CN114807737A - 一种热镀锌钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热镀锌钢及其制造方法，包含以下质量百分比的化学成分：C：0.15～0.25％、Mn：1.8～2.4％、Si：0.3～0.9％、Al：0.03～0.40％，还包括至少一种如下化学成分：Ti:0.005～0.1％，Nb:0.005～0.1％，Cr:0.01～0.3％，Mo:0.02～0.2％，余量为Fe和不可避免杂质，其中，Si、Al和Cr的含量满足0.5％≤Si+Al+Cr≤1.1％，C和Si的含量满足4C+Si≤2.0％。上述热镀锌钢在降低成本的同时还改善了可制造性，强度优异。并且镀锌钢板基体中大量的残余奥氏体在钢板变形过程中通过TRIP作用提高钢板的加工硬化能力，显著提高均匀延伸率，使镀锌钢板具有较好的强塑性，以适应具有复杂成型需求的车用结构件。还降低该镀锌钢板的点焊LME敏感性，改善焊接性能，满足工业化焊接需求。

Description

一种热镀锌钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及镀锌钢技术领域，具体涉及一种热镀锌钢及其制造方法。
背景技术
随着汽车工业发展，汽车白车身用钢也经历了快速迭代，虽然汽车用先进高强钢从第一代发展到第三代，但双相钢依然是用量最大的钢种。与冷轧双相钢相比，镀锌双相钢还具有优良的耐蚀性，多用于车身结构件和加强件。然而，随着车身结构件设计的越来越复杂，对钢板的成形性提出了更高的要求，传统的热镀锌双相钢难以满足部分车身结构的设计需求。若采用TRIP钢(相变诱导塑性钢)或TWIP钢(孪生诱发塑性钢)，其延伸率又过于富余，且合金含量较高，会造成相应的浪费及降低可制造性。虽然QP钢(淬火延性钢)和TBF钢(相变诱导塑性贝氏体铁素体钢)能够满足零件的成形性需求且具有较低的合金成本，但过高的Si含量带来制造性和焊接性的降低。
例如，参考文献1(US20150184274A1)公开了一种具有优异的屈服强度和成形性的高强度热浸镀锌钢板，其典型成分为0.18C-1.7Mn-1.5Si-0.08Ti，通过控轧控冷和连续退火处理，可使组织中含有14％的残奥含量，在1000MPa强度级别下可使延伸率达到24％。但是该成分主要合金元素与目前QP钢成分相似，采用高含量的Si，会直接影响制造性、焊接性和镀锌板的表面质量，不利于热镀锌产品后续的生产和应用，增加了制造难度和生产成本，降低了钢板的焊接性。
又如，参考文献2(US20180044750A1)公开了一种具有较高屈服强度的超高强钢，通过调整卷取温度和热镀锌工艺参数，形成少量铁素体、马氏体和奥氏体的组织，取得了较好的拉伸强度和延伸率。但其大部分实施例中采用的Si的含量较高，高Si的成分设计与宝钢目前QP钢Si含量相似，不利于热镀锌产品后续的生产和应用；部分实施例中虽然采用较低的硅含量，但是的其对应的增加了Al的含量，增加了熔炼和制造的难度，从而也导致制造难度和生产成本增加。
再如，参考文献3(CN108486501A)也公开了一种具有增强塑性的1000MPa级冷轧热镀锌双相钢及其淬火配分制造方法。其典型成分为0.19C-2.0Mn-0.3Si-0.7Al-0.45Cr-0.02Ti，通过常规DP钢制造工艺(卷取温度高达650℃)，可获得铁素体+马氏体+残余奥氏体+贝氏体的复相组织，通过变形过程中TRIP增强增塑，其屈服强度、抗拉强度和延伸率可分别达到700MPa、980MPa和14％。虽然Si含量较低，但Al的含量较高，高Al含量提高了熔炼和制造难度；高Cr含量不但增加了合金成本，而且不利于镀锌板表面质量。
再如，参考文献4(WO2017102982A1)公开了一种高强热镀锌钢材生产方法。其典型成分为0.19C-2.0Mn-0.6Si-0.45Al-0.12V-0.024B，其降低了Si的含量，并添加了B和V，通过控制热轧工艺和连退工艺，使其获得铁素体、马氏体、残余奥氏体和大量析出相的复相组织，通过纳米析出强化和变形过程中的TRIP作用提供持续加工硬化，使材料获得较好强塑性；其屈服强度、抗拉强度和延伸率可分别达到550MPa、1080MPa和15％。但大量Al和V的加入增加了制造难度和成本。
发明内容
传统热镀锌双相钢为了满足镀锌线的冷却速度，往往通过添加足量的Cr、Mo等合金元素以提高基板的淬透性，造成成本增加；并且传统热镀锌双相钢的低碳设计不利于奥氏体温度存在于室温，故传统热镀锌双相钢组织多为铁素体和马氏体。
新的成分设计一方面通过适当增加碳含量，以提高奥氏体稳定性，同时降低Cr、Mo等合金元素的使用量，不但降低成本，同时降低了轧制过程中的变形抗力，提高可制造性。另一方面为了减少钢材中的合金含量，降低生产成本，采用高Si含量的钢材，但是高Si含量又会造成钢材制造性和焊接性以及镀锌板表面质量的降低。为了克服这一问题，可以在减少Si含量同时通过增加Al的含量来保证钢材的强度和材料延伸率，但是高的Al含量也会增加熔炼和制造的难度，因此，如何同时保证热镀锌钢的高强度、焊接性、可制造性、生产成本和成形性成为本领域亟待解决的问题。
为了解决上述问题，本发明提供一种具有TRIP效应的热镀锌钢及其制造方法，通过在传统双相钢铁素体、马氏体组织中引入奥氏体，在保证强度、焊接性、可制造性、生产成本的情况下，使材料均匀延伸率大幅提升，从而拓宽了镀锌双相钢的成形性，可用于汽车结构件、防撞件等。
本发明公开了一种热镀锌钢，包括以下质量百分比的化学成分：C：0.15～0.25％、Mn：1.8～2.4％、Si：0.3～0.9％、Al：0.03～0.40％，还包括至少一种如下化学成分：Ti：0.005～0.1％，Nb：0.005～0.1％，Cr：0.01～0.3％，Mo：0.02～0.2％，余量为Fe和不可避免杂质，
其中，Si、Al和Cr的含量满足0.5％≤Si+Al+Cr≤1.1％，C和Si的含量满足4C+Si≤2.0％。
采用上述技术方案，Al、Si和Cr在热处理中都可以抑制碳化物的析出，提高奥氏体的稳定性，提高材料的延伸率，使热镀锌钢具有优异的成形性。但是高的Al含量会提高了熔炼和制造难度；高的Si含量会带来制造性、焊接性和镀锌板表面质量的降低；高Cr含量不但增加了合金成本，而且不利于镀锌板表面质量。通过合理控制各个化学成分的含量，并且满足关系0.5％≤Si+Al+Cr≤1.1％。在降低成本的同时还改善了镀锌钢板的可制造性，镀锌钢板的强度优异，该镀锌钢的制造可以在现有热镀锌高强钢产线上完成，无需做大的调整，具有较好的推广应用前景。并且镀锌板基体中大量的残余奥氏体在钢板变形过程中通过TRIP作用提高钢板的加工硬化能力，显著提高均匀延伸率，使镀锌板具有较好的强塑性，以适应具有复杂成型需求的车用结构件。同时控制4C+Si≤2.0％，还降低该热镀锌钢板的点焊LME敏感性，改善焊接性能，满足工业化焊接需求。
优选地，Si、Al和Cr的含量满足0.6％≤Si+Al+Cr≤0.9％。
优选地，C和Si的含量满足4C+Si≤1.7％。
进一步地，其屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥980MPa，延伸率A50≥14％。
进一步地，所述热镀锌钢的显微组织包括铁素体、马氏体、贝氏体和残余奥氏体，残余奥氏体的体积分数为5～15％，且残余奥氏体中C含量不低于0.8％。
进一步地，热镀锌钢每一侧的镀锌层的厚度为5～200μm。
本发明各合金元素作用如下：
C：C是热镀锌双相钢中重要的组成元素，影响了镀锌板的强塑性。C含量过低时，临界区退火时形成的奥氏体含量减少，且奥氏体稳定性和马氏体淬硬性下降，难于保证强塑性；C含量过高时，双相钢的塑性和焊接性下降。在本发明中控制C含量为0.15～0.25％，优选为0.18～0.20％。
Mn：Mn可提高奥氏体稳定性，使C曲线右移，从而降低马氏体临界冷却速率。Mn含量过高，会影响基板焊接性和表面镀锌质量。Mn含量过低时，淬透性降低，强化作用减弱。在本发明中控制Mn为1.8～2.4％。
Si：Si是铁素体固溶强化元素，可强烈提高钢板强度；同时，Si还可以促使C原子从铁素体向奥氏体富集，净化铁素体，提高奥氏体稳定性；但Si含量过高时会直接影响制造性、焊接性和镀锌板的表面质量。在本发明中控制Si为0.3～0.9％，更优选为0.3～0.7％。
Al：Al元素作用与Si相似，可以有效抑制碳化物析出，提高奥氏体稳定性；同时，还可通过形成AlN钉扎晶界，细化晶粒。但钢液中铝元素含量过高容易产生连铸过程水口堵塞等问题，增加熔炼难度。本发明采用的铝元素含量为0.03～0.40％，更优选为0.10～0.30％。
Ti：Ti与C、N结合会形成Ti(C，N)、TiN和TiC，可细化铸态组织以及热加工时阻碍晶粒粗化。添加过量Ti会使成本增加，并使上述析出物含量和尺寸增加进而降低镀锌板的延展性。因此，本发明限定Ti含量为0.005～0.1％。
Nb：Nb会强烈抑制动态再结晶，并通过与C、N结合形成Nb(C，N)，可有效地抑制热加工过程中晶粒粗化，细化铁素体晶粒。但添加过量的Nb会恶化钢的热加工性能和钢板的韧性。因此，本发明限定Nb含量为0.005～0.1％。
Cr：Cr可以细化晶粒组织和抑制热加工时晶粒粗化，且Cr是铁素体形成元素，可促进C向奥氏体扩散，提高奥氏体稳定性，降低退火时临界冷却速度；但过高Cr含量会破坏钢的延展性。因此，本发明控制Cr含量为0.01～0.3％。
Mo：Mo的作用与Cr相似，使珠光体和贝氏体C曲线右移，提高淬透性；同时Mo可显著提高强度，且不会影响表面镀锌质量，但其价格昂贵。因此，本发明控制Mo含量为0.02～0.2％。
进一步地，热镀锌钢中还可能包括P、S、N等元素。其中，N和P含量过高易降低钢板塑性和韧性，增加材料的冷脆性；S含量过高则易产生热脆性，使钢的可焊性、冲击韧性、耐疲劳性和抗腐蚀性等均降低。因此，控制P≤0.02％、S≤0.01％、N≤0.008％。
本发明所述热镀锌钢的制备需要依次经历冶炼及连铸、热轧、酸洗、冷轧、连续热镀锌退火和冷却工艺，现对镀锌板生产流程的关键工艺做以下具体说明。
一种热镀锌钢的制造方法，热镀锌钢的成分如前任一所述，制造方法包括步骤：
1)冶炼和连铸，
2)热轧，
采用1200～1280℃加热连铸板坯，保温时间0.5～3小时，终轧温度≥850℃，在低于570℃下卷取热轧板；
3)酸洗，
4)冷轧，
5)连续热镀锌退火，
在步骤5)连续热镀锌退火中，包括以下步骤：
①加热：以1～20℃/秒的加热速率将冷轧钢板加热至均热温度800～860℃；
②均热：在该均热温度800～860℃下，保温30～240秒；
③缓冷：经过均热保温的钢板以2～20℃/s的缓冷速率冷却至中间温度650～780℃；
④快冷：以5～60℃/秒的快冷速率将钢板冷却至保温温度400～500℃；
⑤保温：在该保温温度400～500℃保温30～300秒，所述快冷速率不小于将钢板从均热温度冷却至中间温度的缓冷速率；
⑥镀锌：而后将钢板进入锌锅进行热镀锌，热镀锌卷平整率不小于0.4。
6)冷却
镀锌结束后，将钢板以不小于5℃/s的冷却速率缓冷至室温。
进一步地，通过热镀锌的钢板在每一侧生成厚度为5～200μm的镀层。
进一步地，在步骤2)热轧中，采用1200～1280℃加热连铸板坯，保温0.5～3小时，控制终轧温度≥850℃，卷取热轧板。由于采用的Al的含量较低，可以在较低的温度下卷取热轧板，优选地，在低于570℃的温度下卷取热轧板；再优选地，在500～550℃的温度下卷取热轧板。
进一步地，在步骤4)冷轧中，对酸洗后的热轧板进行冷轧变形，冷轧变形量40～85％。
本发明的热镀锌再结晶退火工艺设计的理由如下：
热镀锌退火工艺参数与钢种成分设计密切相关，它决定镀锌板内部软相铁素体和硬相马氏体的相对含量，尤其是残余奥氏体的尺寸和形貌。本发明采用连续退火工艺热处理冷轧钢板，退火工艺如图1所示。
如图1所示，将所述冷轧钢板以加热速率V1加热至均热温度T1后保温t1时间段。选取V1＝1～20℃/s；T1＝800～860℃；t1＝30～240s。如果均热温度低于800℃或均热时间短于30s，对应于本发明中的设计成分，冷轧镀锌钢基体组织未获得足量奥氏体或钢板基体碳化物尚未完全溶解以形成奥氏体颗粒。
当均热温度高于860℃或均热时间长于240s，均热处理后钢板中奥氏体含量显著增加、奥氏体C含量显著降低，且形成的奥氏体和铁素体晶粒粗化。上述因素均使钢中奥氏体稳定性降低，进而引起镀锌钢板内部残余奥氏体稳定性降低，使退火板的强塑性恶化。
而且，在镀锌过程中，上述部分高温奥氏体会部分转化为贝氏体，使C原子从贝氏体铁素体向相邻奥氏体中扩散，从而提高残余奥氏体稳定性及马氏体强度。
如图1所示，在连续热镀锌退火的缓冷中，将均热处理后的钢板先以缓冷速率V2缓冷至中间温度T2后立即以快冷速率V3冷却至保温温度T3后保温t3时间。缓冷速率V2和中间温度T2的选取主要是考虑：避免均热处理形成的奥氏体在缓冷中分解、易于操作使退火热处理顺利从均热过渡到快冷，以及维持冷轧钢板的板形。针对本发明中设计成分，选取V2＝2～20℃/s；T2＝650～780℃。
针对本发明的成分设计，在快冷中，选取V3＝5～60℃/s，并且V3＞V2。快冷速率V3的选取需要避免冷却过程中钢板基体中尽可能少的奥氏体分解。保温温度T3温度高过500℃会引起奥氏体分解，生成珠光体或含碳化物的显微组织，从而消耗掉奥氏体中C，降低残余奥氏体稳定性；T3温度低于400℃会增加铁素体含量，降低镀锌板强塑性。从实效性和经济性上考虑，为获取适量且具有良好稳定性的残余奥氏体，限定T3＝400～500℃；选取配分稳定化时间t3＝30～300s。镀锌结束后，将钢板以冷却速率V4冷却至室温，V4一般不小于5℃/s，在该冷却过程中部分奥氏体转变为马氏体。
本发明采用上述成分设计、轧制工艺和热镀锌再结晶退火工艺，所制备的镀锌钢的显微组织除铁素体、马氏体和贝氏体外，还包含体积分数为5～15％的残余奥氏体，且残余奥氏体中C含量不低于0.8％。并且残余奥氏体具有良好的力学稳定性。所制备钢板具有屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥980MPa，延伸率A50≥14％。本发明利用残余奥氏体在变形过程中发生TRIP效应，提供持续的加工硬化，从而提高钢板强度和改善延展性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明：
图1是本发明中连续热镀锌退火及冷却工艺的曲线示意图；
图2是本发明实施例6所生产的热镀锌双相钢典型显微组织金相照片。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
测试方法
(1)拉伸力学性能
拉伸力学性能的测试应用JIS 5标准，使用标距为50mm的板拉试样，拉伸速率3mm/min。
实施例1-7及对比例1-3
按照下列步骤制造实施例1-7的冷轧镀锌钢以及对比例1-3的对比硅钢：
按照下述步骤制备热镀锌钢：
1)冶炼和连铸
按表1所示的成分冶炼、连铸；
2)热轧
采用1200～1280℃加热连铸板坯，保温时间0.5～3小时，终轧温度≥850℃，在低于570℃下卷取热轧板；
3)酸洗
4)冷轧
对酸洗后的热轧板进行冷轧变形，冷轧变形量40～85％；
5)连续热镀锌退火
①加热：将冷轧钢板加热至均热温度800～860℃，冷轧钢板的加热速率为1～20℃/s；
②均热：在均热温度800～860℃下，保温30～240s；
③缓冷：之后将均热后的钢板缓冷至中间温度650～780℃，缓冷速率为2～20℃/s；
④快冷：再快冷冷却至400～500℃，快冷速率为5～60℃/s，并且该快冷速率不小于钢板从均热温度冷却至中间温度的缓冷速率；
⑤保温：在保温温度400～500℃下，保温30～300秒；
⑥镀锌：将冷轧钢板进入锌锅镀锌，锌锅温度400～500℃，通过热镀工艺在钢板的每一侧热镀生成厚度为5～200μm的镀层，热镀锌卷平整率不小于0.4；
6)冷却
镀锌结束后，将钢板以不小于5℃/s的冷却速率缓冷至室温。
表2列出了实施例1-7和对比例1-3的制造方法的具体工艺参数。
表3列出了制得的钢板的力学性能。对比例中1和3中，当C含量过低时，即便Si+Al+Cr的含量有所增加，所制备的钢板的延伸率仍然较低；对比例2中，当成分中C和Si较高，未添加Ti、Nb、Cr和Mo中任何一种，所制备的钢板的力学性能不高。
Figure BDA0002908941620000091
Figure BDA0002908941620000101
虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。本领域技术人员可以在形式上和细节上对其作各种改变，包括做出若干简单推演或替换，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (11)

1.一种热镀锌钢，其特征在于，包括以下质量百分比的化学成分：C：0.15～0.25％、Mn：1.8～2.4％、Si：0.30～0.9％、Al：0.03～0.40％，还包括至少一种如下化学成分：Ti:0.005～0.1％，Nb:0.005～0.1％，Cr:0.01～0.3％，Mo:0.02～0.2％，余量为Fe和不可避免杂质，
其中，Si、Al和Cr的含量满足0.5％≤Si+Al+Cr≤1.1％，C和Si的含量满足4C+Si≤2.0％。
2.如权利要求1所述的热镀锌钢，其特征在于，Al的质量百分比为0.1～0.30％。
3.如权利要求1所述的热镀锌钢，其特征在于，Si的质量百分比为0.3～0.7％。
4.如权利要求1-3中任一项所述的热镀锌钢，其特征在于，Si、Al和Cr的含量满足0.6％≤Si+Al+Cr≤0.9％。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的热镀锌钢，其特征在于，其屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥980MPa，延伸率A50≥14％。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的热镀锌钢，其特征在于，所述热镀锌钢的显微组织包括铁素体、马氏体、贝氏体和残余奥氏体，所述残余奥氏体的体积分数为5～15％，且残余奥氏体中C含量不低于0.8％。
7.根据权利要求1所述的热镀锌钢，其特征在于，所述热镀锌钢每一侧的镀锌层的厚度为5～200μm。
8.一种热镀锌钢的制造方法，所述热镀锌钢的成分如权利要求1-7中任一项所述，所述制造方法包括步骤：1)冶炼和连铸，2)热轧，3)酸洗，4)冷轧，5)连续热镀锌退火，以及6)冷却，
其中，在步骤5)连续热镀锌退火中，包括以下步骤：
①加热：以1～20℃/秒的加热速率将冷轧钢板加热至均热温度800～860℃；
②均热，在所述均热温度800～860℃下，保温30～240秒；
③缓冷：将经过均热保温的钢板以2～20℃/s的缓冷速率冷却至中间温度650～780℃；
④快冷：以5～60℃/秒的快冷速率将钢板冷却至保温温度400～500℃，所述快冷速率不小于将钢板从均热温度冷却至中间温度的所述缓冷速率；
⑤保温：在所述保温温度400～500℃下，保温30～300秒；
⑥镀锌：而后将钢板进入锌锅进行热镀锌，热镀锌卷平整率不小于0.4。
9.根据权利要求8所述的热镀锌钢的制造方法，其特征在于，通过热镀锌的钢板在每一侧生成厚度为5～200μm的镀层。
10.根据权利要求8所述的热镀锌钢的制造方法，其特征在于，在步骤2)热轧中，采用1200～1280℃加热连铸板坯，保温0.5～3小时，控制终轧温度≥850℃，以及在低于570℃的温度下卷取热轧板。
11.根据权利要求8所述的热镀锌钢的制造方法，其特征在于，在步骤4)冷轧中，冷轧变形量40～85％。
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