CN114250411A

CN114250411A - 一种厨具用覆铝板带基板用钢及其生产方法

Info

Publication number: CN114250411A
Application number: CN202011020675.4A
Authority: CN
Inventors: 宋凤明; 温东辉; 王巍; 张国民; 张华伟; 王俊凯
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2022-03-29
Anticipated expiration: 2040-09-25
Also published as: CN114250411B

Abstract

一种厨具用覆铝板带基板用钢及其生产方法，其化学成分重量百分比为：C：0.0015‑0.005％，Si：0.001‑0.005％，Mn：0.25‑0.50％，P≤0.012％，S≤0.006％，Al：0.001‑0.005％，N：0.004‑0.012％，B：0.0005‑0.002％，O：0.01‑0.05％，V：0.01‑0.03％，Mo：0.01‑0.03％，其余为Fe和其他不可避免杂质；且同时满足，N≥1.4B+0.6Al，V‑1.93(N‑1.4B‑0.6Al)≥3.65C。本发明厨具用覆铝板带基板用钢成分采用极低的C‑Si‑Mn设计，添加V和Mo，并满足N≥1.4B+0.6Al；V‑1.93(N‑1.4B‑0.6Al)≥3.65C，保证其屈服强度≤280MPa、抗拉强度≤380MPa，延伸率≥40％，主要用于生产炒锅用覆铝板带。

Description

一种厨具用覆铝板带基板用钢及其生产方法

技术领域

本发明属于超低碳钢制造领域，具体涉及一种厨具用覆铝板带基板用钢及其生产方法。

背景技术

随着使用要求的提高，单一材质的材料难以满足实际使用过程中多方面性能的要求。选择多种金属材料通过各种不同工艺制备的复合板材综合了多种金属的优点，从而能够满足工程应用的需求。覆铝板带是在室温条件下通过轧制将铝层覆在带钢表面形成表面为铝、基体为钢的复合板带，其既有钢的强度，同时具有铝好的散热性、耐蚀、轻便及美观特性，特别是可以大幅度降低成本，目前在散热器片、耐蚀管道、家电面板等领域已经获得广泛应用。在厨具领域，采用钢-铝-钢结构的新型炒锅既有钢的强度，同时具有铝散热好的特点，从而避免了铁质炒锅散热不均、易于糊锅的缺陷，并且更加轻便。制造炒锅用的钢-铝-钢结构覆铝板带，其所应用的覆铝基板不仅要求具有良好的覆铝性能，还要满足渗氮要求，保证经580℃的渗氮处理后具有足够的强度，这是目前的覆铝产品难以达到的。

中国专利CN102019727公开了“冷却器用覆铝钢带及其制备方法和其所用的钢带及铝合金带”，介绍了生产复合带材的方法、工艺，虽然提及了所用的基板，但其主要用于生产1.5mm左右厚度的覆铝带钢，其中表面铝层厚度不超过0.1mm，塑性变形能力不充分(约50％)，且表面质量较差。

日本专利JP2005281806公开的“具有优良韧性的低屈服点钢及其生产方法”，属于屈服强度较低，延伸率较高的低合金结构钢，屈服强度一般在200MPa左右。此类一般为厚板产品，在成分设计上以较低的碳(C)-硅(Si)-锰(Mn)为基础添加了铬(Cr)、钼(Mo)、镍(Ni)、铜(Cu)、硼(B)等合金中的一种或多种成分，主要用于抗震阻尼器的生产。

中国专利CN1108796382A公开的“一种适应大变形及易冲压的覆铝基板用含硼钢及其生产方法”和中国专利CN107881410A公开的“一种散热效果优良的覆铝板带及其生产方法”，这两个专利涉及的钢种在力学性能上满足覆铝的要求，并均具有良好的覆铝性能。但这两个专利涉及的钢种虽然也用于覆铝材的生产，但所生产加工的覆铝材主要用于散热器片、家电面板等生产，生产过程中不涉及渗氮处理，没有考虑渗氮处理的影响。

覆铝带钢生产所用的基板在复合带材生产过程中与覆合的铝层一起变形，所以要求具有与铝相当的强度及塑性，因此覆铝基板的强度要低、塑性优良，同时还要具有良好的覆铝性能，现有的常规低强度钢难以作为基板用于覆铝板带的生产。

从与现有专利的对比可发现，现有的覆铝钢产品不满足渗氮处理要求，而低屈服点钢虽然塑性优良，具备大变形能力，但钢铝结合性能差，无法进行钢铝的覆合加工。

发明内容

本发明的目的在于提供一种厨具用覆铝板带基板用钢及其生产方法，其屈服强度≤280MPa，抗拉强度≤380MPa，延伸率≥40％，具有优良的塑性及覆铝性能，经渗氮处理时仍具有较高的强度；用该基板生产的覆铝板带具有优良的表面质量，经后续高温渗氮处理后能够在表面形成高硬度的渗氮层，满足厨具生产的要求。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种厨具用覆铝板带基板用钢，其化学成分重量百分比为：C：0.0015-0.005％，Si：0.001-0.005％，Mn：0.25-0.50％，P≤0.012％，S≤0.006％，Al：0.001-0.005％，N：0.004-0.012％，B：0.0005-0.002％，O：0.01-0.05％，V：0.01-0.03％，Mo：0.01-0.03％，其余为Fe和不可避免杂质；且同时满足，N≥1.4B+0.6Al，V-1.93(N-1.4B-0.6Al)≥3.65C。

本发明所述厨具用覆铝板带基板用钢的显微组织为均匀的等轴状铁素体。

本发明所述厨具用覆铝板带基板用钢的屈服强度≤280MPa、抗拉强度≤380MPa，延伸率≥40％。

钢板一般通过固溶强化，析出强化、位错强化和晶界强化等手段提高强度。本发明厨具用覆铝板带基板用钢要求屈服强度和抗拉强度分别不超过280MPa和380MPa，延伸率在40％以上，并具有良好的钢铝结合性能，满足后续成品渗氮处理后强度无明显降低的要求，为此必须尽量限定特定合金元素的含量。

在本发明钢的化学成分设计中：

C通过固溶强化会使屈服强度升高，延伸率降低，对材料后续的冲压、拉深等加工性能不利；同时较高的C易在位错等缺陷位置偏聚，对表面质量不利。根据实际的炼钢工艺，应尽可能降低其含量，所以控制C含量为0.0015-0.005％。

Si为脱氧元素，也是固溶强化元素，使屈服强度升高、延伸率降低，虽然适量的Si有利于改善钢铝界面结合性能，但同时会削弱O(氧)对钢铝界面脆性化合物层形成的抑制作用，所以控制Si含量为0.001-0.005％。

Mn也是钢中常见的强化元素，通过固溶强化提高屈服强度，使延伸率降低；适量的Mn能够与钢中的S结合生成MnS，减低钢的热脆性，但过高的Mn固溶阻碍组织的回复并抑制再结晶晶粒的长大，降低γ织构(ND∥<111>)强度，对钢板的冲压成形不利，同时增加成本，所以其含量控制在0.25-0.50％。

较高的P引起钢的“冷脆”，使塑性和冲击韧性降低，并使钢的焊接性能与冷弯性能变差，且较高的P对钢铝界面结合不利，所以应尽量降低钢中P的含量，所以其含量控制在0.012％以下。

S对钢的性能不利，易引发钢的“热脆性”，降低钢的低温韧性，同时恶化钢铝界面结合性能。Mn的加入能够与S形成MnS，提高Mn/S比能够提高热延展性，要求控制S含量在0.006％以下。

Al是钢种重要的脱氧元素，但较高的Al易扩散到钢铝结合界面，恶化界面结合强度；同时渗氮处理时Al容易与N在钢板表面形成AlN，阻碍N原子向钢板的渗透，影响表面渗氮层的形成。所以必须控制其含量在一定范围内，所以控制Al含量为0.001-0.005％。

B是钢中极为活泼的元素，易与C、N形成化合物。同时B易于在奥氏体晶界及位错处偏聚，从而能够抑制其它间隙原子在此处的偏聚作用。而且B的偏聚不阻碍位错运动，使得应变均匀。但过高的B易促进淬透性的提高导致强度过高降低冲压性能，所以限定B的含量为0.0005-0.002％。

N能够与钢中的Al形成AlN颗粒，从而起到束缚Al的作用，限制Al在钢中的扩散；同时N与C类似，易于在位错处偏聚形成柯氏气团，导致应变集中，使得覆铝材在加工过程中产生应变不均匀现象，影响表面质量，而且过高的N也恶化冲击韧性，所以控制其含量为0.004-0.012％。同时要求N与B、Al的含量满足N≥1.4B+0.6Al。

氧(O)元素能够抑制钢中Al元素对覆铝性能的不利作用，所以要求适当添加一定的O元素。但过高的氧会产生皮下气泡，疏松等缺陷，并加剧硫的热脆作用。在钢的凝固过程中，氧将会以氧化物的形式大量析出，降低钢的塑性、冲击韧性等。所以限制其含量为0.01-0.05％。

Mo缩小奥氏体区，具有相变强化和位错强化作用。Mo能够提高Nb、V和Ti在钢中的溶解度。Mo以碳化物和固溶的形式存在于钢中，碳化物类型包括MC、M₂C、M₂₃C₆和M₆C等，这些碳化物在基体中析出具有析出强化作用；以固溶形式存在钢中时，进一步产生固溶强化作用。适量的Mo有利于阻止渗氮处理时材料强度的降低，并提高表面渗氮层的硬度。但较高的Mo增加制造成本，所以限定其含量为0.01-0.03％。

V是强的碳氮化合物形成元素，可在相变过程中析出。V所形成的碳氮化物V₄C₃析出温度低于Ti的碳氮化物，具有阻碍位错运动、抑制晶界移动及晶粒长大的作用。V与C、N以及钢种的其它微合金元素共同作用，在中低温热处理时具有良好的析出强化效果。特别是V(C，N)析出温度一般不超过700℃，且温度越低析出越细，强化效果越好，从而保证了覆铝板带渗氮处理后仍具有很好的强度。N与钢中的B、Al优先形成BN和AlN，V的加入一方面是与钢种剩余的N形成VN，同时利用V的C、N化物析出强化，从而保证渗氮处理时强度无明显降低。V含量较高时形成粗大的碳氮化物颗粒，显著恶化焊接热影响区的冲击韧性。所以限定其成分0.01-0.03％，并满足与C、N、B、Al的关系式：V-1.93(N-1.4B-0.6Al)≥3.65C。

本发明涉及的厨具用覆铝板带基板用钢，要求具有良好的塑性以满足钢铝覆合轧制，在保证覆铝性能基础上满足大变形、拉深及渗氮处理要求。

本发明通过控制钢中Si、Al和O的含量，抑制钢铝界面脆性化合物的形成。

N与钢中残留的Al结合，限制了Al在钢中的扩散，进一步改善覆铝性能。

限定C含量在0.005％以下，一方面避免强度的提高，另一方面结合B的加入限定了C、N原子在晶界的分布，减少C、N在位错处的偏聚，改善表面质量和拉深性能。

Mo能够在钢中固溶并形成多种类型的碳化物，V能够与C和剩余的N形成化合物，并在中低温时析出，Mo和V这两种元素的加入保证了渗氮处理材料的强度。总体上，采用上述要求的成分体系，能够获得满足要求的钢种。

本发明所述的厨具用覆铝板带基板用钢的生产方法，包括如下步骤：

1)冶炼

按上述成分经铁水预处理、转炉顶底复合吹炼、炉外精炼、连铸成板坯；

2)板坯再加热，加热温度≥1230℃；

3)控制轧制

采用两段控制轧制，粗轧结束温度990℃以上，粗轧阶段的累计变形量≥80％；精轧开始温度940℃以上，精轧结束温度830～870℃；

4)控制冷却，冷却速度20℃/s以上；

5)卷取，卷取温度520～590℃。

优选的，步骤3)控制轧制中，粗轧阶段的侧压量控制在50mm以内。

在本发明的生产工艺中：

铁水预处理，脱P、S，保证钢中低的P、S含量；转炉顶底复合吹炼，控制C含量。

连铸是本钢种生产的必要工序，其作用在于消除铸坯表面缺陷，减少带钢表面夹渣、翘皮、凹坑、疤痕等缺陷，提高带钢表面质量，减少成品覆铝材的表面缺陷。

考虑微合金元素碳氮化物在奥氏体中的溶解行为及加热过程中奥氏体晶粒长大行为，本发明要求铸坯在1230℃以上再加热。

轧制采用两段控制轧制，粗轧结束温度990℃以上，粗轧阶段的累计变形量≥80％；精轧开始温度940℃以上，精轧结束温度830～870℃。

从图1看，钢种的铁素体相变开始温度为897.6℃，在700℃以上不同冷速下均为铁素体相变区，工艺窗口大，便于现场生产的工艺参数控制。因此为了获得良好的板形，选择在铁素体区进行精轧，根据成分计算，本发明钢种的Ar₃温度为872℃，所以要求精轧结束温度控制在870℃以下。精轧结束温度过低则热变形抗力高，增加末机架轧制载荷，导致能耗增加；过高则容易进入奥氏体、铁素体两相区，基体中易形成混晶，同时引起轧制力波动，对钢带的厚度控制及板形不利，因此限定精轧结束温度为830-870℃。

根据精轧结束温度，要求控制精轧开始温度在940℃以上；考虑到辊道上中间坯的温降，要求粗轧结束温度在990℃以上。从CCT曲线看，本发明涉及钢种具有很宽的铁素体区，为实现目标性能，保证再结晶细化晶粒效果，要求粗轧阶段的累计变形量≥80％。

为获得良好的带钢表面质量，粗轧阶段的侧压量控制在50mm以内。同时要求铸坯边角位置不得有气孔、疤痕等缺陷，或进行表面清理。

为获得目标要求的性能，抑制终轧后带钢中铁素体晶粒的异常长大，控制钢的基体组织为均匀的等轴状铁素体组织，需要严格控制轧制后冷却速度。从图2静态TTT曲线(计算)示意图，冷却速度在10℃/s以上时可以获得铁素体+少量贝氏体组织；避免珠光体组织的形成仅需要控制冷却速度在5℃/s以上即可。考虑到快速冷却可以细化组织及相变完成时间，欲在短时间内完成大部分铁素体相变。因此本发明涉及钢种的轧后冷速控制在20℃/s以上。

结合实际生产中的层冷温度控制能力，限定卷取温度在520-590℃范围内，之后再空冷至室温。本发明涉及的钢种中C含量极低，所以基体组织中没有珠光体和马氏体形成。从相变曲线看，当温度降低到670℃以下时会发生贝氏体相变，鼻尖温度约为590℃，所以选择卷取温度低于590℃，以避免贝氏体的形成；卷取温度低于520℃时，层冷温度控制难度显著提高，带钢局部温度易波动导致内应力分布不均，不利于板形控制，容易导致带钢出现浪形缺陷。

本发明具有如下优点：

1.本发明在成分设计方面采用极低的C-Si-Mn设计，并控制N≥1.4B+0.6Al，V-1.93(N-1.4B-0.6Al)≥3.65C，使获得的钢种具有优良的综合力学性能，屈服强度不超过280MPa，抗拉强度不超过380MPa，延伸率超过40％，同时具有优良的覆铝性能。

2.本发明在成分设计上通过添加适量的V、Mo，并控制V-1.93(N-1.4B-0.6Al)≥3.65C，从而使得钢板具有易于渗氮特性，用其生产的覆铝板带在渗氮处理后仍具有较高的强度，同时提高了高温退火后的强度稳定性，能够适应后期的580℃渗氮处理过程，经渗氮处理后表面形成坚硬的渗氮层，硬度可达到500Hv，从而有效提高厨具寿命；同时覆铝板带强度未出现明显降低，适用于炒锅用覆铝板带的生产。

3.本发明在工艺控制上，粗轧控制结束温度和总压下率，精轧控制开始和结束温度，使获得的钢基体组织为均匀的等轴状铁素体组织，延伸率超过40％，从而具有良好的变形能力，能够覆铝轧制80％以上变形要求，满足后续厨具的冲压拉深加工变形。

4.本发明在控制轧制工艺中，在Ar₃温度以下完成轧制，避免了高温轧制时钢板出现的拉窄、边浪等缺陷，从而使得钢板具有更好的板形及表面质量，中间无需退火，减少了生产工序，提高生产效率，成本较低，适用于企业的规模化生产。

附图说明

图1为本发明钢种的静态CCT曲线(计算)示意图。

图2为本发明钢种的静态TTT曲线(计算)示意图。

图3为本发明实施例1钢的典型基体组织照片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

实施例1

按照本发明钢化学成分要求，在500kg真空感应炉中炼钢，获得化学成分见表1，浇铸成100kg钢锭，钢坯加热温度为1230℃以上，精轧温度830～870℃，卷取温度520～590℃。

本发明钢实施例的力学性能如表2所示。

由图3可以看出，本发明制备得到的钢板显微组织为均匀的等轴状铁素体。

与相近钢种进行了成分、生产工艺和性能的对比。其中，

对比钢1为中国专利CN101514426A“屈服强度100MPa计建筑抗震用低屈服点钢及其生产方法”，Si、Al含量较高，不含有O。

对比钢2为中国专利CN101525720“一种新型的用于制备覆铝钢带的专用基板”，合金成分过高。

对比钢3为中国专利CN108796382A“一种适应大变形及易冲压的覆铝基板用含硼钢及其生产方法”，Mn、N含量较低，不含有Mo、V，不适用渗氮处理工艺。

对比钢4为中国专利CN108796384A“一种易冲压加工的高表面质量覆铝板带及其生产方法”，所涉及钢中N含量低，Si含量高，需要加Ti，不适用渗氮工艺。

本发明钢种与四种对比钢在成分上有明显差异。上述四种对比钢具有要求有较高的Si、Al含量，并含有Ti，而本发明钢种明确要求Si、Al含量在0.005％以下，不添加Ti；本发明钢种的O含量要求与对比钢也存在明显不同，对比钢1、2对O含量均未有控制要求，对比钢3和4则要求O含量0.01-0.08％，而本发明钢种明确要求控制O含量在0.01-0.05％之间，并添加微量的Mo、V提高热处理后的强度，以适应渗氮处理要求。此外，对比钢1要求Al含量控制在0.01-0.05％，同时对比钢2要求很高的Mn含量，其它合金成分(P、S、Al)的控制上限也极高。所以对比钢种在成分上与本发明钢种差异明显。

从性能看，对比钢种1、2仅要求具有较低的屈服强度和较高的延伸率，而本发明钢种除了上述要求外，还明确要求钢种具有良好的覆铝性能，适用于覆铝板带的生产，并且覆铝后具有良好的表面质量；并同时要求所述钢种具有大的冷轧变形能力，满足覆铝轧制及后续冲压拉深变形要求，中间无需退火，这也是对比钢2所不具备的。对比钢3和4虽然也要求覆铝性能，但其主要用于散热器片、家电面板等覆铝板带的生产，其表面铝层厚度不超过0.1mm；而本申请涉及的钢种制备的覆铝板带铝层厚度达1mm，且结构形式为钢-铝-钢，与对比钢3、4均不同，且对比钢3和4均不满足渗氮处理要求。所以，在性能上本发明专利钢种与对比钢也存在显著不同。

综上所述，本发明钢采用极低的C-Si-Mn设计，辅以合适的C、N、Al、B、Mo、V和O等成分，设计出一种屈服强度不超过280MPa，抗拉强度不超过380MPa，延伸率超过40％的钢，满足延伸率高、覆铝性能好、变形能力强并适用于渗氮处理的覆铝基板要求，并且生产周期短，工艺简单，在性能上也达到或超过了对比钢种的要求。

实施例2

按照本发明成分要求，在试验室500kg真空感应炉上冶炼本发明钢。化学成分见表2。钢坯加热温度为1230℃，精轧温度830-870℃，轧后水冷到520-590℃卷取或空冷至室温。钢板厚度2.5-8mm，力学性能见表3。

从表3可见，本发明生产的厨具用覆铝板带基板用钢具有稳定的屈服强度，在不同的轧制工艺下，各种规格钢板的屈服均在280MPa以下，抗拉强度均在380MPa以下，延伸率大于40％。在成分设计、功能上优于对比钢种，从而使得本发明钢可以广泛用于厨具用覆铝板带的生产，且生产出的覆铝板带具有良好的冲压拉深性能，适用渗氮处理工艺要求。

Claims

1.一种厨具用覆铝板带基板用钢，其化学成分重量百分比为：C：0.0015-0.005％，Si：0.001-0.005％，Mn：0.25-0.50％，P≤0.012％，S≤0.006％，Al：0.001-0.005％，N：0.004-0.012％，B：0.0005-0.002％，O：0.01-0.05％，V：0.01-0.03％，Mo：0.01-0.03％，其余为Fe和其他不可避免杂质；且同时满足，

N≥1.4B+0.6Al；

V-1.93(N-1.4B-0.6Al)≥3.65C。

2.如权利要求1所述的厨具用覆铝板带基板用钢，其特征是，所述厨具用覆铝板带基板用钢的显微组织为均匀的等轴状铁素体。

3.如权利要求1或2所述的厨具用覆铝板带基板用钢，其特征是，所述厨具用覆铝板带基板用钢的屈服强度≤280MPa、抗拉强度≤380MPa，延伸率≥40％。

4.如权利要求1～3任一项所述的厨具用覆铝板带基板用钢的生产方法，其特征是，包括如下步骤：

1)冶炼

按权利要求1所述成分经铁水预处理、转炉顶底复合吹炼、炉外精炼、连铸成板坯；

2)板坯再加热，加热温度≥1230℃；

3)控制轧制

4)控制冷却，冷却速度在20℃/s以上；

5)卷取，卷取温度520～590℃。

5.如权利要求4所述的厨具用覆铝板带基板用钢的生产方法，其特征是，步骤3)控制轧制中，粗轧阶段的侧压量控制在50mm以内。

6.如权利要求4所述的厨具用覆铝板带基板用钢的生产方法，其特征是，所述厨具用覆铝板带基板用钢的显微组织为均匀的等轴状铁素体。

7.如权利要求4或5或6所述的厨具用覆铝板带基板用钢的生产方法，其特征是，所述厨具用覆铝板带基板用钢的屈服强度≤280MPa、抗拉强度≤380MPa，延伸率≥40％。