CN113106350A - 一种热轧含钛高强钢及其温度参数联动控扎方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含钛热轧高强钢，各组分及其所占质量百分比为：C0.04～0.12％，Si 0.2～0.40％，Mn 1.50～1.90％，Ti 0.08～0.14％，N≤0.003％，S≤0.002％，O≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质；其制备方法包括转炉冶炼、氩站钛微合金化、真空处理、浇注、温度参数联动控扎、卷取、堆垛缓冷步骤。本发明采用的温度参数联动控扎方法可保证含钛高强钢板强度波动在100MPa以内，解决其性能波动大的问题，并可有效兼顾良好的力学强度、抗拉性能和抗冲击性能；且涉及的钢板合金元素成本低廉，轧制工艺简单，适合推广应用。

Description

一种热轧含钛高强钢及其温度参数联动控扎方法
技术领域
本发明属于钢材制备技术领域，具体涉及一种热轧含钛高强钢及其温度参数联动控扎方法。
背景技术
目前，在工程机械、汽车制造领域普遍使用含钛高强钢，尤其是其中的一些成型性要求高的关键零部件，对钢板性能均匀性提出更高的要求，目的是避免成型过程中零部件出现的变形概率。就当前应用现状看，所使用的含钛高强钢材料主要包括微钛合金化、中钛合金化和高钛合金化高强钢三类。微钛合金化高强钢工艺窗口较宽泛，生产稳定性高，性能均匀；而中钛合金化和高钛合金化高强钢由于钛的强化作用，对轧制工艺窗口较窄，性能波动较大，实际生产中抗拉强度波动一般在150～200MPa。
现有技术通常采用降低碳含量或钛含量的方法来增加工艺稳定性，从而得到性能均匀的高强钢板。然后这种方法为了保证强度，需要在基体中进一步加入一定量的V、Nb、Mo等贵重合金强化元素，并且对于厚板还需要增加热处理工艺进行生产，以达到强韧化目标；涉及的生产成本高昂，且生产周期较长：如专利CN107755431A公开了“一种热轧高强钢的轧制方法”，该方法主要对精轧过程进行控制，能够提高高强钢的轧制稳定性，降低生产成本；其关注点在中间坯厚度控制及轧辊参数调整方面，如果前工序参数不能精确控制，后工序无法弥补，会导致成品性能达不到要求；专利CN107794449A公开了“一种超高强度磁轭钢及其制造方法”，其板坯化学成分按重量百分数计包括C 0.10～0.14，Si≤0.15，Mn 1.85～2.00，P≤0.015，S≤0.010，Ti 0.28～0.30，Nb 0.05～0.06，Mo 0.40～0.50，B 0.001～0.003，Als 0.02～0.10，N≤0.010；为基体为贝氏体组织的高强钢；该方法虽然对板坯加热、终轧温度和终冷温度进行了限定，但没有建立温度关联关系，此外由于产品含有一定的Nb、Mo等元素导致合金成本过高，板坯加热和终轧温度不能协调控制会导致基体组织和析出颗粒的形貌分布均发生较大变化，易造成延伸率和韧性不足；专利CN104263889A公开了“一种提高厚度≥10mm含钛高强钢冲击韧性的方法”，该方法适用于含Ti不低于0.06％，含N不高于0.004％的钢种制备，其生产工艺上主要实施温控，虽对板坯加热的升温速率、终轧温度和卷取温度进行了特别规定，也未涉及温度联动控制效果，如果前工序温度参数控制不当，后工序温控便不能及时准确地进行修正，最终产品的组织类型、析出物量和分布也会不同，会导致钢材的强度、延伸率和低温任性等指标下降。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种热轧含钛高强钢及其温度参数联动控扎方法，可保证含钛高强钢板强度波动在100MPa以内，解决其性能波动大的问题，并可有效兼顾良好的力学强度、抗拉性能和抗冲击性能等；且涉及的钢板合金元素成本低廉，轧制工艺简单，尤其适用于折弯成型性能要求较高的零部件制作。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种含钛热轧高强钢，各组分及其所占质量百分比为：C 0.04～0.12％，Si 0.2～0.40％，Mn 1.50～1.90％，Ti 0.08～0.14％，N≤0.003％，S≤0.002％，O≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质；钢中不添加Nb、Ni、Mo、Cr等合金元素；其金相组织为85～88vol％的贝氏体、12～15vol％的铁素体以及分布在基体中的碳化钛硬质粒子。
上述方案中，所述碳化钛硬质粒子的尺寸大小为50～200nm，析出颗粒所占体积百分比为0.5～1％。
上述方案中，所述含钛热轧高强钢的屈服强度在730MPa以上，抗拉强度在750MPa以上，延伸率A在25％以上，-20℃夏比冲击功为70J/cm2以上。
本发明还公开了一种热轧含钛高强钢的温度参数联动控扎方法，包括转炉冶炼、氩站钛微合金化、真空处理、浇注、联动控扎、卷取、堆垛缓冷等步骤；其中氩站钛微合金化首先加入1/5以下添加量的钛合金；真空处理后期加入剩余添加量的钛合金；联动控扎步骤中钢坯加热T加、终轧温度T终和卷取温度T卷这三个工艺参数采用联动控制方案，具体按照T加＝2T终-T卷+0.9502Rm-498.51的公式进行。
上述方案中，所述联动控制方法包括：首先预设钢坯加热温度T加、终轧温度T终和卷取温度T卷中两种参数的取值，再根据公式T加＝2T终-T卷+0.9502Rm-498.51计算第三种参数的取值；其中预设的两种参数和计算所得第三种参数的取值条件同时满足：钢坯加热温度T加1250～1390℃，终轧温度T终800～860℃，卷取温度T卷550～650℃。
上述方案中，所述Rm为含钛热轧高强钢的常规抗拉强度，其取值范围可选择为740～840MPa。
上述方案中，所述真空处理总时间7～20min，真空处理结束前3min加入剩余钛合金进行目标成分，钛合金化过程保持炉顶吹氩气，吹氩速度≥26cm2/s，以免空气与钢液发生化学反应。
上述方案中，所述浇注步骤采用的温度为1500～1545℃，过热度控制在10～20℃，并在5min内完成浇注。
上述方案中，所述联动控扎步骤包括：将钢坯加热到1250～1390℃，并在此温度下保温127～176min；经高压除鳞后进行粗轧，其粗轧开轧温度控制为1100～1150℃；控制精轧入口温度在950～1000℃，终轧温度在800～860℃；轧后快速冷却：冷却速度为30～50℃/s，冷却至550～650℃进行卷取。
上述方案中，卷曲所得钢卷进行堆垛缓冷，缓冷后常规工艺开平，按照需求切成钢板。
本发明采用的原理为：
成分设计原理：钛是廉价而有效的强化元素，本发明主要依靠钛元素来强化钢板；然而现有实验证实，为获得700MPa以上级别强韧性匹配良好的钢板，需要在降低碳含量的同时加入一定的强化元素，仅依靠碳、锰的作用只能保证强度，并且材料脆性增加，导致开裂现象发生；针对上述问题，本发明在降低碳含量的同时只引入适量钛、硅元素来保证强度；同时考虑到N、S、O易与钛元素结合，减少游离钛的含量，减弱游离钛的强化作用，在本发明需对这三种元素含量进行限定，进而充分发挥钛合金化的强韧化作用，也是温度联动控制轧制工艺实施的前提和基础；基于上述成分设计并结合工艺改进，可调控铁素体和贝氏体的含量以及碳化钛颗粒的尺寸和含量，使所得钢材可有效兼顾良好的力学强度、抗拉性能和抗冲击性能等。
工艺改进原理：
1)本发明分别在氩站和真空后期进行两步钛微合金化，其中氩站加入百分比不超过1/5的钛含量总量，真空处理结束前3min再加入钛合金进行目标成分调整；采用上述两步钛微合金化手段在避免氩站钛元素损失有效保证钛合金收得率的同时，能获得时间使钛元素与N、S、O充分反应，生成杂质，上浮去除；经过两步钛合金化的方法实施，O含量控制在20ppm以内，钛合金化的钛元素收得率达98％以上。
2)本发明采用的浇注温度为1500～1545℃，过热度控制在10～20℃，并在5min内完成浇注，是由于经过微合金化后钛元素在钢液中处在一种过饱和状态，浇注温度过高或过热度较高或时间过长均会降低钛元素的收得率；
3)本发明采用钢坯加热(T加)、终轧温度(T终)和卷取温度(T卷)三个参数采用联动控制方案，具体按照T加＝2T终-T卷+0.9502Rm-498.51公式进行参数的预设与控制，并对其重要参数范围作了进一步的限定；其中加热温度的高低影响游离钛在基体中所占的比例，温度越高游离钛含量越高，反之成立；终轧温度和卷取温度高低直接影响了碳化钛析出粒子大小和数量，是强韧化作用的关键因子，与抗拉强度成一定的数量关系，因此终轧温度和卷取温度是钢板析出强化作用的间接体现。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)冶炼工艺和轧制工艺均可在常规工艺装备实现，参数设置也在常规工艺参数可调范围，工艺简单易行，适用性广；
2)本发明采用两步钛微合金化手段并结合温度联动控轧工艺，能保证钢板强度波动在100MPa以内；所得钢材的基体组织为铁素体+贝氏体组织，碳化钛粒子尺度为50～200nm，屈服强度在730MPa以上，抗拉强度在750MPa以上，延伸率A在25％以上，-20℃夏比冲击功为70J/cm2以上，成品可用于折弯成型性能要求较高的零部件制作。
说明书附图
图1为实施例3所得钢材的金相组织图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
本发明各实施例均按照以下步骤进行生产：
1)转炉冶炼后进入氩站，在氩站采进行钛微合金化，其中加入不超过20wt％用量要求的钛合金；
2)经常规真空处理，真空处理结束前3min加入剩余含量要求的钛合金进行目标成分调整，浇注温度为1500～1545℃，过热度控制在10～20℃，并在5min内完成浇注；
3)将钢坯加热到1250～1390℃，加热时间控制在127～176min；
4)经高压除鳞后进行粗轧，其粗轧开轧温度控制为1100～1150℃；控制精轧入口温度在950～1000℃，终轧温度在800～860℃；
5)轧后快速冷却：冷却速度为30～50℃/s，冷却至550～650℃进行卷取；
6)上述3、4、5步骤中钢坯加热温度(T加)、终轧温度(T终)和卷取温度(T卷)三个参数采用联动控制方案，具体控制步骤为：首先预设钢坯加热温度T加、终轧温度T终和卷取温度T卷中两种参数的取值，再根据公式T加＝2T终-T卷+0.9502Rm-498.51计算第三种参数的取值；其中预设的两种参数和计算所得第三种参数的取值条件同时满足：钢坯加热温度T加1250～1390℃，终轧温度T终800～860℃，卷取温度T卷550～650℃；
7)钢卷进行堆垛缓冷，冷却速度≤0.5℃/s，缓冷至室温，然后常规工艺开平，按照需求切成钢板。
图1为实施例3所得钢材的金相组织图，结果表明所得钢材的金相组织为贝氏体、铁素体以及分布在基体中的碳化钛硬质粒子，其组成为87％体积分数的贝氏体、12.39％体积分数的铁素体以及析出颗粒体积分数为0.61％的碳化钛硬质粒子；所述碳化钛硬质粒子的尺寸大小为50～200nm。
表1本发明各实施例和对比例的化学成分(wt.％)
Figure BDA0003025690760000051
Figure BDA0003025690760000061
注：表中/表示未控制含量，0表示不含。
表2本发明各实施例和对比例的主要工艺参数表
Figure BDA0003025690760000062
Figure BDA0003025690760000071
续表2本发明各实施例和对比例的主要工艺参数表
Figure BDA0003025690760000072
Figure BDA0003025690760000081
表3各实施例和对比例所得钢材的性能列表
Figure BDA0003025690760000082
Figure BDA0003025690760000091
实施例经过常规开平工艺开平并按照实际需要切成钢板。其中，表2和3中钢坯加热(T加)、终轧温度(T终)和卷取温度(T卷)三个参数采用联动控制方案，具体按照T加＝2T终-T卷+0.9502Rm-498.51公式进行，如温度数值为小数，则进位加1取整数。由表1、表2和表3中数据可以看出，该发明得到的钢板实施后能保证钢板抗拉强度波动在97MPa以内，屈服强度在735MPa以上，抗拉强度在750MPa以上，延伸率A在25％以上，-20℃夏比冲击功不低于71J/cm2，基体组织为贝氏体+铁素体，碳化物析出颗粒尺寸中位数在30～80nm范围。本发明实施例与对比例相比，虽然成分较为接近，但对比例钢板强度波动较大，高达235MPa，此外，本发明所得钢板延伸率指标和冲击韧性指标均优于对比例，并且制备工艺简单易行，综合性能整体较高。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种含钛热轧高强钢，其特征在于，各组分及其所占质量百分比为：C 0.04～0.12％，Si 0.2～0.40％，Mn 1.50～1.90％，Ti 0.08～0.14％，N≤0.003％，S≤0.002％，O≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质；其金相组织为85～88vol％的贝氏体、12～15vol％的铁素体以及分布在基体中的碳化钛硬质粒子。
2.根据权利要求1所述的含钛热轧高强钢，其特征在于，所述碳化钛硬质粒子的尺寸大小为50～200nm，析出颗粒所占体积百分比为0.5～1％。
3.权利要求1或2所述热轧含钛高强钢的温度参数联动控扎方法，其特征在于，包括转炉冶炼、氩站钛微合金化、真空处理、浇注、联动控扎、卷取、堆垛缓冷步骤；所述联动控扎步骤中钢坯加热温度T加、终轧温度T终和卷取温度T卷这三个工艺参数采用联动控制方案，具体按照T加＝2T终-T卷+0.9502Rm-498.51的公式进行。
4.根据权利要求3所述的温度参数联动控扎方法，其特征在于，所述联动控制方法包括：首先预设钢坯加热温度T加、终轧温度T终和卷取温度T卷中两种参数的取值，再根据公式T加＝2T终-T卷+0.9502Rm-498.51计算第三种参数的取值；其中预设的两种参数和计算所得第三种参数的取值条件同时满足：钢坯加热温度T加1250～1390℃，终轧温度T终800～860℃，卷取温度T卷550～650℃。
5.根据权利要求3所述的温度参数联动控扎方法，其特征在于，所述氩站钛微合金化首先加入1/5以下添加量的钛合金；真空处理后期加入剩余添加量的钛合金。
6.根据权利要求3所述的温度参数联动控扎方法，其特征在于，所述真空处理结束前3min加入剩余钛合金进行目标成分调整。
7.根据权利要求3所述的温度参数联动控扎方法，其特征在于，所述浇注步骤采用的温度为1500～1545℃，过热度控制在10～20℃，并在5min内完成浇注。
8.根据权利要求3所述的温度参数联动控扎方法，其特征在于，所述联动控扎步骤包括：将钢坯加热到1250～1390℃，并在此温度下保温127～176min；经高压除鳞后进行粗轧，其粗轧开轧温度控制为1100～1150℃；控制精轧入口温度在950～1000℃，终轧温度在800～860℃；轧后快速冷却：冷却速度为30～50℃/s，冷却至550～650℃进行卷取。
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