CN114032471A

CN114032471A - 一种高强钢及其制备方法

Info

Publication number: CN114032471A
Application number: CN202111211895.XA
Authority: CN
Inventors: 严立新; 梁亮; 李会; 汪净; 秦金柱; 熊维亮; 吴浩鸿; 刘奇奇; 吴润; 黄建波; 郭德福
Original assignee: Hunan Valin Lianyuan Iron & Steel Co Ltd
Current assignee: Hunan Valin Lianyuan Iron & Steel Co Ltd
Priority date: 2021-10-18
Filing date: 2021-10-18
Publication date: 2022-02-11
Anticipated expiration: 2041-10-18
Also published as: CN114032471B

Abstract

本申请提供一种高强钢及其制备方法，涉及钢材制备技术领域。该高强钢包括钢本体，及钢本体表面的氧化铁皮，钢本体包含如下重量百分含量的组分：C 0.065～0.105％，Mn 1.45～1.65％，Si 0.07～0.15％，Nb 0.02～0.06％，V 0.04～0.06％，Ti 0.09～0.14％，Cr 0.07～0.025％，S≤0.005％，P≤0.020％，Fe 97.0～99.0％；其中，Nb、V和Ti的重量百分含量满足：Nb％+V％+Ti％＜0.24％；氧化铁皮包括Fe₃O₄+α‑Fe共析组织、FeO，以及Fe₃O₄。该高强钢具有较高强度和优良塑性，且表面氧化铁皮掉粉少。

Description

一种高强钢及其制备方法

技术领域

本申请涉及钢材制备技术领域，具体涉及一种高强钢及其制备方法。

背景技术

随着汽车行业对安全、减重节能和环保的要求越来越高，汽车行业对高强度汽车用钢的需求日益迫切。相比于传统的普碳钢，高强钢可以降低汽车的整备质量，使汽车轻量化，从而实现节能减排、减少环境污染、降低汽车的制造和运输成本。目前，高强度钢板已成为商用车大梁及结构件的主流用钢，其需要具有较好的塑性及成形性能，同时还需要具有良好的表面质量。

但高强钢在加热轧制过程中易产生氧化铁皮，在后续平整矫直的过程中造成铁皮堆积，易发生压入产生表面凹坑现象，同时也对环境与设备带来一定损害，对现场工作人员的健康极为不利。

发明内容

针对上述技术问题，本申请提供一种高强钢及其制备方法，旨在提供兼具较高强度和优良塑性，且表面掉粉少的高强钢。

一方面，本申请实施例提出了一种高强钢，包括钢本体，以及钢本体表面的氧化铁皮，所述钢本体包含如下重量百分含量的组分：

0.065wt％≤C≤0.105wt％，1.45wt％≤Mn≤1.65wt％，0.07wt％≤Si≤0.15wt％，0.02wt％≤Nb≤0.06wt％，0.04wt％≤V≤0.06wt％，0.09wt％≤Ti≤0.14wt％，0.07wt％≤Cr≤0.025wt％，S≤0.005wt％，P≤0.020wt％，97.0wt％≤Fe≤99.0wt％；

其中，所述Nb、V和Ti的重量百分含量满足：Nb wt％+V wt％+Ti wt％＜0.24wt％；所述氧化铁皮包括Fe₃O₄+α-Fe共析组织、FeO，以及Fe₃O₄，其中，所述Fe₃O₄+α-Fe共析组织的质量占所述氧化铁皮总量的30～40％。

根据本申请的一个实施例，所述钢本体的金相组织为贝氏体组织。

根据本申请的一个实施例，所述氧化铁皮的厚度<10μm。

根据本申请的一个实施例，所述高强钢的掉粉率不大于10.4％。

另一个方面，本申请实施例提供制备上述高强钢的方法，包含如下步骤：

1)将钢坯进行加热处理；

2)除鳞和轧制，所述轧制中精轧的终轧温度为850～920℃；

3)层流冷却，所述层流冷却采用前端集中冷却；

4)卷取，所述卷取温度为550～610℃；

5)自然空冷，制得所述高强钢。

根据本申请的一个实施例，步骤1)所述加热处理具体为将所述钢坯在120～180min内加热至1200～1250℃，保温至少30min。

根据本申请的一个实施例，步骤2)所述除鳞时所用高压水的压力为18～20Mpa，所述高压水与所述板坯的相对速度为1.0～1.2m/s。

根据本申请的一个实施例，步骤2)所述除鳞和轧制包括依次进行的粗除鳞、粗轧、道次除鳞、精除鳞和精轧。

根据本申请的一个实施例，所述精轧的开轧温度为960～1020℃。

根据本申请的一个实施例，步骤3)所述前端集中冷却包括前段快冷和均匀冷却，所述前段快冷的冷却速度为30～40℃/s，所述均匀冷却的冷却速度为6～10℃/s。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

为了保证高强钢具有较高强度和优良韧性，本申请在低碳钢的基础上添加Nb、V和Ti微合金元素，并控制三者质量百分含量之和小于0.13％，充分发挥了上述三种元素沉淀强化和细晶强化的作用，获得了较高强度和优良塑性的高强钢产品。本申请实施例制得的高强钢的屈服强度大于746MPa、抗拉强度大于782MPa、断后延伸率大于21％，将其应用在汽车结构件上时具有优良的成形性和耐久性。

为了保证高强钢表面掉粉少，本申请首先控制Si的质量百分含量在0.07～0.15wt％，能有效阻止钢本体表面产生较多氧化铁皮，从而避免大量氧化铁皮的脱落；其次控制Cr的质量百分含量在0.07～0.15wt％，能在钢基体表面产生致密保护膜，有效地抑制氧化铁皮的产生，从而达到氧化铁皮厚度薄且不易掉落的效果。

本申请提供的高强钢中，钢本体表面的氧化铁皮包括Fe₃O₄+α-Fe共析组织、FeO，以及Fe₃O₄。其中，Fe₃O₄+α-Fe共析组织的质量占氧化铁皮总量的30～40％。包含上述组分的氧化铁皮附着性能良好，不易掉落。且在高强钢的后续冷加工矫直过程中，残余FeO相能有效吸收部分破坏应力，表面氧化铁皮不易掉落。

附图说明

下面将参考附图来描述本申请示例性实施例的特征、优点和技术效果。

图1是本申请实施例1的高强钢的氧化铁皮的断面SEM形貌图；

图2是本申请实施例1的高强钢的氧化铁皮的表面SEM形貌图；

图3是本申请实施例2的高强钢的氧化铁皮的断面SEM形貌图；

图4是本申请实施例2的高强钢的氧化铁皮的表面SEM形貌图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本申请的原理，但不能用来限制本申请的范围，即本申请不限于所描述的实施例。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“垂直”并不要求严格意义上的垂直，而是可以包含允许的误差。“平行”并不要求严格意义上的平行，而是可以包含允许的误差。

高强钢

本申请第一方面实施例提供一种高强钢，包括钢本体，以及钢本体表面的氧化铁皮，钢本体包含如下重量百分含量的组分：0.065wt％≤C≤0.105wt％，1.45wt％≤Mn≤1.65wt％，0.07wt％≤Si≤0.15wt％，0.02wt％≤Nb≤0.06wt％，0.04wt％≤V≤0.06wt％，0.09wt％≤Ti≤0.14wt％，0.07wt％≤Cr≤0.025wt％，S≤0.005wt％，P≤0.020wt％，97.0wt％≤Fe≤99.0wt％；其中，所述Nb、V和Ti的重量百分含量满足：Nb wt％+V wt％+Tiwt％＜0.24wt％。

所述氧化铁皮包括Fe₃O₄+α-Fe共析组织、FeO，以及Fe₃O₄，其中，所述Fe₃O₄+α-Fe共析组织的质量占所述氧化铁皮总量的30～40％。

根据本发明实施例的高强钢，通过对各组分的种类和含量的控制，使得各组分之间起到协同增效作用，从而赋予高强钢兼具优良塑性和较高的强度，并且表面掉粉少。

根据本发明的实施例，C是提高钢强度的有效元素，本申请中采用较低的碳含量，既能保证Nb、Ti的充分析出，发挥细晶强化和沉淀强化作用，又能避免生成珠光体。

在一些实施例中，为了综合改善高强钢的性能，C的质量百分含量满足：0.065wt％≤C≤0.105wt％。例如，C为0.065wt％、0.075wt％、0.085wt％、0.095wt％或0.105wt％。C的质量也可以是以上数值的任意组合范围。

根据本发明的实施例，Mn能固溶在钢板中，既起到固溶强化作用，又起到脱硫的作用，减少钢的热脆性。

在一些实施例中，为了综合改善高强钢的性能，Mn的质量百分含量满足：1.45wt％≤Mn≤1.65wt％。例如，Mn为1.45wt％、1.50wt％、1.55wt％、1.60wt％或1.65wt％。Mn的质量也可以是以上数值的任意组合范围。

根据本发明的实施例，Si作为脱氧剂，以减少钢中气体含量，但其含量过高会影响焊接性和表面质量。本申请采用质量百分含量为0.07～0.15wt％的Si，上述含量的Si既能起到脱氧的作用，又能阻止钢基体表面形成大量红锈类尖晶石FeO.SiO₂氧化铁皮。

在一些实施例中，为了综合改善高强钢的性能，Si的质量百分含量满足：0.07wt％≤Si≤0.15wt％。例如，Si为0.07wt％、0.08wt％、0.10wt％、0.12wt％、0.14wt％或0.15wt％。Si的质量也可以是以上数值的任意组合范围。

根据本发明的实施例，Nb在控轧控冷过程中具有细晶强化效果，通过Nb的碳氮化物的析出可以阻止原始奥氏体晶粒粗化，起到细化晶粒、提高低温韧性的作用。另外，细小的Nb的碳氮化物析出物还能发挥沉淀强化作用，也有利于提高钢板强度。

在一些实施例中，为了综合改善高强钢的性能，Nb的质量百分含量满足0.02wt％≤Nb≤0.06wt％。例如，Nb为0.02wt％、0.03wt％、0.04wt％、0.05wt％或0.06wt％。Nb的质量也可以是以上数值的任意组合范围。

根据本发明的实施例，V能有效细化钢的晶粒尺寸，同时在钢中形成纳米级析出相，能有效提高钢板强度。

在一些实施例中，为了综合改善高强钢的性能，V满足0.04wt％≤V≤0.06wt％。例如，V为0.04wt％、0.05wt％或0.06wt％。V的质量也可以是以上数值的任意组合范围。

根据本发明的实施例，Ti在连铸凝固过程中与氮结合形成TiN，TiN的存在可以抑制焊接热影响区晶粒的粗化。

在一些实施例中，为了综合改善高强钢的性能，Ti满足0.09wt％≤Ti≤0.14wt％。例如，Ti为0.09wt％、0.10wt％、0.11wt％、0.12wt％、0.13wt％或0.14wt％。Ti的质量也可以是以上数值的任意组合范围。

根据本发明的实施例，Nb、V和Ti的重量百分含量满足：Nb wt％+V wt％+Ti wt％＜0.24wt％，充分利用各元素的细晶强化和沉淀强化效果，获得具有较高强度和塑性的高强钢。

在一些实施例中，为了综合改善高强钢的性能，Nb、V和Ti的重量百分含量之和为0.23wt％、0.20wt％、0.15wt％、0.12wt％、0.11wt％、0.10wt％、0.08wt％、0.06wt％、0.05wt％或0.02wt％等，也可以是以上数值的任意组合范围。

根据本发明的实施例，Cr能有效阻碍铁的二次氧化，质量百分含量在0.07～0.15wt％的Cr能在钢基体表面产生致密保护膜，有效地抑制氧化铁皮的产生，使氧化铁皮厚度薄且不易掉落。

在一些实施例中，为了综合改善高强钢的性能，Cr满足0.07wt％≤Cr≤0.025wt％。例如，Cr为0.07wt％、0.09wt％、0.12wt％、0.15wt％、0.18wt％、0.20wt％、0.22wt％或0.25wt％。Cr的质量也可以是以上数值的任意组合范围。

根据本发明的实施例，P和S作为钢中有害夹杂对钢的冷弯性能和焊接特性具有巨大的损害作用；本发明从降低生产成本和提高产品质量出发，将P含量控制在≤0.020wt％，将S含量控制在≤0.005wt％，减少磷和硫对高强钢冷弯、焊接性能的影响。

根据本发明的实施例，氧化铁皮包括Fe₃O₄+α-Fe共析组织、FeO，以及Fe₃O₄，其中，所述Fe₃O₄+α-Fe共析组织的质量占所述氧化铁皮总量的30～40％，所述FeO的质量占所述氧化铁皮总量的15～20％，其余为Fe₃O₄相。

在一些实施例中，表面氧化铁皮中Fe₃O₄+α-Fe共析组织占氧化铁皮总量的30～40％，例如，30％，32％、35％、36％、38％或40％，也可以是以上数值的任意组合范围。

具体地，在终轧的冷却生产中形成一定量的FeO和先共析Fe₃O₄，随后在卷取时，通过卷取温度来控制FeO的共析反应，使钢表面发生一定量的膨胀而减少脱粉率，从而控制钢卷表面的掉粉现象。

高强钢在后续加工过程中，特别是冷加工矫直过程中最容易引起表面氧化铁皮掉粉。但本申请实施例的高强钢在后续冷加工矫直过程中，残余FeO相能有效吸收部分破坏应力，表面氧化铁皮的脱落掉粉少。

本申请实施例的高强钢不仅强度高，而且表面氧化铁皮掉粉少，可应用于商用车的大梁及结构上，可提高汽车结构件的成形性能、涂装性能和疲劳性能，大大提高汽车的使用寿命。

高强钢的制备

本发明第二方面的实施例提供一种制备高强钢的方法，该方法包括如下步骤：

1)将钢坯进行加热处理；

2)除鳞和轧制，所述轧制中精轧的终轧温度为850～920℃；

3)层流冷却，所述层流冷却采用前端集中冷却；

4)卷取，所述卷取温度为550～610℃；

5)自然空冷，制得所述高强钢。

在一些实施例中，步骤1)中加热处理具体为将所述钢坯在120～180min内加热至1200～1250℃，保温至少30min。

需要说明的是，步骤1)中加热处理具体为将所述钢坯在120～180min内加热至1200～1250℃，保温至少30min，目的是使微合金化元素完全固溶并形成碳氮化物，阻碍原奥氏体晶粒的长大，细化晶。

在一些实施例中，步骤2)中除鳞时所用高压水的压力为18～20Mpa，所述高压水与所述板坯的相对速度为1.0～1.2m/s。

需要说明的是，除鳞时所用高压水的目的是去除炉生和次生氧化铁皮。

在一些实施例中，步骤2)所述除鳞和轧制包括依次进行的粗除鳞、粗轧、道次除鳞、精除鳞和精轧。

需要说明的是，粗轧阶段采用5或7道次轧制，基数道次除鳞，随后精轧除鳞压力为18～20MPa；精轧阶段开轧温度控制在960～1020℃，终轧温度控制在850～920℃，精轧机末道次压下率≤15％；精轧阶段采用7道次轧制，并在各机架间进行水冷；轧制凸度为25-45μm；

在一些实施例中，步骤3)所述前端集中冷却包括前段快冷和均匀冷却，所述前段快冷的冷却速度为30～40℃/s，所述均匀冷却的冷却速度为6～10℃/s。

需要说明的是，将精轧过后的板坯进行层流冷却，层流冷却系统采用高架紧凑式布局，冷却方式采用前段集中方式且不开启超快冷集管，避免冷却过大造成次生氧化铁皮破碎，控制冷却速度为30～40℃/s；

在一些实施例中，将卷取温度控制在550～610℃，可以合理控制FeO的共析转变。例如，卷取温度为550℃、560℃、570℃、580℃、590℃、600℃或610℃。将卷取温度控制在550～610℃的理由是在该范围内可合理控制FeO的共析转变，达到降低掉粉率的目的。

需要说明的是，最后采用自然空冷的方式对卷后钢卷进行冷却，以得到的高强钢中，表面氧化铁皮中Fe₃O₄+α-Fe共析组织占氧化铁皮总量的30～40％，FeO的质量占氧化铁皮总量的15～20％，其余为Fe₃O₄的混合结构。

根据本发明实施例的高强钢的制备方法在钢坯的轧制过程中，控制终轧温度为850～920℃，在该温度下形成一定量的FeO和先共析Fe₃O₄；在卷取过程中控制卷取温度为550～610℃，通过在该温度下卷取来控制共析反应，使钢表面发生一定量的膨胀而减少脱粉率，从而控制钢卷表面的掉粉现象。

实施例

实施例1

所述高强钢的化学组分及其含量是：C为0.08wt％，Mn为1.48wt％，Si为0.08wt％，Nb为0.056wt％，V为0.05wt％，Ti为0.10wt％，Cr为0.12％，S为0.002wt％，P为0.011wt％，其余为Fe和不可避免的杂质。

板坯在加热炉中加热至1200℃，并保温3.5h，使微合金化元素完全固溶并形成碳氮化物，阻碍原奥氏体晶粒的长大，细化晶粒。

板坯经加热炉出炉后，粗除鳞高压水去除炉生氧化铁皮，除鳞速度为1.0m/min，除鳞压力为20MPa。

一次除鳞后的板进行粗轧5个道次轧制，然后粗轧基数道次进行二次除鳞，随后经精除鳞高压水进行3次除鳞，除鳞压力为20MPa。

三次除鳞后的板坯经辊道输送至精轧机组进行7道次轧制，精轧开轧温度设为990℃，终轧温度设为850℃，凸度为40μm，精轧过程中在各机架间增大水量进行水冷，实现低温快轧。

精轧过后的板坯经层流冷却系统进行冷却，冷却方式采用前段集中冷却的方式冷却至607℃进行卷取、冷却速度控制在30～40℃/s之间。

对卷取后的钢卷采用自然空冷方式进行冷却，以得到Fe₃O₄+α-Fe共析组织和少量FeO混合结构。

对冷却至室温的带钢开卷矫直，采用体式显微镜对带钢表面进行拍照，利用IPP软件对照片进行处理分析，计算出表面氧化层脱落部分所占百分比，得到表面氧化层掉粉率。

采用拉伸试验机检测材料的强度，式样尺寸为330*25(中部宽度)的“哑铃”样，屈服强度为746MPa，抗拉强度为782MPa，断后延伸率为21％。

利用线切割机在距热轧高强钢表面1/4处切取尺寸为10mm×10mm×15mm试样，如附图所示：图1和图2为实施例1高强钢氧化铁皮的扫描SEM断面形貌和表面氧化铁皮形貌图。由图1，经计算可知，所制备的高强钢断面氧化铁皮基体界面处由Fe₃O₄构成，中间层由35％的Fe₃O₄+α-Fe共析组织和19％的残余FeO相间构成，在矫直过程中吸收了部分破坏应力，减少了氧化铁皮的脱落掉粉；对图2掉粉率进行计算，氧化铁皮的掉粉率为9.3％。

实施例2

高强钢的化学组分及其含量是：C为0.075wt％，Mn为1.51wt％，Si为0.12wt％，Nb为0.045wt％，V为0.046wt％，Ti为0.125wt％，Cr为0.08％，S为0.003wt％，P为0.015wt％，其余为Fe和不可避免的杂质。

板坯在加热炉中加热至1220℃，并保温3.2h，使微合金化元素完全固溶并形成碳氮化物，阻碍原奥氏体晶粒的长大，细化晶粒。

一次除鳞后的板坯粗轧5个道次轧制，然后粗轧基数道次进行二次除鳞，随后经精除鳞高压水进行3次除鳞，除鳞压力为20MPa。

三次除鳞后的板坯经辊道输送至精轧机组进行7道次轧制，精轧开轧温度设为1000℃，终轧温度设为859℃，凸度为35μm，精轧过程中在各机架间增大水量进行水冷，实现低温快轧。

精轧过后的板坯经层流冷却系统进行冷却，冷却方式采用前段集中冷却的方式冷却至595℃进行卷取、冷却速度控制在30～40℃/s之间。

采用拉伸试验机检测材料的强度，式样尺寸为330*25(中部宽度)的“哑铃”样，屈服强度为762MPa，抗拉强度为795MPa，断后延伸率为22％。

附图3和图4为为实施例1高强钢氧化铁皮的扫描SEM断面形貌和表面氧化铁皮形貌图。由图3，经计算可知，所制备的高强钢断面氧化铁皮基体界面处由Fe₃O₄构成，中间层由30％的Fe₃O₄+α-Fe共析组织和23％的残余FeO相间构成，在矫直过程中吸收了部分破坏应力，减少了氧化铁皮的脱落掉粉；对图4掉粉率进行计算，氧化铁皮的掉粉率为10.4％。

虽然已经参考优选实施例对本申请进行了描述，但在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims

1.一种高强钢，包括钢本体，以及钢本体表面的氧化铁皮，其特征在于，所述钢本体包含如下重量百分含量的组分：

0.065wt％≤C≤0.105wt％，1.45wt％≤Mn≤1.65wt％，0.07wt％≤Si≤0.15wt％，0.02wt％≤Nb≤0.06wt％，0.04wt％≤V≤0.06wt％，0.09wt％≤Ti≤0.14wt％，0.07wt％≤Cr≤0.025wt％，S≤0.005wt％，P≤0.020wt％，97.0wt％≤Fe≤99.0wt％，

其中，所述Nb、V和Ti的重量百分含量满足：Nb wt％+V wt％+Ti wt％＜0.24wt％；

2.根据权利要求1所述的高强钢，其特征在于，所述钢本体的金相组织为贝氏体组织。

3.根据权利要求1所述的高强钢，其特征在于，所述氧化铁皮的厚度<10μm。

4.根据权利要求1所述的高强钢，其特征在于，所述高强钢的掉粉率不大于10.4％。

5.用于制备如权利要求1～4任一项所述高强钢的方法，其特征在于，包含如下步骤：

1)将钢坯进行加热处理；

2)除鳞和轧制，所述轧制中精轧的终轧温度为850～920℃；

3)层流冷却，所述层流冷却采用前端集中冷却；

4)卷取，所述卷取温度为550～610℃；

5)自然空冷，制得所述高强钢。

6.根据权利要求5所述高强钢的制备方法，其特征在于，步骤1)所述加热处理具体为将所述钢坯在120～180min内加热至1200～1250℃，保温至少30min。

7.根据权利要求5所述高强钢的制备方法，其特征在于，步骤2)所述除鳞时所用高压水的压力为18～20Mpa，所述高压水与所述板坯的相对速度为1.0～1.2m/s。

8.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，步骤2)所述除鳞和轧制包括依次进行的粗除鳞、粗轧、道次除鳞、精除鳞和精轧。

9.根据权利要求8所述高强钢的制备方法，其特征在于，所述精轧的开轧温度为960～1020℃。

10.根据权利要求5所述高强钢的制备方法，其特征在于，步骤3)所述前端集中冷却包括前段快冷和均匀冷却，所述前段快冷的冷却速度为30～40℃/s，所述均匀冷却的冷却速度为6～10℃/s。