CN107881424B - 一种轻量化设计覆铝基板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种轻量化设计覆铝基板及其生产方法，该覆铝基板成分重量百分比为：C：0.04‑0.08％，0＜Si≤0.005％，Mn：0.9‑1.8％，P≤0.015％，S≤0.005％，Al≤0.005％，N：0.0062‑0.02％，O：0.06‑0.05％，Ca：0.002‑0.004，Ti：0.01‑0.03％，Nb：0.01‑0.03％，余量为Fe和不可避免杂质；同时满足O+N≥0.013％，且0.5≤(O+N)/(P+S)≤5。本发明覆铝基板屈服强度在400MPa以上，抗拉强度在500‑800MPa，同时延伸率A50％在18％以上，塑性优良。本发明覆铝基板主要用于覆铝板带的生产，可以用以制造汽车车轮及散热器件、耐蚀箱体等，实现轻量化设计。

Description

一种轻量化设计覆铝基板及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种轻量化设计覆铝基板及其生产方法，可用于高强度覆铝板带的生产，用以制造车轮及散热器件、耐蚀箱体等，实现轻量化设计，属低合金钢制造领域。

背景技术

车轮是车身的重要零部件之一，在服役过程中承受周期性的拉压载荷，同时在车轮的生产加工过程中钢板经历焊接、冲压等加工工序。所以车轮用钢要求具有良好的焊接、疲劳及冷加工性能。本发明之前国内外已就车轮用钢及其制造方法申报了多项专利。针对车轮用钢对成分、夹杂的严格要求，中国专利公开号CN103556050A“一种采用LF+RH精炼工艺生产车轮钢的方法”介绍了车轮用钢的冶炼工艺；中国专利公开号CN104451401A“一种车轮用车轮钢及其制备方法”涉及铁路列车用车轮用钢，碳含量高达0.4-0.7％，同时还含有其它如Mo、Cr、Ni、Cu等合金元素，碳当量较高。

汽车轮胎在行驶的过程中与地面摩擦进而导致轮胎发热，另外轮胎在行驶过程中承受周期性的变形，轮胎内的气体不断经历膨胀-压缩过程，也导致轮胎温度的升高。所以车轮同时还有散热的要求，如果不能及时给轮胎降温，极易发生爆胎及车轮承载力下降问题。为解决车轮的散热问题，中国专利公开号CN101618661A)公开的“钢铝车轮”采用钢铝覆合方式提高车轮的散热性能，其中轮辐为铝质，轮辋为钢质。

日本专利JP2013231212(A1)“steel for vehicle steel”为铁路车辆用车轮，碳含量高达0.8％。

此外，中国专利公开号CN102019727A公开的“冷却器用覆铝钢带及其制备方法和其所用的钢带及铝合金带”介绍了冷却器散热片所用的覆铝钢带及所用的基板和铝膜成分，但所涉及的钢带对Si、Al的成分成分较高，同时不涉及O、N成分，主要侧重于覆铝钢带。

中国专利公开号CN101736194A公开“一种车轮钢及其制备方法和车轮”，该方法所生产的车轮依然存在散热不佳的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轻量化设计覆铝基板及其生产方法，屈服强度在400MPa以上，抗拉强度在500-800MPa，同时延伸率A50％在18％以上，塑性优良；主要用于覆铝板带的生产，可以用以制造汽车车轮及散热器件、耐蚀箱体等。普通车轮的强度较低，通常需要更厚的规格以满足载重要求；另外，本发明涉及钢种强度明显提高，可以适当降低材料厚度，实现轻量化设计。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种轻量化设计覆铝基板，其成分重量百分比为：C：0.04-0.08％，0＜Si≤0.005％，Mn：0.9-1.8％，P≤0.015％，S≤0.005％，Al≤0.005％，N：0.0062-0.02％，O：0.06-0.05％，Ca：0.002-0.004，Ti：0.01-0.03％，Nb：0.01-0.03％，余量为Fe和不可避免杂质；同时满足O+N≥0.013％，且0.5≤(O+N)/(P+S)≤5。

优选的，所述覆铝基板的基体组织为铁素体+贝氏体。

优选的，所述覆铝基板的屈服强度在400MPa以上，抗拉强度在500-800MPa，同时延伸率A50％在18％以上。

覆铝板带是在钢的表面覆上一层或双层的钢铝复合带材，既有钢的强度同时具有铝的耐蚀、美观、散热等特性，具有很高的性价比，同时要求具有良好的钢铝界面结合性能。用于覆铝的基板用钢对钢质的成分控制有严格的要求，特别是为了保证良好的钢铝界面结合性能，必须限定某些合金成分的添加量，同时对常规的合金成分有明确的控制要求，这些与普通的钢种存在显著的不同。在本发明钢的成分设计中：

C是钢中主要的强化元素，能够显著提高钢板的强度，但较多的C对钢板焊接、韧性及塑性不利。低C设计在于限制了珠光体组织及其它碳化物的形成，保证钢的显微结构为均匀的铁素体组织，提高了钢的延伸性能。所以限定其含量为0.04-0.08％。

Si在钢中具有较高的固溶度，能够增加钢中铁素体体积分数，细化晶粒，因而有利于提高韧性，同时也是一种常用的脱氧剂。但含量过高将导致焊接性能下降，同时影响界面结合强度，所以Si含量控制在0.005％以内。

Mn具有较强的固溶强化作用，同时显著降低钢的相变温度，细化钢的显微组织，是重要的强韧化元素，但是Mn含量过多使淬透性增大，从而导致可焊性和焊接热影响区韧性恶化，所以将其含量控制在0.9-1.8％。

P、S在钢中一般属于杂质元素，但P含量过会高降低钢的韧性及塑性，同时，P的存在易产生偏析，S易于形成夹杂物，这些均对钢的疲劳性能不利。因而本发明钢种设计采用极低的S、P含量，其控制范围为P≤0.015，S≤0.005。

Al通常在炼钢过程中作为脱氧剂在钢中添加。对常规钢种而言，微量的Al同时有利于细化晶粒，改善钢材的强韧性能。但钢中Al元素与N结合易形成AlN，从而使钢中的氮化物数量显著增多。AlN作为一种非金属夹杂物独立存在于钢中时，破坏了钢基体的连续性。特别是覆铝基板用钢中，Al的存在易于促进钢铝界面化合物的形成，不利于钢铝界面结合性能，所以控制Al的含量在0.005％以内。

Ti在钢中可依次形成TiN→Ti₄C₂S₂→TiS和TiC，消除钢中自由的C、N原子，所形成的细小TiC、TiN颗粒具有晶界钉扎效应，抑制板坯再热过程中的奥氏体晶粒长大，从而细化晶粒尺寸、提高晶界强化效果，提高钢的韧性。但较多的Ti会降低钢板的延伸率并增加成本，所以控制其含量在:0.01-0.03％。

Nb是强的碳化物形成元素，所形成的微细碳化物颗粒能细化组织，并产生析出强化作用，显著提高钢板的强度，但较多的Nb对焊接不利，可以选择添加，含量控制在0.01-0.03％范围。

N在钢中有利于强度的提高及钢铝界面强度的改善，但过高的N对钢的塑性、韧性不利，所以限制其成分0.0062-0.02％。

Ca能够与钢中的S结合，有效提高钢质纯净度，降低夹杂物含量，但较高的Ca含量增加炼钢难度。所以控制其成分范围0.002-0.004％。

氧(O)元素能够抑制钢中Al元素对钢铝界面结合的不利作用，所以要求适当添加一定含量的O元素。另外，由于本发明中限制Si、Al的含量在极低的范围内，所以钢中的氧含量不可避免的偏高。但过高的氧易于形成非金属夹杂，对疲劳性能、韧性等不利，所以限制其含量0.006-0.05％。

进一步，本发明所述的轻量化设计覆铝基板的生产方法，其包括，铁水预处理、转炉顶底复合吹炼、炉外精炼、连铸、铸坯再加热、控制轧制、控制冷却、卷取。

优选的，铸坯再加热温度控制在1150-1200℃之间。

优选的，所述控制轧制采用两段控制轧制工艺，精轧结束温度在860℃以上，进而要求精轧开轧温度950℃以上、粗轧结束温度1000-1080℃之间。

优选的，所述精轧结束温度控制在860-900℃。

优选的，所述粗轧阶段的累计变形量≥80％。

优选的，所述粗轧阶段的侧压量控制在50mm以内。

优选的，所述控制冷却的冷却速度控制在10-100℃/s范围内。

优选的，轧后控制冷却采用前冷方式，带钢出热连轧机组后立即冷却，将带钢温度降低到700℃以下，随后空冷至卷取，卷取温度520-620℃。

本发明涉及钢种中合金含量较低，其连续冷却曲线如图1所示。从图中可以看出，钢种的铁素体相变开始温度约840℃。为实现奥氏体区轧制，所以必须控制钢的终轧温度在860℃以上，进而要求精轧开轧温度950℃以上、粗轧结束温度1000-1080℃之间。所以综合考虑微合金元素碳氮化物在奥氏体中的溶解行为及加热过程中奥氏体晶粒长大行为，本发明要求铸坯在1150-1200℃之间再加热，采用两段控制轧制工艺。

为获得目标要求的性能，控制钢的基体组织为铁素体+贝氏体。从CCT曲线看，本发明涉及钢种在很宽的冷速范围内可以获得铁素体+铁素体组织。为实现目标性能，保证再结晶细化晶粒效果，要求粗轧阶段的累计变形量≥80％，精轧结束温度不低于860℃；为保证形变细化晶粒效果，精轧结束温度控制在860-900℃，精轧结束温度低于860℃时易进入铁素体相变区，从而导致混晶及轧制力的突变，增加轧钢难度。

为获得良好的带钢表面质量，粗轧阶段的侧压量控制在50mm以内。同时要求铸坯边角位置不得有气孔、疤痕等缺陷，或进行必要的表面清理。

从连续冷却曲线可以看出，冷却速度在1-100℃/s范围内均可以获得铁素体+贝氏体组织。考虑到快速冷却以细化组织及相变完成时间，欲在短时间内完成大部分铁素体→贝氏体相变，同时避免珠光体组织的形成，冷却速度必须控制在10℃/s以上，并控制停冷温度在珠光体转变温度以上。从图中可见，冷速越高基体中可能形成的珠光体数量越少，甚至完全无珠光体形成。考虑到设备能力，本发明涉及钢种的轧后冷速控制在10-100℃/s范围内。

卷取温度根据钢的相变点并结合目标组织确定。从图1看，钢的马氏体相变开始温度约为470℃，停冷温度低于这个温度将有马氏体组织形成，虽然提高了强度但对材料的韧性和塑性不利；停冷温度超过650℃则无法获得铁素体+贝氏体的组织。结合生成控制难度，控制钢种在520-620℃范围内卷取，之后再冷却至室温。卷取控制温度低于520℃时，带钢局部温度易出现过低，基体中可能出现珠光体组织，导致带钢组织和性能的不均匀。

为抑制终轧后带钢中铁素体晶粒的异常长大，保证带钢组织为均匀的等轴状铁素体+贝氏体组织，要求轧后控制冷却采用前冷方式。即带钢出热连轧机组后立即快速冷却，根据带钢厚度及终轧温度调节水量，将带钢温度迅速降低到700℃以下，随后空冷至卷取，即可实现520-620℃卷取。

本发明具有如下优点：

1.本发明钢种的屈服强度在400MPa以上，抗拉强度在500-800MPa，同时延伸率A50％在18％以上，塑性优良。

2.本发明钢种严格控制P、S、Si、Al及O、N成分，与铝具有良好的界面结合特性，带钢覆铝后具有良好的散热性，解决现有钢质车轮的散热问题，可用于车轮的生产及散热器件、耐蚀箱体的制作等。

3.采用本发明涉及方法生产的板带材具有优良的冷弯加工性能，1a、180°冷弯不开裂，同时具有良好的深冲性能，满足后续生产的冲压加工要求。

4.本钢种采用控轧控冷(TMCP)生产工艺生产，轧后不需要进行热处理，可热轧状态供货，有效保证了供货周期，降低了生产成本。

5.本发明钢种的强度相对普通的345级钢种有了较大提高，从而能够减低材料厚度，满足轻量化设计要求。

附图说明

图1为本发明涉及钢种的静态CCT曲线(计算)图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

按照本发明钢化学成分要求，在500kg真空感应炉中炼钢，获得化学成分见表1，浇铸成100kg钢锭，加热温度为1180℃，精轧结束温度860-900℃，卷取温度520-620℃。

本发明钢实施例的力学性能如表1所示。与相近钢种进行了成分、性能的对比。其中对比例1为中国专利公开号CN101736194A“一种车轮钢及其制备方法和车轮”，对比例2为中国专利公开号CN101812637A“一种高强度高韧性汽车车轮用钢及其生产方法”，对比例3为中国专利公开号CN103243262A“一种汽车车轮用高强度热轧钢板卷及其制造方法”，对比例4为中国专利公开号CN104278196A“一种商用汽车轻量化无内胎车轮轮辋用钢及其制备方法”。

上述对比例中均要求较高的Si、Al含量，其中对比例3虽然为提及Al含量，但也未明确要求低的Al含量。另外，对比例4明确要求N含量在0.0060％以内，对比例1-3虽然未明确N的含量，但也未明确标出N的含量要求，而本发明明确N为必须添加的合金元素，并控制其成分范围0.0062-0.02％；对比例3还要求S含量控制在0.002以下，这显然增加了炼钢难度。从这两点即可看出本发明涉及钢种与对比例存在显著不同。

另外，本发明明确要求涉及钢种与Al具有良好的界面结合性能，在室温条件下界面结合强度高；而对比例均无此特性。这是本发明与对比例的另一个显著差异。

此外，本发明钢种具有良好的冷弯性能，满足D＝0a条件下180°冷弯合格，显然优于对比例钢种的冷弯性能。这表明本发明涉及钢种具有更佳的冷弯加工性能，与对比例不同。

实施例2

按照本发明成分要求，在试验室500kg真空感应炉上冶炼本发明钢。化学成分见表1。钢坯加热温度为1150-1200℃以上，精轧结束温度860-900℃，卷取温度520-620℃，随后空冷至室温。力学性能见表2。

按本发明钢种成分设计范围及轧制工艺控制技术所得实施例钢的屈服强度≥400MPa，抗拉强度500-800MPa，延伸率在18％以上，同时与Al具有良好的界面结合性能。可以应用于有散热要求的如车轮、散热器部件及有耐蚀要求的箱体制作。

Claims (6)

1.一种轻量化设计覆铝基板，其成分重量百分比为：C：0.04-0.08％，0＜Si≤0.005％，Mn：0.9-1.8％，P≤0.015％，S≤0.005％，Al≤0.005％，N：0.0062-0.02％，O：0.06-0.05％，Ca：0.002-0.004，Ti：0.01-0.03％，Nb：0.01-0.03％，余量为Fe和不可避免杂质；同时满足O+N≥0.013％，且0.5≤(O+N)/(P+S)≤5；所述覆铝基板的基体组织为铁素体+贝氏体。

2.如权利要求1所述的轻量化设计覆铝基板，其特征在于，所述覆铝基板的屈服强度400MPa以上，抗拉强度500-800MPa，同时延伸率A50％在18％以上。

3.如权利要求1或2所述的轻量化设计覆铝基板的生产方法，其特征是，包括，铁水预处理、转炉顶底复合吹炼、炉外精炼、连铸、铸坯再加热、控制轧制、控制冷却、卷取；其中：

铸坯再加热温度控制在1150-1200℃之间；

所述控制轧制采用两段控制轧制工艺，精轧结束温度在860℃以上，进而要求精轧开轧温度950℃以上， 粗轧结束温度1000-1080℃之间；

轧后控制冷却采用前冷方式，带钢出热连轧机组后立即冷却，冷却速度控制在10-100℃/s范围内，将带钢温度降低到700℃以下，随后空冷至卷取，卷取温度520-620℃。

4.如权利要求3所述的轻量化设计覆铝基板的生产方法，其特征是，所述控制轧制中精轧结束温度控制在860-900℃。

5.如权利要求3所述的轻量化设计覆铝基板的生产方法，其特征是，所述控制轧制中粗轧阶段的累计变形量≥80％。

6.如权利要求3所述的轻量化设计覆铝基板的生产方法，其特征是，所述控制轧制中粗轧阶段的侧压量控制在50mm以内。