4)酸洗
自然冷却到50℃以下的热轧钢卷通过酸洗机组在热盐酸溶液去除钢板的氧化铁皮，酸洗钢板经过漂洗、挤干、烘干后涂油处理得到所述钢板，该钢板的金相组织是均匀的铁素体单相组织。
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