CN111235460B - 一种适用于感应加热的桥壳钢及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于感应加热的桥壳钢及其生产方法，采用C‑Mn‑Ti微合金化设计路线，利用C、Mn元素固溶强化和降低奥氏体相变温度，进一步细化贝氏体晶粒尺寸，提高桥壳钢的强度和塑、韧性。通过抑制Ti元素在冷却阶段和卷取过程中析出，为后续桥壳钢在感应加热过程中TiC析出强化提供保障。奥氏体完全再结晶区采用大压缩比，细化奥氏体晶粒，未再结晶区增加压缩比，有利于提高组织中的位错密度。热轧态桥壳钢的屈服强度≥650MPa，抗拉强度≥750MPa，延伸率≥18％，‑20℃冲击功≥150J；感应加热后桥壳钢的屈服强度≥520MPa，抗拉强度≥650MPa，延伸率≥25％，‑20℃冲击功≥100J。

Description

一种适用于感应加热的桥壳钢及其生产方法
技术领域
本申请属于钢材生产技术领域，具体涉及一种适用于感应加热的桥壳钢及其生产方法。
背景技术
桥壳作为汽车的主要构件，其在服役过程中，支承了车架及其以后的总重量，同时，它还能保护传动系统中的部件。桥壳的形状和结构特点要求钢板强度高，冷弯及拉延成形性好，同时兼具优良的焊接性能及焊后疲劳性能。
随着中、重型卡车车桥制造技术的发展和汽车节能减重的需要，特别是对于支撑车架和后驱动桥，已大量使用14～20mm厚度的热轧钢板进行热冲压成形生产桥壳体，取代了制作工艺复杂、生产效率偏低、笨重、成本较高的铸造桥壳体。
热冲压主要有两种加热方式：一种为采用传统的加热炉对钢板进行加热，加热后进行冲压，然后空冷；另一种为采用感应加热方式对钢板进行加热，其加热速率快，保温时间短，这种加热方式提高了桥壳生产企业的生产效率，国内大部分车桥厂均采用这种方式，例如一汽解放、东风等。
桥壳所用材料为Q345B或者Q460C，为了保证感应加热后强度仍然能满足Q345B或者Q460C性能要求，在成分设计中添加较高的C、Mn含量，或者添加较为贵重的合金元素Nb、V、Mo、Cr、Ce、W等，较高的C元素增加了桥壳钢的碳当量，对焊接性能不利，添加贵重的合金元素提高了材料的成本，降低了桥壳生产企业的市场竞争力。因此，针对感应加热工艺，开发一种适用于感应加热低成本的桥壳钢成为钢厂和车桥生产企业追求的目标。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种适用于感应加热的桥壳钢及其生产方法，采用C-Mn-Ti微合金成分体系，强度高，该桥壳钢不含贵重合金元素，成本低。
实现本发明目的所采用的技术方案为，一种适用于感应加热的桥壳钢，所述桥壳钢的化学成分重量百分比为：C：0.15～0.25％；Si：0.05～0.25％；Mn：1.6～3.0％；Ti：0.15～0.30％；Al：0.02～0.35％；P：≤0.015％；S：≤0.005％；N≤0.004％；其余为Fe和不可避免的杂质。
优选的，所述桥壳钢的化学成分重量百分比为：C：0.15～0.25％；Si：0.05～0.18％；Mn：1.8～3.0％；Ti：0.15～0.30％；Al：0.02～0.35％；P：≤0.015％；S：≤0.005％；N≤0.004％；其余为Fe和不可避免的杂质。
基于同样的发明构思，本发明还提供了一种上述适用于感应加热的桥壳钢的生产方法，包括依次进行的如下步骤：
(1)冶炼：将炼钢原料冶炼为钢水；
(2)连铸：将所述钢水进行连铸，得到板坯；
(3)加热：将所述板坯在加热炉内加热至1200～1250℃，加热时间3.0～5.0小时；
(4)轧制：
将加热后的所述板坯进行粗轧，得到中间坯；所述粗轧的累计变形量大于75％，中间坯厚度/成品桥壳钢厚度≥4；
将所述中间坯进行精轧，得到精轧带钢；所述精轧的末道次压下率≥10％；
(5)冷却：对所述精轧带钢进行冷却，冷却速率≥30℃/s；
(6)卷取：对冷却后的所述精轧带钢进行卷取，目标卷取温度为500～550℃，得到成品桥壳钢。
进一步地，所述步骤(1)中，所述冶炼依次包括如下步骤：KR脱硫、全三脱转炉冶炼、RH精炼和LF精炼。
进一步地，所述步骤(3)中，所述铸坯在大于1200℃的温度条件下的加热时间不小于30分钟。
进一步地，所述步骤(4)中，粗轧出口温度为960～1040℃。
进一步地，所述步骤(4)中，粗轧采用5道次轧制。
进一步地，所述步骤(4)中，精轧入口温度为960～1040℃，精轧终轧温度为850～900℃。
进一步地，所述步骤(4)中，所述精轧采用7道次轧制，累计变形量为75～83％。
进一步地，所述步骤(5)中，对所述精轧带钢采用前端集中冷却模式进行层流冷却。
由上述技术方案可知，本发明提供的适用于感应加热的桥壳钢采用C-Mn-Ti微合金成分体系，利用C、Mn元素固溶强化和降低奥氏体相变温度，进一步细化贝氏体晶粒尺寸，提高桥壳钢的强度和塑、韧性。同时抑制Ti元素在冷却阶段和卷取过程中析出，为后续桥壳钢在感应加热过程中TiC析出强化提供保障。
本发明提供的适用于感应加热的桥壳钢，主要合金元素的作用如下：
C：扩大奥氏体区元素，同时，也是提高材料强度最经济的元素。但过高的C含量对材料的焊接性能、塑性、韧性不利。考虑到桥壳钢要求良好的韧性和焊接性能，控制C含量为0.15～0.25％。
Si：Si为传统的固溶强化元素，但添加过高的Si对材料的塑性、韧性以及表面质量产生负面影响，在桥壳感应加热过程中容易出现表面脱碳。考虑到上述因素，本发明控制Si的含量为：0.05～0.25％。
Mn：Mn具有固溶强化作用，同时可以提高材料的淬透性，降低奥氏体的转变温度。本发明控制Mn含量为：1.6～3.0％。降低钢的γ→α(奥氏体→铁素体)的相变温度，而使α晶粒细化，并改变相变后的微观组织。Mn含量的提高，在提高强度同时，还可以提高钢的韧性和塑性，降低钢的韧脆转变温度。Mn可改善钢的焊接性，还可减慢钢在加热过程中的脱碳作用。
Ti：Ti为强碳氮化物形成元素。本发明控制Ti含量为：0.15～0.30％，钢中添加较高的Ti可以细化晶粒，在高温奥氏体区Ti与N结合形成TiN或者Ti(C,N)，钉扎奥氏体晶界从而阻碍奥氏体晶粒的长大。在焊接过程中，Ti与N结合形成TiN，阻碍了奥氏体晶粒长大，细化了焊接热影响区组织，避免焊接热影响区软化。另外通过Ti与N结合，消耗了钢中固溶N元素，提高了钢的韧性。Ti与S结合在奥氏体区形成Ti4S2C2，消耗了钢种的S元素，避免了Mn与S结合形成尺寸较大的MnS析出物，提高了钢的塑性和韧性。在轧后冷却及卷取过程中，高Ti钢中的Ti与C结合，形成大量细小的TiC析出颗粒，大大提高了钢的强度。
Al：Al是有效的脱氧元素之一，而且可以形成氮化物来细化晶粒。Al含量过高将损害钢的韧性，而且焊接热影响区的韧性也变差。考虑到上述因素，本发明控制Al含量为0.02～0.035％。
S和P：S和P元素过高会对材料的塑性、韧性及疲劳性能产生不利影响。本发明限定了S含量控制在0.005％以内，P含量控制在0.015％以内。
与现有技术相比，本发明提供的适用于感应加热的桥壳钢，采用C-Mn-Ti微合金化设计路线，利用C、Mn元素固溶强化和降低奥氏体相变温度，进一步细化贝氏体晶粒尺寸，提高桥壳钢的强度和塑、韧性。本发明提供的适用于感应加热的桥壳钢的屈服强度≥650MPa，抗拉强度≥750MPa，延伸率≥18％，-20℃冲击功≥150J；感应加热以≥50℃/s加热速率升温至800-900℃，空冷至室温后桥壳钢的屈服强度≥520MPa，抗拉强度≥650MPa，延伸率≥25％，-20℃冲击功≥100J。
本发明提供的适用于感应加热的桥壳钢的生产方法，连铸坯采用的加热温度为1200～1250℃，保温时间3.0～5.0小时，较高的加热温度和较长保温时间目的在于保证合金元素的碳氮化物充分溶解及奥氏体均匀化。
本发明提供的适用于感应加热的桥壳钢的生产方法，采用两阶段控制轧制，粗轧累计变形量大于75％；中间坯厚度/成品桥壳钢厚度≥4，保证在奥氏体未再结晶区有足够的压下量，利于晶粒的细化；精轧末道次压下率≥10％，增加末道次压下量，增加未再结晶区奥氏体形变，有利于增加组织中位错密度，为后续TiC在感应加热过程中的析出提供了更多的形核位置。
本发明提供的适用于感应加热的桥壳钢的生产方法，带钢出精轧后进行冷却，冷却速率≥30℃/s，抑制TiC在冷却过程中析出，快速冷却降低了奥氏体相变温度，细化了贝氏体组织。卷取温度为500～550℃，此温度区间有效的抑制了TiC的析出。
与现有技术相比，本发明提供的适用于感应加热的桥壳钢的生产方法，通过抑制Ti元素在冷却阶段和卷取过程中析出，为后续桥壳钢在感应加热过程中TiC析出强化提供保障。奥氏体完全再结晶区采用大压缩比，细化奥氏体晶粒，未再结晶区增加压缩比，有利于提高组织中的位错密度。热轧态带钢通过快速冷却+低温卷取，获得贝氏体组织，并抑制TiC在冷却和卷取阶段的析出。在后续桥壳钢感应加热过程中，TiC在基体中析出，由于感应加热速率快，保温时间短，TiC析出相不容易长大，细小的TiC粒子起到了析出强化的效果，保证了感应加热后桥壳钢的强度。本发明制备得到的桥壳钢的屈服强度≥650MPa，抗拉强度≥750MPa，延伸率≥18％，-20℃冲击功≥150J；感应加热以≥50℃/s加热速率升温至800-900℃，空冷至室温后桥壳钢的屈服强度≥520MPa，抗拉强度≥650MPa，延伸率≥25％，-20℃冲击功≥100J。
附图说明
图1为本发明实施例中适用于感应加热的桥壳钢的热轧态显微组织结构图；
图2为本发明实施例中适用于感应加热的桥壳钢的感应加热后显微组织结构图；
图3为本发明实施例中适用于感应加热的桥壳钢的感应加热后析出相结构图；
图4为图3的a处局部放大图。
具体实施方式
为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。
在本发明实施例中，一种适用于感应加热的桥壳钢，桥壳钢的化学成分重量百分比为：C：0.15～0.25％；Si：0.05～0.25％；Mn：1.6～3.0％；Ti：0.15～0.30％；Al：0.02～0.35％；P：≤0.015％；S：≤0.005％；N≤0.004％；其余为Fe和不可避免的杂质。其中Si含量优选0.05～0.18％；Mn含量优选1.8～3.0％。
上述适用于感应加热的桥壳钢的生产方法，包括依次进行的如下步骤：
(1)冶炼：将炼钢原料冶炼为钢水。
具体的，该冶炼依次包括如下步骤：KR脱硫、全三脱转炉冶炼、RH精炼和LF精炼，冶炼铁水经过KR脱硫预处理和全三脱转炉冶炼工艺来控制钢水的S和P有害元素，采用RH精炼和LF炉精炼处理获得所需成分的钢液。
(2)连铸：将钢水进行连铸，得到板坯。
(3)加热：将板坯在加热炉内加热至1200～1250℃，加热时间3.0～5.0小时。作为优选方式，铸坯在大于1200℃的温度条件下的加热时间不小于30分钟。
(4)轧制：
将加热后的板坯进行粗轧，得到中间坯；粗轧采用5道次轧制，累计变形量大于75％，中间坯厚度/成品桥壳钢厚度≥4，粗轧出口温度为960～1040℃；
将中间坯进行精轧，得到精轧带钢；精轧入口温度为960～1040℃，精轧终轧温度为850～900℃，精轧采用7道次轧制，累计变形量为75～83％，精轧的末道次压下率≥10％；
(5)冷却：对精轧带钢进行冷却，冷却速率≥30℃/s，例如30℃/s、35℃/s、40℃/s、43℃/s、50℃/s、65℃/s等。作为优选方式，对精轧带钢采用前端集中冷却模式进行层流冷却。
(6)卷取：对冷却后的精轧带钢进行卷取，目标卷取温度为500～550℃，得到成品桥壳钢。
下面以6个具体实施例详细介绍本发明的技术方案：
实施例1：
一种适用于感应加热的桥壳钢，目标厚度为10.2mm，其化学成分重量百分比为：C：0.15％；Si：0.10％；Mn：1.65％；Ti：0.16％；Al：0.035％(具体为Alt:0.035％；Als:0.030％)；P：≤0.012％；S：≤0.003％；N≤0.0034％；其余为Fe和不可避免的杂质。
将钢水经过KR脱硫处理、全三脱转炉冶炼、RH精炼和LF炉精炼处理后，再进行连铸；将板坯加热至1230℃，保温3.5小时；粗轧采用5道次轧制，累计变形量为80％，中间坯厚度为47.6mm，粗轧出口温度为1040℃；精轧采用7道次轧制，累计变形量为78.5％，精轧的末道次压下率为12％，精轧入口温度为1020℃，精轧终轧温度为880℃；然后经过层流冷却冷至目标卷取温度550℃，卷取后空冷至室温，最后得到成品桥壳钢，钢板规格为10.2×1800mm。
经检测，成品桥壳钢组织为粒状贝氏体，如图1所示，其屈服强度为686MPa，抗拉强度为798MPa，延伸率为21.5％，-20℃冲击功172J。
实施例2：
一种适用于感应加热的桥壳钢，目标厚度为12.2mm，其化学成分重量百分比为：C：0.18％；Si：0.15％；Mn：1.85％；Ti：0.18％；Al：0.036％(具体为Alt:0.036％；Als:0.033％)；P：≤0.010％；S：≤0.002％；N≤0.0029％；其余为Fe和不可避免的杂质。
将钢水经过KR脱硫处理、全三脱转炉冶炼、RH精炼和LF炉精炼处理后，再进行连铸；将板坯加热至1220℃，保温3.5小时；粗轧采用5道次轧制，累计变形量为78.9％，中间坯厚度为50.2mm，粗轧出口温度为1020℃；精轧采用7道次轧制，累计变形量为75.6％，精轧的末道次压下率为11％，精轧入口温度为1000℃，精轧终轧温度为860℃；然后经过层流冷却冷至目标卷取温度530℃，卷取后空冷至室温，最后得到成品桥壳钢，钢板规格为12.2×1800mm。
经检测，成品桥壳钢组织为粒状贝氏体，如图1所示，其屈服强度为679MPa，抗拉强度为801MPa，延伸率为24.5％，-20℃冲击功188J。
实施例3：
一种适用于感应加热的桥壳钢，目标厚度为14.2mm，其化学成分重量百分比为：C：0.20％；Si：0.20％；Mn：2.05％；Ti：0.20％；Al：0.039％(具体为Alt:0.039％；Als:0.035％)；P：≤0.013％；S：≤0.004％；N≤0.0030％；其余为Fe和不可避免的杂质。
将钢水经过KR脱硫处理、全三脱转炉冶炼、RH精炼和LF炉精炼处理后，再进行连铸；将板坯加热至1200℃，保温3.5小时，粗轧采用5道次轧制，累计变形量为76.05％，中间坯厚度为57.2mm，粗轧出口温度为1000℃；精轧采用7道次轧制，累计变形量为75.17％，精轧的末道次压下率为10％，精轧入口温度为980℃，精轧终轧温度为850℃；然后经过层流冷却冷至目标卷取温度500℃，卷取后空冷至室温，最后得到成品桥壳钢，钢板规格为14.2×1800mm。
经检测，成品桥壳钢组织为粒状贝氏体，如图1所示，其屈服强度为673MPa，抗拉强度为787MPa，延伸率为23.5％，-20℃冲击功199J。
实施例4：
一种适用于感应加热的桥壳钢，目标厚度为10.2mm，其化学成分重量百分比为：C：0.15％；Si：0.10％；Mn：1.85％；Ti：0.16％；Al：0.035％(具体为Alt:0.035％；Als:0.030％)；P：≤0.012％；S：≤0.003％；N≤0.0034％；其余为Fe和不可避免的杂质。
将钢水经过KR脱硫处理、全三脱转炉冶炼、RH精炼和LF炉精炼处理后，再进行连铸；将板坯加热至1230℃，保温3.5小时，粗轧采用5道次轧制，累计变形量为80％，中间坯厚度为47.6mm，粗轧出口温度为1040℃，精轧采用7道次轧制，累计变形量为78.5％，精轧的末道次压下率为12％；精轧入口温度为1020℃，精轧终轧温度为880℃，然后经过层流冷却冷至目标卷取温度550℃，卷取后空冷至室温，最后得到成品桥壳钢，钢板规格为10.2×1800mm。
经检测，成品桥壳钢组织为粒状贝氏体，如图1所示，其屈服强度为686MPa，抗拉强度为798MPa，延伸率为21.5％，-20℃冲击功172J。
实施例5：
一种适用于感应加热的桥壳钢，目标厚度为12.2mm，其化学成分重量百分比为：C：0.18％；Si：0.15％；Mn：1.95％；Ti：0.18％；Al：0.036％(具体为Alt:0.036％；Als:0.033％)；P：≤0.010％；S：≤0.002％；N≤0.0029％；其余为Fe和不可避免的杂质。
将钢水经过KR脱硫处理、全三脱转炉冶炼、RH精炼和LF炉精炼处理后，再进行连铸；将板坯加热至1220℃，保温3.5小时；粗轧采用5道次轧制，累计变形量为78.9％，中间坯厚度为50.2mm，粗轧出口温度为1020℃；精轧采用7道次轧制，累计变形量为75.6％，精轧的末道次压下率为11％，精轧入口温度为1000℃，精轧终轧温度为860℃；然后经过层流冷却冷至目标卷取温度530℃，卷取后空冷至室温，最后得到成品桥壳钢，钢板规格为12.2×1800mm。
经检测，成品桥壳钢组织为粒状贝氏体，如图1所示，其屈服强度为679MPa，抗拉强度为801MPa，延伸率为24.5％，-20℃冲击功188J。
实施例6：
一种适用于感应加热的桥壳钢，目标厚度为14.2mm，其化学成分重量百分比为：C：0.20％；Si：0.12％；Mn：2.05％；Ti：0.20％；Al：0.039％(具体为Alt:0.039％；Als:0.035％)；P：≤0.013％；S：≤0.004％；N≤0.0030％；其余为Fe和不可避免的杂质。
将钢水经过KR脱硫处理、全三脱转炉冶炼、RH精炼和LF炉精炼处理后，再进行连铸；将板坯加热至1200℃，保温3.5小时；粗轧采用5道次轧制，累计变形量为76.05％，中间坯厚度为57.2mm，粗轧出口温度为1000℃；精轧采用7道次轧制，累计变形量为75.17％，精轧的末道次压下率为10％，精轧入口温度为980℃，精轧终轧温度为850℃；然后经过层流冷却冷至目标卷取温度500℃，卷取后空冷至室温，最后得到成品桥壳钢，钢板规格为14.2×1800mm。
经检测，成品桥壳钢组织为粒状贝氏体，如图1所示，其屈服强度为673MPa，抗拉强度为787MPa，延伸率为23.5％，-20℃冲击功199J。
将上述实施例制备的桥壳钢进行感应加热，感应加热后桥壳钢性能如表1所示：
表1感应加热后桥壳钢性能
Figure BDA0002382912150000081
感应加热后，由于加热速率快，保温时间短，且加热温度处于两相区，晶粒没有明显的粗化，组织仍然以粒状贝氏为主，如图2所示。通过透射电镜分析，感应加热后基体中仍然存在数量较多、尺寸在10nm以下的TiC析出颗粒，如图3和图4所示，保证了材料加热后的力学性能。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种适用于感应加热的桥壳钢，其特征在于，所述桥壳钢的化学成分重量百分比为：C：0.15～0.25％；Si：0.1～0.25％；Mn：1.6～3.0％；Ti：0.15～0.30％；Al：0.02～0.35％；P：≤0.015％；S：≤0.005％；N≤0.004％；其余为Fe和不可避免的杂质；
所述桥壳钢由如下工艺步骤制备得到：
(1)冶炼：将炼钢原料冶炼为钢水；
(2)连铸：将所述钢水进行连铸，得到板坯；
(3)加热：将所述板坯在加热炉内加热至1200～1250℃，加热时间3.0～5.0小时；
(4)轧制：将加热后的所述板坯进行粗轧，得到中间坯；所述粗轧的累计变形量大于75％，中间坯厚度/成品桥壳钢厚度≥4；将所述中间坯进行精轧，得到精轧带钢；所述精轧的末道次压下率≥10％；
(5)冷却：对所述精轧带钢进行冷却，冷却速率≥30℃/s；
(6)卷取：对冷却后的所述精轧带钢进行卷取，目标卷取温度为500～550℃，得到成品桥壳钢。
2.如权利要求1所述的适用于感应加热的桥壳钢，其特征在于：所述桥壳钢的化学成分重量百分比为：C：0.15～0.25％；Si：0.05～0.18％；Mn：1.8～3.0％；Ti：0.15～0.30％；Al：0.02～0.35％；P：≤0.015％；S：≤0.005％；N≤0.004％；其余为Fe和不可避免的杂质。
3.如权利要求1所述的适用于感应加热的桥壳钢，其特征在于：所述步骤(1)中，所述冶炼依次包括如下步骤：KR脱硫、全三脱转炉冶炼、RH精炼和LF精炼。
4.如权利要求1所述的适用于感应加热的桥壳钢，其特征在于：所述步骤(3)中，所述铸坯在大于1200℃的温度条件下的加热时间不小于30分钟。
5.如权利要求1所述的适用于感应加热的桥壳钢，其特征在于：所述步骤(4)中，粗轧出口温度为960～1040℃。
6.如权利要求1所述的适用于感应加热的桥壳钢，其特征在于：所述步骤(4)中，粗轧采用5道次轧制。
7.如权利要求1所述的适用于感应加热的桥壳钢，其特征在于：所述步骤(4)中，精轧入口温度为960～1040℃，精轧终轧温度为850～900℃。
8.如权利要求1所述的适用于感应加热的桥壳钢，其特征在于：所述步骤(4)中，所述精轧采用7道次轧制，累计变形量为75～83％。
9.如权利要求1所述的适用于感应加热的桥壳钢，其特征在于：所述步骤(5)中，对所述精轧带钢采用前端集中冷却模式进行层流冷却。
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