CN110551949A - 一种精密冲压汽车安全带卡扣用冷轧钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精密冲压汽车安全带卡扣用冷轧钢板及其制造方法，解决现有精密冲压汽车安全带卡扣用冷轧钢板的硬度高、延伸率低、不适合高速精密冲压的的技术问题。本发明提供的一种精密冲压汽车安全带卡扣用冷轧钢板，其化学成分重量百分比：C：0.56‑0.64％，Si≤0.20％，Mn：0.3‑0.5％，Al：0.01‑0.04％，Cr：0.15‑0.25％，P≤0.015％，S≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质。冷轧钢板的屈服强度RP0.2为300‑350MPa，断后伸长率A50mm为32‑38％。本发明冷轧钢板用于高速精密冲压制作汽车安全带卡扣等构件。

Description

一种精密冲压汽车安全带卡扣用冷轧钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于精密冲压加工的冷轧钢板，特别涉及一种精密冲压汽车安全带卡扣用冷轧钢板及其制造方法，属于铁基合金技术领域。
背景技术
高碳钢因具有较高的碳及合金元素含量，一般通过热处理后具有较高的硬度和耐磨性，广泛应用于制造机械及汽车零部件。近年来随着精冲行业的发展，精冲替代普通冲压已成为一种必然趋势。与普通冲压相比，精密冲压零件具有精度高、互换性好、成材率高、效率高等特点。
但精冲过程成形复杂，对材料内质要求很高。为达到良好的精冲性能，要求钢带应具有较低的强度和较高的韧性。而钢中主要强化元素碳是材料热处理后最终使用性能的保证，高碳钢对碳成分要求控制严格。
根据汽车业汽车安全带卡扣的使用需要，其所用冷轧钢板需具有如下特性：低强度、高韧性、低屈强比，内部组织均匀的铁素体+粒状珠光体的显微组织，易于高速精密冲压的钢板。
为满足用户加工过程中，开发出低强度、高韧性、不同用途的精冲材料成为发展精冲技术的关键。
申请公布号CN 105018835A的中国专利申请文件公开了一种精冲性能优良的中高碳带钢及生产制造方法，其化学成份重量百分比为：C：0.50-0.65％，Si：0.50-1.60％，Mn：0.50-1.70％，Ca：0.0030-0.0070％，B：0.0008-0.0050％，Al：0.015-0.030％，P：≤0.015％，S：≤0.008％；其余为Fe和不可避免的杂质。该发明利用Si元素提高碳原子活度，但是Si元素添加量较多会提高材料硬度，恶化冲裁性能；同时较高的硅含量在钢带热轧过程产生大量的氧化铁皮，降低钢带表面质量。因此采用低的Si、Mn含量设计，进一步控制有害元素P、S的含量，并通过添加少量微合金元素Cr，同时优化热轧过程控制温度，在满足高碳要求的条件下，改善珠光体球化效果，可显著降低材料强度和硬度、提高延伸率，是实现材料高速精冲的有效方法。
申请公布号CN 102021493A的中国专利申请文件公开了一种精密冲压用热轧钢带及其制造方法，其化学成份：C：0.05-0.30％；Si：≤0.50％；Mn：0.50-1.50％；P≤0.02％；S≤0.01％；Cr：0.05-1.5％；Ni：0.02-0.50％；Al：≤0.04％，还包括Ti：≤0.05％；B：0.0005-0.010％中的一种或两种。该专利主要元素C成分不能满足制作汽车安全件的热处理要求，且添加了较多的Ni、Ti、B等贵重合金元素，增加产品制造成本；且成分设计过于宽泛，未公开与生产控制、精冲加工等相关要求的关键指标。
发明内容
本发明目的是提供一种精密冲压汽车安全带卡扣用冷轧钢板及其制造方法，解决现有精密冲压汽车安全带卡扣用冷轧钢板的硬度高、延伸率低、不适合高速精密冲压的的技术问题。
本发明通过采用高碳含量及低的Si、Mn元素成分设计，进一步控制P、S有害元素，并通过添加少量微合金元素Cr，同时优化热轧过程控制温度，在满足零件热处理性能要求的条件下，改善珠光体球化效果，显著降低材料强度和硬度、提高延伸率，得到满足用于高速精冲的汽车安全系统零部件用钢带。
本发明采用的技术方案是，一种精密冲压汽车安全带卡扣用冷轧钢板，其化学成分重量百分比：C：0.56-0.64％，Si≤0.20％，Mn：0.3-0.5％，Al：0.01-0.04％，Cr：0.15-0.25％，P≤0.015％，S≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明冷轧钢板的金相组织为块状铁素体+粒状珠光体，组织晶粒度为I 7.5-9.0级，球化率为90-96％，1.6-3.0mm厚冷轧钢板的屈服强度RP0.2为300-350MPa，抗拉强度Rm为480-520MPa，断后伸长率A50mm为32-38％，维氏硬度HV10为130-160。
本发明精密冲压汽车安全带卡扣用冷轧钢板的化学成分限定在上述范围内的理由如下：
C：碳是珠光体形成的主要合金元素，同时影响材料热轧、冷轧、退火以及零件淬火后的硬度。C含量过低，钢种珠光体含量偏少，不能满足零件最终使用要求；C含量过高则接近共析钢，硬度过高，不利于冲压成型。本发明中碳的添加范围是0.56～0.64％。
Si：硅作为固溶强化元素，固溶在钢带基体中有一定的强化效果，同时作为冶炼时的一种脱氧剂，对脱氧、脱硫发挥作用。但大量含有时会使铁素体相硬化，加工性能明显降低。并且Si在热轧过程促进钢卷表面锈红氧化铁皮缺陷产生，影响成品外观；所以本发明中通过降低Si含量来降低材料强度，限制Si在0.20％以下。
Mn：锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。钢中含有一定量的锰，能消除或减弱由于硫所引起的钢热脆性，从而改善钢的热加工性能。但含量较多时，固溶强化作用明显，冲裁加工性能急剧下降。因此本发明特别通过降低Mn含量来降低材料强度，提高韧性和精冲性能。本发明中Mn限定在0.3-0.5％之间。
P：磷为杂质元素，偏析于晶界使加工性能下降，希望尽可能减少其含量，提高成型性能；但考虑到工艺设备控制能力和脱磷成本，本发明限定P≤0.015％。
S：硫为杂质元素，在钢中形成MnS等夹杂物，影响精冲性能。希望尽可能减少其含量；考虑到实际控制能力和脱硫成本，本发明限定S≤0.005％。
Al：铝在本发明中的作用是起到脱氧以及结合游离态氮的作用，铝是强氧化性形成元素，和钢中氧形成Al2O3在炼钢时去除。铝除了和氧结合外，还和钢中的氮结合，形成化合态的AlN，防止奥氏体晶粒的粗大。随着铝含量的增加，以上效果下降显著；同时铝过高会形成过多的Al2O3夹杂，在连铸浇注时容易堵塞浇注水口；本发明限定Al含量为0.01～0.04％。
Cr：铬能增加钢的淬透性，是耐蚀、耐氧化主要合金元素。但考虑到Cr的成本因素，Cr在合金中添加往往有明确的目的。本发明中Cr添加范围0.15～0.25％之间，是提高珠光体球化的主要合金元素。本发明发现添加Cr元素后可细化热轧板的珠光体组织，从而加速片状珠光体的熔断速度，同时Cr原子还可加快C的扩散速度，提高钢带球化速度。
一种精密冲压汽车安全带卡扣用冷轧钢板的制造方法，该方法包括：
钢水经连铸得到连铸板坯，其中所述钢水成分的重量百分比为：C：0.56-0.64％，Si≤0.20％，Mn：0.3-0.5％，Al：0.01-0.04％，Cr：0.15-0.25％，P≤0.015％，S≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质。
连铸板坯于1180-1220℃加热180-240min后进行轧制，所述热轧为两段式轧制工艺，粗轧为5道次连轧，在奥氏体再结晶温度以上轧制；精轧为7道次连轧，精轧结束温度为810-870℃，精轧后钢板厚度为2.8-5.0mm，层流冷却采用前段冷却，卷取温度为640-700℃卷取得热轧钢卷；
热轧钢卷重新开卷后经酸洗、冷轧、罩式退火炉退火，卷取得到厚度为1.6-3.0mm成品冷轧带钢，所述冷轧压下率为30-45％，经过冷轧后的轧硬态带钢经过罩式退火炉退火，带钢在罩式退火炉均热段的温度为690-710℃，带钢在均热段的退火时间为15-18h。
本发明采取的生产工艺的理由如下：
1、连铸板坯加热温度和加热时间的设定
连铸板坯加热温度和时间的设定在于保证连铸坯中C、Si、Mn等合金元素充分扩散、固溶，粗大的碳化物颗粒溶解，在钢中均匀分布。温度过低和加热时间过短，都不能达到上述目的。采用中等的板坯加热温度，目标温度1200℃，若温度过高，加热时间过长，由于钢中碳含量较高，板坯表面氧化脱碳严重，不利于钢带最终性能和表面质量，同时也消耗能源。因此，本发明设定连铸板坯加热温度1180℃-1220℃，加热时间180-240min。
2、精轧结束温度的设定
本发明的精轧温度设定有两方面的作用，一方面通过材料在奥氏体未再结晶区轧制，得到内部有变形带的扁平状奥氏体晶粒，在随后的层流冷却过程中转变成细小的铁素体晶粒，起到细化晶粒，减轻带状偏析的作用；另一方面，因为材料强度较高，终轧温度过低，会导致轧制负荷过大，影响轧制稳定性。因此，本发明设定精轧结束温度为810-870℃。
3、精轧后层流冷却方式的设定
本发明精轧后层流冷却采用前段冷却工艺，能够促进精轧后材料组织中奥氏体快速转变为铁素体，且晶粒细化，组织均匀。
4、热轧卷取温度的设定
热轧卷取温度主要影响材料的组织、性能及后续的球化退火效果。采取较高的卷取温度，能够使晶粒适度粗化，材料强度有所降低，有利于用户的进一步冷轧加工。但热轧卷取温度过高，则会使珠光体过分粗大，材料脆性增加，组织均匀性差。因此，本发明设定热轧卷取温度为640-700℃。
5、冷轧压下率的设定
冷轧变形量是提高钢带尺寸精度的重要手段，满足连续精冲加工要求。同时冷轧变形量的增加，也能够促进片状珠光体断裂，使材料内部位错密度大量增加，为珠光体球化转变提供了更多能量。但过高的变形量会带来冷轧轧机负荷过大，冷轧轧制道次增加，冷轧轧制成本大量增加。综合考虑，本发明优选冷轧压下率为30-45％。
6、退火温度和退火时间的设定
本发明采用罩式退火炉退火，经热力学计算，本发明材料的A1点(平衡态珠光体转变)相变温度为730.3-732.7℃。考虑到前工序冷轧变形累积效果，促进片状珠光体提前球化，一般在A1点温度以下进行退火。过高的退火温度则会造成铁素体晶粒粗大以及钢带表面脱碳明显，影响材料最终使用性能。为改善球化退火效果，本发明设定钢带在罩式退火炉均热段的退火温度为690-710℃。
退火时均热段保温时间也很关键；保温时间过短，则层片状珠光体链未能完全熔断、断开；不能产生细小球状颗粒，形成弥散分布；若保温时间过长，则粒状珠光体又会重新长大、团聚在一起，形成层片状偏析，导致材料韧性下降，不利于后续精冲加工。为提高球化退火效果，本发明钢带在均热段的时间为15h-18h。
本发明方法生产的精密冲压汽车安全带卡扣用冷轧钢板的金相组织为块状铁素体+粒状珠光体，组织晶粒度为I 7.5-9.0级，球化率为90-96％，其1.6-3.0mm厚冷轧钢板的屈服强度RP0.2为300-350MPa，抗拉强度Rm为480-520MPa，断后伸长率A50mm为32-38％，维氏硬度HV10为130-160。
用于制造冷轧钢板的热轧钢板的金相组织为铁素体+细片状珠光体。
本发明相比现有技术具有如下积极效果：1、本发明通过在成分设计中使用高碳含量，提高材料热处理硬度，并采用低Mn、低Si含量设计，改善材料成型性能。结合热轧、冷轧工艺设计，得到了一种不含Ni、Ti、B等贵重合金元素的精密冲压用冷轧钢带，冷轧钢板的屈服强度RP0.2为300-350MPa，抗拉强度Rm为480-520MPa，断后伸长率A50mm为32-38％，冲裁韧性良好；满足了精冲成型和热处理后零件硬度要求的要求，合金消耗较少，制造成本低。2、本发明通过控制热轧卷取温度及轧后冷却工艺，发挥微量Cr、Mn合金元素作用；得到晶粒适度粗化的热轧钢板，热轧钢板的金相组织为铁素体+细片状珠光体；材料热轧态强度、硬度适中，有利于后续的冷轧退火。3、本发明通过采用合理的退火工艺，使得退火钢卷组织中片状珠光体充分球化、组织均匀且弥散分布。冷轧钢带强度大幅降低，韧性优良，性能均匀性好，满足了精密冲压加工成零部件的要求。
附图说明
图1为本发明实施例3热轧钢板的金相组织照片。
图2为本发明实施例3冷轧退火钢板的金相组织照片。
具体实施方式
下面结合实施例1—5对本发明作进一步说明，如表1-4所示。
表1为本发明实施例钢的化学成分(按重量百分比计)，余量为Fe及不可避免杂质。
表1本发明实施例钢的化学成分，单位：重量百分比。
元素 C Si Mn P S Cr Al
本发明 0.56-0.64 ≤0.2 0.3-0.5 ≤0.015 ≤0.005 0.15-0.25 0.01-0.04
实施例1 0.582 0.176 0.356 0.0135 0.0030 0.19 0.025
实施例2 0.619 0.128 0.375 0.0101 0.0013 0.17 0.017
实施例3 0.603 0.102 0.332 0.0122 0.0019 0.22 0.036
实施例4 0.593 0.132 0.412 0.103 0.0026 0.196 0.023
实施例5 0.613 0.152 0.385 0.116 0.0010 0.179 0.019
通过转炉熔炼得到符合化学成分基本要求的钢水，钢水经LF钢包精炼炉深脱硫和合金成分微调后，RH炉进行真空循环脱气处理，RH纯脱气时间大于8分钟，最后连铸机浇注得到连铸板坯；板坯厚度为210-230mm，宽度为900-1400mm，长度为8500-11000mm。
炼钢生产的定尺板坯直接送至加热炉再加热，出炉除鳞后送至热连轧机组轧制。通过粗轧和精轧连轧机组控制轧制，经层流冷却后进行卷取，层流冷却采取前段冷却方式，产出热轧钢卷。热轧钢板的厚度为2.8-5.0mm，参见图1，热轧钢板的金相组织为铁素体+细片状珠光体。热轧工艺控制参数见表2。
表2本发明实施例热轧工艺控制参数
将上述热轧钢钢卷重新开卷后进行酸洗，按照宽度规格要求分条后，在可逆轧机或5机架冷连轧机上冷轧，冷轧压下率为30-45％；冷轧后的轧硬态钢板经过罩式退火炉退火得到厚度为1.6-3.0mm的成品冷轧钢板，退火工艺为：钢板在罩式退火炉退火(均热段)温度为690-710℃，退火(均热段)时间为15-18h。冷轧、退火工艺控制参数见表3。
表3本发明实施例冷轧、退火工艺控制参数
冷轧、退火参数 冷轧压下率/％ 退火温度/℃ 退火时间/h 冷轧钢板厚度/mm
本发明 30-45 690-710 15-18 1.6-3.0
实施例1 34.2 700 17.5 2.3
实施例2 37.8 705 16.0 2.8
实施例3 43.8 700 17.0 1.8
实施例4 32.4 705 18.0 2.5
实施例5 37.5 695 16.0 2.0
利用上述方法得到的冷轧钢板，参见图2，冷轧退火钢板的金相组织为块状铁素体+弥散分布的粒状珠光体，组织晶粒度为I7.5-9.0级，球化率为90-96％；1.6-3.0mm厚冷轧钢板的屈服强度RP0.2为300-350MPa，抗拉强度Rm为480-520MPa，断后伸长率A50mm为32-38％，维氏硬度HV10为130-160。
将本发明得到的冷轧钢带按照金属材料拉伸试验方法(GB/T 228.1)、钢的显微组织评定方法(GB/T 13299)、金属材料洛氏硬度试验方法(GB/T 230.1)进行拉伸、显微组织、硬度检测，冷轧钢带的力学性能见表4。
表4本发明实施例冷轧钢板的性能指标
本发明得到的冷轧钢板具有较低的强度、较高的伸长率和塑性，珠光体呈细小颗粒状、分布均匀；满足精密冲压要求。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式；凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种精密冲压汽车安全带卡扣用冷轧钢板，其化学成分重量百分比：C：0.56-0.64％，Si≤0.20％，Mn：0.3-0.5％，Al：0.01-0.04％，Cr：0.15-0.25％，P≤0.015％，S≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质；所述冷轧钢板的冷轧钢板的金相组织为块状铁素体+粒状珠光体，组织晶粒度为I 7.5-9.0级，球化率为90-96％。
2.如权利要求1所述的精密冲压汽车安全带卡扣用冷轧钢板，其特征是，1.6-3.0mm厚冷轧钢板的屈服强度RP0.2为300-350MPa，抗拉强度Rm为480-520MPa，断后伸长率A50mm为32-38％，维氏硬度HV10为130-160。
3.一种精密冲压汽车安全带卡扣用冷轧钢板的制造方法，其特征是，所述的方法包括：
钢水经连铸得到连铸板坯，其中所述钢水成分的重量百分比为：C：0.56-0.64％，Si≤0.20％，Mn：0.3-0.5％，Al：0.01-0.04％，Cr：0.15-0.25％，P≤0.015％，S≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质；
连铸板坯于1180-1220℃加热180-240min后进行轧制，所述热轧为两段式轧制工艺，粗轧为5道次连轧，在奥氏体再结晶温度以上轧制；精轧为7道次连轧，精轧结束温度为810-870℃，层流冷却采用前段冷却，卷取温度为640-700℃卷取得热轧钢卷；
热轧钢卷重新开卷后经酸洗、冷轧、罩式退火炉退火，卷取得到厚度为1.6-3.0mm成品冷轧钢板，所述冷轧压下率为30-45％，经过冷轧后的轧硬态带钢经过罩式退火炉退火，带钢在罩式退火炉均热段的温度为690-710℃，带钢在均热段的退火时间为15-18h。
4.如权利要求3所述的精密冲压汽车安全带卡扣用冷轧钢板的制造方法，其特征是，热轧精轧后，控制热轧钢板厚度为2.8-5.0mm。
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