擴孔性能穩定的高擴孔鋼及其生產方法與流程
2023-12-09 20:52:56 2
本發明涉及汽車用鋼技術領域，具體地涉及一種擴孔性能穩定的高擴孔鋼及其生產方法。
背景技術：
隨著汽車工業的快速發展，汽車排放對環境汙染的影響日益突出，節能減排刻不容緩，汽車輕量化是汽車節能減排的有效手段。車輪作為高速旋轉的部件，其輕量化節能是其它零部件的1.5倍左右，效果尤為顯著。汽車車輪、底盤等部件由於其複雜的成形、翻邊、擴孔工序而要求材料具有高成性能、高翻邊性能。目前國內乘用車鋼質車輪、底盤結構件主要使用低合金高強鋼，其中車輪輪輻件部分使用鐵素體/馬氏體雙相鋼(DP鋼)，實際生產中由於低合金高強鋼和DP鋼的擴孔性能較低，因此在擴孔翻邊工序中常出現開裂，影響生產效率和成材率，而且，若車輪上存在未被發現的細小裂紋，對車輛行駛會造成嚴重的安全隱患。
與傳統材料低合金高強鋼、DP鋼相比，熱軋鐵素體貝氏體鋼(FB鋼)具有高強度和良好冷成形性、良好的擴孔、焊接及疲勞性能，是汽車車輪和底盤結構件等部件用熱軋高強度鋼板的理想材料。
如中國發明專利(授權公告號：CN103526116B，授權公告日：2015-07-08)公開了題為抗拉強度590MPa級具有高擴孔性能的鐵素體貝氏體鋼及其生產方法的中國專利文獻。該鋼的化學成分按重量百分數計為：C：0.05～0.10％，Si：0.10～0.50％，Mn：0.80～1.50％，P：0.03～0.06％，S≤0.008％，Cr：0.20～0.60％，Nb：0.03～0.06％，Al：0.01～0.06％，餘量為Fe及不可避免的雜質。該鋼的生產方法包括轉爐冶煉、真空處理、連鑄、鑄坯加熱、粗軋、精軋、冷卻、卷取的步驟。實踐證明，該鋼的擴孔翻邊性能、衝壓成形性能和焊接性能優良，能適用於汽車車輪、底盤等結構件，同時，其生產方法工藝流程簡單，成本低廉。缺點是由於在實際生產過程中，以保證帶鋼頭尾的溫度均勻性，通常採用升速軋制技術，帶鋼的軋制速度越來越快，其在水冷段的時間會相應縮短，造成冷卻不夠，即卷取的溫度波動大，從而引發包括擴孔性能在內的性能波動較大。此外，空冷段測量溫度受鋼板表面殘留的冷卻水及水霧的影響，空冷段鋼板板溫的測量精度不高，會對工藝執行帶來不利的影響。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供了一種擴孔性能穩定的高擴孔鋼及其生產方法。該生產方法採用較低的鈮合金含量，優選6～8米的短坯進行準恆速軋制，同時對冷卻過程進行控制，製備得到了擴孔性率高，且擴孔性能穩定的鋼卷。
為實現上述目的，本發明公開了一種擴孔性能穩定的高擴孔鋼化學成分按質量百分數計為：
C：0.06～0.10％、Si：0.10～0.25％、Mn：1.40～1.60％、P≤0.015％、S≤0.010％、Nb：0.015～0.049％，餘量為Fe及不可避免的雜質。
進一步地，化學成分按質量百分數計為：
C：0.06～0.10％、Si：0.10～0.25％、Mn：1.40～1.60％、P≤0.015％、S≤0.010％、Nb：0.015～0.025％，餘量為Fe及不可避免的雜質。
再進一步地，所述高擴孔鋼的擴孔率大於或等於98％，且小於或等於105％，高擴孔鋼頭中尾部位擴孔率的波動性≤5％。
更進一步地，所述高擴孔鋼的屈服強度ReL≥460MPa，抗拉強度Rm為580～700MPa，延伸率A≥21％，且高擴孔鋼頭中尾部位的力學性能波動在20Mpa之間。
本發明還公開了一種擴孔性能穩定的高擴孔鋼的生產方法，包括轉爐冶煉、真空處理、連鑄、鑄坯加熱、粗軋、精軋、冷卻、卷取的步驟，其特殊之處在於：關鍵工藝過程如下：
鑄坯加熱工藝過程，得到的鑄坯為短坯，短坯的長度為4～8m；
粗軋和精軋工藝過程，採用準恆速軋制工藝，軋鋼加速度≤0.007m/s2；
冷卻工藝過程，採用兩段式冷卻，第一段冷卻的水冷冷速為80～220℃/s，第二段冷卻的水冷冷速為40～140℃/s；且第一段冷卻與第二段冷卻之間為空冷段，空冷段測溫點在距離F7軋機的30～40m之間移動。
進一步地，第一段冷卻後採用側噴，並配備風機。
再進一步地，鑄坯加熱工藝過程，加熱溫度為1220～1260℃，得到的鑄坯為短坯，短坯的長度為6～8m；
粗軋和精軋工藝過程，採用準恆速軋制工藝，軋鋼加速度≤0.005m/s2；
冷卻工藝過程，採用兩段式冷卻，第一段冷卻為超快冷卻工藝，水冷冷速為100～200℃/s，第二段冷卻為加密冷卻工藝，水冷冷速為60～120℃/s。
再進一步地，第一段冷卻後採用側噴，並配備風機。
更進一步地，空冷段的開始溫度為680～740℃，空冷時間為8～12s。
更進一步地，粗軋工藝過程，粗軋的出口溫度1080～1120℃；
精軋工藝過程，精軋前的鋼坯採用保溫罩保溫處理，精軋的終軋溫度820～860℃；
卷取工藝過程，卷取溫度控制在400～450℃之間。
本發明的原理：
1、各種化學成分的選用原理：
碳(C)：是最廉價的固溶強化元素，影響FB鋼中貝氏體的體積分數和含碳量，從而對FB鋼的強度有重要影響。如果其含量小於0.06％，則不能滿足材料強度的要求，如果隨著碳含量的提高，則衝壓成形性和焊接性會降低，因此在保證強度的前提下採用較低碳含量，所以，將其含量限定在0.06～0.10％範圍。
矽(Si)：可以通過固溶強化提高鋼材強度，還可抑制碳化物的析出，避免珠光體相的出現。如果其含量小於0.10％，則不能發揮其效果；如果其含量超過0.25％，則會惡化熱軋鋼板的表面質量和焊接性能，所以，將其含量限定在0.10～0.25％之間。
錳(Mn)：是有效的固溶強化和促進貝氏體生成元素，為了發揮其效果，必須添加0.8％以上。但是添加多量的錳，會導致鋼的塑性下降，因此在保證強度的前提下，減少Mn的添加量，所以將Mn含量限定在0.8～2.0％範圍，優選為1.40～1.60％。
磷(P)：是良好的固溶強化元素，能提高鋼的淬透性，有利於得到片層較薄的貝氏體相，但P添加量高於0.03％時，易由於偏析嚴重造成衝壓成形性能、韌性、二次加工性能發生惡化，因此，將P含量限定在0.03以下，優選為低於0.015％。
硫(S)：是非常有害的元素，鋼中的硫常以錳的硫化物形態存在，這種硫化物夾雜對鋼的衝擊韌性是十分不利的，並造成性能的各向異性，因此，需將鋼中硫含量控制得越低越好。基於對鋼板衝壓成形工藝和製造成本的考慮，擬將鋼中硫含量控制在0.010％以下。
鈮(Nb)：是非常有效的細化晶粒、提高強度和韌性元素。可以通過抑制軋制變形後的再結晶奧氏體晶粒的長大，冷卻後得到晶粒細小的鐵素體等組織，提高鋼的強度和韌性。此外析出的NbC，有利於鋼材強度的提高。Nb含量低於0.015％時，NbC析出不足，難以達到本發明要求的強度，當含量高於0.049％時強化效果接近飽和，且合金成本升高。因此將Nb元素的含量限定在0.015～0.049％，優選為0.015～0.025％。
2、本發明生產方法的工作原理：
(1)本發明採用了較低的鈮元素含量，充分利用鈮的細晶效果和高擴孔鋼的組織強化效果，由於高擴孔鋼的卷取溫度為400～450℃，這是貝氏體形成的溫度範圍，然而在該溫度範圍下，第二相析出強化的效果很弱，因此降低鈮元素含量，充分利用組織強化，即利用貝氏體的量來提高強度。
(2)為了保證兩段式冷卻工藝過程中，鋼卷頭部中部尾部溫度的穩定性，最終保證整卷擴孔性能的穩定，採用「短坯+準恆速軋制」模式，準恆速軋制的目的就是將加速度設至最低，以實現恆速軋制，短坯可保證在準恆速軋制模式下，鋼卷尾部的溫降小，從而達到升速軋制工藝相同的效果；而準恆速軋制模式，可保證帶鋼在通過層流冷卻時的時間相等，這樣冷卻效果相同，工藝命中率高。
(3)為了保證空冷段溫度的測量準確性，空冷段採用風機及側噴，側噴是為了去除鋼板表面的水漬，風機是為了吹掃水氣，同時測量空冷段溫度的測溫槍是可移動的，這樣就在空冷段中部測溫，讓鋼板表面和中部溫度均勻後再進行測量，使溫度更具代表性，而且遠離第一段水冷，水冷後配置的側噴水嘴和風機，同樣可減少鋼板表面殘留冷卻水和水蒸氣對測量結果的不利影響。
(4)採用超快冷設備，使得第一段水冷的冷速可達100～200℃/s，這樣精軋之後帶鋼晶粒內部大量的形變帶得以保留，相變過程中形核處多，相變後鐵素體晶粒細化，在如此高的冷速下，第一段水冷時間僅為1.0～1.5s，這樣在層流冷卻段有限的長度裡，給空冷段留出足夠的空冷時間。而第二段水冷採用加密冷卻，也可使冷速高達60～120℃/s，這樣就可以避開珠光體的形成區間，使未轉變的奧氏體全部轉變為貝氏體。
有益效果：
採用本發明的生產方法製備的鋼卷，擴孔性能穩定，使鋼卷的頭部中部尾部的擴孔率達到了98％以上，且同一個鋼卷的頭部中部尾部的擴孔率波動性在5％以下，得到鋼卷的屈服強度ReL≥460MPa，抗拉強度Rm為580～700MPa，延伸率A≥21％，且高擴孔鋼頭中尾部位的力學性能波動在20Mpa之間。因此本發明製備的高擴孔鋼適用於對材料性能要求高的汽車車輪、底盤等部件的生產。
附圖說明
圖1為實施例1製備的鋼卷尾部的金相結構組織圖；
圖2為對比例製備的鋼卷尾部的金相結構組織圖；
圖3為對比例製備的鋼卷尾部擴孔試樣的掃描電鏡示意圖。
具體實施方式
為了更好地解釋本發明，以下結合具體實施例進一步闡明本發明的主要內容，但發明的內容不僅僅局限於以下實施例。
實施例1
本實施例製備擴孔性能穩定的高擴孔鋼，化學成分按質量百分數計為：
C：0.06％、Si：0.10％、Mn：1.40％、P：0.015％、S：0.010％、Nb：0.03％，餘量為Fe及不可避免的雜質。
本實施例的擴孔性能穩定的高擴孔鋼的生產方法，包括轉爐冶煉、真空處理、連鑄、鑄坯加熱、粗軋、精軋、冷卻、卷取的步驟，其中，關鍵工藝過程參數如下：
鑄坯加熱溫度為1220℃，得到的鑄坯為短坯，短坯的長度為6.1m；
粗軋的出口溫度1080℃，精軋前的鋼坯採用保溫罩保溫處理，精軋的終軋溫度820℃；在粗軋和精軋的軋制工藝過程中，軋鋼採用準恆速工藝進行軋制，軋鋼的加速度為0.005m/s2。
兩段式冷卻中，第一段冷卻為超快冷卻工藝，水冷冷速為110℃/s，第二段冷卻為加密冷卻工藝，水冷冷速為120℃/s；在第一段冷卻與第二段冷卻之間存在空冷段，採用配風機，及側噴的方式進行空冷，空冷的開始溫度740℃，空冷時間12s；測量空冷段溫度的儀器可以在第七軋機後30米移動；
卷取溫度控制在430～450℃之間。
本實施例製備得到的高擴孔鋼的性能如表1所示。
實施例2
本實施例製備擴孔性能穩定的高擴孔鋼，化學成分按質量百分數計為：
C：0.10％、Si：0.25％、Mn：1.60％、P：0.010％、S：0.008％、Nb：0.049％，餘量為Fe及不可避免的雜質。
本實施例的擴孔性能穩定的高擴孔鋼的生產方法，包括轉爐冶煉、真空處理、連鑄、鑄坯加熱、粗軋、精軋、冷卻、卷取的步驟，其中，關鍵工藝過程參數如下：
鑄坯加熱溫度為1260℃，得到的鑄坯為短坯，短坯的長度為6.8m；
粗軋的出口溫度1100℃，精軋前的鋼坯採用保溫罩保溫處理，精軋的終軋溫度840℃；在粗軋和精軋的軋制工藝過程中，軋鋼採用準恆速工藝進行軋制，軋鋼的加速度為0.003m/s2。
兩段式冷卻中，第一段冷卻為超快冷卻工藝，水冷冷速為130℃/s，第二段冷卻為加密冷卻工藝，水冷冷速為100℃/s；在第一段冷卻與第二段冷卻之間存在空冷段，採用配風機，及側噴的方式進行空冷，空冷的開始溫度720℃，空冷時間10s；測量空冷段溫度的儀器可以在第七軋機後35米移動；
卷取溫度控制在400～410℃之間。
本實施例製備得到的高擴孔鋼的性能如表1所示。
實施例3
本實施例製備擴孔性能穩定的高擴孔鋼，化學成分按質量百分數計為：
C：0.07％、Si：0.15％、Mn：1.50％、P：0.008％、S：0.005％、Nb：0.015％，餘量為Fe及不可避免的雜質。
本實施例的擴孔性能穩定的高擴孔鋼的生產方法，包括轉爐冶煉、真空處理、連鑄、鑄坯加熱、粗軋、精軋、冷卻、卷取的步驟，其中，關鍵工藝過程參數如下：
鑄坯加熱溫度為1240℃，得到的鑄坯為短坯，短坯的長度為7.5m；
粗軋的出口溫度1100℃，精軋前的鋼坯採用保溫罩保溫處理，精軋的終軋溫度840℃；在粗軋和精軋的軋制工藝過程中，軋鋼採用準恆速工藝進行軋制，軋鋼的加速度為0.002m/s2。
兩段式冷卻中，第一段冷卻為超快冷卻工藝，水冷冷速為150℃/s，第二段冷卻為加密冷卻工藝，水冷冷速為80℃/s；在第一段冷卻與第二段冷卻之間存在空冷段，採用配風機，及側噴的方式進行空冷，空冷的開始溫度700℃，空冷時間9s；測量空冷段溫度的儀器可以在第七軋機後35米移動；
卷取溫度控制在420～440℃之間。
本實施例製備得到的高擴孔鋼的性能如表1所示。
實施例4
本實施例製備擴孔性能穩定的高擴孔鋼，化學成分按質量百分數計為：
C：0.09％、Si：0.20％、Mn：1.50％、P：0.005％、S：0.005％、Nb：0.025％，餘量為Fe及不可避免的雜質。
本實施例的擴孔性能穩定的高擴孔鋼的生產方法，包括轉爐冶煉、真空處理、連鑄、鑄坯加熱、粗軋、精軋、冷卻、卷取的步驟，其中，關鍵工藝過程參數如下：
鑄坯加熱溫度為1250℃，得到的鑄坯為短坯，短坯的長度為8.0m；
粗軋的出口溫度1120℃，精軋前的鋼坯採用保溫罩保溫處理，精軋的終軋溫度850℃；在粗軋和精軋的軋制工藝過程中，軋鋼採用準恆速工藝進行軋制，軋鋼的加速度為0.001m/s2。
兩段式冷卻中，第一段冷卻為超快冷卻工藝，水冷冷速為180℃/s，第二段冷卻為加密冷卻工藝，水冷冷速為60℃/s；在第一段冷卻與第二段冷卻之間存在空冷段，採用配風機，及側噴的方式進行空冷，空冷的開始溫度680℃，空冷時間8s；測量空冷段溫度的儀器可以在第七軋機後340米移動；
卷取溫度控制在400～420℃之間。
本實施例製備得到的高擴孔鋼的性能如表1所示。
對比例
對比例製備擴孔性能穩定的高擴孔鋼，化學成分按質量百分數計為：
C：0.07％、Si：0.15％、Mn：1.50％、P：0.005％、S：0.005％、Nb：0.065％，餘量為Fe及不可避免的雜質。
本對比例的擴孔性能穩定的高擴孔鋼的生產方法，包括轉爐冶煉、真空處理、連鑄、鑄坯加熱、粗軋、精軋、冷卻、卷取的步驟，其中，關鍵工藝過程參數如下：
鑄坯加熱溫度為1250℃，得到的鑄坯的長度為10.0m；
粗軋的出口溫度1120℃，精軋的終軋溫度850℃；在粗軋和精軋的軋制工藝過程中，軋鋼採用準恆速工藝進行軋制，軋鋼的加速度為0.025m/s2。
兩段式冷卻中，第一段冷卻的水冷冷速為60℃/s，第二段冷卻的水冷冷速為40℃/s；在第一段冷卻與第二段冷卻之間存在空冷段，採用配風機，及側噴的方式進行空冷，空冷的開始溫度700℃，空冷時間5s；測量空冷段溫度的儀器可以在第七軋機後35米移動；
卷取溫度控制在430～520℃之間。
對比例製備得到的高擴孔鋼的性能如表1所示。
表1實施例和對比例製備的高擴孔鋼的性能參數表
實施例與對比例相比，實施例在軋鋼生產時優先採用坯長為6～8m之間的短坯，在精軋前採用保溫罩進行保溫處理，在軋制過程中採用準恆速軋制工藝，軋鋼加速度≤0.005m/s2，且第一段冷卻採用超快冷工藝，冷速可達100～200℃/s，第二段冷卻採用加密冷卻工藝，冷速為60～120℃/s，採用上述工藝，製備的高擴孔鋼，結合表1可知，力學性能滿足屈服強度ReL≥460MPa，抗拉強度Rm為580～700MPa，延伸率A≥21％的要求，並且製備得到的鋼卷頭中尾的力學性能波動在20MPa以內，擴孔率均能大於或等於98％，且小於等於105％，不但擴孔性能提高，且同一個鋼卷頭中尾擴孔率的波動範圍在5％以內。
如圖1和圖2所示，分別得到實施例1和對比例製備的高擴孔鋼，即鋼卷的尾部組織的金相組織結構圖，從圖1中可看出，本實施例製備的高擴孔鋼金相組織均勻，孔隙小。
圖3為對比例鋼卷尾部擴孔試樣的掃描電鏡示意圖，從圖3中可看出，鋼卷尾部出現較多的空洞，而這些空洞均是由珠光體引起的，由此可知，在冷卻階段，由於冷卻工藝的不當，形成了大量的珠光體。
以上實施例僅為最佳舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定。除上述實施例外，本發明還有其他實施方式。凡採用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護範圍。