CN115233096B - 一种冷轧钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明特别涉及一种冷轧钢及其制备方法，属于钢材制备技术领域。一种冷轧钢，钢的化学成分以质量百分比计包括：C：0.002‑0.3％，Mn：0.1‑2％，Si：0.06‑0.2％，Al：0.02‑0.07％，B：0.001‑0.002％，N：0.0005‑0.002％，余量为Fe和不可避免的杂质；其中：B与N的质量比为：(1.0‑3.0)：1。其通过调整元素配比，于钢板表面形成弥散细小的氮化硼颗粒，以氮化硼颗粒作为磷化膜形核的质点，提高磷化膜的成膜质量；并且，氮化硼颗粒物在钢表面能够使得钢板在磷化时磷化液的pH值提高，促使磷化液中的磷化物结晶析出，进一步提高磷化膜的成膜质量。

Description

一种冷轧钢及其制备方法
技术领域
本发明属于钢材制备技术领域，特别涉及一种冷轧钢及其制备方法。
背景技术
冷轧钢是生产汽车车身及家用电器外壳的重要原料，其具有生产价格低、应用广泛等优点。但冷轧钢在涂装时存在一定的问题，原因在于冷轧钢的表面元素相对复杂，不同强度级别的冷轧钢使用的合金元素种类和含量均不相同，这使得冷轧钢表面容易出现多种状态。其中，一种极端情况为，冷轧钢表面存在较多的合金元素氧化物，比如Mn和Si的氧化物，原因在于Si和Mn更容易与氧结合；另一种极端情况为，冷轧钢表面极为干净，没有任何其他合金元素。
汽车车身通常需要进行涂漆，目前的涂漆工艺流程为：清洗、表面调整、表面磷化、电泳、上漆，其中，表面磷化是涂漆工艺的关键环节。因为电泳漆本身是高分子材料，与钢铁材料本身无法兼容，因此需要在钢与电泳漆之间引入一层磷化膜，磷化膜一方面需要在钢板表面有良好的结合力和覆盖率，另一方面又需要与电泳漆之间形成稳定的化学键合。
目前，常用的磷化工艺都是在钢材浸泡在磷化液中，磷化液与钢材反应，在钢材表面形成一层磷酸锌或磷酸锌铁的合金颗粒物。这层颗粒物是在钢板表面形核和生长形成的。冷轧钢板由于表面状态复杂，比如形成氧化膜，导致磷化液无法与钢板反应，使得表面难以形成磷化膜。
发明内容
本申请的目的在于提供一种冷轧钢及其制备方法，以解决现有技术中冷轧钢表面难以形成磷化膜的技术问题。
本发明实施例提供了一种冷轧钢，所述钢的化学成分以质量百分比计包括：
C：0.002-0.3％，Mn：0.1-2％，Si：0.06-0.2％，Al：0.02-0.07％，B：0.001-0.002％，N：0.0005-0.002％，余量为Fe和不可避免的杂质；
其中：B与N的质量比为：(1.0-3.0)：1。
可选的，所述冷轧钢表面分布有氮化硼颗粒。
可选的，所述氮化硼颗粒的分布面积为冷轧钢表面积的0.01-10％。
可选的，所述氮化硼颗粒的粒径≤10μm。
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冷轧钢的制备方法，包括如下步骤：
得到符合所述化学成分的钢坯；
将所述钢坯经热轧、酸洗及冷轧，得到预制钢板；
将所述预制钢板热处理后经第二冷却至室温，而后经终轧，得到所述冷轧钢。
可选的，所述热轧的卷取温度为700-750℃。
可选的，所述将所述预制钢板热处理后经第二冷却至室温包括如下步骤：
将所述预制钢板经加热和第一保温，得到加热钢板；
将所述加热钢板经第一冷却和第二保温，得到降温钢板；
将所述降温钢板经第二冷却至室温；
其中：
所述加热和第一保温的温度≥750℃。
可选的，所述加热气氛的露点温度为-20-0℃，所述加热气氛中氮气的体积百分比≥95％。
可选的，所述第二保温的温度为200-400℃，所述第二保温的时间为60-200s。
可选的，所述终轧过程中，钢板的延伸率为0.1-1％。
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冷轧钢，通过调整元素配比，于钢板表面形成弥散细小的氮化硼颗粒，以氮化硼颗粒作为磷化膜形核的质点，提高磷化膜的成膜质量；并且，氮化硼颗粒物在钢表面能够使得钢板在磷化时磷化液的pH值提高，促使磷化液中的磷化物结晶析出，进一步提高磷化膜的成膜质量。
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。
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。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。例如，室温可以是指10～35℃区间内的温度。
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，提供了一种冷轧钢，所述钢的化学成分以质量百分比计包括：
C：0.002-0.3％，Mn：0.1-2％，Si：0.06-0.2％，Al：0.02-0.07％，B：0.001-0.002％，N：0.0005-0.002％，余量为Fe和不可避免的杂质；
其中：B与N的质量比为：(1.0-3.0)：1。
上述主要合金元素作用和限定范围详细说明如下：
C：C元素是钢中的基本强化元素，具有强烈的间隙强化效果，因此为不可或缺的元素。但是C元素添加太多，会导致钢的韧性明显降低，无法用于汽车车身的成形，同时导致钢的奥氏体温度太低，极容易发生表面锈蚀。因此，控制C元素的含量为0.002-0.3％。
Mn：Mn元素是一种固溶强化元素，同时也是一种稳定奥氏体的元素，能够显著降低奥氏体温度，有利于钢在热处理过程中获得较多的奥氏体，从而在冷却后形成马氏体，提高钢的强度。Mn元素含量太高会导致奥氏体过于稳定，从而使得钢强度不足，同时导致钢的奥氏体温度太低，极容易发生表面锈蚀。此外，太多的Mn元素容易在表面形成氧化物薄膜，恶化涂漆性能，造成漆膜粘附性下降。因此，控制Mn元素含量范围为0.1-2％。
Si：Si元素是一种固溶强化元素，固溶在铁素体中，强化效果比Mn元素稍好。同时Si元素能够促使奥氏体细化，提高钢的延伸率，因此Si元素含量不低于0.06％。但是Si元素太多很容易导致热轧过程中表面形成难以清除的铁皮，造成涂装时漆膜与钢板之间粘附性下降，因此Si元素含量不超过0.2％。
Al：Al元素是常用的脱氧剂，用于在炼钢过程中去除钢中氧，避免钢中出现气孔缺陷。但是如果Al添加太多，会导致钢水粘度增大，使得钢水凝固时流动不充分，同时Al含量太高还会导致钢水与钢包之间出现激烈反应，使得钢包寿命缩短。除此之外，Al元素添加太多会使得钢中的氮元素与Al元素形成很多氮化Al颗粒物，消耗了氮元素，使得氮元素在本发明的钢中无法起到应有作用。因此本发明中要求Al元素含量不超过0.07％，不低于0.02％。
B：B元素是一种活泼的小原子元素，能够吸附到奥氏体晶粒表面，促使奥氏体晶粒形成马氏体，提高钢的淬透性，提高钢的强度，同时扩散到表面的B原子可以与氮或者氧形成化合物颗粒物，有利于成为磷化时的形核核心。但是B元素同时又很容易扩散到钢板的表面，形成复杂的氧化膜，造成钢板表面与漆膜结合力明显下降。因此本发明中要求B元素的含量不低于0.001％，不高于0.002％。
N：N元素通常是钢中的有害元素，容易造成钢坯中的气泡缺陷，在钢板变形时造成钢板开裂或者断裂，因而含量一定要控制。但是同时，N可以与B反应，在钢水中形成氮化硼，消除B的不利影响。因而本发明中要求N元素的含量不低于0.0005％，不高于0.002％。
作为一种可选的实施方式，所述冷轧钢表面分布有氮化硼颗粒。
N元素与B元素的组合，可以在钢坯表面形成细小弥散分布的氮化硼颗粒，这种细小弥散的氮化硼颗粒是良好的磷化膜形核质点。此外，氮化硼颗粒在表面能够使得钢板在磷化时磷化液的pH值提高，促使磷化液中的磷化物结晶析出。因此，需要精细控制N和B的关系。如果B与N的质量比远大于1，那么许多过剩B元素倾向于与氧形成B的氧化物，氧化物成膜状分布，无法成为形核的核心，反而阻碍磷化反应。因此，控制B与N的质量比为：(1.0-3.0)：1。
作为一种可选的实施方式，所述氮化硼颗粒的分布面积为冷轧钢表面积的0.01-10％。
控制上述比例的原因在于：氮化硼颗粒的面积百分数太低，无法起到形核核心效果；如果面积百分数太高，则导致磷化膜形核时单个磷化膜晶体覆盖多个氮化硼颗粒，反而导致结晶异常。因此，控制所述氮化硼颗粒的分布面积为冷轧钢表面积的0.01-10％。
作为一种可选的实施方式，所述氮化硼颗粒的粒径≤10μm。
控制氮化硼颗粒粒径的原因在于：氮化硼颗粒粒径太大，则无法成为形核的核心位置，因此要求氮化硼颗粒的粒径≤10μm。
根据本发明另一种典型的实施方式，提供了一种如上提供的冷轧钢的制造方法，包括如下步骤：
S1、得到符合上述化学成分的钢坯。
S2、将所述钢坯经热轧、酸洗及冷轧，得到预制钢板。
其中：
所述热轧的卷取温度为700-750℃。
S3、将所述预制钢板热处理后经第二冷却至室温，而后经终轧，得到所述冷轧钢。
其中：所述终轧过程中，钢板的延伸率为0.1-1％。
S3.1、将所述预制钢板经加热和第一保温，得到加热钢板。
其中：
所述加热和第一保温的温度≥750℃。
所述加热气氛的露点温度为-20-0℃，所述加热气氛中氮气的体积百分比≥95％。
S3.2、将所述加热钢板经第一冷却和第二保温，得到降温钢板。
其中：
所述第二保温的温度为200-400℃，所述第二保温的时间为60-200s。
S3.3、将所述降温钢板经第二冷却至室温。
上述步骤中：钢坯进行热轧是钢材加工的常规工艺。在热轧过程中，钢坯在温度和变形的耦合过程中，形成期望的微观组织。为了促使氮化硼颗粒在热轧过程中就能够充分形成，需要控制热轧过程的温度和变形组合。经过试验可以发现，热轧过程的变形量对氮化硼颗粒的析出影响不明显，但是温度的影响比较明显。氮化硼颗粒充分析出的温度在700-750℃之间，这个时间内长时间保温，有利于氮化硼析出。热轧过程中，只有卷取是长时间保温阶段。因此，控制热轧的卷取温度为700-750℃。温度如果太低，导致氮化硼颗粒不能充分析出，硼以固溶态形式保留在钢中，无法发挥作用。如果温度太高，一方面容易在表面形成大量铁的氧化物，影响磷化反应；另一方面，则是氮化硼的颗粒过于粗大，无法作为形核核心。
钢板在冷轧之后，为了让冷轧变形组织恢复到正常组织，通常都要经过热处理过程。在热处理过程中，于钢板表面发生化学反应，这是由于热处理过程中，环境气氛会与钢材中的合金元素反应。
控制加热和第一保温过程的温度≥750℃，气氛露点温度范围为-20-0℃，气氛中的氮气体积比例≥95％的原因在于：热处理的加热和保温温度如果太低，会导致冷轧变形组织无法完全消除，同时，如果加热和保温的温度太低，也不利于在钢板表面形成弥散的氮化硼析出物，这是由于温度太低导致反应动力学不足，扩散速度太慢。加热过程的气氛露点温度反映了气氛中的残余氧原子，如果露点温度太高，会导致表面形成铁的氧化物，阻碍后续的磷化反应；如果露点温度太低，会导致钢材中的锰、硅等合金元素猛烈扩散到钢板表面，形成氧化膜，阻碍磷化反应。露点温度在-20℃-0℃之间时，氧原子能够充分扩散到钢板内部，与锰和硅反应，形成的氧化物不会聚集到钢板表面。气氛中主要是氮气，是为了让氮气与钢中剩余的硼元素继续反应，在表面继续形成氮化硼的弥散颗粒，因此气氛中氮气体积分数不能太低，要求不低于95％。
热处理过程中还在第一冷却后设置了第二保温阶段，第二保温阶段的温度为200-400℃，时间为60-200s，原因在于：第二保温阶段的主要目的是让加热和第一保温过程中在钢材中溶解的氮原子和氧原子从钢材中跑出去，减少钢材使用过程中的脆性，提高钢材的韧性。此外，第二保温阶段还使得钢板中聚集在晶界位置的硼原子充分扩散到钢板表面，形成更多弥散的氮化硼颗粒物，有利于后续涂装。因此第二保温阶段的时间不能太短，需要充分扩散；但是第二保温的时间太长则可能导致钢板的显微组织发生明显变化，力学性能下降。第二保温阶段的温度不能太低，否则硼、氮、氧原子无法扩散；但是第二保温的温度也不能太高，否则这些原子会继续固溶在钢中，而不会向外扩散。
热处理之后，钢板还要经过终轧。终轧的主要目的是调整钢材力学性能以及表面质量。同时，终轧本身能够在刚才表面引入一定的细微裂纹，裂纹宽度不超过5微米，深度不超过2微米。这些细微裂纹本身也是磷化反应过程的形核位置，提高磷化膜的粘附性。因此，终轧时钢板的延伸率范围为0.1-1％。延伸率太高，导致细微裂纹太宽太深，反而无法成为形核位置。此外，还会导致力学性能显著恶化。另一方面，延伸率太低，无法产生必要的细微裂纹。
下面将结合实施例、对照例及实验数据对本申请进行详细说明。
实施例1-7
分别提供了一种冷轧钢，钢的化学成分以质量百分比计分别见表1。
表1实施例1-7的钢的化学成分
Figure BDA0003744988420000061
上述冷轧钢的制备方法，包括如下步骤：
S1、得到符合上述化学成分的钢坯。
S2、将所述钢坯经热轧、酸洗及冷轧，得到预制钢板。
S3、将所述预制钢板热处理后经第二冷却至室温，而后经终轧，得到所述冷轧钢。
S3.1、将所述预制钢板经加热和第一保温，得到加热钢板。
S3.2、将所述加热钢板经第一冷却和第二保温，得到降温钢板。
S3.3、将所述降温钢板经第二冷却至室温。
各实施例的制备方法的参数分别见表2。
表2实施例1-7的制备方法的参数
Figure BDA0003744988420000071
对比例1-5
分别提供了一种冷轧钢，钢的化学成分以质量百分比计分别见表3。
表3对比例1-5的钢的化学成分
Figure BDA0003744988420000072
上述冷轧钢的制备方法与实施例1-7的制备方法相同，各对比例的制备方法的参数分别见表4。
表4对比例1-5的制备方法的参数
Figure BDA0003744988420000073
Figure BDA0003744988420000081
实验例
采用商业磷化液对实施例1-7和对比例1-5提供的冷轧钢分别进行磷化处理。
处理方法为：磷化前，将冷轧钢在55℃脱脂槽中浸泡和喷淋5分钟，脱脂槽液的游离碱浓度为10pt，完全除去表面的油污，然后用去离子水喷淋去除脱脂液。磷化后，进行电泳挂片处理，从磷化晶粒在表面的覆盖率、磷化膜晶粒的尺寸以及电泳膜的附着力性能等方面进行评价。附着力性能采用杯突试验方法进行，评价电泳膜破裂时的杯突高度，高度越高，表明电泳膜的附着力性能越好。检测结果如下表所示：
磷化膜覆盖率(％) 磷化膜尺寸(μm) 电泳膜杯突高度(mm)
实施例1 100.0 4 6
实施例2 100.0 3 6.5
实施例3 100.0 5 6.7
实施例4 100.0 2 5.8
实施例5 100.0 3 5.9
实施例6 100.0 6 5.8
实施例7 100.0 4 6.2
对比例1 80.0 10 4.5
对比例2 85.0 11 4.3
对比例3 83.0 8 4.9
对比例4 94.0 9 5.2
对比例5 88.0 12 4.9
从上表可以看出，本发明实施例1-7提供的冷轧钢的磷化膜覆盖率和附着性能明显优于对比例1-5，覆盖率均能达到100％。
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 (7)

1.一种冷轧钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
得到钢坯，所述钢坯的化学成分以质量百分比计包括：
C：0.002-0.3％，Mn：0.1-2％，Si：0.06-0.2％，Al：0.02-0.07％，B：0.001-0.002％，N：0.0005-0.002％，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，B与N的质量比为：(1.0-3.0)：1；
将所述钢坯经热轧、酸洗及冷轧，得到预制钢板；
将所述预制钢板热处理后经第二冷却至室温，而后经终轧，得到所述冷轧钢；
所述将所述预制钢板热处理后经第二冷却至室温包括如下步骤：
将所述预制钢板经加热和第一保温，得到加热钢板；
将所述加热钢板经第一冷却和第二保温，得到降温钢板；
将所述降温钢板经第二冷却至室温；
其中：所述加热和第一保温的温度≥750℃，所述第二保温的温度为200-400℃，所述第二保温的时间为60-200s。
2.根据权利要求1所述的冷轧钢的制备方法，其特征在于，所述热轧的卷取温度为700-750℃。
3.根据权利要求1所述的冷轧钢的制备方法，其特征在于，所述加热气氛的露点温度为-20-0℃，所述加热气氛中氮气的体积百分比≥95％。
4.根据权利要求1所述的冷轧钢的制备方法，其特征在于，所述终轧过程中，钢板的延伸率为0.1-1％。
5.根据权利要求1所述的冷轧钢的制备方法，其特征在于，所述冷轧钢表面分布有氮化硼颗粒。
6.根据权利要求5所述的冷轧钢的制备方法，其特征在于，所述氮化硼颗粒的分布面积为冷轧钢表面积的0.01-10％。
7.根据权利要求5所述的冷轧钢的制备方法，其特征在于，所述氮化硼颗粒的粒径≤10μm。
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