CN110804715A - 一种255MPa级含硼高强韧性热镀锌结构钢及其生产方法 - Google Patents

一种255MPa级含硼高强韧性热镀锌结构钢及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种255MPa级含硼高强韧性热镀锌结构钢及其生产方法，基板包括以下质量百分比元素C：0.02％‑0.10％，Si：≤0.035％，Mn：0.25％‑0.45％，P：≤0.020％，S：≤0.020％，Als：0.035％‑0.055％，B：0.0005％‑0.0030％，N≤0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质。与现有技术相比，本发明通过对化学成分进行设计，对热轧工艺、酸轧压下率、镀锌退火温度及光整延伸率等进行控制，生产出表面质量优异的高强韧结构钢热镀锌产品，屈服强度≥255MPa，抗拉强度≥360，延伸率A80≥30％。

Description

一种255MPa级含硼高强韧性热镀锌结构钢及其生产方法
技术领域
本发明属于金属材料加工及钢板热浸镀加工技术领域，具体涉及一种255MPa级含硼高强韧性热镀锌结构钢及其生产方法。
背景技术
近年来，随着世界经济的发展，尤其是汽车、家电及建筑业的发展，对镀锌钢带的需求量大大增加，市场需求非常可观。在美、日等钢材生产大国，热镀锌钢板在钢材中所占的比例高达13％～35％。热镀锌是钢材最常见、最经济、最有效的防腐蚀方法，连续热镀锌具有技术成熟、工艺稳定、生产成本低、镀层性能优、使用寿命长等优点，被广泛用于建筑业、家用电器业、机电工业、汽车制造业等国民经济基础产业。现代汽车结构、性能和技术的重要发展方向是减重、节能、降低排放和提高安全性。汽车的重量和能源消耗成线性关系。据统计，汽车重量每降低1％则燃耗可降低0.6～1.0％。汽车减重的途径之一就是车身用材料的减薄，提高材料的强度，保证制件的可靠性。满足用户减轻其重量，降低成本的要求。
以下对国内现有已公开的结构钢的生产方法及技术现状作简要分析：
中国专利号为CN 102676759 A的《控制退火温度生产390-500Mpa结构级镀锌产品方法》，公开了通过对C，Si，Mn，P，S，Als化学成分进行调整，结合对退火温度进行控制，实现S390GD和S450GD产品的生产。Mn含量偏低，退火温度为560℃-620℃。该专利主要靠不完全退火实现强度的提升，产品塑性差，成型性能差。
中国专利号为CN 102094149 A的《一种含铌高强度热镀锌钢板及其生产方法》，公开的钢板化学成分：C：0.03～0.1％，Si：≤0.05％，Mn：0.5～0.9％，P：≤0.025％，S：≤0.015％，N：≤0.005％，Ti：≤0.005％，Nb：0.03～0.06％，Al：0.01％～0.08％，余量为Fe和不可避免杂质。该专利通过添加单Nb合金元素进行强化，成本较高。
中国专利号为CN 108914008 A的《一种经济型高塑性360MPa级结构钢板及其制造方法》，公开的钢板化学成分主要C：0.13～0.18％，Mn：1.0～1.6％，Si：0.20～0.50％，P：≤0.025％，S：≤0.010％，Ti：0.020～0.050％，Als：≥0.015％，N：≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，实现了屈服强度≥360MPa，抗拉强度≥500MPa，延伸率≥30％产品的生产，该专利通过单合金元素Ti来进行强化，产品冲压性能偏差。
中国专利号为CN 103447295 A的《一种低合金结构钢热轧钢板的制造方法》，未添加Ti、Nb、V等合金元素，主要通过对C，Si，Mn，P，S，Als化学元素及轧制工艺等进行调整，实现高强热轧钢板的生产。所述低合金结构钢是以重量百分比计含有0.12～0.18％的C、0.10～0.30％的Si、0.70～1.00％的Mn、0.015～0.040％的Als、0.030％以下的S、0.030％以下的P组成的钢。该专利中钢板Si含量较高，在镀锌工序产品可镀性较差。
中国专利号为CN 103627951 A的《高韧性含硼碳素结构钢板卷及其生产方法》，按照重量含有碳≤0.30％，硅：≤0.50％，锰：≤1.70％，磷：≤0.035％，硫：≤0.035％，铝：0.015～0.050％，以及8～50ppm的硼，余量为铁和微量杂质。根据不同特殊性能要求可以选择加入或者可以选择不加入下列元素：铌：≤0.050％；钒：≤0.050％；钛：≤0.020％；镍：≤0.40％；铬≤0.50％；铜：≤0.40％。该专利化学成分范围较宽，卷取温度偏低(650℃～500℃)，且为热轧结构钢板。
中国专利号CN 103509996 A的《抗拉强度400MPa级高强度碳锰结构钢及其制造方法》，其化学成分重量百分比为：碳：0.10～0.20％、硅≤0.30％、锰≤0.40％、铝：0.010～0.030％、磷≤0.02％、硫≤0.015％，余量为Fe及不可避免杂质元素。屈服强度为250MPa～280MPa，抗拉强度为≥400MPa，延伸率≥32％。该专利中产品屈服强度偏低且为罩退路径。
中国专利号CN 103882292 A的《一种冷轧碳素结构钢生产方法》，所述碳素结构钢的化学成分质量百分比为C，0.06-0.10％；Mn，1.2-1.5％；Si，≤0.06％；P，≤0.030％；S，≤0.010％；Als，0.02-0.06％；N，0.0020-0.0050％；余量为Fe。工艺路径为连退，增加了过时效段，与镀锌工艺存在差异，产品屈服强度较低，在180MPa左右。
中国专利号CN 105506507 A的《经济型低屈强比结构钢及其制造方法》，其特征在于化学成分以质量百分比计为：C：0.005％-0.02％、Si：0.30％-0.50％、Mn：1.50％-1.80％、Nb：0.02％-0.04％、Ti：0.005％-0.030％、Cr：0.10％-0.30％、Ni：0.10％-0.20％、Als：0.010％-0.070％，余量为Fe及不可避免的杂质；钢板的抗拉强度≥600MPa，屈强比≤0.75。该专利添加大量合金元素，成本较高。
中国专利号CN 102080179 A的《一种含硼结构钢的生产方法》，化学成分按重量百分比计为，C：0.08-0.20％，Si：0.10-0.30％，Mn：0.80-1.50％，P：≤0.010％，S：≤0.010％，B：0.0008-0.0030％，余量为Fe及不可避免的杂质。其得到的加硼结构钢主要组织为铁素体与贝氏体和少量的珠光体。该专利中产品为热轧钢板，且Si含量高，表面质量差，同时对N含量没有控制，热塑性差。
中国专利号CN 103911544 A《低成本厚规格低合金结构钢及其生产方法》，其中各组分的重量百分比为：C：0.17-0.20％，Si：0.15-0.30％，Mn：0.35-0.55％，P≤0.025％，S≤0.01％，N≤0.008％，其余为Fe及不可避免的杂质。该专利Mn含量范围偏低，加入Si来提高强度，不适合镀锌工序的生产。
关于已有的结构钢专利，主要为：(1)通过添加Ti或者Nb进行提高钢板的强度，不具有经济性。(2)部分结构钢中Si含量较高，产品表面质量不能满足镀锌钢板对表面的要求。(3)单独通过C、Mn强化提高强度的结构钢，各向异性大，塑性差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种255MPa级含硼高强韧性热镀锌结构钢及其生产方法，通过合理的化学成分设计，配合炼钢、热轧、酸洗、冷轧、脱脂、连续热镀锌、光整工艺，通过硼微合金化、组织均匀化提高结构钢的延伸性能、常温和低温冲击韧性。
本发明具体技术方案如下：
本发明提供的一种255MPa级含硼高强韧性热镀锌结构钢，所述255MPa级含硼高强韧性热镀锌结构钢的基板包括以下质量百分比元素：C：0.02％-0.10％，Si：≤0.035％，Mn：0.25％-0.45％，P：≤0.020％，S：≤0.020％，Als：0.035％-0.055％，B：0.0005％-0.0030％，N≤0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明还提供了一种255MPa级含硼高强韧性热镀锌结构钢的生产方法，包括以下步骤：
1)铁水预处理；
2)转炉冶炼；
3)合金微调站；
4)LF炉精炼；
5)连铸；
6)铸坯出炉，
7)热轧；
8)终轧；
9)卷取；
10)冷轧；
11)连续退火；
12)热浸镀锌；
13)光整。
步骤1)中铁水预处理，要求前扒渣和后扒渣，控制脱硫后的铁水[S]≤0.0015％；
步骤2)中，转炉冶炼不加生铁、渣钢；采用自循环废钢出钢，强化转炉脱磷，终点控制[C]、[P]、[S]；出钢脱氧合金化，加强挡渣操作，防止下渣回磷；出钢过程加石灰，不进行脱氧。
步骤3)中合金微调站进行钢包顶渣改质，加入铝粒，开底吹强搅，初步还原顶渣。
步骤4)中LF炉精炼保证喂线前后弱搅时间不少于11分钟；进一步的，造白渣，保证钢包顶渣充分还原；控制终点[S]含量，调成分至目标值，钙处理对夹杂物进行变性，同时保证弱搅时间，使夹杂物充分上浮；
步骤5)连铸工艺中，中包目标温度控制在液相线温度以上15～40℃；
步骤5)连铸工艺中，设置上结晶器冷却水参数：设置结晶器冷却水参数，结晶器宽面冷却水流量4500L/min～5000L/min，水缝流速6.0m/s～7.0m/s，铸坯拉速在1.0m/min～1.3m/min；达到减少铸坯裂纹的目的。
步骤6)中铸坯出炉温度控制在1210℃～1250℃。
步骤7)所述热轧具体为：六机架连轧，一次、二次出入口高压除鳞。
步骤8)终轧温度控制在840℃～900℃。
步骤9)卷取温度控制在600℃～680℃。
步骤6)-步骤9)控制个步骤工艺参数，改善产品组织及性能；
本发明钢中由于加入B元素，B元素优先与N形成粗大的BN强化相，阻止AlN的形成，削弱了AlN对晶界的钉扎作用，使铁素体晶粒粗大化，屈服强度降低，通过热轧工艺实现预定的强度。
步骤10)中总压下率控制在50％～80％，压下率对产品后续的回复再结晶及成品的成型性能有较大影响，压下率低时，r值降低，成型性能变差；控制总压下率，改善产品性能。
进一步的，为有效除去冷轧钢板带钢表面轧制油和铁粉等杂质，以使带钢以清洁的表面进入退火炉，带钢清洗段碱洗槽内脱脂液浓度为：1～2％，温度为70～90℃；电解清洗槽内脱脂液浓度为：3～8％，温度为70～90℃。
步骤11)中连续退火具体为：还原炉内气氛按体积百分含量为：H2：5％～10％，余量为N2；炉内露点控制在-20～-50℃，均热温度控制在640℃～740℃。控制退火温度，改善产品性能及镀层附着力等。
步骤12)热浸镀工艺中，根据带钢厚度不同，控制带钢入锌锅温度为：450～485℃，锌液温度为：455～465℃；热镀锌液中的总铝质量百分含量控制在0.17～0.25％，余量为Zn及不可避免Fe和其它杂质。通过上述温度和参数控制锌层重量、表面质量及镀层附着性等。
步骤13)中所述光整具体为：将镀锌钢板在光整机下进行光整，光整延伸率控制在0.5％～2.0％。进行光整，改善钢板板型及成品性能。
产品生产主要基于以下原理：
碳(C)：C是提高强度最经济且最有效的固溶强化元素，C含量增加，形成的珠光体增加，强度增加，但钢的塑性和成形性降低，且对焊接性不利。综合考虑，本发明中C百分含量控制范围为0.02％～0.10％。
锰(Mn)：锰属于能扩大γ相区范围的合金元素。固态下Fe-Mn系不形成连续固溶体。锰在α铁和γ铁中的扩散远比碳的扩散难于进行。但Mn含量过高，铸坯在连铸过程中Mn偏析程度增大，钢板厚度中心部位易形成珠光体或贝氏体的带状组织，对塑性、焊接性能、疲劳性能都不利。综合考虑，本发明中Mn百分含量控制范围为0.25％～0.45％。
硅(Si)：钢中的硅能阻挡合金层的生长，可大幅度降低合金层的厚度，提高钢中的硅含量可降低合金层的硬度。但钢板中Si含量过高，易在钢板表面生成氧化物，造成钢板的浸润性能降低，易产生镀层不良缺陷。本发明中Si百分含量控制范围为≤0.035％。
磷(P)：磷是对钢的强化有效的元素，但添加量超过0.050％时，由于热轧生成的表面氧化层(氧化铁皮)的剥离变得过多，镀覆后的表面变差。本发明中P百分含量控制范围为≤0.020％。
硫(S)：S在通常情况下是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹，一般要求S含量尽可能低，因此本发明尽量将钢种的S百分含量控制在0.020％以下。
铝(Al)：Al作为主要脱氧剂，同时铝对细化晶粒也有一定作用。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。本发明控制Als百分含量控制在0.035～0.055％。
氮(N)：N能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。但N含量高时将影响B的使用效果,通过实施精炼后期钢包弱搅拌和严格执行连铸钢水的保护措施，本发明将钢种的N百分含量控制在0.0020％以下。
硼(B)：微量硼在奥氏体晶界上有偏聚作用，能抑制铁素体的形核，使C曲线右移，抑制珠光体的转变。其作用机制为：硼偏聚在奥氏体晶界，降低了晶界能并减少了铁素体优先形核的位置；硼减少铁在晶界上的自身扩散系数，降低了铁素体的形核速度；硼偏聚于晶界后，占据优先形核的位置；沿晶界形成细小的硼化物并且与基体连贯、粘着，使铁素体很难在硼化物与基体之间的界面上形核。硼加入钢中的作用是阻碍磷在晶界偏析，从而提高钢的抗二次加工脆性能力。所以，将其含量限定在0.0005％～0.0030％范围。
与现有技术相比，本发明通过对化学成分进行设计，对热轧工艺、酸轧压下率、镀锌退火温度及光整延伸率等进行控制，生产出表面质量优异的高强韧结构钢热镀锌产品，屈服强度≥255MPa，抗拉强度≥360，延伸率A80≥30％。
附图说明
图1为实施例1热镀锌结构钢钢板金相组织；
图2为比较例1热镀锌结构钢钢板金相组织；
图3为实施例1热镀锌结构钢钢在-40℃的二次加工脆性测试结果；
图4为比较例1热镀锌结构钢钢在-40℃的二次加工脆性测试结果。
具体实施方式
实施例1
一种255MPa级含硼高强韧性热镀锌结构钢，所述255MPa级含硼高强韧性热镀锌结构钢的基板包括以下质量百分比元素：C：0.0465％，Si：0.0065％，Mn：0.3344％，P：0.0168％，S：0.0074％，Als：0.039％，B：0.0010％，N：0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质。如下表1所示。
上述255MPa级含硼高强韧性热镀锌结构钢的生产方法，包括以下步骤：
1)铁水预处理：要求前扒渣和后扒渣，控制脱硫后的铁水[S]≤0.0015％；
2)转炉冶炼：转炉冶炼不加生铁、渣钢；采用自循环废钢出钢，强化转炉脱磷，终点控制[C]、[P]、[S]；出钢脱氧合金化，加强挡渣操作，防止下渣回磷；出钢过程加石灰，不进行脱氧。
3)合金微调站：合金微调站进行钢包顶渣改质，加入铝粒，开底吹强搅，初步还原顶渣。
4)LF炉精炼：保证喂线前后弱搅时间不少于11分钟，造白渣，保证钢包顶渣充分还原；控制终点[S]含量，调成分至目标值，钙处理对夹杂物进行变性，同时保证弱搅时间，使夹杂物充分上浮；
5)连铸：为减少铸坯裂纹，优化结晶器冷却水参数：结晶器宽面冷却水流量4600L/min，水缝流速6.1m/s，控制铸坯拉速在1.2m/min。
6)铸坯出炉温度控制在1230℃。
7)热轧：六机架连轧，一次、二次出入口高压除鳞。
8)终轧温度控制在900℃。
9)卷取温度控制在680℃。
10)冷轧总压下率控制在70.6％，为有效除去冷轧钢板带钢表面轧制油和铁粉等杂质，以使带钢以清洁的表面进入退火炉，带钢清洗段碱洗槽内脱脂液浓度为：1.5％，温度为80℃；电解清洗槽内脱脂液浓度为：5％，温度为80℃。
11)连续退火：还原炉内气氛按体积百分含量为：H2：5％，余量为N 2；炉内露点控制在-35℃，均热温度控制在680℃。
12)热浸镀锌：
控制带钢入锌锅温度为：465℃，锌液温度为：460℃，热镀锌液中的总铝质量百分含量控制在0.18％，余量为Zn及不可避免Fe和其它杂质。
13)光整：将镀锌钢板在光整机下进行光整，光整延伸率控制在1.0％。
实施例2
一种255MPa级含硼高强韧性热镀锌结构钢，所述255MPa级含硼高强韧性热镀锌结构钢的基板包括以下质量百分比元素：如下表1所示。其余为Fe和不可避免的杂质元素。
对比例1
一种热镀锌结构钢，所述热镀锌结构钢的基板包括以下质量百分比元素：如下表1所示。其余为Fe和不可避免的杂质元素。
表1实施例1-2和对比例1基板钢水化学成分，wt％
C Si Mn P S Als B N
实施例1 0.0465 0.0065 0.3344 0.0168 0.0074 0.039 0.0010 0.0020
实施例2 0.0492 0.0058 0.342 0.0115 0.0084 0.037 0.0010 0.0010
比较例1 0.0501 0.0058 0.3482 0.0148 0.0062 0.044 - 0.0020
上述实施例2和对比例1的生产方法同实施例1，主要工艺参数、最终性能见表2，除表2列出的参数，其他步骤和方法均同实施例1。
表2生产工艺与产品性能
本发明实施例1生产的热镀锌结构钢钢板金相组织，如图1，可看出组织主要为铁素体和少量珠光体，晶粒度级别为9级。
图3和图4分别为实施例1和比较例1在-40℃的二次加工脆性测试结果，相同的实验条件下，实施例1未开裂，比较例1开裂，本发明实施例耐低温效果优于比较例。
实施例1、实施例2和比较例1成品厚度均为1.0mm。
采用该生产工艺生产的热镀锌钢板表面质量较好，无漏镀、黑点、云纹等缺陷，组织主要为铁素体和珠光体，力学性能：屈服强度≥255MPa，抗拉强度≥360MPa，A80延伸率≥30％，满足强度和成型性能的良好匹配，耐低温性能优异。本发明的核心生产工艺除适用于生产热镀锌钢板外，同样适用于需要退火工序的其它涂镀层产品及退火产品的生产。
上述说明仅对本发明进行了具体的示例性描述，需要说明的是本发明具体的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的技术构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的技术构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种255MPa级含硼高强韧性热镀锌结构钢，其特征在于，所述255MPa级含硼高强韧性热镀锌结构钢的基板包括以下质量百分比元素C：0.02％-0.10％，Si：≤0.035％，Mn：0.25％-0.45％，P：≤0.020％，S：≤0.020％，Als：0.035％-0.055％，B：0.0005％-0.0030％，N≤0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.一种权利要求1所述的255MPa级含硼高强韧性热镀锌结构钢的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括以下步骤：
1)铁水预处理；
2)转炉冶炼；
3)合金微调站；
4)LF炉精炼；
5)连铸；
6)铸坯出炉，
7)热轧；
8)终轧；
9)卷取；
10)冷轧；
11)连续退火；
12)热浸镀锌；
13)光整。
3.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤5)连铸工艺中，中包目标温度控制在液相线温度以上15～40℃；设置上结晶器冷却水参数：设置结晶器冷却水参数，结晶器宽面冷却水流量4500L/min～5000L/min，水缝流速6.0m/s～7.0m/s，铸坯拉速在1.0m/min～1.3m/min。
4.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤6)中铸坯出炉温度控制在1210℃～1250℃。
5.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤8)中终轧温度控制在840℃～900℃。
6.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤9)卷取温度控制在600℃～680℃。
7.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤10)中总压下率控制在50％～80％。
8.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤11)中连续退火具体为：还原炉内气氛按体积百分含量为：H2：5％～10％，余量为N2；炉内露点控制在-20～-50℃，均热温度控制在640℃～740℃。
9.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤12)热浸镀工艺中，控制带钢入锌锅温度为：450～485℃，锌液温度为：455～465℃。
10.根据权利要求2所述的生产方法，步骤13)中所述光整具体为：光整延伸率控制在0.5％～2.0％。
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