CN111850263A - 一种连续热镀锌烘烤硬化钢板提升耐时效性能的生产方法 - Google Patents

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Abstract

一种连续热镀锌烘烤硬化钢板提升耐时效性能的生产方法，在连续热镀锌生产线上的立式连续加热炉内，增设喷吹装置，将水或水蒸汽混合到氮气中，并通过喷吹装置喷吹到正在退火过程的钢板表面；或者往立式连续加热炉内的局部区域滴注水或水蒸气，对钢板表面进行脱碳和氧化，氧化后的钢板表面在后续的均热、冷却区段，被氢还原成贫碳的海绵铁。本发明通过喷吹装置对正在退火过程的钢板表面喷吹水或水蒸气，改变了局部的气氛状态。使得原来的还原性气氛在一定炉段区域内变成轻微氧化气氛，在温度作用下，钢板表面的碳发生氧化反应，生成C2O气体脱离钢板，从而调整钢板表面的游离碳含量以及得到一定厚度的贫碳层，达到提升钢板耐时效性的目的。

Description

一种连续热镀锌烘烤硬化钢板提升耐时效性能的生产方法
技术领域
本发明涉及冶金-金属材料加工领域，尤其涉及一种连续热镀锌烘烤硬化钢板提升耐时效性能的生产方法。该产品应用于汽车外覆盖件。
背景技术
超低碳烘烤硬化钢是一种在冲压成形前具有较低的屈服强度，经过冲压成形，通过烤漆温度时效处理后，屈服强度可以得到一定程度提高的优质汽车用钢板，主要用于汽车外板。此产品特点是：实现了产品强度、深冲性能和零件抗凹陷性能三者的有机结合。与此同时，此产品缺点为如果时效指数(AI值＞30MPa)或者烘烤硬化值(BH2)大于50Mpa，存放不到三个月，再冲压时，容易引起冲压桔皮或开裂。产生此缺陷的本质原因为产品游离碳、氮含量较大，在时间和温度双重作用下，固溶在铁素体中的C、N原子，会从铁素体晶格中析出，从而引起抗拉强度、屈服强度等机械性能发生一定程度的变化。我们希望在常温下这一变化程度越低越好；冲压以后变化越大越好，就是利用其冲压成形时较低的屈服强度、烤漆时获得较高的屈服强度这一特性，获得良好的加工性能和优良的使用性能。
烘烤硬化性能，BH性，(即Bake Hardening Ability)是指钢板在退火、热镀锌平整后的供货状态下有较低的屈服强度，适合于冲压；该冲压件在随后的涂漆烘烤过程中，受温度的影响，屈服强度在一定范围内得到提升，这个提升值就称为烘烤硬化值，简称BH值。获得烘烤硬化值的前提条件是，钢中要有一定数量的游离碳。
由于该钢种在自然温度条件下也会发生机械性能变化，这个变化是不利于保持其加工性能的因素，因此要尽可能控制其变化在最小范围内。为了考核这一特性，人们称其为耐时效性。对于耐时效性，人们通常用耐时效时间长短或者用时效指数AI值来衡量烘烤硬化钢板的常温时效性。
测BH值的条件是，预拉伸应变量2％，时效条件为170℃、20分钟；AI值的预拉伸应变量8％，时效条件为100℃，l小时。
BH值和AI值，二者的评价方法和数值都很相似，通常BH值高，AI值也必然高。并且AI值总是小于BH值。
在自然时效过程中C、N原子多沿位错析出，如果晶格当中含有过多的游离碳或者氮，这个时效过程时间就会很短，不足以满足周转过程的需要，在冲压时，由于机械性能变坏，影响加工性能；除了影响机械性能以外，有时还会因为形成了“柯氏气团”影响冲压件的表面质量。
由于时效钢种有这一特性，我们就要尽可能利用其优点，避免其缺点。开发一种耐时效的热镀锌烘烤硬化钢，或者开发一种提升其耐时效的制造方法，争取尽可能长一些的存放周期，具有重要的经济效益和社会效益。
我国烘烤硬化钢板的开发经历了三个阶段。也可以说是用三种方法来生产。第一阶段采用加磷的铝镇静钢生产；第二阶段采用低碳铝镇静钢生产；第三阶段是由超低碳适当控制游离碳数量的微合金钢来生产烘烤硬化钢板，这种钢板的特性是耐自然时效要好于前两种。镀锌烘烤硬化钢板的研究与开发是近年的热点问题，人们从镀锌工艺和基体金属和镀层金属的性能等方面进行了大量的研究工作。A.Piclfler等人对采用低碳和超低碳烘烤硬化钢板生产热镀锌烘烤硬化钢板从成分和工艺上进行了系统的比较，认为采用超低碳烘烤硬化钢板生产的镀锌烘烤硬化钢板具有优于前两个阶段的力学性能。目前，国内外生产汽车用烘烤硬化热镀锌钢板，控制时效的方法是，在超低碳的钢中加入一定量的强碳、氮化物的微合金元素，例如铌、钛或者钒，用这些元素形成碳、氮化合物，中和掉过量的游离碳和氮。还有的制造商在以上条件外还利用退火温度调整NbC的高温分解量，来获得适量的游离碳。
对于缓时效的超低碳微合金烘烤硬化钢板而言，固溶原子的数量通过微合金元素Ti或者(和)Nb与C、N和S等原子的比例来控制。但是，在炼钢时，各种合金成分都要有一定量的波动。由于各个元素都要波动，那么他们之间的比例关系就不好控制，因此说其耐时效性就不好掌控。在生产实际中，这种情况经常发生。在现有技术条件下，由于钢中碳含量很难精确控制在比较小的范围。而与之相配的铌、钛含量就无法精准确定。在这种状态下，制造出的产品，要不就是烘烤硬化值过高，耐时效性很差；要不就是烘烤硬化值超低，不达标。即使匹配较好的状态下，耐时效性也就维持在三个月左右。夏天，由于天热，发生问题的概率更大。
为了解决这一问题，人们做了大量研究，但是大多集中在研究如何更精确的检测合金元素；如何精确实现合金成分比例关系；如何在制造过程中控制过量(或不足)的元素存在形式；目前看，这些努力都受到技术条件限制效果还达不到市场要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连续热镀锌烘烤硬化钢板提升耐时效性能的生产方法，可以生产出具有良好加工性能和使用性能的耐时效的超低碳热镀锌烘烤硬化钢板，该钢板的耐时效超过六个月。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种连续热镀锌烘烤硬化钢板提升耐时效性能的生产方法，在连续热镀锌生产线上的立式连续加热炉内，增设喷吹装置，将水或水蒸汽混合到氮气中，并通过喷吹装置喷吹到正在退火过程的钢板表面；
或者往立式连续加热炉内的局部区域滴注水或水蒸气，对钢板表面进行脱碳和氧化，氧化后的钢板表面在后续的均热、冷却区段，被氢还原成贫碳的海绵铁。
所述水的流量控制在0-40毫升/分钟,炉内喷吹局部区域露点控制在0-(-45)℃，喷吹水时的钢板预热温度为200℃到900℃。
所述水蒸汽的流量控制在0-1.5m3/小时,炉内喷吹局部区域露点控制在0-(-45)℃，喷吹水蒸汽时的钢板预热温度为200℃到900℃。
所述立式连续加热炉中的基础保护气氛是由氮气和占总气体体积含量4％-6％的氢气以及少量杂质构成的保护性气体。
所述超低碳烘烤硬化连续热镀锌钢板的耐时效超过六个月。
所述喷吹装置包括相对而设的两组喷管、输入总管道，两组喷管与输入总管道连通，钢板从两组喷管之间通过，在两组喷管与钢板通道相对一侧设有缝隙。
所述喷管为内外两层套管结构，在内管上均布有缝隙或通孔，在内管与外管之间设有支撑定位板，在所述支撑定位板上设有通孔，所述内管与输入总管道连通。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明通过喷吹装置对正在退火过程的钢板表面喷吹氮气与水(或水蒸汽)的混合气，改变了局部的气氛状态。使得原来的还原性气氛在一定炉段区域内变成轻微氧化气氛，在温度作用下，钢板表面的碳发生氧化反应，生成C2O或者CO气体脱离钢板，从而调整钢板表面的游离碳含量以及得到一定厚度的贫碳层，进而达到提升钢板耐时效性的目的。
2)在炉内气体循环规律作用下，加热段以及以后的均热段、保温段、冷却段等炉区仍然是以氮-氢为主的还原性气氛，因此钢带进入这一区域后，钢带表面的氧化铁会还原成贫碳海绵铁，更加有利于热镀锌。
附图说明
图1是本发明喷吹装置的示意图。
图2是本发明的生产流程图。
图中：1-支撑定位板、2-内管、3-外管、4-输入总管道、5-入口、6-阀门、7-流量计、8-波纹管。
具体实施方式
下面对本发明做详细说明，但本发明的实施范围不仅仅限于下述的实施方式。
一种连续热镀锌烘烤硬化钢板提升耐时效性能的生产方法，在连续热镀锌生产线上的立式连续加热炉内，增设喷吹装置，将水或水蒸汽混合到氮气中，并通过喷吹装置喷吹到正在退火过程的钢板表面；
或者往立式连续加热炉内的局部区域滴注水或水蒸气，对钢板表面进行脱碳和氧化，氧化后的钢板表面在后续的均热、冷却区段，被氢还原成贫碳的海绵铁。
用此方法调整钢板的游离碳含量以及得到一定厚度的贫碳层，从而达到提升耐时效性的目的。
所述水的流量控制在0-40毫升/分钟,炉内喷吹局部区域露点控制在0-(-45)℃，喷吹水时的钢板预热温度为200℃到900℃。
所述水蒸汽的流量控制在0-1.5m3/小时,炉内喷吹局部区域露点控制在0-(-45)℃，喷吹水蒸汽时的钢板预热温度为200℃到900℃。
所述立式连续加热炉中的基础保护气氛是由氮气和占总气体体积含量4％-6％的氢气以及少量杂质构成的保护性气体。
所述超低碳烘烤硬化连续热镀锌钢板的耐时效超过六个月，机械性能仍然在标准要求范围以内。
如图1所示，所述喷吹装置包括相对而设的两组喷管、输入总管道4，两组喷管与输入总管道4连通，钢板从两组喷管之间通过，在两组喷管与钢板通道相对一侧设有缝隙。
通过平行于钢板两侧的喷管上的缝隙，将氮气与水(或水蒸汽)的混合气吹向已预热到200℃到900℃的钢带表面。混合气氛中的氧会与炉内氢气、钢板中的碳元素以及钢板表面的铁元素起氧化反应。碳与氧化气氛反应生成的CO2或者CO气体脱离钢板，从而减少了游离碳的数量。与此同时，氧化气氛还会与钢板的铁起氧化反应，生成氧化铁系列。随氧化气氛浓度不同，分别产生Fe2O3；Fe3O4；FeO；氧化铁在加热炉内后续过程中会被保护气体中的氢气还原，成为海绵铁。海绵铁是贫碳层。随氧化程度不同，贫碳层厚度也不同。由于有贫碳层存在，给钢板中深处未脱碳部分的碳扩散预留出了空间。
所述喷管为内外两层套管结构，在内管2上均布有缝隙或通孔，在内管2与外管3之间设有支撑定位板1，在所述支撑定位板1上设有通孔，所述内管2与输入总管道4连通。氧化介质从输入总管道4进入内管2，再通过内管2上均布缝隙或通孔均匀填充到内管2与外管3之间的夹层中，再通过外管3上的缝隙喷向钢板表面。在内管2与输入总管道4的连接处安装有波纹管8用于吸收热胀冷缩对尺寸变化的影响。
本发明涉及到的制造方法是针对各类标准中要求的缓时效的、超低碳的烘烤硬化热镀锌钢板。本发明涉及的钢种主要成份见表1。
表1：本发明适用钢种成分(其余为铁以及不可避免的杂质)。
C Si Mn P S ALs Nb Ti N
MIN 0.0014 0 0.10 0.005 0.000 0.030 0.001 0.002 0.00
MAX 0.0045 0.10 0.50 0.035 0.010 0.080 0.010 0.010 0.003
本发明的生产方法是在常规炼钢、热轧、冷轧以后的全硬钢板进入热镀锌产线，钢带经过清洗-加热-冷却-热镀锌-冷却-光整(拉矫)-卷曲收卷等流程成为成品。在连续退火炉中，通常钢带温度在室温到900℃之间变化。见图2，本发明是在连续加热炉的预热区和加热区段之间增设一种喷吹装置，向钢板表面喷射水或者水蒸汽作为氧化介质，利用氮和氧化介质的混合气对钢板表面进行脱碳和铁氧化。氧化后的钢板表面会在后续的加热、均热、冷却区段，被氢还原成贫碳的海绵铁。海绵铁状态是公认的适于热镀锌的表面状态。
本发明通过喷吹装置，改变了局部的气氛状态。使得原来的还原性气氛在一定炉段区域内变成轻微氧化气氛。氧化气氛程度不同，对钢板中游离碳的反应量即脱碳层深度也就不同；脱碳量和贫碳层厚度对热镀锌钢板的耐时效性起到决定作用。
在炉内气体循环规律作用下，加热段以及以后的均热段、保温段、冷却段等炉区仍然是以氮-氢为主的还原性气氛，因此钢带进入这一区域后，钢带表面的氧化铁会还原成贫碳海绵铁，更加有利于热镀锌。
退火炉内氧化气氛程度控制，是由输入的水或水蒸汽流量以及炉内局部露点两个参数来实现。如果钢板中的游离碳较高，那么流量和露点就高一些。反之就低一些，直至不输入氧化介质。
实施例1：
本例提供了一种连续热镀锌烘烤硬化钢板提升耐时效性能的生产方法。钢卷的化学成分质量百分比为：C 0.0038％；Mn 0.44％；Si 0.08％；P 0.017％；S 0.008％；Als0.053％；Ti 0.006％；Nb 0.0041％；N 0.002％，余量为Fe及不可避免杂质。经热轧、冷轧到连续热镀锌生产线。
在热镀锌生产线上的连续退火炉中充满氮-氢保护气体。来自于冷轧的钢带在连退炉中的预热段-加热段-均热段-冷却段完成退火过程。在预热和加热段之间增设的喷吹装置，向已预热到200℃到900℃的钢带表面喷吹氮气和水，氮气流量控制在100m3/小时，水流量控制在30(毫升/分钟)，使得露点控制在-20℃。此时已经被加热的钢板在氧气分压作用下，被脱碳和氧化。氧化后的钢板表面在随后的加热段-均热段-冷却段被高温氮氢混合气还原成海绵铁，进入锌锅，完成热镀锌过程。
按照上述工艺方法处理后的热镀锌钢板性能如表2所示。
表2：实施例1钢板性能
Figure BDA0002550451870000061
实施例2：
本例提供了一种连续热镀锌烘烤硬化钢板提升耐时效性能的生产方法。该钢种的化学成分质量百分比为：C 0.0036％；Mn 0.37％；Si 0.05％；P 0.02％；S 0.008％；Als0.039％；Ti 0.004％；Nb 0.0028％；N 0.0029％，余量为Fe及不可避免杂质。经热轧、冷轧到连续热镀锌生产线。
在热镀锌生产线上的连续退火炉中充满氮-氢保护气体。来自于冷轧的钢带在连退炉中的预热段-加热段-均热段-冷却段完成退火过程。在预热和加热段之间增设喷吹装置，向已预热到200℃到900℃的钢带表面喷吹氮气和水蒸气的混合气体，氮气流量控制在200m3/小时，水蒸汽流量控制在0.36m3/小时，使得局部露点控制在-40℃。此时钢板被轻微脱碳和氧化。钢板表面在随后的加热段-均热段-冷却段被还原成海绵铁进入锌锅，完成热镀锌过程。
按照上述工艺方法处理后的热镀锌钢板性能如表3所示。
表3：实施例2钢板性能
Figure BDA0002550451870000071
对比例：
本例提供了一种超低碳烘烤硬化热镀锌钢板的对照板的生产方法。该钢种的化学成分质量百分比为：C 0.0026；Mn 0.42％；Si 0.08％；P 0.027％；S 0.004；Als 0.044％；Ti 0.006％；Nb 0.002％；N 0.002％，余量为Fe及不可避免杂质。经热轧、冷轧到连续热镀锌生产线。
在热镀锌生产线上的连续退火炉中充满氮-氢保护气体。来自于冷轧的钢带在连退炉中的预热段-加热段-均热段-冷却段完成退火过程。在预热和加热段之间不设置喷吹装置，基础氮气200m3/小时状态下，露点控制在-45℃。此时钢板脱碳和氧化极微，随后进入锌锅，完成热镀锌过程。在表4中可以看到，钢板的耐时效性很差。初始状态各项指标均符合标准要求。同样的钢卷在自然条件下存放不足三个月有些指标已经不达标了。
表4：对比例钢板性能
Figure BDA0002550451870000072
不达标的钢卷，在冲压时会开裂或者出现影响外观的纹理。

Claims (7)

1.一种连续热镀锌烘烤硬化钢板提升耐时效性能的生产方法，其特征在于，在连续热镀锌生产线上的立式连续加热炉内，增设喷吹装置，将水或水蒸汽混合到氮气中，并通过喷吹装置喷吹到正在退火过程的钢板表面；
或者往立式连续加热炉内的局部区域滴注水或水蒸气，对钢板表面进行脱碳和氧化，氧化后的钢板表面在后续的均热、冷却区段，被氢还原成贫碳的海绵铁。
2.根据权利要求1所述的一种连续热镀锌烘烤硬化钢板提升耐时效性能的生产方法，其特征在于，所述水的流量控制在0-40毫升/分钟,炉内喷吹局部区域露点控制在0-
(-45)℃，喷吹水时的钢板预热温度为200℃到900℃。
3.根据权利要求1所述的一种连续热镀锌烘烤硬化钢板提升耐时效性能的生产方法，其特征在于，所述水蒸汽的流量控制在0-1.5m3/小时,炉内喷吹局部区域露点控制在0-(-45)℃，喷吹水蒸汽时的钢板预热温度为200℃到900℃。
4.根据权利要求1所述的一种连续热镀锌烘烤硬化钢板提升耐时效性能的生产方法，其特征在于，所述立式连续加热炉中的基础保护气氛是由氮气和占总气体体积含量4％-6％的氢气以及少量杂质构成的保护性气体。
5.根据权利要求1所述的一种连续热镀锌烘烤硬化钢板提升耐时效性能的生产方法，其特征在于，所述超低碳烘烤硬化连续热镀锌钢板的耐时效超过六个月。
6.根据权利要求1所述的一种连续热镀锌烘烤硬化钢板提升耐时效性能的生产方法，其特征在于，所述喷吹装置包括相对而设的两组喷管、输入总管道，两组喷管与输入总管道连通，钢板从两组喷管之间通过，在两组喷管与钢板通道相对一侧设有缝隙。
7.根据权利要求1所述的一种连续热镀锌烘烤硬化钢板提升耐时效性能的生产方法，其特征在于，所述喷管为内外两层套管结构，在内管上均布有缝隙或通孔，在内管与外管之间设有支撑定位板，在所述支撑定位板上设有通孔，所述内管与输入总管道连通。
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