CN108796381B - 一种罐用高轴向承载力及优良成形性的钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种罐用高轴向承载力及优良成形性的钢板及其制造方法，其成分重量百分比为：C 0.020％～0.080％、Si≤0.030％、Mn 0.20％～1.00％、P≤0.020％、N 0.0020％～0.0080％、Al 10≤Al/N≤20、其余为Fe和不可避免的杂质；通过热轧、冷轧及连续退火温度等工艺配合控制获得较高的材料屈服强度及烘烤后屈服强度上升值等。本发明针对制罐烘烤后有轴向承载力加工要求的材料，通过成分和工艺设计，得到具有高轴向承载力和优良成形性钢板，钢板屈服强度大于300MPa，应变硬化指数(n值)大于0.15，钢板烘烤后屈服强度的上升值不小于30MPa，制罐烘烤后可获得轴向承载力不小于218kg，解决钢板在制罐烘烤后轴向承载力不足等问题。

Description

一种罐用高轴向承载力及优良成形性的钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及冷轧钢板及其制造方法，具体涉及一种罐用高轴向承载力及优良成形性的钢板及其制造方法。

背景技术

冷轧钢板由于良好的加工性广泛应用于家电、包装等用途，其中包装材主要应用于罐身、罐盖等，罐有按照成形方式分三片罐、二片罐，大多应于食品、化工等包装行业，近几年包装材用二片罐越来越多，且用一次冷轧冲制二片罐成为发展趋势，一次冷轧材为区别于二次冷轧材(经二次冷轧)而定义的，是经冷轧后退火、镀锡(镀铬)制成冷轧镀锡材(镀铬材)，主要用于饮料罐(包括易拉罐)和食品罐，特别是在食品罐上的应用比较成熟，且有使用量呈上升的趋势，食品等罐的制作方式，一般是将钢板冲制拉伸成桶状，有的是在桶体上辊压成多条加强筋，随后对罐进行涂漆烘烤做成成品。对不带加强筋罐的轴向承载力取决于罐的壁厚和罐体屈服强度；对于带加强筋罐的轴向承载力取决于罐的壁厚、罐壁加强筋的根数和筋高度、以及罐体屈服强度，而罐体屈服强度取决于冷轧钢板原始屈服强度、应变硬化指数、减薄量、烘烤条件等。本产品技术说明书注重冷轧钢板性能对轴向承载力影响的技术。

用于二片罐(如易拉罐)的常规工艺制造(低碳铝镇静钢)的冷轧镀锡产品屈服强度基本在200～300MPa之间，涂装烘烤后屈服强度上升值小于30MPa，由于饮料罐的罐内封存饮料时大多存在大量气体，在罐内产生正压，可以抵抗一定的外部压力，所以饮料罐(特别是易拉罐)用钢的材料强度对承载力贡献相对要求不高；而食品罐的罐内很少存在气体，且罐装食品后需经高温杀菌会产生罐内负压，容易使罐体变形，在堆放及运输过程中用常规工艺材料制作的食品罐也容易产生压塌，造成食品罐报废，所以食品罐对材料的强度要求相对较高。在本发明开发前，常规工艺制造的镀锡钢板冲制食品用钢罐烘烤后检测轴向承载力过低，不能满足罐装后杀菌和堆放及运输的要求。而本发明通过提高材料原始强度和烘烤后材料强度上升值等实现高的轴向承载力，且能达到优良的成形性能，能够满足食品罐的使用要求。

现有技术生产用于制作食品罐、饮料罐等二片罐的钢板，要求材料加工性好，常规钢板制造工艺采用低碳钢铝镇静钢经连续退火生产等方法，但由于常规工艺注重材料深拉延高减薄性，影响了强度的提升，常规工艺难以解决材料强度和拉延性的矛盾，正因常规工艺固有的缺点，使得镀锡后的材料屈服强度偏低、罐涂漆烘烤后材料屈服强度上升偏少，导致罐轴向承载力不足。由于常规低碳铝镇静钢和退火工艺的局限性，生产的材料不能用在更高轴向承载力、深冲压等加工要求的用途；其它材料如超低碳高强IF钢，强度和延展性较好，但由于基本无烘烤硬化性，在材料性能方面罐的轴向承载力基本依赖于原始强度，这样势必过分地提高钢板原始强度，对薄钢板制造及冲压拉伸带来困难，且合金加入过多及厚度薄使得制造成本较高。还有一些比如加工强化等材料，由于很难兼顾材料强度和延展性，也难以制成轴向承载力等符合要求的罐体。

发明内容

本发明的目的在于提供一种罐用高轴向承载力及优良成形性的钢板及其制造方法，钢板屈服强度大于300MPa，应变硬化指数(n值)大于0.15，钢板烘烤后屈服强度的上升值不小于30MPa，制罐烘烤后可获得轴向承载力不小于218kg，解决现有技术制造的钢板在制罐烘烤后轴向承载力不足等问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种罐用高轴向承载力及优良成形性的钢板，其成分重量百分比为：C：0.020％～0.080％、Si≤0.030％、Mn：0.20％～1.00％、P≤0.020％、N：0.0020％～0.0080％、Al：10≤Al/N≤20、其余为Fe和不可避免的杂质。

又，本发明所述钢板的显微组织为铁素体+少量渗碳体。

所述钢板屈服强度大于300MPa，应变硬化指数(n值)大于0.15，钢板烘烤后屈服强度的上升值不小于30MPa，制罐烘烤后可获得轴向承载力不小于218kg。

本发明钢的成分设计中：

碳：碳是间隙固溶元素，碳可以提高材料强度，阻碍再结晶过程中晶粒长大，具有细化铁素体组织的效果，碳含量越高材料强度越高、延伸率越低；碳越低材料强度越低、延伸率越高。碳高对罐轴向承载力提高有利，但对材料的加工性能不利，即材料拉伸减薄性变差，容易断罐；碳太低不易提高轴向承载力。因此，碳含量优选0.020％～0.080％。

硅：硅可以强化材料，但因为硅对电镀等有不利的影响，容易在热轧产生红色氧化铁皮等缺陷，因此，硅含量优选≤0.030％。

锰：锰也是材料的强化元素，在材料中加入一定量的锰可以提高强度，也可以阻碍材料再结晶过程的晶粒长大，但Mn含量过高对制造成本及表面质量不利，因此，Mn含量优选0.20％～1.00％。

磷：磷可以提高材料强度，但是磷含量过高会提高Ar3温度，导致薄钢板热轧轧制困难，另外，磷不仅会产生偏析，而且对镀锡罐耐蚀性不好，所以在磷含量要尽量地低。因此，磷含量优选≤0.020％。

氮：氮在钢种部分和铝结合形成AlN，部分以间隙原子存在，间隙原子的氮使得晶格畸变，产生强化，同时对时效强化作用较明显，析出细小的ALN也能对材料也有较大强化效果；过量氮的添加会使材料时效强化的同时也会产生不利于冲压及表面质量问题，比如钢板强度过高导致减薄拉伸困难、应变硬化指数降低、滑移线缺陷等问题，因此，氮含量优选0.0020％～0.0080％。

铝：铝在钢中具有脱氧效果，若铝含量太低则脱氧不彻底，钢水纯净度变差，同时铝也和氮结合形成AlN，使材料中氮形成化合物析出，常规铝镇静钢工艺追求充分析出AlN，添加较多的铝可以促进材料中的氮的析出，减少材料中自由氮的固溶，缓解材料的时效，常规工艺一般期望通过控制Al/N≥20使固溶氮充分析出，这样可以得到较低的时效性，从附图1也可见，当Al/N≥20时钢板屈服强度上升值小于30MPa。而本技术要求控制材料中Al/N≤20，由于铝添加过多，而氮较少的情况下，氮和铝结合后剩余自由氮过少对后续加工烘烤硬化值不利，难以保证罐轴向承载力。从材料的Al/N和钢板烘烤后屈服强度的上升值的关系(钢板经100℃、一小时烘烤)可见，具体见图1，随着Al/N的减小，钢板烘烤后屈服强度的上升值增大；但铝过低自由氮过高，烘烤后强度上升过多对抗自然时效不利，所以要求材料中的Al/N≥10。为了能得到更高的屈服强度上升值，铝的添加需要和氮相匹配，需要对Al/N一定比例范围的控制。因此，铝含量优先控制：10≤Al/N≤20。

本发明的罐用高轴向承载力及优良成形性的钢板及其制造方法，其包括以下步骤：

1)冶炼、铸造

按上述成分冶炼、铸造成铸坯，在炼钢精炼过程中铝根据氮冶炼实绩添加，确保Al：10×N％～20×N％；

2)热轧

铸坯加热后经热轧轧制，为了使氮化铝分解并且溶解到材料中，热轧加热温度要求控制在1150℃～1250℃，过高会导致钢板表面质量问题；热轧轧制要求在Ar3温度之上，尽量避免ALN过多析出，所以热轧终轧温度要求控制在860℃～950℃，过高会带来表面氧化铁皮压入等质量问题；为了使氮原子更多固溶在材料中以及ALN细小析出，热轧层流冷却为前段快冷，即钢卷在终轧之后进入层流冷却时立即冷却，且快速冷却，冷却速度≥60℃/S，同时卷取温度为450℃～600℃；

3)冷轧

热轧钢卷经过冷轧轧制，使热轧卷厚度进一步减薄到需要的冷轧厚度，同时使材料晶粒变形成纤维状组织便于材料再结晶，随着变形量的增加可降低再结晶温度，提高退火效果，但变形量的过度增加会提高轧制难度，因此冷轧变形量为60％～90％；

4)退火

为了使冷轧轧制后的钢卷提升加工性，需经连续退火生产，为了确保轧制后的材料能够充分再结晶，退火温度要求为650℃～750℃，退火温度对材料性能影响较大，若退火温度过低，材料不能再结晶，材料拉延性变差，若退火温度过高导致材料强度偏低，会使罐轴向承载力偏低；连续退火冷却速度对材料中碳、氮固溶有一定的影响，为了能增加间隙元素的固溶量要求大于冷却速度≥50℃/s；在连续退火炉内的过时效段对渗碳体等的析出有促进作用，入口温度和出口温度相差越大渗碳体析出量越多、固溶碳也就越少，这样使材料强度偏低，且会影响烘烤硬化性，所以过时效段的入口温度和出口温度相差要求小于60℃。

5)平整

退火后的钢卷需要经过平整轧制，在改善板形、提高材料强度的同时，可以在材料中植入可移动位错，延缓材料的自然时效，避免材料在冲压罐时发生滑移线等问题，随着平整压下率的增加，强度上升、抗自然时效能力增强，反之平整压下率过小则抗自然时效时间较短、材料强度提高不足，过大则损伤材料的塑性，即降低应变硬化指数，所以平整压下率为1％～3％；

6)镀锡

退火后的钢卷需电镀锡处理，在电镀锡前材料在拉矫机上进行拉力矫直加工，通过拉矫加工，可以提高材料的屈服强度，根据目标屈服强度的要求拉矫率控制在0.2～0.5％比较合理。

本发明的有益效果：

常规工艺制造的镀锡钢板冲制食品用钢罐烘烤后检测轴向承载力过低，不能满足罐装后杀菌和堆放及运输的要求。而本发明通过提高材料原始强度和烘烤后材料强度上升值等实现高的轴向承载力，且能达到优良的成形性能，能够满足食品罐的使用要求。

本发明的材料主要以碳、氮、锰元素强化，不加贵重合金，后续热轧、冷轧配以合适的工艺控制固溶间隙原子和化合物的析出量，实现较高强度和应变硬化指数等材料性能，同时具备抗自然时效的效果。

本发明通过成分设计、热轧及冷轧工艺的组合大幅度提高了制罐烘烤后罐轴向承载力和抗时效性，解决了制罐烘烤后的轴向承载力不足等问题，且具备制罐后不开裂、不产生滑移线等优良的成形性，即钢板屈服强度大于300MPa，应变硬化指数(n值)大于0.15，钢板烘烤后屈服强度的上升值不小于30MPa，制罐烘烤后可获得高的轴向承载力不小于218kg。由于本技术产品投入少、质量优良、生产稳定，适合一般钢厂工业化生产。

附图说明

图1为比较材料Al/N和钢板烘烤后屈服强度的上升值的关系示意图。

具体实施方式

本发明实施例和比较例的化学成分见表1，热轧及冷轧工艺参数见表2，材料性能及使用特性见表3。

表1 单位：重量百分比

案例	C	Si	Mn	P	Al	N	Al/N
								实施例1	0.025	0.018	0.68	0.008	0.031	0.0028	11.1
实施例2	0.066	0.020	0.23	0.013	0.038	0.0023	16.5
								实施例3	0.035	0.028	0.24	0.011	0.030	0.0021	14.1
实施例4	0.073	0.006	0.86	0.010	0.072	0.0039	18.5
								实施例5	0.051	0.012	0.37	0.017	0.041	0.0035	11.7
实施例6	0.028	0.024	0.51	0.018	0.060	0.0042	14.3
								实施例7	0.039	0.013	0.72	0.006	0.051	0.0037	13.7
实施例8	0.022	0.019	0.62	0.010	0.076	0.0069	11.0
								比较例1	0.038	0.015	0.22	0.016	0.055	0.0019	29.0
比较例2	0.026	0.027	0.18	0.009	0.058	0.0022	26.2

表2

表3

表3中的屈服强度、应变硬化指数检测分别采用GB/T228.1-201、GB/T5028-2008；钢板烘烤后屈服强度上升值为钢板烘烤后的屈服强度减去钢板烘烤前的屈服强度，钢板烘烤条件为100℃、1小时；罐身轴向承压力检测方法：首先制罐，罐的参数：直径70mm、高度112mm、带加强筋18根、筋高度0.55mm，钢板厚度0.29mm通过冲压拉伸减薄到0.16mm，罐涂漆烘烤温度200℃、烘烤时间10分钟，然后将待测罐体被置于检测台上并逐渐向上加压至受压顶板上，超过罐体承压极限，罐体即发生变形失稳，此时检测仪器上显示承载压力最大值为轴向承载力，针对此罐型要求轴向承载力不小于218kg。

Claims (2)

1.一种罐用高轴向承载力及优良成形性的钢板，其成分重量百分比为：C：0.020％～0.080％、Si≤0.030％、Mn：0.20％～1.00％、P≤0.020％、N：0.0020％～0.0080％、Al：10≤Al/N≤20、其余为Fe和不可避免的杂质；

所述钢板的显微组织为铁素体+少量渗碳体；

所述钢板屈服强度大于300MPa，应变硬化指数(n值)大于0.15，钢板烘烤后屈服强度的上升值不小于30MPa，制罐烘烤后可获得轴向承载力不小于218kg。

2.如权利要求1所述的罐用高轴向承载力及优良成形性的钢板的制造方法，其特征是，包括以下步骤：

1)冶炼、铸造

按权利要求1所述的成分冶炼、铸造成铸坯；

2)热轧

铸坯加热后热轧轧制，加热温度1150℃～1250℃，终轧温度为860℃～950℃，热轧层流冷却为前段快冷，冷却速度≥60℃/s，卷取温度为450℃～600℃；

3)冷轧

热轧的钢卷冷轧，冷轧变形量为60％～90％；

4)退火

轧制后的钢卷经连续退火，退火温度为650℃～750℃，连续退火冷却速度≥50℃/s，在连续退火炉内的过时效段入口温度和出口温度相差小于60℃；

5)平整

退火后的钢卷经平整，平整压下率为1％～3％；

6)镀锡

钢板在镀锡前的拉矫机上的拉矫率为0.2～0.5％。

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