CN115198204B - 新能源储能柜用锌铝镁镀层高强钢及其钢基体和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明特别涉及新能源储能柜用锌铝镁镀层高强钢及其钢基体和制备方法，属于钢材制备技术领域，选择性添加了微合金元素Nb、V和Ti。在钢的制备过程中，Nb、V和Ti以碳化物形式析出，能够显著提高铁素体组织的硬度和强度，缩小铁素体与回火索氏体的硬度差，有利于获得较高屈强比以及优异的折弯性能，该钢的厚度在2.5mm～3.0mm之间，抗拉强度≥800MPa，屈强比≥0.91，与传统厚规格(3mm～6mm)低合金结构钢相比，具有更高强度和刚度，不仅提高了储能柜的安全性，而且实现了轻量化，节约了成本。

Description

新能源储能柜用锌铝镁镀层高强钢及其钢基体和制备方法

技术领域

本发明属于钢材制备技术领域，特别涉及新能源储能柜用锌铝镁镀层高强钢及其钢基体和制备方法。

背景技术

目前新能源的发展拥有广阔前景，而储能产品和技术的发展又是新能源科技发展的核心问题之一。以风电和光伏发电为例，随着季节和天气变化，发电的质量和频率随之变化，具有间歇性，因此电力存储显得尤为重要。风力发电设施建在空旷的室外环境，大量的储能机柜也随之建在室外，导致储能柜支架用钢需求激增。当前，新能源储能柜支架用钢多为低合金高强结构钢，如Q235、Q345等。室外服役环境复杂，为了在狂风或意外撞击中充分保护储能柜，支架用钢要具备较高的刚度和强度，因此对于普通的低合金结构钢，必须采用厚规格(3mm～6mm)，致使材料成本和安装成本较高，轻量化效果也不好。此外，为了提高雨淋、日晒环境下的防腐性能，支架用钢还需要进行表面涂装或刷漆，不仅增加了成本，降低了生产效率，更不符合当前严苛的降碳和环保要求。从加工的角度出发，支架用钢要经过90°折弯成形，而为了保证储能柜的安装精度，制造厂商采用的折弯模具圆角非常小，普通超高强钢难以满足。

基于以上问题，亟需开发出一种强度级别高、耐蚀性能好且局部成形性能优异的储能柜支架用钢。

发明内容

本申请的目的在于提供新能源储能柜用锌铝镁镀层高强钢及其钢基体和制备方法，以解决目前高强钢强度级别不高的问题。

本发明实施例提供了一种新能源储能柜用锌铝镁镀层高强钢的钢基体，所述钢基体的化学成分以质量分数计至少包括：C：0.10％～0.16％，Si：0～0.03％，Mn：2.2％～2.8％，Al：0.5％～0.8％，Cr：0.2％～0.4％，Mo：0.3％～0.6％，P：0～0.008％，S：0～0.001％，N：0～0.004％；

所述钢基体的化学成分以质量分数计还包括：Nb：0.01％～0.03％，V：0.04％～0.08％，Ti：0.04％～0.08％中的至少两种；

其余为Fe及不可避免的杂质。

可选的，所述钢基体的金相组织以面积率计包括：50％～70％铁素体、30％～50％回火索氏体和≤0.5％的微合金碳化物。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种如上所述的新能源储能柜用锌铝镁镀层高强钢的钢基体的制备方法，所述方法包括：

将铁水进行冶炼，后进行连铸，得到板坯；

将所述板坯进行热轧，后进行轧后冷却和卷取，得到钢基体。

可选的，所述热轧的加热温度为1250℃～1280℃，所述热轧的终轧温度为900℃～940℃。

可选的，所述轧后冷却采用层流水冷却，所述轧后冷却过程中，板坯的中部和边部的温差＜30℃。

可选的，所述卷取的温度为450℃～500℃。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种新能源储能柜用锌铝镁镀层高强钢，所述高强钢包括钢基体和附着于所述钢基体的镀层，所述钢基体为如上所述的钢基体。

可选的，所述镀层为锌铝镁镀层，所述锌铝镁镀层的厚度为15μm～25μm。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种如上所述的新能源储能柜用锌铝镁镀层高强钢的制备方法，所述方法包括：

将钢基体进行酸洗，得到酸洗板；

将所述酸洗板进行连续热镀锌铝镁，得到高强钢。

可选的，将所述酸洗板进行连续热镀锌铝镁，得到高强钢，具体包括：

将酸洗板进行加热，得到加热板；

将所述加热板进行冷却，得到冷却板；

将所述冷却板进行入锅镀锌铝镁，得到高强钢；

其中，所述加热的加热速率为10℃/s～25℃/s，所述加热的均热保温温度为600℃～700℃，所述加热的均热保温时间为50s～100s；所述冷却的速率为8℃/s～20℃/s，所述冷却板的温度为430℃～450℃。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例提供的新能源储能柜用锌铝镁镀层高强钢的钢基体，选择性添加了微合金元素Nb、V和Ti。在钢的制备过程中，Nb、V和Ti以碳化物形式析出，能够显著提高铁素体组织的硬度和强度，缩小铁素体与回火索氏体的硬度差，有利于获得较高屈强比以及优异的折弯性能，该钢的厚度在2.5mm～3.0mm之间，抗拉强度≥800MPa，屈强比≥0.91，与传统厚规格(3mm～6mm)低合金结构钢相比，具有更高强度和刚度，不仅提高了储能柜的安全性，而且实现了轻量化，节约了成本。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的高强钢的显微组织图；

图3是本发明实施例提供的高强钢的折弯示意图。

具体实施方式

下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。

在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

根据本发明一种典型的实施方式，提供了一种新能源储能柜用锌铝镁镀层高强钢的钢基体，所述钢基体的化学成分以质量分数计至少包括：C：0.10％～0.16％，Si：0～0.03％，Mn：2.2％～2.8％，Al：0.5％～0.8％，Cr：0.2％～0.4％，Mo：0.3％～0.6％，P：0～0.008％，S：0～0.001％，N：0～0.004％；

所述钢基体的化学成分以质量分数计还包括：Nb：0.01％～0.03％，V：0.04％～0.08％，Ti：0.04％～0.08％中的至少两种；

其余为Fe及不可避免的杂质。

本发明化学成分的控制原理如下：

本发明高强钢的硬相组织为回火索氏体，回火索氏体是马氏体高温回火后形成的铁素体与碳化物(包括渗碳体)的机械混合体，为了提高回火索氏体的强度，使抗拉强度≥800MPa，钢中C含量不得低于0.10％。此外，C与Nb、V、Ti等微合金元素形成碳化物，在铁素体基体上析出，还可以显著提高铁素体基体的强度。不过，为了保证焊接性能，C含量不宜过高。因此，本发明将C含量控制在0.10％～0.16％。

Si是固溶强化元素，能够提高钢板的强度。不过，Si含量高会导致热轧板卷表面出现氧化铁皮，恶化表面质量。镀锌过程中，Si在钢板表面的富集和氧化还会引起的漏镀、脱锌和锌流纹缺陷。因此，本发明中将Si含量控制在0.03％以下。

Mn是固溶强化元素，为了保证退火后的抗拉强度大于800MPa，Mn含量不宜低于2.2％。但是，Mn含量过高易形成带状偏析，造成组织不均匀，从而有损成形性能，故设定钢中Mn含量不超过2.8％。

Al的密度远低于Fe，钢中加入一定量Al，可提高比强度，有助于实现轻量化。但是Al含量不宜过高，否则会增加钢水粘度，造成连铸水口堵塞。本发明设定Al含量为0.5％～0.8％。

Cr是钢中的强化元素，有利于提高锌铝镁镀层高强钢的强度，并且不易在钢中形成偏析。但是，Cr被认为是不利于镀锌表面质量的元素，易造成表面漏镀。因此，设定Cr含量为0.2％～0.4％。

Mo与Cr一样，Mo能够显著提高锌铝镁镀层高强钢的强度，并且对镀锌表面质量无不利影响。但是，Mo属于昂贵的合金元素，过量添加会大幅增加成本。因此，设定Mo含量为0.3％～0.6％。

P在晶界偏聚会恶化塑性和成形性，属于高强钢中的有害元素，故设定P含量上限为0.008％。

S易与Mn结合形成粗大的MnS夹杂，恶化钢板的折弯性能，故设定S含量上限为0.001％。

N是钢中的有害元素，可形成AlN夹杂。另外N与Ti的结合力强于C，N含量高会过度消耗Ti，因此控制N含量在0.004％以下。

为了满足新能源储能柜支架用钢高折弯要求，本发明选择性添加了微合金元素Nb、V和Ti。在热轧卷取和退火镀锌过程中，Nb、V和Ti以碳化物形式析出，能够显著提高铁素体组织的硬度和强度，缩小铁素体与回火索氏体的硬度差，有利于获得较高屈强比以及优异的折弯性能。不过，Nb、V和Ti都属于昂贵的微合金元素，尤其是Nb，过量添加不仅大幅增加材料成本，还会导致析出强化效果饱和。此外，Nb会抑制热轧过程中奥氏体晶粒再结晶，使得显微组织沿轧制方向呈纤维状，最终导致横纵向组织和力学性能差异。综合考虑，本发明限定Nb含量在0.01％～0.03％之间，V含量在0.04％～0.08％之间，Ti含量在0.04％～0.08％之间。

在一些实施例中，钢基体的金相组织以面积率计包含：50％～70％铁素体、30％～50％回火索氏体和≤1％的微合金碳化物。

铁素体强度低、硬度小，易于变形，是保证高强钢延展性的重要组成相。当铁素体比例低于50％时，高强钢的延展性不足，铁素体比例高于70％时，难以获得大于800MPa的抗拉强度。

回火索氏体是马氏体高温回火后生成的组织，由铁素体和渗碳体组成，其强度、硬度高于铁素体，塑性和韧性比铁素体要差。当回火索氏体比例低于30％时，钢板难以获得800MPa以上的抗拉强度；当回火索氏体比例超过50％时，钢板的抗拉强度偏高，塑性变差。

微合金碳化物指的是Nb、V、Ti的碳化物，退火过程中这些碳化物会在铁素体基体上析出，提高铁素体的强度，缩小铁素体与回火索氏体的硬度差，进而提高折弯性能。为了获得适当的强化效果而又不过多增加成本，本发明将微合金碳化物的含量控制在0.5％及以下。

根据本发明另一种典型的实施方式，提供了一种如上所述的新能源储能柜用锌铝镁镀层高强钢的钢基体的制备方法，所述方法包括：

S1.将铁水进行冶炼，后进行连铸，得到板坯；

S2.将所述板坯进行热轧，后进行轧后冷却和卷取，得到钢基体。

在一些实施例中，热轧的加热温度为1250℃～1280℃，所述热轧的终轧温度为900℃～940℃。

控制热轧的加热温度为1250℃～1280℃，由于微合金元素Nb、V、Ti含量较高，若加热温度过低，微合金元素溶解不充分，热轧卷取及退火镀锌过程中无法充分发挥析出强化效果；若加热温度过高，板坯表面脱碳严重，晶粒也会过度长大粗化，不利于获得高强度及优异的折弯性能。

控制热轧的终轧温度为900℃～940℃为了避免热轧进入未再结晶区导致形成沿轧制方向的纤维化组织，恶化折弯性能，本发明设定终轧温度不低于900℃；不过，终轧温度大于940℃时，奥氏体晶粒粗大，这种粗大的晶粒形态将遗传至镀锌成品，不利于获得较高抗拉强度及优异的折弯性能。

在一些实施例中，轧后冷却采用层流水冷却，所述轧后冷却过程中，板坯的中部和边部的温差＜30℃。

在热轧轧制过程中，在粗轧出口和精轧入口之间增加中间辊道保温罩；在层流冷却过程中，打开层冷辊道侧挡板，关闭侧喷水。这些措施的目的都是减小高强钢边部温降，缩小高强钢中部和边部的温差，以提高组织性能的均匀性。若高强钢中部和边部温差大于30℃，边部易生成贝氏体、马氏体等硬相组织，中部形成较软的组织，折弯过程中软硬相之间易萌生裂纹导致开裂。

在一些实施例中，卷取的温度为450℃～500℃。

卷取温度影响钢板的组织构成及比例。当卷取温度低于450℃时，贝氏体、马氏体等硬相组织比例过高，导致退火镀锌后回火索氏体比例增大，强度过高；当卷取温度高于500℃时，铁素体比例偏高，导致钢板强度偏低。

根据本发明另一种典型的实施方式，提供了一种新能源储能柜用锌铝镁镀层高强钢，所述高强钢包括钢基体和附着于所述钢基体的镀层，所述钢基体为如上所述的钢基体。

根据本发明另一种典型的实施方式，提供了一种如上所述的新能源储能柜用锌铝镁镀层高强钢的制备方法，所述方法包括：

S1.将铁水进行冶炼，后进行连铸，得到板坯；

S2.将所述板坯进行热轧，后进行轧后冷却和卷取，得到钢基体；

S3.将钢基体进行酸洗，得到酸洗板；

S4.将所述酸洗板进行连续热镀锌铝镁，得到高强钢。

在一些实施例中，连续热镀锌铝镁工艺为：将酸洗后的钢板以10℃/s～25℃/s的速率加热至600℃～700℃，保温50s～100s，随后以8℃/s～20℃/s的速率冷却至430℃～450℃镀锌铝镁，钢板出锌锅之后通过气刀控制的镀层厚度为15μm～25μm。

控制均热温度为600℃～700℃，均热温度低于600℃时，微合金碳化物的析出不充分，无法有效提高铁素体的硬度及强度，不利于折弯性能。另外，均热温度过低，镀液与钢板表面之间的化学作用比较弱，易出现漏镀和锌流纹等表面缺陷。均热温度高于700℃时，钢板回火严重，微合金碳化物也会长大粗化，导致析出强化效果减弱，综合作用的结果易导致抗拉强度不足。

控制均热时间为50s～100s，均热时间小于50s时，微合金碳化物的析出不充分；均热时间超过100s时，微合金碳化物又容易长大粗化，不利于获得较高屈服强度及屈强比。

控制镀层厚度为15μm～25μm，镀层厚度是决定高强钢耐蚀性的关键参数。锌铝镁镀层是在纯锌镀层的基础上，加入一定量的Al和Mg，由于Al、Mg与Zn元素的协同作用，锌铝镁镀层比纯锌镀层具有更突出的耐蚀性能。此外，锌铝镁镀层对钢板切口具有很好的保护作用，腐蚀环境下，镀层表面形成的薄液膜流动到钢板的切口位置，在切口位置形成包含氯水锌矿在内的致密的沉淀产物，使得切口位置的阴极反应电流明显减小，从而显著降低切口位置的腐蚀速度。为了使流动的沉淀产物能充分覆盖切口，镀层厚度不宜低于15μm。不过，当镀层厚度大于25μm时，造成防腐能力浪费且增加材料成本。

下面将结合实施例、对照例及实验数据对本申请的新能源储能柜用锌铝镁镀层高强钢及其钢基体和制备方法进行详细说明。

实施例及对比例

(1)制备实施例1-7以及对比例1-3的钢液并铸成板坯，所述板坯的化学成分如表1所示。

表1各实施例和对比例的化学成分质量百分数

(2)将上述板坯加热，经热轧、轧后冷却和卷取，得到2.5mm-3.0mm厚热轧板卷。所述板坯加热温度为1250℃～1280℃，终轧温度为900℃～940℃；轧后冷却采用层流水冷却，打开层冷辊道侧挡板，关闭侧喷水，控制冷却过程中高强钢中部和边部温差<30℃；卷取温度为450℃～500℃，钢板卷取后入缓冷坑缓冷。

(3)将上述热轧板卷开卷，经酸洗去除氧化铁皮后得到酸洗板。

各实施例和对比例的具体工艺参数如表2所示。

表2各实施例和对比例的热轧及冷却工艺参数

(4)将上述酸洗板在连续热镀锌铝镁产线进行退火镀锌铝镁，之后冷却至室温，具体工艺为：将酸洗板以10℃/s～25℃/s的速率加热至600℃～700℃，保温50s～100s，随后以8℃/s～20℃/s的速率冷却至430℃～450℃镀锌铝镁，钢板出锌锅之后通过气刀控制的镀层厚度为15μm～25μm。

各实施例和对比例的连续热镀锌铝镁工艺参数如表3所示。

表3各实施例和对比例的连续热镀锌铝镁工艺参数

实验例

组织检测：在本发明新能源储能柜用锌铝镁镀层高强钢上切取金相试样，用体积比为4％的硝酸酒精溶液腐蚀，在金相显微镜下观察并获取图像(附图1)，其中深色块状组织为铁素体，表面分布亮白色渗碳体颗粒的组织为回火索氏体。利用透射电镜观察微合金Nb、V、Ti的碳化物析出，并统计其析出比例。

性能检测：利用ZWICK/Roell Z100拉伸试验机，按照GB/T228.1-2010标准检测钢板屈服强度、抗拉强度，并计算屈强比；根据GB/T 15825.5-2008《金属薄板成形性能与试验方法第5部分：弯曲试验》，利用微机控制电液伺服弯曲试验机测定钢板的最小相对弯曲直径，并计算弯曲试验值R/t。

耐蚀性检测：根据GB/T 10125-2012，在中性盐雾试验条件下，检测实施例1制备的锌铝镁镀层高强钢(最薄镀层)平面及切口耐蚀性。

各实施例和对比例的显微组织、力学性能和耐蚀性能如表4所示。

表4各实施例和对比例的显微组织、力学性能与耐蚀性能

由上表可得，采用本申请实施例提供的方法制备的新能源储能柜用锌铝镁镀层高强钢的抗拉强度≥800MPa，屈强比≥0.91，弯曲试验值R/t<0.17，中性盐雾试验条件下，平面出现红锈的时间>4000h，切口出现红锈的时间>2000h；附图2表明，在弯曲直径R＝0.5mm的90°折弯条件下，本发明3.0mm厚锌铝镁镀层高强钢平面和切口部位无开裂，折弯性能优异。对比例1中，Mn含量不在本发明实施例的范围内，制得高强钢的抗拉强度只有774MPa；对比例2中，热轧冷却过程未打开层冷辊道侧挡板，未关闭侧喷水，也就是未采取降低高强钢宽度方向温度差异的措施，导致最终组织性能不均匀，屈强比低于0.91，R/t达到0.333，折弯性能变差；对比例3中，退火均热温度为760℃，不在本发明实施例的范围内，高强钢退火进入两相区，冷却后得到了铁素体和贝氏体/马氏体的混合组织，导致软硬相之间硬度、强度差异过大，造成屈强比低，R/t达到0.667，折弯性能恶化。

附图2的详细说明：

如图2所示，为本申请实施例提供的高强钢的显微组织图，由图可知，该钢由铁素体和回火索氏体构成，铁素体面积率65％，回火索氏体面积率35％。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：

(1)本发明实施例提供的高强钢厚度在2.5mm～3.0mm之间，抗拉强度≥800MPa，屈强比≥0.91，与传统厚规格(3mm～6mm)低合金结构钢相比，具有更高强度和刚度，不仅提高了储能柜的安全性，而且实现了轻量化，节约了成本；

(2)本发明实施例提供的高强钢的90°V形弯曲试验值R/t<0.17，具有非常优异的局部折弯性能，加工成形过程不易开裂，成材率高；

(3)本发明实施例提供的高强钢的镀层厚度为15μm～25μm，中性盐雾腐蚀试验条件下，表面出现红锈的时间>4000h，切口出现红锈的时间>2000h，具有非常优异的平面和切口耐蚀性，可省略传统支架用钢表面和剪裁切口处涂装或刷漆工序，实现了降本、环保；

(4)本发明实施例提供的高强钢的制备方法，属于热基镀锌新技术，无需冷轧，工序流程短，能耗低，排放少。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种新能源储能柜用锌铝镁镀层高强钢，其特征在于，所述高强钢包括钢基体和附着于所述钢基体的镀层，所述钢基体的化学成分以质量分数计至少包括：C：0.10%～0.16%，Si：0～0.03%，Mn：2.2%～2.8%，Al：0.5%～0.8%，Cr：0.2%～0.4%，Mo：0.3%～0.6%，P：0～0.008%，S：0～0.001%，N：0～0.004%；

所述钢基体的化学成分以质量分数计还包括：Nb：0.01%～0.03%，V：0.04%～0.08%，Ti：0.04%～0.08%中的至少两种；其余为Fe及不可避免的杂质；所述钢基体的金相组织以面积率计包括：50%～70%铁素体、30%～50%回火索氏体和≤0.5%的微合金碳化物，所述高强钢的制备工艺包括轧后冷却，轧后冷却过程中，板坯的中部和边部的温差＜30℃；所述高强钢的抗拉强度≥800MPa，屈强比≥0.91。

2.根据权利要求1所述的新能源储能柜用锌铝镁镀层高强钢，其特征在于，所述镀层为锌铝镁镀层，所述锌铝镁镀层的厚度为15μm～25μm。

3.一种权利要求1至2中任意一项所述的新能源储能柜用锌铝镁镀层高强钢的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

将铁水进行冶炼，后进行连铸，得到板坯；

将所述板坯进行热轧，后进行轧后冷却和卷取，得到钢基体；

将钢基体进行酸洗，得到酸洗板；

将酸洗板进行加热，得到加热板；

将所述加热板进行冷却，得到冷却板；

将所述冷却板进行入锅镀锌铝镁，得到高强钢；

其中，所述加热的加热速率为10℃/s～25℃/s，所述加热的均热保温温度为600℃～700℃，所述加热的均热保温时间为50s～100s；所述冷却的速率为8℃/s～20℃/s，所述冷却板的温度为430℃～450℃。

4.根据权利要求3所述的新能源储能柜用锌铝镁镀层高强钢的制备方法，其特征在于，所述热轧的加热温度为1250℃～1280℃，所述热轧的终轧温度为900℃～940℃。

5.根据权利要求3所述的新能源储能柜用锌铝镁镀层高强钢的制备方法，其特征在于，所述轧后冷却采用层流水冷却。

6.根据权利要求3所述的新能源储能柜用锌铝镁镀层高强钢的制备方法，其特征在于，所述卷取的温度为450℃～500℃。

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