超低碳鋼板及其制造方法

專利名稱：超低碳鋼板及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種超低碳鋼板及其制造方法。更特別地，它涉及一種超低碳鋼板，厚度至少為0.30毫米，即使經過大變形量的復雜形狀產品的沖壓成形，例如在電動機外殼或濾油器外殼等產品的沖壓成形過程中，形成如針孔缺陷或在夾雜物處產生沖壓開裂等缺陷的趨勢也小，并涉及制造這種超低碳鋼板的方法。
近年來，在沖壓成形用冷軋鋼板的制造過程中，由于其更高的生產率，趨于使用連續退火的方法。此外，在大變形量成形的產品應用中，趨于使用具有良好成形性能的超低碳鋼板。
然而，在使用超低碳鋼制造要求高壓制程度的電動機外殼或濾油器外殼等產品時，存在產生成形缺陷(如針孔缺陷)和沖壓成形裂紋的情況。
罐的制造，類似于電動機外殼或濾油器外殼等產品的制造，一般使用厚度小于0.30毫米的冷軋鋼板。罐的制造甚至承受比電動機外殼或濾油器外殼更高的成形程度，已經提出了許多措施抑制罐制造過程中的成形缺陷。
例如，日本公開未審專利申請平6-172925/1994和平7-207403/1995公開了一種使厚板坯中的夾雜物細分散的方法。
日本公開未審專利申請平6-17111/1994公開了一種通過使用含Ca或Mg的合金或還原劑減少爐渣中FeO和MnO含量來減少鋼中夾雜物量的方法。
日本公開未審專利申請平11-36045/1999和平11-279678/1999也公開了控制夾雜物組成來作為一種防止缺陷的方法。
然而，上述公開內容涉及低碳鋁脫氧鋼。這些鋼在許多方面使其不適合于作為例如汽車部件等具有復雜形狀的產品制造過程中經過深度變形(severe forming)的冷軋鋼板。在本說明書中，用于這種用途的深度變形將稱為復雜深沖壓。
日本公開未審專利申請平11-279721/1999公開了一種降低低碳鋼中的夾雜物的方法，但是，這種鋼用作厚度最大0.26毫米的罐制造用鍍錫鋼板或無錫鋼。
日本公開未審專利申請2000-1746公開了一種防止形成夾雜物的方法，但是該方法需要加入Ca和/或稀土金屬，所以，其缺點是即使減少了主要含有FeO或MnO的氧化物夾雜物，含Ca夾雜物或含稀土金屬夾雜物增多。
RH真空處理設備常用于超低碳鋼制造過程中的二次精煉，如日本公開未審專利申請平11-36045/1999和日本公開未審專利申請2000-1746。真空脫碳和使用RH真空處理設備進行脫碳后的脫氧是典型的二次精煉方法。
本發明的另一個目的是提供一種制造這種鋼板的方法。
對于為什么厚度至少0.30毫米的冷軋鋼板在其用超低碳鋼制造時比用低碳鋁脫氧鋼制造時，用于沖壓成形更容易形成針孔和沖壓開裂，本發明人進行了研究。結果，他們得到了關于抑制這種缺陷的措施的下列發現。
(1)低碳鋁脫氧鋼在從轉爐排出時經過了強力脫氧處理。此外，在鋼包移動或其它操作過程中在出鋼與開始真空脫氣之間經過了相當長的時間。結果，在出鋼過程中形成的大部分脫氧產物在真空脫氣開始前的過程中已經飄浮到鋼包中的鋼水頂部，并且它們被鋼水表面上的爐渣吸收并除掉。在真空脫氣過程中，夾雜物被除去。
相反，超低碳鋼從轉爐排出時，不經過任何脫氧處理，或者僅經過加入少量鋁的輕微脫氧，脫氧在通過真空脫氣處理脫碳后進行。為此，在脫氧和澆鑄之間的時間短，與低碳鋁脫氧鋼的情況相比，在鋼中殘留大量氧化物夾雜物。這種氧化物夾雜物作為產生針孔和沖壓成形開裂的開始點。
(2)在深沖壓時針孔等缺陷的產生不僅是由于在上述(1)的精煉步驟中在鋼中殘留夾雜物的存在，而且由于澆鑄過程中爐渣中卷入的夾雜物的存在。這些夾雜物來自鋼包中的爐渣或連續澆鑄時使用的粉末。
本發明人使用在解決(1)和(2)中的上述問題條件下制造的厚板坯獲得了熱軋的鋼板。在去氧化皮后，進行冷軋，然后進行退火處理，獲得冷軋鋼板。發現這種鋼板即使經過大變形量復雜形狀產品的沖壓成形，也能抑制起源于夾雜物的例如針孔缺陷和壓制開裂等沖壓缺陷的形成。
根據本發明的一個方面，超低碳鋼用一種化學組成含有(用質量％表示)C最多0.010％、Si最多0.5％、Mn最多1.5％，P最多0.12％，S最多0.030％，Al最多0.080％，N最多0.0080％，以及Ti和Nb的至少一種，Ti最多0.10％和Nb最多0.05％的鋼制成，其中，在根據JIS G0555制備的鋼試樣中，在顯微鏡下觀察，在60個視場內觀察的非金屬夾雜物數量最多20個。
該鋼還可能含有B最多0.0050％，V最多0.05％，和Ca最多0.0050％。
該鋼一般包含這種不可避免的成分。在本發明中，Cu、Cr、Sn和Sb可能作為不可避免的雜質存在，每種的最大量為0.1％。
本發明還提供一種制造超低碳鋼板的方法。根據本發明的這個方面，在轉爐中生產具有上述化學組成的鋼水。鋼水經過二次精煉，然后經過連鑄、熱軋、冷軋，然后連續退火，形成超低碳鋼板。在轉爐中精煉后，鋼水流入精煉容器，例如鋼包，把內部可以控制到負壓的真空沉浸管浸在精煉容器的鋼水中，使攪拌氣體吹入鋼水。
在二次精煉后，進行連鑄。鋼包中的爐渣中的(FeO)+(MnO)量優選的是控制到最多15質量％，澆鑄過程中的產量優選的是最多5噸/分鐘。
由于這種處理法，可以使厚板坯中直徑至少35微米的簇團型夾雜物數量為15,000個/10kg或更少，可以使厚板坯中顆粒直徑至少35微米的球形夾雜物數量為400個/10kg或更少。
根據本發明的一種實施方案，具有上述化學組成的連鑄板坯的熱軋開始于厚板坯平均溫度至少為1100℃，終軋過程中的終軋溫度至少為Ar3點，卷取溫度為450-750℃。
在上述熱軋中，在粗軋后，可以進行加熱或短時間保溫過程，終軋優選的是在熱軋卷材的整個長度上在至少為Ar3的終軋溫度下完成。
用這種方法獲得的熱軋鋼板經過去氧化皮，然后用至少45％的壓下量冷軋，然后退火。此時，在進行分批退火時，可以在至少650℃的溫度進行均熱處理，在進行連續退火時，可以在至少750℃的溫度進行均熱處理。隨后，可以進行表面光軋。
根據本發明，獲得即使用于要求深度沖壓成型的用途中，也可以防止例如針孔缺陷和沖壓開裂等成形缺陷的鋼板。
圖2是表示在連鑄過程中的產量與從連鑄形成的厚板中提取的球形夾雜物量的關系圖。
圖3是RH真空脫氣設備的示意圖。
圖4是有單管沉浸管的真空脫氣設備的示意圖。
圖5是表示沉浸管直徑D與鋼包直徑D0的比例與從厚板中提取出的夾雜物量的關系圖。
優選的實施方案描述下面將解釋在根據本發明的鋼中限制化學組成的原因、制造條件和夾雜物的形式。在本說明書中，在描述鋼或爐渣的化學組成中的成分時，除非另外說明，否則，“百分數”是指質量百分數。
(A)鋼的化學組成C本發明使用其中利用真空脫氣設備進行脫碳反應的鋼水，所以，C量限制在0.010％或更少，這是只用轉爐不可能達到的范圍。沒有特定的下限。優選的是，C量最多0.007％。
SiSi用作脫氧劑和強化成分。在本發明中，在使用真空脫氣設備完成脫碳反應后，Si以硅鐵合金部分的形式加入。如果硅鐵合金的加入量太大，由于硅鐵合金中的C量，導致鋼水中的總C量太大，超低碳鋼在成形成產品時的性能惡化，所以，Si的上限為0.5％。優選的是該上限為0.3％。沒有特定的下限。
MnMn的作用與Si的作用相似，上限為1.5％，優選的是，Mn的上限為1.3％。
PP廣泛用作冷軋產品的固溶強化成分。在本發明中，在脫碳反應完成后，P以含磷鐵基合金形式加入。如果以鐵基合金形式加入的P量太大，由于鐵基合金中的C，鋼水中的總碳量變得太大，由超低碳鋼獲得的產品性能惡化，所以，P的上限為0.12％。沒有特定的下限。
SS的量優選的是盡可能低，以防止產品性能惡化。上限為0.030％。
Ti在超低碳鋼中，因為其在成形成產品時的優異性能，主要使用不含固溶C或固溶N的所謂無間隙鋼。為了獲得這種鋼，Ti的量必須足以把C和N析出成為TiC和TiN。然而，過量Ti不僅導致成本提高，而且引起產品性能惡化，所以，Ti的上限為0.10％，優選的是Ti量為0.002％-0.08％。
Nb為了獲得無間隙鋼，加入最多0.05％的Nb代替Ti，或者除了Ti以外，加入最多0.05％的Nb。優選的是除了鈦以外，加入例如最多0.05％含量的Nb。或者，Nb可以與B一起加入，可以獲得優異的無間隙鋼。在Ti和Nb都加入時，優選的是主要為了把N和S沉淀成TiN和TiS來確定加入Ti的量，并保留固溶C，以獲得鋼的烘烤硬化性。在上述情況的任一種中，0.05％為適合于Nb的上限。優選的是Nb的含量最多0.02％。
Al在使用真空脫氣設備完成脫碳反應時，Al作為脫氧劑加入。如果加入量過大，不僅其脫氧作用變弱，而且氧化鋁夾雜物量增大。所以，Al的上限為0.080％。優選的是，Al量最多0.05％。
N在超低碳鋼中，N含量越低，加入Ti的量越少。為了抑制由于夾雜物增多導致的產品性能惡化，N的上限為0.0080％。優選的是N量為0.0050％。
除了上述成分以外，為了進一步改善制造大變形量復雜形狀產品時的沖壓成形性能，可以向根據本發明的鋼中加入B、V和Ca的一種或多種。對這些元素量的限制原因如下。
B為了降低在二次成形時的脆性，根據需要可以加入B，脆性是含Ti超低碳鋼板在經過深度沖壓成形時最大的缺陷。在不含Ti的超低碳鋼板中，B有沉淀固溶N的作用。因此，無論鋼中是否存在Ti，都可以加入B。在兩種情況的任一種中，B的作用在超過0.0050％時飽和，所以，這成為其上限。
V在超低碳鋼中，根據需要可以加入V來沉淀固溶的C和N，形成碳化物和氮化物。據其有效性其上限為0.05％。
CaCa是強脫氧劑。為了抑制鑄口的堵塞，根據需要加入。如果加入量太大，它提高Ca型夾雜物的量，所以其上限為0.0050％。
Cu、Cr、Sn、Sb如果作為不可避免的雜質，大量含有這些元素的任何一種，延展性被降低且形成沖壓開裂，所以，這些元素的每一種的允許上限為0.1％。
通過轉爐精煉、包括真空處理的二次精煉、連鑄、熱軋、然后冷軋(如果需要)，用傳統方法制造根據本發明的超低碳鋼。制造步驟的每一個優選的是在下述的規定條件下進行。
(B)精煉條件

圖1表示真空脫氣后鋼包中的爐渣中低價氧化物(FeO+MnO)的量與連鑄后的厚板坯中簇團型夾雜物(主要是氧化鋁)量之間關系的研究結果。
從圖1中可以看出，如果(FeO+MnO)的量超過15％，簇團型夾雜物量迅速增大。
因此，(FeO+MnO)的量限制在其中不發生這種迅速增大的范圍內，即最多15％。因此，用殘渣法(slime method)提取的顆粒直徑至少35微米的簇團型夾雜物的數量可以限制到15,000個/10kg或更少。
(C)鑄造條件圖2表示連鑄過程中從鑄口出來的產量與顆粒直徑至少35微米的氧化物型球形夾雜物量之間關系的研究結果，其中球形夾雜物被認為是在澆鑄過程中卷入到鋼中的，并來自鋼包中的爐渣，或者來自在連鑄過程中所用的鑄模用粉末。
從圖2可以看出，當產量超過5噸/分鐘時，球形夾雜物量急劇增大。因此，在本發明中，使產量最高為5噸/分鐘，因此，通過殘渣法提取的尺寸至少35微米的球形夾雜物可以限制到400個/10kg或更少。
(D)真空精煉條件在本發明中，一般使用RH真空脫氣設備作為使用真空沉浸管的真空脫氣設備。
圖3是這種設備的示意圖。鋼包10中的鋼水12通過裝有氬氣噴吹噴嘴16的上升管18循環，真空容器22連接到上升管18并連接到真空排氣系統20，下降管24連接到真空容器22。真空容器22內部抽真空，并在其中進行脫氣。通過從可以升高和降低的噴槍26吹入氧氣進行脫碳。通過合金裝料口28裝入合金成分來進行成分的最終調節。
圖4表示使用真空沉浸管的真空脫氣設備的另一個實例，它可以用于本發明中。在該圖中，使用內部壓力可以調節降低的單管沉浸管30作為真空容器22。氬氣從鋼包布置于底部的多孔噴嘴32吹入鋼水中。鋼水12由于沉浸管30內的真空被抽入沉浸管30中。操作的其它方面與圖3的裝置相同。
在與圖4所示的具有內部氣氛可以調節降低壓力的單管沉浸管類似的脫氣裝置的沉浸管30中進行鋼水的真空精煉。沉浸管30浸在精煉容器(如鋼包)中的鋼水中，氫氣作為攪拌氣體引入到鋼水中，在鋼水真空精煉后進行連鑄。研究了從所得的厚板中通過殘渣法提取的尺寸至少35微米的簇團型夾雜物的數量。確定簇團型夾雜物的數量為最多15,000個/10kg。
在這種真空精煉法中，鋼包中爐渣的攪拌是可能的，所以減壓脫碳和加入Al后，在鋼水中使用Al可以進行鋼包中的爐渣中FeO+MnO量的降低，結果，可以容易低減少處理后殘留的(FeO+MnO)的量。此外，發現通過調節沉浸管30的內徑D(用米表示)與鋼包10的內徑D0(用米表示)的比例D/D0可以進一步降低夾雜物的數量。
圖5表示D/D0與夾雜物數量之間的關系。可以看出，為了減少夾雜物數量，希望的是D/D0至少為0.5。如果D/D0小于0.5，沉浸管30中可以容納的爐渣量小，所以降低了減少爐渣中低價氧化物的能力。
(E)熱軋和冷軋條件基本上，厚板坯的加熱溫度越低，熱軋后的晶粒越細，這在要冷軋的材料中是希望的。然而，還要求熱軋的終軋溫度保持在Ar3或者高于Ar3。因此，無論是否進行再加熱，是否進行直接裝料軋制(directcharge rolling)的保溫過程或均熱處理，或者是否使用直接裝料軋制+加熱，熱軋的起始溫度至少為1100℃。
為了獲得具有良好性能的產品，在鋼板的整個長度上，熱軋的終軋溫度保持在Ar3或高于Ar3。在終軋溫度低于Ar3時，產生對成形性能不利的晶體定向，當軋制產品經過沖壓成形制造大變形量復雜形狀的產品時，存在產生由于成形性能不足而不是由于夾雜物引起的沖壓成形開裂等情況。作為保證終軋溫度在Ar3或以上的一種措施，可以進行粗軋坯的再加熱，或者進行保溫過程來獲得均勻的溫度，或者進行連續直接終軋。
熱軋后的卷取溫度越高，熱軋鋼板越軟，鋼板更適合于深沖壓用途。然而，如果卷取溫度大于750℃，摩擦力降低，用卷取機卷取變得困難，此外，通過適當降低高強度鋼板等的卷取溫度，可以調節產品的強度，但是，如果低于450℃，調節作用小，所以這是卷取溫度的下限。
為了獲得具有良好成形性能、精確的厚度和良好表面性能的冷軋產品，使冷軋壓下量至少為45％。因此，可以抑制不是因為夾雜物引起的而是由于成形性能不足引起的沖壓開裂等。
為了促進冷軋后的重結晶和晶粒生長并獲得良好的成形性能，對于分批退火，使退火溫度至少為650℃，對于連續退火，使退火溫度至少為750℃。用這樣的溫度，可以抑制由于成形性能不足引起的而不是由于夾雜物引起的沖壓開裂等。
滿足上述精煉條件、澆鑄條件、真空精煉條件和熱軋及冷軋條件的一種或多種是足夠的，但是滿足的條件越多，所得的超低碳鋼板越適合于復雜形狀產品的深度沖壓成形。
(F)軋制產品中的夾雜物軋制鋼板中，例如通過上述方法制造的冷軋鋼板中，夾雜物的量是非常小的。在通過JIS G0555中提出的方法測量非金屬夾雜物時，幾乎所有夾雜物分類為C1或C2。常規上，在帶有重疊在試樣上的標準矩形網格的顯微鏡下觀察試樣，數出與試樣中夾雜物重合的網格點的數量。然而，在根據本發明的鋼中的夾雜物是如此之小且分散，使得標準計數方法得到0％的值，因此不能用于精確確定鋼的質量。
所以，通過在JIS G0555中提出的方法的改進方法來評價根據本發明的鋼的質量。在改進的方法中，數出在60個視場內在顯微鏡下觀察的非金屬夾雜物的總數，而不管夾雜物是否與網格點重合。
在JIS G0555基礎上，測量根據本發明的夾雜物的方法如下。首先，從沿著軋制方向的中心部分切割試樣，表面拋光，在400倍的顯微鏡下觀察試樣上的60個視場，數出在60個視場內觀察的夾雜物的總數。
當在60個視場內有最多20個觀察到的夾雜物的根據本發明的鋼板經過大變形量復雜形狀產品的沖壓成形時，不形成起源于夾雜物的如針孔缺陷和沖壓開裂等成形缺陷。
然后，用這種方法獲得的冷軋鋼板可以經過表面處理，例如電鍍或涂覆。當然，也可以進行連續熱浸鍍鋅。
根據情況，可以以熱軋鋼板的形式使用本發明，在這方面沒有特定的限制。
根據本發明的超低碳鋼板的厚度優選的是至少0.30毫米，并且沒有上限，用于沖壓成形的厚度限制一般為最多6毫米。
實施例表1表示在本實施例中所用的試驗材料的鋼水的成分，表2表示爐渣組成、厚板坯中簇團型夾雜物的數量、澆鑄條件、和澆鑄厚板中球形夾雜物的數量。表3表示產品的性能。
通過進行沖壓比為1.8的圓柱深沖壓試驗評價成形性能，并評價在側壁上形成的缺陷百分數。這種試驗比罐制造的成形性能評價更嚴格，它評價用于“大變形量復雜形狀產品的用途”的成形性能。
如果存在其中由于成形性能差形成沖壓開裂的情況，和其中即使可以沖壓，但是在側壁上形成針孔的情況。在其中的任一種情況下，評價鋼板為有缺陷的。
結果表示于表3中。
根據本發明，很明顯獲得了一種軋制鋼板，即使進行大變形量復雜形狀產品的沖壓成形，這種鋼板也沒有由于夾雜物產生的針孔等表面缺陷或成形性能差的問題。
表1
*在本發明的范圍外表2
注粗棒加熱器這是一種在熱軋過程中粗軋后進行加熱或短時間保溫的設備BAF分批退火 CAF連續退火 CGL連續熱浸鍍鋅表3
注**不滿足目標性能類別○本發明，○不可接受的軋制條件，△不可接受的鋼制造條件，×不可接受的組成如上所述，根據本發明的軋制鋼板和通過該軋制鋼板表面處理獲得的表面處理鋼板即使用于大變形量復雜形狀的產品方面的應用，例如電動機外殼或濾油器外殼，也不會產生起源于夾雜物的如針孔缺陷或沖壓開裂，所以，本發明從商業觀點來看是非常有意義的。
權利要求
1.一種用具有下列化學組成的鋼制造的超低碳鋼板，用質量百分數表示，該組成包含C最多0.010％、Si最多0.5％、Mn最多1.5％，P最多0.12％，S最多0.030％，Al最多0.080％，N最多0.0080％，以及Ti和Nb中的一種或兩種，其中Ti最多0.10％和Nb最多0.05％，B0-0.0050％，V0-0.05％，Ca0-0.0050％，和Cu、Cr、Sn和Sb作為不可避免的雜質每一種最多0.1％，其中，在根據JIS G0555制備的鋼試樣中，在顯微鏡下在60個視場內觀察的非金屬夾雜物的總數為最多20個。
2.一種根據權利要求1的超低碳鋼板，其中，所述化學組成還包含B最多0.0050％。
3.一種根據權利要求1或權利要求2的超低碳鋼板，其中，所述化學組成還包含V最多0.05％。
4.一種根據權利要求1-3中任一項的超低碳鋼板，其中，所述化學組成還包含Ca最多0.0050％。
5.一種根據權利要求1-4中任一項的超低碳鋼板，其中，所述化學組成還包含作為不可避免的雜質的Cu、Cr、Sn和Sb，每種的最大量為0.1％。
6.一種制造根據權利要求1-5的任一項的超低碳鋼板的方法，其中，鋼水的化學組成用質量百分數表示，包含C最多0.010％、Si最多0.5％、Mn最多1.5％，P最多0.12％，S最多0.030％，Al最多0.080％，N最多0.0080％，以及Ti和Nb中的一種或兩種，Ti最多0.10％和Nb最多0.05％，BO-0.0050％，V0-0.05％，Ca0-0.0050％，和Cu、Cr、Sn和Sb作為不可避免的雜質每一種最多0.1％，所述鋼水在轉爐中經過精煉、在轉爐中精煉后的二次精煉、連鑄、然后熱軋，其中，在二次精煉時，鋼水排出到精煉容器中，把內部可以調節到負壓的真空沉浸管浸在精煉容器中的鋼水中，使攪拌氣體吹入鋼水中。
7.一種根據權利要求6的超低碳鋼板的制造方法，其中，在精煉容器中的爐渣中，FeO+MnO的量最多為15質量％，澆鑄時的產量最多為5噸/分鐘。
8.一種根據權利要求6的超低碳鋼板的制造方法，其中，在使由連鑄得到的板坯的平均溫度至少為1100℃后，開始熱軋該板坯，使熱軋的終軋溫度至少為Ar3點，使卷取溫度為450-750℃。
9.一種根據權利要求7的超低碳鋼板的制造方法，其中，在使由連鑄得到的板坯的平均溫度至少為1100℃后，開始熱軋該板坯，使熱軋的終軋溫度至少為Ar3，使卷取溫度為450-750℃。
10.一種根據權利要求8的超低碳鋼板的制造方法，其中，在所述熱軋中，在粗軋后進行短時間加熱或保溫過程，使得在熱軋卷材的整個長度上，熱軋的終軋溫度至少為Ar3。
11.一種根據權利要求9的超低碳鋼板的制造方法，其中，在所述熱軋中，在粗軋后進行短時間加熱或保溫過程，使得在熱軋卷材的整個長度上，熱軋的終軋溫度至少為Ar3。
12.一種根據權利要求6-11的任一項的制造超低碳鋼板的方法，其中，所得熱軋鋼板經過去氧化皮、壓下量至少為45％的冷軋和退火，在退火處理為分批退火時，在至少650℃的溫度下進行均熱，在退火處理為連續退火時，在至少750℃的溫度下進行均熱，然后進行表面光軋。
全文摘要
一種厚度至少為0.30毫米的鋼板,用化學組成包含C:最多0.010%、Si:最多0.5%、Mn:最多1.5%,P:最多0.12%,S:最多0.030%,Ti:最多0.10%,Al:最多0.08%,N:最多0.0080%的超低碳鋼制造。在根據JISG0555制備的試樣中,在60個視場中在顯微鏡下觀察的非金屬就雜物的總數為最多20個。在該鋼的制造過程中,連鑄時鋼包中的爐渣中FeO+MnO量控制為最多15%,使澆鑄時的產量最多為5噸/分鐘。該鋼板在用于要求深度沖壓成形的電動機外殼或濾油器外殼等用途時,不產生由于夾雜物引起的視場針孔缺陷和沖壓開裂。
文檔編號C22C38/00GK1358878SQ01139479
公開日2002年7月17日 申請日期2001年11月27日 優先權日2000年11月27日
發明者中居修二, 金井達生, 樋口善彥, 平城正 申請人:住友金屬工業株式會社