CN115074623B - 一种耐氢致开裂的镀锌热冲压用钢及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

一种耐氢致开裂的镀锌热冲压用钢及其生产方法，属于冶金技术领域。其化学成分为C:0.20～0.26%，Si:0.6～1.1%，Mn:1.0～1.3%，P≤0.02%，S≤0.01%，Cr:0.25～0.40%，Mo:0.25～0.40%，V:0.23～0.30%，B:0.0013～0.003%，Nb:0.025～0.045%，Als:0.02～0.05%，H≤0.8ppm，余量为Fe和不可避免的杂质；其生产方法包括脱碳转炉冶炼、LF精炼、连铸、热轧、酸连轧、热浸镀工序。本发明通过减少钢基中可扩散氢含量；减弱氢在钢基表面的物理吸附能力；增加氢的有效陷阱、减缓氢的可扩散速度，有效延迟氢致开裂的发生。

Description

一种耐氢致开裂的镀锌热冲压用钢及其生产方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种耐氢致开裂的镀锌热冲压用钢及其生产方法。
背景技术
热成型技术作为汽车制造业的主流应用技术，已经广泛应用到各种超高强度的安全及结构零部件的制造加工中。冷轧及退火无镀层热冲压钢由于其表面不可避免的与空气接触，加热过程中形成的过多的氧化皮必须增加喷丸工艺处理。随后出现热浸铝硅镀层热冲压钢，由于其镀层的Al-Si元素特性，在热冲压高温加热过程中表层会产生高硬度Fe-Al相，必须使用高成本的激光切割设备进行加工处理。
作为汽车零部件中安全件及结构件的重要材料，热冲压零部件在服役期间发生延迟开裂会对汽车驾驶员及乘客造成不可估量的危害。目前，学术界和材料研发领域对于超高强零部件中在正常服役过程出现突然开裂行为，一般认为是氢受到低载荷作用下促进微观组织中位错发射，降低相结构原子键的结合力；另一方面是氢在微观组织内部扩散，在微裂纹尖端聚集，而最终引发开裂行为。氢在与钢接触过程中先是通过物理吸附到钢基表面，随后在表面进一步解理成氢原子通过扩散进入钢基内部，此后其通过与微观组织发生交互作用而扩散、聚集，利用减弱原子键结合力、促进局部脆性变形等方式大大降低材料的机械性能，导致材料提前突然发生脆性断裂。
为了抵抗氢的开裂行为，必须限制氢在微观组织中的可扩散量及其扩散速度，此外减少冶炼过程中不可避免带入的氢含量及氢向钢基的渗透也是重要的手段之一。冶炼过程中通过对与钢水接触的物料：钢包、中间包、水口、合金料、保护渣等进行预热烘干减少水分含量，降低氢来源；通过加入镁-铝线进行脱氧，所形成的氧化物质点可作为捕捉氢的优良陷阱，同时镁的氧化物热稳定性强，对钢板影响较小。通过文献可知，αFe作为体心立方结构，具有较低的表面能，而其中作为轧制过程中晶粒择优取向的Fe（110）面是αFe的密排面，具有最低的表面能。因而在高氢、高温、高压等环境下延迟αFe的转化可以有效减小钢基表面能，减少物理吸附的氢含量。M. Smialowsk等研究表示，当钢体中局部可扩散氢含量达到3ppm时，塑性指标会显著降低。氢原子为材料内部的扩散速度相对比，晶界扩散最慢、体向次之、表面扩散最快；而氢原子扩散通道中夹杂物起到的通道效应元小于夹杂物的长度时，夹杂物捕捉氢原子、延迟氢原子扩散的效果最强。因而，利用镁-铝线进行处理能形成纳米级夹杂物，能抑制奥氏体晶粒的长大，从而达到细化晶粒，增加晶界面积；增加纳米级夹杂物（如MgO）含量等方式可以有效延缓氢在组织内部扩散行为，抵抗延迟断裂行为的发生。
发明内容
本发明提供一种耐氢致开裂的镀锌热冲压用钢及其生产方法，减少高温环境下氢的吸附、增加晶界面积及有效夹杂物延迟捕捉氢原子扩散、减少钢基中不可避免的氢以抵抗材料延迟断裂性能的发生。为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：
一种耐氢致开裂的镀锌热冲压用钢，其钢基化学成分及质量百分含量为C:0.20～0.26%，Si:0.60～1.10%，Mn:1.00～1.30%，P≤0.020%，S≤0.010%，Cr:0.25～0.40%，Mo:0.25～0.40%，V:0.23～0.30%，B:0.0013～0.0030%，Nb:0.025～0.045%，Als:0.020～0.050%，H≤0.8ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述耐氢致开裂的镀锌热冲压用钢的生产方法，包括脱碳转炉冶炼、LF炉精炼、连铸、热轧、酸连轧、热浸镀工序；
（1）脱碳转炉冶炼工序：终渣碱度为3.4～3.6，终渣中FeO的质量百分含量≤18%；全程底吹氩气冶炼，出钢前钢包进行底吹氩气保护，出钢时间≥3min，出钢后加入脱氧剂镁-铝包芯线30～35kg/t，钢水氧含量控制在350～500ppm；
（2）LF精炼工序：精炼前期8min造白渣，给电时间≤15min，渣层厚度10～15mm，出站前加入镁-铝包芯线12～15kg/t，终点渣样FeO+MnO≤1wt%，终点H≤0.8ppm；
（3）连铸工序：大包套管、塞棒、下水口、板间采用吹氩保护；浸入式水口插入深度130±5mm；液位波动±5mm；中间包钢水过热度20～30℃，连铸恒拉速1.2～1.3m/min；保护渣的化学成分及重量含量为SiO2:28～30%，CaO:31～40%，MgO:1.0～3.0%，Al2O3:3.0～4.0%，Fe2O3:0.5～0.8%，MnO2:1.5～3%，Na2O:8.0～10.0%，K2O:0.1～0.5%，F:8.0～9.0%，C-tot:8.0～9.0%，H2O:≤0.05%。
（4）热轧工序：连铸坯产出后直接热装进入加热炉，在炉温1200～1250℃保温60～65min；精轧温度800～830℃，层冷选用前段冷却模式，卷取温度630～660℃；
（5）酸连轧工序：冷轧压下率55～75%；
（6）热浸镀工序：在730～770℃保温5～8min，缓慢冷却至640～680℃，随后快速进入锌锅，锌液温度500～515℃，热浸镀后降温至220℃以下；
炼钢过程中，使用的原辅料包括石灰、萤石、锰铁、硅铁、铬铁、钼铁、钒铁、硼铁和铌铁中水分含量要求≤0.05wt%，氩气、氮气、氧气中H2O≤0.005wt%，合金、钢包、中间包、水口在使用前先进行烘烤，合金于400～600℃烘烤100～120min/t，钢包于800～1000℃烘烤6～8h；中间包于温度900～1100℃烘烤6～8h，水口于1000～1200℃烘烤3～5h。
所述步骤（1）、（2）中，镁-铝包芯线中的镁含量为35～38wt%。
本发明生产的镀锌热冲压用钢产品组织均匀，铁素体晶界及组织中弥散分布着长度极小的MgO夹杂物及V（CN）、Nb（CN）等尺寸极小的析出物，晶粒度达到13.5级，钢质中氢含量不大于0.8ppm。本发明通过严格控制氢的来源，大大减少钢基自带含量较低的可扩散氢，可以有效减小组织内部的有效氢的扩散量；通过Mn、Cr、Si、V等含量匹配，能够提高αFe的转化温度，有效的延缓αFe的转化，减弱高温环境下钢基结合氢的物理吸附能力，减小氢分子进入钢基表面转化为氢原子的可能性；Mo、Nb等合金的加入能够通过钉扎作用有效的抑制晶粒长大，细化晶粒，增加氢在组织内部的扩展阻力，减缓氢的扩散速度；通过生产极小尺寸的MgO等夹杂物制造氢陷阱，有效的捕捉氢原子，延缓氢的扩散行为。发明从钢基本身，到外界吸附，再到微观组织内部等三方面整体减弱内部可扩散氢的运行，有效的抑制了后续可扩散氢造成的开裂行为。
本发明利用冶炼控制降低氢来源的方式，有效的减少钢基本身中可扩散氢含量；通过热浸镀工序中730-770℃高温环境减缓αFe的转化，抑制组织在高温区转化为γFe，从而保持更多的αFe、减少γFe比例，使钢基在热浸镀工序中尽可能的降低表面能，减弱氢在钢基表面的物理吸附能力；通过转炉和LF过程加铝脱氧、LF结束前喂入镁-铝包芯线、以及少部分的氮化物等来增加氧化物质点，并靠钢基成分中Mo、Nb、V等合金元素的添加，细化组织晶粒，增加晶界面积。通过上述三方面增加氢的有效陷阱、减缓氢的可扩散速度，有效的延迟氢在钢基内部的扩散行为，延迟氢致开裂的发生。
本发明生产的镀锌热冲压用钢经热冲压工艺后，所得产品组织为板条马氏体，平均原奥晶粒尺寸≤4.2μm，抗拉强度≥1450Mpa，屈服强度≥1150MPa，延伸率A≥5.5%，内部氢可扩散系数Dap≥1.1×10-7cm2/s。
附图说明
图1为实施例5生产的产品经热冲压工艺后的显微组织图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
一种耐氢致开裂的镀锌热冲压用钢的生产方法，其生产工艺包括脱碳转炉冶炼、LF精炼、连铸、热轧、酸连轧、热浸镀工序。具体工艺步骤如下：
（1）脱碳转炉冶炼工序：终渣碱度为3.4～3.6，终渣中FeO的质量百分含量≤18%；全程底吹氩气冶炼，出钢前钢包进行底吹氩气保护，出钢时间≥3min，出钢后加入镁含量为35～38wt%的脱氧剂镁-铝包芯线30～35kg/t，钢水氧含量控制在350～500ppm；
（2）LF精炼工序：精炼前期8min造白渣，给电时间≤15min，渣层厚度10～15mm，出站前加入镁含量为35～38wt%的镁-铝包芯线12～15kg/t，终点渣样FeO+MnO≤1wt%，终点采用定氢仪测氢，H≤0.8ppm；
（3）连铸工序：连铸坯厚度228～232mm，采用大包下渣检测系统；加入钢水覆盖剂；大包套管、塞棒、下水口、板间采用吹氩保护；浸入式水口插入深度130±5mm；采用液位波动自动控制系统控制液位波动±5mm；中间包钢水过热度20～30℃，连铸恒拉速1.2～1.3m/min；保护渣的化学成分及重量含量为SiO2:28～30%，CaO:31～40%，MgO:1.0～3.0%，Al2O3:3.0～4.0%，Fe2O3:0.5～0.8%，MnO2:1.5～3%，Na2O:8.0～10.0%，K2O:0.1～0.5%，F:8.0～9.0%，C-tot:8.0～9.0%，H2O:≤0.05%。
（4）热轧工序：连铸坯产出后直接热装进入加热炉，在炉温1200～1250℃保温60～65min；精轧温度800～830℃，层冷选用前段冷却模式，卷取温度630～660℃；
（5）酸连轧工序：冷轧压下率55～75%；
（6）热浸镀工序：在730～770℃保温5～8min，缓慢冷却至640～680℃，随后快速进入锌锅，锌液温度500～515℃，热浸镀后快速进入冷却塔，降温至220℃以下；
炼钢过程中，使用的原辅料中水分含量要求≤0.05wt%，氩气、氮气、氧气中H2O≤0.005wt%，合金、钢包、中间包、水口在使用前先进行烘烤，合金于400～600℃烘烤100～120min/t，钢包于800～1000℃烘烤6～8h；中间包于温度900～1100℃烘烤6～8h，水口于1000～1200℃烘烤3～5h。
上述镀锌热冲压用钢经热冲压工艺后，所得产品平均原奥晶粒尺寸≤4.2μm，抗拉强度≥1450Mpa，屈服强度≥1150MPa，延伸率A≥5.5%，内部氢可扩散系数Dap≥1.1×10- 7cm2/s。
实施例1-9钢基的化学成分质量百分比见表1，生产步骤各工序参数控制见表2-6，经常规热冲压工艺后，产品的力学性能及原奥晶粒尺寸见表7。
表1、各实施例钢基的化学成分质量百分比（%）
表2、各实施例合金、钢包、中间包、水口烘烤参数
表3、各实施例脱碳转炉冶炼工序参数控制
表4、各实施例LF精炼、连铸工序参数控制
表5、各实施例保护渣的化学成分及重量含量（%）
表6、各实施例热轧、酸连轧、热浸镀工序参数控制
表7、热冲压工艺后产品的力学性能及原奥晶粒尺寸
由图1可知，热冲压后组织由板条马氏体构成，板条的平均长度尺寸较小，平均长度约为4.0um。

Claims (9)

1.一种耐氢致开裂的镀锌热冲压用钢，其特征在于，其钢基化学成分及质量百分含量为C:0.20～0.25%，Si:0.60～1.10%，Mn:1.00～1.30%，P≤0.020%，S≤0.010%，Cr:0.25～0.40%，Mo:0.25～0.40%，V:0.23～0.30%，B:0.0013～0.0030%，Nb:0.025～0.045%，Als:0.020～0.050%，H≤0.8ppm，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述耐氢致开裂的镀锌热冲压用钢的生产方法，包括脱碳转炉冶炼、LF精炼、连铸、热轧、酸连轧、热浸镀工序；
（1）脱碳转炉冶炼工序：终渣碱度为3.4～3.6，终渣中FeO的质量百分含量≤18%；全程底吹氩气冶炼，出钢前钢包进行底吹氩气保护，出钢时间≥3min，出钢后加入脱氧剂镁-铝包芯线30～35kg/t，钢水氧含量控制在350～500ppm；
（2）LF精炼工序：出站前加入镁-铝包芯线12～15kg/t，终点渣样FeO+MnO≤1wt%，终点H≤0.8ppm；
（3）连铸工序：保护渣的化学成分及重量含量为SiO2:28～30%，CaO:31～40%，MgO:1.0～3.0%，Al2O3:3.0～4.0%，Fe2O3:0.5～0.8%，MnO2:1.5～3%，Na2O:8.0～10.0%，K2O:0.1～0.5%，F:8.0～9.0%，C-tot:8.0～9.0%，H2O:≤0.05%；
（4）热轧工序：连铸坯产出后直接热装进入加热炉经保温后轧制、冷却、卷取；
（5）酸连轧工序：冷轧压下率55～75%；
（6）热浸镀工序：在730～770℃保温5～8min，缓慢冷却至640～680℃，随后快速进入锌锅；
炼钢过程中，使用的原辅料包括石灰、萤石、锰铁、硅铁、铬铁、钼铁、钒铁、硼铁和铌铁中水分含量要求≤0.05wt%，氩气、氮气、氧气中H2O≤0.005wt%，合金、钢包、中间包、水口在使用前先进行烘烤。
2.基于权利要求1所述的耐氢致开裂的镀锌热冲压用钢的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括脱碳转炉冶炼、LF精炼、连铸、热轧、酸连轧、热浸镀工序；
（1）脱碳转炉冶炼工序：终渣碱度为3.4～3.6，终渣中FeO的质量百分含量≤18%；全程底吹氩气冶炼，出钢前钢包进行底吹氩气保护，出钢时间≥3min，出钢后加入脱氧剂镁-铝包芯线30～35kg/t，钢水氧含量控制在350～500ppm；
（2）LF精炼工序：出站前加入镁-铝包芯线12～15kg/t，终点渣样FeO+MnO≤1wt%，终点H≤0.8ppm；
（3）连铸工序：保护渣的化学成分及重量含量为SiO2:28～30%，CaO:31～40%，MgO:1.0～3.0%，Al2O3:3.0～4.0%，Fe2O3:0.5～0.8%，MnO2:1.5～3%，Na2O:8.0～10.0%，K2O:0.1～0.5%，F:8.0～9.0%，C-tot:8.0～9.0%，H2O:≤0.05%；
（4）热轧工序：连铸坯产出后直接热装进入加热炉经保温后轧制、冷却、卷取；
（5）酸连轧工序：冷轧压下率55～75%；
（6）热浸镀工序：在730～770℃保温5～8min，缓慢冷却至640～680℃，随后快速进入锌锅；
炼钢过程中，使用的原辅料包括石灰、萤石、锰铁、硅铁、铬铁、钼铁、钒铁、硼铁和铌铁中水分含量要求≤0.05wt%，氩气、氮气、氧气中H2O≤0.005wt%，合金、钢包、中间包、水口在使用前先进行烘烤。
3.基于权利要求2所述的耐氢致开裂的镀锌热冲压用钢的生产方法，其特征在于，在使用前，合金于400～600℃烘烤100～120min/t，钢包于800～1000℃烘烤6～8h；中间包于温度900～1100℃烘烤6～8h，水口于1000～1200℃烘烤3～5h。
4.基于权利要求3所述的耐氢致开裂的镀锌热冲压用钢的生产方法，其特征在于，所述步骤（1）、（2）中，镁-铝包芯线中的镁含量为35～38wt%。
5.基于权利要求4所述的耐氢致开裂的镀锌热冲压用钢的生产方法，其特征在于，所述LF精炼工序，精炼前期8min造白渣，给电时间≤15min，渣层厚度10～15mm。
6.基于权利要求5所述的耐氢致开裂的镀锌热冲压用钢的生产方法，其特征在于，所述连铸工序，大包套管、塞棒、下水口、板间采用吹氩保护；浸入式水口插入深度130±5mm；液位波动±5mm；中间包钢水过热度20～30℃，连铸拉速1.2～1.3m/min。
7.基于权利要求6所述的耐氢致开裂的镀锌热冲压用钢的生产方法，其特征在于，所述热轧工序，在加热炉炉温1200～1250℃保温60～65min；精轧温度800～830℃，层冷选用前段冷却模式，卷取温度630～660℃。
8.基于权利要求7所述的耐氢致开裂的镀锌热冲压用钢的生产方法，其特征在于，所述热浸镀工序，锌液温度500～515℃，热浸镀后降温至220℃以下。
9.基于权利要求2-8任一项所述的耐氢致开裂的镀锌热冲压用钢的生产方法，其特征在于，经热冲压工艺后，所得产品平均原奥晶粒尺寸≤4.2μm，抗拉强度≥1450Mpa，屈服强度≥1150MPa，延伸率A≥5.5%，内部氢可扩散系数Dap≥1.1×10-7cm2/s。
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