一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其制造方法

《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其制造方法》屬于金屬材料領域，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。

截至2009年2月，在過去的幾十年里，作為汽車結構件用鋼，經(jīng)歷了幾次重要的變革與發(fā)展，最初以低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼和含磷鋼為主，主要通過固溶強化提高鋼板強度；基于汽車結構用鋼安全、減重、節(jié)能的發(fā)展潮流，使用高強度鋼板已成為汽車結構用鋼的發(fā)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(fā)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(xiàn)。2009年2月前CQ級熱鍍鋅析出強化鋼尤其得到了廣泛的應用，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，適合制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(guī)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。

通過國際聯(lián)機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(chǎn)在國際上已經(jīng)商業(yè)化，大多用于汽車內(nèi)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。聯(lián)機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制造方法”；CN02800375.6，“高強度熱鍍鋅鋼板及其制造方法”。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。

由于熱鍍鋅產(chǎn)品的退火是在鍍鋅線上完成的，要經(jīng)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。

對于抗拉強度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沖壓和焊接性要求，防止沖裂、回彈等。

《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其制造方法》發(fā)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(chǎn)工藝，得到抗拉強度350～430兆帕、焊接和表面質量優(yōu)良的CQ級析出強化鋼，從而完成了該發(fā)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制造方法》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制造方法》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制造方法》鋼種屈服強度和平整延伸率的關系曲線。

2016年12月7日，《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其制造方法》獲得第十八屆中國專利優(yōu)秀獎。 2100433B

實施例1-8：

按如下材料配比，在氧氣頂吹轉爐中冶煉，然后通過連鑄鑄成板坯，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。

《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其制造方法》熱鍍鋅鋼材與比較鋼的化學成分范圍比較見表3。

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范圍，所以在試生產(chǎn)中對發(fā)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制造方法》鋼種屈服強度和平整延伸率的關系曲線如圖4所示，當對發(fā)明材料進行1.0±0.2％的平整后，屈服波動較小，材料表面質量良好。

一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其制造方法專利目的

《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其制造方法》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制造方法》的第二個目的是提供這種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼的制造方法。

一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其制造方法技術方案

《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其制造方法》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％；其余為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制造方法》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制造方法》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沖壓性和焊接性惡化，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范圍，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，但對于熱鍍鋅鋼板來說，Si含量高時在鋼板表面析出產(chǎn)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元素控制盡量少。

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盡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(chǎn)。

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制造方法》在保證材料強度的前提下盡量控制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要盡量低，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制造方法》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制造方法》的第二方面提供上述高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼的制備方法，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％；其余為Fe和不可避免的雜質。

然后通過連鑄鑄成板坯。

熱軋工序中控制以下參數(shù)：

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(qū)軋制導致混晶，所以終軋溫度≥870℃，控制在Ar3溫度之上。

卷曲溫度：卷曲溫度過高，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，采用600～680℃的高溫卷曲，以得到較細小的鐵素體基體晶粒組織和尺寸適當?shù)奶肌⒌龀鑫镌冀M織。

然后按常規(guī)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盡量采取低的退火溫度；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制造方法》的高屈強比熱鍍鋅鋼板制備方法中，臨界再結晶退火溫度為720～820℃。

一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其制造方法改善效果

《一種高屈強比熱鍍鋅結構件用鋼及其制造方法》涉及的一種抗拉強度350～430兆帕熱鍍鋅汽車結構件的生產(chǎn)制造技術，具有良好的焊接性、高屈強比和優(yōu)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制造方法》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制造方法》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制造方法》鋼材的成分體系低硅、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制造方法》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％。

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％；其余為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制備方法，包括冶煉、連鑄、熱軋、酸洗、冷軋軋制、退火和熱鍍鋅工序，其特征在于：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℃。

一種高強度冷軋熱鍍鋅雙相鋼板及其制造方法專利目的

《一種高強度冷軋熱鍍鋅雙相鋼板及其制造方法》所要解決的技術問題是提供一種能在連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線上制造抗拉強度在490～700兆帕之間、強度和延性匹配良好、可鍍性能優(yōu)良的高強度冷軋熱鍍鋅雙相鋼板及其制造方法。

一種高強度冷軋熱鍍鋅雙相鋼板及其制造方法技術方案

《一種高強度冷軋熱鍍鋅雙相鋼板及其制造方法》在不需要復合添加Mo、Cr、B、Ni等多種貴重合金元素的情況下，控制熱軋和退火鍍鋅工藝參數(shù)，保證鋼板的高強度、兩相組織和鍍鋅質量。

一種高強度冷軋熱鍍鋅雙相鋼板，其特征在于成分按質量百分比為C：0.03％～0.15％、Si：≤0.15％、Mn：1.00％～1.75％、P：≤0.015％、S：≤0.012％、Al：0.02％～0.15％、Cr：0.35～0.75％、Cu：0.02％～0.15％、Ti0.010～0.035％、N：≤0.005％，并且滿足1.5％≤Mn 1.29Cr 0.46Cu≤2.5％，余量為Fe和不可避免的雜質。

組成成分優(yōu)選按質量百分比：C：0.06％～0.12％、Si：≤0.10％、Mn：1.20％～1.50％、P：≤0.010％、S：≤0.008％、Al：0.050％～0.100％、Cr：0.40～0.60％、Cu：0.07％～0.10％、Ti：0.015～0.030％、N：≤0.003％，并且滿足1.7％≤Mn 1.29Cr 0.46Cu≤2.3％，余量為Fe和不可避免的雜質。

《一種高強度冷軋熱鍍鋅雙相鋼板及其制造方法》鋼種成分控制原理如下：

C：是最有效的強化元素，是形成馬氏體的主要元素，直接影響臨界區(qū)處理后雙相鋼中馬氏體體積分數(shù)和馬氏體中的碳含量，并決定了雙相鋼的硬度和馬氏體的精細結構。雙相鋼中碳含量一般應該小于0.2％，為保證鋼具有好的伸長率和良好的焊接性，該發(fā)明中碳含量控制在0.03％～0.15％。

Si：是強化鐵素體的元素，促使碳向奧氏體偏聚，對鐵素體中固溶碳有清除和凈化作用，以避免間隙固溶強化和冷卻時粗大碳化物的生成，有助于提高雙相鋼的延性，但為了避免Si含量過高引起鋼板的浸鍍性能，《一種高強度冷軋熱鍍鋅雙相鋼板及其制造方法》Si控制在的0.15％以下。

Mn：屬于擴大奧氏體相區(qū)，穩(wěn)定奧氏體的元素，可以有效提高奧氏體島的淬透性，因而可以降低臨界區(qū)加熱后獲得雙相鋼組織和性能所必須的冷卻速率，并起到固溶強化和細化鐵素體晶粒的作用，可顯著推遲珠光體轉變和貝氏體轉變。高錳含量容易引起滲碳體、珠光體、貝氏體為主的帶狀組織，同時影響基板的可鍍性和焊接性?！兑环N高強度冷軋熱鍍鋅雙相鋼板及其制造方法》Mn含量控制在1.00％～1.75％。

Cr：中強碳化物形成元素，顯著提高鋼的淬透性，能強烈推遲珠光體轉變和貝氏體轉變，增大奧氏體的過冷能力，從而細化組織，起到強化效果。另外，鋼中的鉻元素能促進鋅液對鋼的侵蝕?！兑环N高強度冷軋熱鍍鋅雙相鋼板及其制造方法》Cr的含量控制在0.35％～0.75％。

Al：Al在雙相鋼中所起的作用與Si相似，同時Al還可以形成AlN析出，起到一定的細化晶粒作用。由于《一種高強度冷軋熱鍍鋅雙相鋼板及其制造方法》鋼中硅含量低，因此少量鋁的存在，在保證強度的前提下，可提高雙相鋼的延性，同時Al是主要的脫氧劑，不宜過低，但過多簇狀氧化鋁內(nèi)夾雜物增多，使鋼的延展性變差，又會影響煉鋼和連鑄生產(chǎn)，該發(fā)明中Al含量控制在0.02％～0.15％。

Cu：是對鋼強化的有效元素和提高鋼的耐腐蝕性元素。在退火后的冷卻過程中能抑制珠光體的生成，并且促使馬氏體生成。另外，銅能促進鋼內(nèi)部氧化而提高鍍層粘合性。發(fā)明中Cu含量控制在0.02％～0.15％。

Ti：強碳化物形成元素，具有脫氧和固碳、氮的作用。它能與鋼中游離的碳和氮結合形成TiC和TiN，從而可改善碳和氮對鋼引起的時效現(xiàn)象，另外鋼中的鈦可將酸洗或氫還原時吸入鋼基體中的氫氣固定，使之在熱鍍鋅時不致逸出，從而可防止氫氣對鍍鋅層的不利影響?！兑环N高強度冷軋熱鍍鋅雙相鋼板及其制造方法》中Ti含量控制在0.010％～0.035％。

N：是劣化鋼的耐常溫時效性元素，盡量減少其含量，《一種高強度冷軋熱鍍鋅雙相鋼板及其制造方法》中N含量控制在0.005％以下。

P，S：為鋼中的有害元素。P易在晶界上偏聚引起脆化，使耐沖擊性變差，并對焊接不利。S在鋼中易形成MnS等夾雜物，熱引起熱脆，并且S對焊接性影響較大。《一種高強度冷軋熱鍍鋅雙相鋼板及其制造方法》中P，S含量分別控制在0.015％和0.012％以下。

一種高強度熱鍍鋅鋼板的制造方法，其特征在于，首先上述成分轉爐冶煉，爐外精煉后澆鑄成170～230毫米厚的板坯，再進行熱連軋、冷酸連軋；在連續(xù)鍍鋅線上退火鍍鋅，從均熱溫度冷卻至鋅池溫度進行熱浸鍍，完成浸鍍后冷卻至室溫，制得高強度熱鍍鋅雙相鋼。

熱連軋時，將板坯加熱到1250～1350℃，保溫120-180分鐘，精軋開軋溫度為1000～1100℃，終軋溫度為890～950℃，卷取溫度620～700℃，得到顯微組織為鐵素體和珠光體的熱軋卷板。熱軋卷板厚度為2.0～6.5毫米。

熱軋卷板經(jīng)酸洗后冷軋成冷軋薄板，冷軋壓下率為60～80％，冷軋卷板厚度為0.5～2.5毫米。

在連續(xù)鍍鋅線上退火時，加熱段末段鋼帶的溫度為810～830℃，均熱段溫度為740～780℃，均熱時間為30～120秒，爐內(nèi)保護氣體露點溫度為-20～-55℃。

退火后采用2段冷卻，冷卻1段將鋼板從均熱溫度冷卻到660-710℃，冷卻速率為3～12℃/秒，冷卻2段再將鋼板冷卻到450～490℃，冷卻速率為10～25℃/秒。

然后進鋅池鍍鋅，鋅池溫度為450～490℃，鍍鋅時間為5～20秒，鍍鋅結束后冷卻至室溫，終冷速率為5～25℃/秒。

《一種高強度冷軋熱鍍鋅雙相鋼板及其制造方法》選擇上述各特征中工藝參數(shù)的原因如下：

將厚度為170～230毫米的板坯加熱，均熱溫度控制在1250～1350℃之間，均熱時間為120-180分鐘，是為了防止溫度過高導致板坯的過燒和過熱，并使板坯的組織和成分均勻化。

精軋開軋溫度控制在1000～1100℃之間，是為了精軋的前幾個機架實現(xiàn)再結晶區(qū)軋制，降低前幾個機架大壓下量下的軋制負荷。

終軋溫度控制在890～950℃之間，是為了合金元素固溶，在退火鍍鋅中析出以細化晶粒。同時Ar3以上的高溫終軋有利于組織均勻性，防止出現(xiàn)嚴重的帶狀組織。

卷取溫度控制在620～700℃之間，是因為在此溫度區(qū)間下高溫卷取，在隨后的共析轉變中容易生成較粗大而彌散分布的碳化物，并且C、Mn等元素在珠光體中明顯富集，可以提高退火鍍鋅時奧氏體的淬透性，彌補連續(xù)鍍鋅設備快冷能力的不足。

熱軋卷板后酸洗后冷軋壓下率控制在60～80％之間，是為充分發(fā)揮冷軋機軋制能力。冷軋壓下率低于60％，冷軋效率低，冷軋壓下率高于80％，加工硬化加強，冷軋變形抗力增加，易造成冷軋機組負荷超限。另外，此壓下率下鋼組織中的珠光體團間距減小和珠光體被破碎得較充分，為鍍鋅退火過程中的晶粒細化提供條件。

連續(xù)熱鍍鋅退火線均熱段長度通常為冷軋退火線均熱段的1/3左右，在同樣走帶速度的前提下其均熱時間也大大縮短。為生產(chǎn)同樣強度級別的雙相鋼，在減少均熱時間的同時就要求相對高的均熱溫度，《一種高強度冷軋熱鍍鋅雙相鋼板及其制造方法》為降低均熱溫度節(jié)約能源，特采用將加熱區(qū)末段溫度控制在810～830℃之間，即“高加熱終止溫度、低均熱溫度”的工藝方法（見附圖1）。均熱溫度控制在740～780℃之間，均熱時間為30～120秒，為使鋼的組織奧氏體化及C、Mn等合金元素從鐵素體中向奧氏體中擴散，提高鐵素體的純凈度，降低鋼的屈服強度。均熱溫度低于740℃，鋼的組織奧氏體化程度不夠，冷卻時不能得到合適的馬氏體含量。

爐內(nèi)保護氣體露點控制在-20～-55℃之間，是因為在此露點范圍鋅液浸潤性穩(wěn)定且易于控制。露點低于-55℃控制難度加大，但高于-20℃時平衡浸潤張力及浸潤速率均急劇下降。

在連續(xù)鍍鋅線上冷卻1段將鋼帶從均熱溫度冷卻到660～710℃，冷卻速率為3～12℃/秒，是為調節(jié)鋼中奧氏體的數(shù)量和分布，改善合金元素在奧氏體和鐵素體中的分布形態(tài)。冷卻2段以10～25℃/秒的冷卻速率，將鋼板冷卻到450～490℃，是為避開珠光體和貝氏體轉變進入鋅池鍍鋅。

鋅池溫度控制在450～490℃，是為鋅池保持與鋼帶相同的溫度鍍鋅，減少了鋼帶與鋅液之間的熱傳導，有利于提高生產(chǎn)效率。根據(jù)鋼帶運行速度，鋼帶在鋅池鍍鋅時間為5～20秒。鍍鋅完畢后以5～25℃/秒的終冷速率冷到室溫，為使鋼發(fā)生低溫轉變，得到鐵素體和馬氏體兩相組織的雙相鋼。

一種高強度冷軋熱鍍鋅雙相鋼板及其制造方法改善效果

《一種高強度冷軋熱鍍鋅雙相鋼板及其制造方法》冶煉時通過減少Si元素的添加量，同時添加一定量的Cr、Ti、Cu合金元素，得到的鋼合金元素組成相對較少；軋制時通過控軋控冷得到合理組織組成和板形優(yōu)良的鍍鋅基板；連續(xù)退火鍍鋅時采用加熱末段到均熱段的微緩冷和快冷段兩次快冷等方式，最終得到抗拉強度在490～700兆帕之間，強度和延性匹配良好，可鍍性能優(yōu)良，厚度在0.5～2.5毫米之間，可用作汽車覆蓋件、內(nèi)板和結構件等的冷軋熱鍍鋅雙相鋼板。

《一種高強度冷軋熱鍍鋅雙相鋼板及其制造方法》屬于汽車用冷軋高強度薄板技術領域，提供了一高強度級冷軋熱鍍鋅雙相鋼及其制造方法。

2016年12月7日，《一種高強度冷軋熱鍍鋅雙相鋼板及其制造方法》獲得第十八屆中國專利優(yōu)秀獎。