CN1071801C - 可烘烤硬化的含钒钢制品的制造方法及其制品 - Google Patents

可烘烤硬化的含钒钢制品的制造方法及其制品 Download PDF

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Abstract

轧制制品，如热轧或冷轧的及退了火的板材和/或带材包括低碳钢中的有效量的钒，它产生特别适于汽车用途的改进了可烘烤硬化的产品。在该钢的合金成份中用钒来控制烘烤硬化性能，得以在其制造过程中以较低的温度固溶退火及规定了有效限制下更易于铸造的成份范围，和几乎不引起最终机构性能的改变。该钢的成份由(重量%)：0.0005-0.1%的碳、0-小于0.04%的氮、0-小于0.5%的氮化物形成元素、0-0.5%的铝、0-最多为2.5%的锰、0.005-0.6%的钒及余量的铁及不可避免的杂质构成。

Description

可烘烤硬化的含钒钢制品的制造方法及其制品
本发明领域
本发明涉及一种具有改进了的烘烤硬化性能的低碳钢带材产品，尤其是涉及制造具有改进了的烘烤硬化性能和受控量的钒的钢带产品。
背景技术
在现有技术中，一直强化，尤其是汽车制造者提出的，日益增长的对更高强度钢板和带钢的需要，以便为新汽车的设计提供防硌痕性能及使重量减轻。由于这种希望，可知的是一直需求有高度的可成形性，而且还呈现出可烘烤硬化性的钢。如在本领域中所知，可烘烤硬化性指的是某些钢在一般为176.7℃的汽车烤漆处理的20或30分钟过程中出现的强化。在该烤漆或其它适宜的处理时，使可烘烤硬化钢强化，从而使成品具有合乎要求的防硌痕性能。
在给定的钢中，可成形性(如压力加工成形性)和强度是抵触的。为达到好的可成形性，该钢在本质上必须是有延展性的，以便能形成所需的形状。但除此延展性外，该钢还必须得有足够的强度，以便在用于暴露的板，如在汽车中所看到板时，能防止硌伤。
为克服这种缺陷，现有技术提出了各种通过控制该钢中的合金成分及用于制造这种钢的产品的工艺的解决方案。可烘烤硬化性是有助于这些解决方案的有吸引力的性能，因为这种硬化是在成形后出现的。
美国专利U.S.5,133,815(授予Hashimoto等人)公开了一种用于深冲的冷轧或热浸镀锌钢板。通过控制合金钢的组成及渗碳步骤在此钢板中获得浓度适当的溶质碳，从而改善烘烤硬化性能。
US.4,391,653(授予Takechi等人)公开了一种由于控制了冷轧带钢中的氮含量而具有改善了的烘烤硬化性的高强度冷轧带钢。
US.4,496,400(授予Irie等人)涉及到一种适用于外汽车板的冷轧钢板。此专利公开了铌的有效化合量，在钢中存有适量的铝，及在能有效地增进铌的分布的退火条件下，铌起着固定钢中的C和N的作用。为获得烘烤硬化效果，该钢的连续退火需要精细的加热和冷却规范。
US.4,750,952(授于Sato等人)也公开了具有改进了的烘烤硬化性能的冷轧钢板。在此专利中限制了硫和氮的量，并考虑到此硫和氮的量，将钛的添加量限于一特定范围中。该专利还需要“耗费时间/能量”的退火(即重结晶温度以上的大于300秒的退火)。
对于汽车外板的用途而言，经涂覆的钢，如热浸镀钢，对于其抗腐蚀性是适宜的。但，特别适于热浸镀的金合的成分常使其间隙空缺(IF)。用这种类型的合金，其合金成份从固溶体中有效地将全部碳排除，这就使烘烤硬化性能成为不可能。因此一直需要提供一种改进的方法和合金的化学组成，以制成具有可接受的成形性和烘烤硬化性能热浸镀产品。
此外，由于需要对采用诸如钛和/或铌之类的合金元素的钢的成份进行精确的化学组成控制，一直需要提供一种适于烘烤硬化的化学组成，该组成不要求精确的和极低的合金成分限制及耗能的处理。
为满足这种要求，本发明提供了一种改进了的热轧或冷轧及退过火的，适于板类用途，如汽车钢板的低碳钢产品，其合金成份的控制比现有技术中的合金成分控制容易，而且能耗低及所需的工艺要求少。
本发明概述
本发明的第一个目的在于提供一种烘烤硬化性能极好(与适宜的，成形前的抗时效性能相结合)及特别适用于汽车制造的低碳钢带或板。
本发明的另一目的在于提供生产有改善了的平整度的热轧或冷轧及退火钢板或钢带产品的方法，而且该方法由于合金的化学成份能以低的退火温度达到成品，因而是低能耗的。
本发明的其它目的和优点在对其描述时将会被得知。
作为对上述目的和优点的补充，本发明以在其范围最宽的实施方案中，涉及到热轧或冷轧及退火的制品，及制造这些制品的方法。更可取的是，该钢经连续退火和用诸如热浸涂或电镀锌之类的方法涂覆，以便用于汽车板。
本发明是对通过以下步骤制造经热轧或冷轧及退火的制品的现有技术方法的改进：
铸造含有效量的碳、锰、铝、氮及余量的铁及不可避免杂质的碳钢，其中热轧此铸态的钢及使之冷却，然后可将其冷轧至规定尺寸，再于选定的温度范围内退火。按本发明，该钢的成份主要由(重量％)0.0005至＜0.1％的碳、0至＜0.04％的氮、0至0.5％的铝、0至最多为2.5％的锰、0.005-0.6％的钒、余量的铁及不可避免的杂质构成。
加钒有助于改善该冷轧和退火制品的烘烤硬化性能。而且钒的很宽的可允许的重量百分比范围使其易于在容限内铸造钢，及提供具有对该钒含量相当迟钝的最终机械性能的产品。
本发明的合金化学成分有助于改善该钢在经受烘烤漆时的烘烤硬化性能。可通过采用上述范围内的钒来控制烘烤硬化性能。
按本发明的另一个方面，提供了一种轧钢制品，如，主要由(重量％)：0.0005-0.1％的碳、0和＜0.04％间的氮、0和＜0.5％之间的钛、0和＜0.5％之间的铝、0和至多为2.5％之间的锰、0.005和0.6％之间的钒及余量的铁和不可避免的杂质构成热轧或冷轧的及经退火的制品。该钢主要由(重量％)：0.0005-0.01％的碳、0至小于0.008％的氮、0至小于0.05％的钛、0至小于0.10％的铝、0至至多为1.0％的锰、0.01至0.15％的钒及余量的铁和不可避免的杂质构成。该具发明性的冷轧及退火制品可以任何常规方法，如热浸或电镀锌所包覆。该具发明性的钢制品由于加钒而呈现出改善了的烘烤硬化性能，并提供了一种具有改进了的形状及在冶炼和铸造过程中易于控制合金化学成分的钢制品。
该具发明性的合金化学成分还容许比现有技术的合金低的固溶退火温度及与其制造相关的较低的能耗。
附图简述
现参看本发明的唯一的附图，其中的曲线描绘了可烘烤硬化性能(按N/m2)与本发明所用的固溶退火温度间的关系。
本发明优选实施方案的描述
已被揭示的是：通过含有效量的钒可改善低碳钢，从而产生基本上适于在被涂覆的情况下用作汽车钢板的可烘烤硬化的、经热轧或冷轧及退过火的制品。
该具发明性的合金成份以较低的固溶退火温度而达到了合乎要求的烘烤硬化性能，而且在制品的制造过程中是更为优良的原料。这就是说，在该钢的合金成份中以上述的量使用钒，则使得易于在容许限度内铸造此钢，从而产生可被接受的产品。钒的重量百分比扩展到高于其它现有技术的合金组份的程度，从而在铸造时更易于被控制。此外，由于含钒量的一般变化不会很大地改变机械性能，所以本发明的合金成份不易使最终的机械性能产生改变。
按其最宽的实施方案，本发明包括可烘烤硬化的热轧或冷轧的及退火的钢制品，如低碳类型的板材或带材。这种轧钢制品主要由(重量％)：0.0005至0.1％的碳、0至小于0.04％的氮、0至小于0.5％的钛、0至0.5％的铝、0至最多为2.5％的锰、0.005至0.6％的钒及余量的铁及不可避免的杂质构成。优选地，碳最多为0.01％、氮最多为0.008％、钛最多为0.05％而钒最多为0.15％。
在这种类型的钢中，锰按常规添加，因为锰起着强化元素的作用，并与硫结合，从而防止该钢的红脆性。
由于本发明的该热轧或冷轧及退火钢是镇静钢，所以其中因铝的脱氧作用而含铝。将铝限于0.08％是优选的。
如上所述，氮的上限为0.04％(400ppm)。优选地，将氮限于小于0.008％。
为了达到所述烘烤硬化的效果，本发明的低碳钢的含碳量是有限度的。一般来说，其下限约为0.0005％(5ppm)。其上限优选是0.005％。
虽然在这些类型的低碳钢中，硅和磷常以残余杂质含量存在，但这种钢的其它的特定最终用途可以要求加更多的硅和磷，以便达到更高的强度水平。因此，根据最终用途，可单独或结合地，以分别最多1.0％和2.5％(重量)的量加硅和磷。其它的元素也有助于固溶强化，但为此在低碳钢板中一般使用Mn、P和Si。
钢中加钛主要为的是通过形成氮化物，如氮化钛而去除溶质氮。这就可通过控制溶质碳的水平来简单地控制烘烤硬化性能。可取的是，钛含量应至少3.4倍于氮的重量百分浓度。应理解的是，其它的强(活泼)的氮化物形成元素，如硼、锆，或甚至是铝或钒，以适宜的量及正确的处理，都可取代钛来与溶质氮结合。
通常不往低碳钢板钢中加硫，但它根据所用的炼钢和钢包处理方法以残留量存在。硫在最终产品中一般为各种化合物的形态，这包括硫化钛(E1S)。由于对上述氮化钛形成的考虑及认识到钛可与硫反应而形成E1S，所以较佳的钛含量在3.4N和(3.4N+1.5S)之间，其中N和S分别是氮和硫的重量百分浓度。
加钒也是为了控制该热轧或冷轧及退火钢制品的烘烤硬化性能。较佳范围为0.03-0.12％，而最佳范围为0.05-0.10％。
如下文所展示，加钒可控制烘烤硬化性能，在此之前这种控制未在现有技术中被认识。对于符合本发明的某些合金成分而言，通过加钒已显现出烘烤硬化性能的提高。
接着可将本发明的冷轧及退火的钢加工成经涂覆的钢，及压制成用于任意最终用途的各种形状。特别是，这些经涂覆的产品尤为适于用作汽车板，其中，接着对此经涂覆的产品上添加烘烤，以便在车辆的暴露板中实现烘烤硬化作用及抗硌伤性能。这种涂覆可以是用于这种类型用途的任何常规涂覆，如涂锌、铝等。
按照本发明的另一方面，该具发明性的钢的化学成分在这种类型的材料的冷轧和退火的现有技术方面提供了改进。按这些现有技术的方法，将一特定的钢或铸成锭状，或连铸成坯，再热轧和冷却而成卷状。可使用该热轧产品，或，可供选择的是，接着清洗，如酸洗此卷状物，再以若干道次冷轧成合乎要求的尺寸。然后使此经冷轧的钢退火，该退火或分批地，或连续地进行，以便产生重结晶的钢制品。
这些现有技术的工艺还可包括通过诸如电镀锌或热浸涂之类的技术镀覆此冷轧和退火的产品。这些镀覆步骤或可在分批退火之后，或作为连续退火线的一个部分进行。本发明提供的优于现有技术工艺的改进是：本发明的钢的合金成分所容许采用的固溶退火温度，特别是连续退火期间的此温度比现有技术的合金成分所能容许的要低。比如，在授予Irie等人的US.4,496,400中，含铌的可烘烤硬化的薄钢板最少要在900℃时退火。
反之，用本发明的合金成份，可以约788℃以上的退火温度达到有吸引力的烘烤硬化性能。这种较低的退火温度还导致了退火期间的节能及较低的产品单位成本，以及较好地控制产品形状及平整度。
在本发明的合金成份中采用钒可使该固溶退火温度降低，这是因为钒比其它合金元素，如钛或铌更易溶于钢的基体中。结果是，较低的固溶退火温度可用来达到烘烤硬化性所必需的溶质态的碳的含量。
该有效的退火温度范围可低至约788℃而最高的约898.9℃。可取的是，为达到充分的重结晶，可烘烤硬化性，改善了的产品形状/平整度及较低的能耗，该固溶退火温度在815.6-843.3℃的范围内。
应理解的是，铸造、热轧、冷却和冷轧这些工艺步骤在这类低碳钢的冶金技术方面是公知的，对其进一步的详细描述对于理解本发明不是必要的。
为证明与在这类低碳钢中使用钒相关的不可预料的效果，进行以下实验。应注意，除另有说明，所有的百分比均为重量百分比。实验旨在用于说明的目的，而不用来限制本发明。
在实验室的条件下将三份226.8kg的实验炉料铸成锭，然后热轧至19.05mm的厚度。该炉料的成分公称地为：0.003％的C、0.2％的Mn、0.004-0.007％的N、0.02-0.04％的铝、0.02％的Ti及选择量的V和余量的Fe及不可避免的杂质。
将热轧的锭加热到1260℃，从19.05mm轧至3.05mm。为了模拟热轧后的喷水输出管的冷却，将该热轧过的锭在聚合物溶液中淬火，直到达到常规的卷取冷却温度为止。此时，将该热轧试样炉冷至室温。
每件热轧试样随后经酸洗，再以多个道次从0.12″冷轧至0.03″，从而达到75％的冷压缩比。
然后该经冷轧的材料经受788-898.9℃间的温度下的历时30秒的退火，接着是空冷和回火轧制冷压缩比约为1％。该经回火轧制的钢经标准的烘烤硬化模拟试验，它是由2％的拉伸预应变和接着的176.7℃的30分钟处理构成的。该烘烤硬化性能的增量代表硬化后的屈服应力和硬化前的2％屈服应力间的差。该材料还经受应变时效指数检测，这涉及到10％的预应变，然后于100℃处理60分钟，以便提供作为该被处理钢的抗室温时效性能的指标。
下表归纳了该实验的实际成份(重量％)
表
钢*     C  Mn     Al     N     Ti     V
 0.02Ti  0.0018  0.20     0.24  0.0044  0.018    -
 0.02Ti-0.005V  0.0021  0.19     0.038  0.0062  0.021  0.049
 0.02Ti-0.10 V  0.0028  0.19     0.040  0.0065  0.021  0.094
*余量的Fe和残留的杂质
现参见唯一的附图，它展示了4种不同合金成分的烘烤硬化增量与退火保温温度间的比较。表示0.02Ti三条的曲线与该表中的三种化学成份相对应。表示0.05Ti的曲线代表过稳定化的低碳钢板，该钢板是适于热浸镀，但不呈现明显的烘烤硬化性能。
如从该图可知，有效量的钒控制了低碳钢中的烘烤硬化性能。该图表明：向含钛的低碳钢中加少量的钒，如0.05％的钒，则导致了与成份相似而不含钒的这种钢在815.6℃的退火温度下相同，而与在898.9℃时不同的烘烤硬化性能。当将钒提高到0.10％时，甚至达到更为改善的烘烤硬化。这种提高在低的退火温度，如788℃或815.6℃下也是有效的。该图表明：烘烤硬化性能比以这些低退火温度退火的不含钒的钢约高20.67×106N/m2。此外，该应变时效指数测试的结果表明，这些钢在成形前呈现出足够的抗室温时效的性能。
本发明钢的合金主要成分的改善了的烘烤硬化性能、较低的固溶退火温度、在铸造时较易控制加钒的能力及降低了的含钒量的变化与最终机械性能之间的敏感性，使该钢用作板状和/或带状产品，无论在热轧或冷轧和退火状态或作为经涂覆的产品都是理想的。由于本发明轧制产品及生产方法具有超过无晶格缺陷钢的改进和便于生产的特点，所以该钢特别适用于热浸涂工艺，如镀锌等。采用了本发明的钢的合金成份的冷轧和退火钢制品可以任何常规方式浸涂，较好是在连续退火热浸涂线上浸涂。一旦热浸涂后，可以常规的方式将该涂过的钢制品形成汽车板。该板易于成形，而后被涂漆和烘烤，该漆过的板显示出良好的抗硌伤性能。
照这样，通过本发明的较佳实方案已公开了本发明，并实现了上述的本发明的每一个目的，并且提供了改进了的低碳钢制品及其制造方法，该法利用钒作为改进烘烤硬化性能和降低制造过程中能耗的合金成分。
当然，本技术领域中的普通技术人员可以预料到的是，不违背本发明精神和范围，对其技术可作各种变更、改进和替换。因此，本发明限于所附权利要求书中的范围。

Claims (20)

1．制造轧制钢制品的方法，该方法包括含有效量的碳、锰、铝、氮及余量的铁和不可避免杂质的低碳钢的铸造步骤及所述钢的热轧制步骤，其改进包括：
使所述钢的成份主要由(重量％)：0.0005-0.0028％的碳、0至小于0.04％的氮、0-小于0.5％的氮化物形成元素、0-0.5％的铝、0-最多为2.5％的锰、在所述钢烘烤漆时有助于改善其烘烤硬化性能的0.03-0.094％的钒及余量的铁和不可避免的杂质构成；
其中所述的热轧钢被冷轧及在选定的温度范围内退火；
其中所述的改进还包括所述的温度范围的下限为787.8℃。
2.权利要求1的方法，其中所述的钒的范围为0.05-0.094％。
3.权利要求1的方法，其中由于添加所述的钒，烘烤硬化性能至少提高20.67×106N/m2。
4．权利要求1的方法，其中所述钢主要由(重量％)：0.0018-0.0028％的碳、0.18-0.22％的锰、0.024--0.040％的铝、0.0044-0.0065％的氮、0.018-0.22％作为氮化物形成元素的钛和0.049-0.094％的钒及余量的铁和不可避免的杂质构成。
5．权利要求1的方法，其中所述的钢被涂覆。
6．权利要求5的方法，其中所述的钢通过热浸镀被涂覆。
7．权利要求5的方法，其中所述的钢通过电镀锌被镀覆。
8．权利要求1的方法，其中所述钢被作成板状产品并经受烘烤漆的步骤。
9．权利要求1的方法，其中所述碳的范围为0.001-0.0028％，所述氮的范围为0.001-0.005％，所述铝的范围为0.02-0.08％，而作为所述氮化物形成元素的钛的量大于所述氮的量的3.4倍。
10．如权利要求1中所述的轧制钢制品，主要由以下成份构成(重量％)：
0.0005-小于0.0028％的碳；
0-最多为2.5％的锰；
0-最多为0.5％的铝；
0-小于0.5％的氮化物形成元素；
0-小于0.04％的氮；
0.03％-小于0.094％的钒；
余量的铁及不可避免的杂质，其中的钒在所述制品经受漆的烘烤时有助于改善其烘烤硬化性能。
11.权利要求10的轧制制品，其中所述的钒的范围为0.05-0.094％。
12．权利要求10的轧制制品，其中所述的氮化物形成元素是范围为0.015-0.025％的钛。
13．权利要求10的轧制制品，其中所述制品包括其上的覆层。
14．权利要求10的轧制制品，其中所述制品呈现出至少27.56×106 N/m2的烘烤硬化性能。
15．权利要求10的轧制制品，其中所述的钢主要包括(重量％)：0.0018-0.0028％的碳、0.18-0.22％的锰、0.024-0.040％的铝、0.0044-0.0065％的氮、0.018-0.022％作为氮化物形成元素的钛及0.049-0.094％的钒以及余量的铁和不可避免的杂质。
16．权利要求10的轧制制品，其中所述的氮化物形成元素是量为0.02％的钛。
17．权利要求10的轧制制品，其中所述碳的范围为0.001-0.0028％、所述氮的范围为0.001-0.005％、所述铝的范围为0.02-0.08％，而作为所述氮化物形成元素的钛的量大于所述氮的量的3.4倍。
18．权利要求10的轧制钢制品，其中以磷的加入量为0-0.025％。
19．权利要求10的轧制钢制品，其中硅的加入量为0-1.0％。
20．权利要求10的轧制钢制品，磷和硅的加入总量为0-1.25％。
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