一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法

一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法

《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》是寶山鋼鐵股份有限公司於2009年2月23日申請的專利，該專利的申請號為2009100464397，公布號為CN101812633A，授權公布日為2010年8月25日，發明人是楊勝利、陳思、甘青松、張欽釗、馮偉駿。

《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》提供一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼，具有如下以重量百分比計的化學成分：C：0.02～0.10％；Si≤0.1％；Mn：0.10～0.80％；P≤0.05％；S≤0.015％；T.Al：0.01～0.10％；Nb：0.002～0.02％；其餘為Fe和不可避免的雜質。該發明鋼材採用控制熱軋和退火工藝。得到抗拉強度350～430兆帕、焊接和表面質量優良的CQ級析出強化鋼。該發明鋼材的成分體系低矽、低錳，且不含鉻、鉬等合金元素，故成本低。

2016年12月7日，《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。

基本介紹

  • 中文名：一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法
  • 公布號：CN101812633A
  • 授權日：2010年8月25日
  • 申請號：2009100464397
  • 申請日：2009年2月23日
  • 申請人：寶山鋼鐵股份有限公司
  • 地址：上海市寶山區富錦路果園
  • 發明人：楊勝利、陳思、甘青松、張欽釗、馮偉駿
  • Int.Cl.：C22C38/12(2006.01)I、C22C33/04(2006.01)I、C21D8/02(2006.01)I、C23C2/06(2006.01)I
  • 代理機構：上海三和萬國智慧財產權代理事務所
  • 代理人：章鳴玉
  • 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,

專利背景

截至2009年2月，在過去的幾十年里，作為汽車結構件用鋼，經歷了幾次重要的變革與發展，最初以低碳鋁鎮靜鋼和含磷鋼為主，主要通過固溶強化提高鋼板強度；基於汽車結構用鋼安全、減重、節能的發展潮流，使用高強度鋼板已成為汽車結構用鋼的發展趨勢；但隨著材料強度級別的升高，考慮到材料的焊接性能，不能再添加碳和磷，所以材料逐漸發展到以雙相鋼、析出強化鋼為主，主要用低碳+適量錳的成分體系再添加鉬、鉻、鈮、鈦等合金元素通過相變強化和析出強化來實現。2009年2月前CQ級熱鍍鋅析出強化鋼尤其得到了廣泛的套用，析出強化鋼的特點是屈強比較高，具有適中的延伸率和良好的點焊性，對成形性的要求相對較低，適合製造汽車結構件和安全件，如車門的加強件、座椅的底座支撐件等。
按照歐洲標準EN10292的規定，熱鍍鋅析出強化鋼按屈服強度大體分為260、300、340、380、420兆帕五個級別，具體牌號和性能要求如表1所示。
表1、歐標EN10292標準熱鍍鋅析出強化鋼系列
YS級別（兆帕）
YS（兆帕）
TS（兆帕）
EL80（％）
備註
HX260LAD+Z/ZF
260～330
350～430
≥26
橫向
HX300LAD+Z/ZF
300～380
380～480
≥23
橫向
HX340LAD+Z/ZF
340～420
410～510
≥21
橫向
HX380LAD+Z/ZF
380～480
440～560
≥19
橫向
HX420LAD+Z/ZF
420～520
470～590
≥17
橫向
通過國際在線上查新檢索的專利和相關文獻表明，汽車用熱鍍鋅析出強化鋼的生產在國際上已經商業化，大多用於汽車內板和各種結構件和加強件，而強度級別為350～430兆帕的熱鍍鋅析出強化鋼尚未見文獻記載。在線上檢索到的相關專利文獻有：CN99801687.X，“高強度薄鋼板、高強度合金化熱鍍鋅鋼板及它們的製造方法”；CN02800375.6，“高強度熱鍍鋅鋼板及其製造方法”。這兩篇專利文獻涉及的成分體系是低碳（0.03～0.2％）、高錳（1.0％以上），添加了一定量的Si（0.5～1.0％），及少量的Mo和Cr。
由於熱鍍鋅產品的退火是在鍍鋅線上完成的，要經過460℃左右的鋅池，故在添加合金元素提高強度的同時，要考慮基板的可鍍性及汽車結構件對表面質量的要求，Si、Mn元素過多時在退火過程中易在表面形成富集，影響鍍鋅時基板的浸潤性，造成漏鍍等鍍鋅缺陷。
對於抗拉強度350～430兆帕級的冷軋熱鍍鋅汽車結構件，需要滿足汽車結構件對衝壓和焊接性要求，防止沖裂、回彈等。
《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》發明者通過控制碳含量、降低錳含量、不加Si、Mo和Cr，添加少量微合金元素Nb的成分設計及控制生產工藝，得到抗拉強度350～430兆帕、焊接和表面質量優良的CQ級析出強化鋼，從而完成了該發明。

發明內容

專利目的

《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》的第一個目的是提供一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼。
《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》的第二個目的是提供這種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼的製造方法。

技術方案

《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》提供的高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼具有如下以重量百分比計的化學成分：C：0.02～0.10％；Si：≤0.1％；Mn：0.10～0.80％；P：≤0.05％；S：≤0.015％；T.Al：0.01～0.10％；Nb：0.002～0.02％；其餘為Fe和不可避免的雜質。
《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》的高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼具有的抗拉強度為350兆帕～430兆帕。
《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》的高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼的合金設計理由如下：
C：0.02～0.10％。C是重要的固溶強化元素，可以使材料獲得高的強度，但高的碳含量會使材料的衝壓性和焊接性惡化，所以碳不能太高，再結合考慮材料需要達到的350～430兆帕的強度級別和性能範圍，因此碳控制在0.02～0.10％。
Si：≤0.1％。Si是鐵素體固溶強化元素，極大地提高強度，但對於熱鍍鋅鋼板來說，Si含量高時在鋼板表面析出產生氧化膜影響表面處理，從而降低鋼板和液體鋅的濕潤粘附張力，會直接影響基板的可鍍性，從而影響熱鍍鋅鋼板表面質量，所以Si元素控制儘量少。
Mn：為了保證鋼的綜合機械性能（強度、韌性），需要添加一定量的Mn，Mn尤其對抗拉強度影響較大。但Mn含量高時一方面會影響基板的可鍍性和表面質量，同時也對焊接性不利，所以在保證材料強度的前提下儘量減少錳元素的添加量。
T.Al：0.02～0.10％。Al的主要功能是脫氧劑，不宜過低，但過高時影響連鑄生產。
P：≤0.05％。P是一種價廉的固溶強化元素，適量的P對強度是有益的，但過高時影響焊接性。所以《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》在保證材料強度的前提下儘量控制P元素；
S：≤0.015％。S在鋼中易形成MnS，引起熱脆，同時影響焊接性，所以S要儘量低，一般控制在0.015％以下。
Nb：0.002～0.02％。一方面Nb通過抑制再結晶細化晶粒提高材料的強度和韌性，另一方面，NbC、NbN等析出物彌散分布，通過位錯的“繞過析出物”和“切過析出物”兩種機理起到析出強化的作用，但考慮《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》的材料強度相對較低，抗拉強度350兆帕，所以添加了很少量的Nb元素，在降低C、Si、Mn、P元素含量的情況下保證材料的強度，同時使材料有高的屈強比（0.7以上），從而保證材料有好的綜合機械性能、良好的焊接性和表面質量。
《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》的第二方面提供上述高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼的製備方法，包括冶煉、連鑄、熱軋、酸洗、冷軋軋制、退火和熱鍍鋅工序，其中熱軋工序控制加熱溫度≤1250℃，終軋溫度≥870℃，卷取溫度在600℃～680℃；退火工序控制溫度在720℃～820℃。
按如下以重量百分比計的化學成分進行冶煉：C：0.02～0.10％；Si≤0.1％；Mn：0.10～0.80％；P≤0.05％；S≤0.015％；T.Al：0.01～0.10％；Nb：0.002～0.02％；其餘為Fe和不可避免的雜質。
然後通過連鑄鑄成板坯。
熱軋工序中控制以下參數：
終軋溫度：熱軋時材料是進行完全再結晶軋制，為了避免材料進入兩相區軋制導致混晶，所以終軋溫度≥870℃，控制在Ar3溫度之上。
捲曲溫度：捲曲溫度過高，會導致晶粒粗大最終對成品材料強度影響較大。綜合考慮到析出物的析出和長大，採用600～680℃的高溫捲曲，以得到較細小的鐵素體基體晶粒組織和尺寸適當的碳、氮析出物原始組織。
然後按常規進行酸洗冷軋。
退火工序如圖1所示。再結晶退火溫度是控制高強鋼性能最為重要的工藝因素，在保證材料完全再結晶退火和奧氏體組織不粗化的前提下儘量採取低的退火溫度；但考慮到鋅層的可鍍性，所以退火溫度不要太低。《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》的高屈強比熱鍍鋅鋼板製備方法中，臨界再結晶退火溫度為720～820℃。

改善效果

《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》涉及的一種抗拉強度350～430兆帕熱鍍鋅汽車結構件的生產製造技術，具有良好的焊接性、高屈強比和優質的表面質量，基板為冷軋板，鍍層分有熱鍍純鋅及鋅鐵合金化熱鍍鋅，微觀組織如圖2所示為均勻的鐵素體基體加沿晶界彌散析出的滲碳體。
《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》通過控制一定量的碳含量，低的錳含量（0.3以下），不加Si，不添加Mo和Cr，添加少量的微合金元素Nb，通過碳錳的固溶強化和NbC的析出強化的效果得到抗拉強度350～430兆帕的析出強化鋼，同時較低的Si、Mn含量使熱鍍鋅鋼板有好的可鍍性從而保證材料有高的表面質量。《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》鋼種的微觀組織如圖2所示，為均勻的鐵素體基體加沿晶界彌散析出的滲碳體。
《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》鋼材的成分體系低矽、低錳，且不含鉻、鉬等合金元素，故成本低。
《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》鋼材的橫向力學性能滿足屈服強度260～330兆帕，抗拉強度350～430兆帕，延伸率EL80≥26％。

附圖說明

圖1為熱鍍鋅退火模擬工藝示意圖。
圖2為《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》鋼種的金相組織。
圖3為《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》鋼種的典型拉伸曲線。
圖4為《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》鋼種屈服強度和平整延伸率的關係曲線。

技術領域

《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》屬於金屬材料領域，涉及熱鍍鋅結構件用鋼，特別涉及高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼。

權利要求

1.一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼具有如下以重量百分比計的化學成分：C：0.02～0.10％；Si：≤0.1％；Mn：0.10～0.80％；P：≤0.05％；S：≤0.015％；T.Al：0.01～0.10％；Nb：0.002～0.02％；其餘為Fe和不可避免的雜質。
2.如權利要求1所述的高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼，其抗拉強度為350兆帕～430兆帕。
3.權利要求1所述高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼的製備方法，包括冶煉、連鑄、熱軋、酸洗、冷軋軋制、退火和熱鍍鋅工序，其特徵在於：熱軋工序中加熱溫度≤1250℃，終軋溫度≥870℃，卷取溫度為600℃～680℃；退火工序中退火溫度為720℃～820℃。

實施方式

實施例1-8：
按如下材料配比，在氧氣頂吹轉爐中冶煉，然後通過連鑄鑄成板坯，再進行熱軋、酸洗、冷軋軋制、退火、熱鍍鋅。各實施例鋼材的成分、工藝和性能實績見表2。
表2、各實施例鋼材的成分、工藝、性能

C
Si
Mn
P
S
T.Al
Nb
終軋溫度
捲曲溫度
退火溫度
σs兆帕
σb兆帕
δ50％
屈強比
實施例1
0.054
0.019
0.19
0.017
0.005
0.043
0.005
870
680
740
279
372
39
0.75
實施例2
0.070
0.009
0.41
0.006
0.006
0.045
0.004
890
600
780
305
388
38
0.78
實施例3
0.083
0.012
0.54
0.006
0.003
0.055
0.010
870
650
820
345
440
35
0.78
實施例4
0.097
0.015
0.74
0.010
0.005
0.075
0.018
900
680
820
365
453
34
0.81
實施例5
0.023
0.017
0.12
0.008
0.005
0.015
0.002
870
600
720
255
350
40
0.73
實施例6
0.033
0.015
0.28
0.006
0.003
0.035
0.008
870
620
750
265
358
39
0.74
實施例7
0.045
0.013
0.38
0.008
0.004
0.065
0.015
870
650
800
289
380
38
0.76
實施例8
0.062
0.012
0.42
0.006
0.006
0.045
0.019
870
650
780
315
425
36
0.74
《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》熱鍍鋅鋼材與比較鋼的化學成分範圍比較見表3。
表3、該發明與比較鋼的化學成分範圍比較（wt％）

C
Si
Mn
P
S
T.Al
Nb
Cr
Mo
該發明鋼
0.02～0.10％
≤0.1％
0.10～0.80％
≤0.05％
≤0.015％
0.02～0.10％
0.002～0.02％--
-
-
CN99801687.X
0.01～0.2％
≤1.0％
1.0～3.0％
≤0.10％
≤0.05％
≤0.1％
-
≤1.0％
0.001～1.00％
CN02800375.6
0.03～0.25％
≤0.7％
1.4～3.5％
≤0.05％
≤0.01％
-
0.005-0.1％
0.05-1％
-
考慮到熱鍍鋅材料的表面質量控制和減小屈服強度的波動範圍，所以在試生產中對發明材料進行了平整試驗，《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》鋼種屈服強度和平整延伸率的關係曲線如圖4所示，當對發明材料進行1.0±0.2％的平整後，屈服波動較小，材料表面質量良好。

榮譽表彰

2016年12月7日，《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其製造方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。

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