高強度冷彎成型結構用鋼及生產(chǎn)方法

專利名稱：高強度冷彎成型結構用鋼及生產(chǎn)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種屈服強度在700MPa以上的適于冷彎成型的高強度焊接用鋼板，以及用常規(guī)鑄坯及中薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線生產(chǎn)的這種高強度冷彎成型結構用鋼的方法。
背景技術：
以往，用熱軋帶鋼生產(chǎn)線通過控制軋制和控制冷卻生產(chǎn)的微合金化高強度熱軋帶鋼，要達到屈服強度在700MPa以上的高強度，往往需要有較高含量的合金化元素。合金元素含量高會帶來碳當量升高，焊接性能變壞。當降低合金元素含量時，要達到高的強度要求，就必須降低軋制溫度以及卷取溫度，對設備的能力要求高。而鋼的延伸率也急劇下降，不具有高的冷彎、沖壓成型性能。
采用添加Ti，可以通過Ti的析出沉淀獲得高的強度，但鋼帶的頭、尾溫差導致性能的不均勻性，強度指標差異很大。
以常規(guī)的厚板坯鑄機連鑄(鑄坯厚度≥200mm，拉速低于1.3m/min)，合金元素易于偏析，導致成分分布不均。鑄坯生產(chǎn)后，即使采用熱裝，由于生產(chǎn)工序的不連續(xù)性，到軋制線的加熱爐時，鑄坯的溫度也降低到了800℃以下。因此Ti、Nb等的析出物會以大的顆粒狀態(tài)析出，在其后的加熱過程中，在加熱時間短及溫度低時，由于Ti、Nb等的析出物不能完全重新溶回到鋼中，降低了其在軋后的析出強化作用。要使加入的Ti、Nb等微合金化元素在軋制、冷卻后充分發(fā)揮作用，則必須要提高加熱溫度、延長加熱時間，因此會使能耗增加更大。
如果以薄板坯連鑄連軋方式生產(chǎn)，由于Ti的含量較高，易于產(chǎn)生蓄流事故，而且不能夠保證良好的表面質(zhì)量和足夠的壓縮比(一般薄板坯的厚度為50～90mm厚)，產(chǎn)品不易獲得高的強韌性匹配。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種屈服強度在700MPa以上的焊接性能優(yōu)良的冷成型用高強度鋼板的生產(chǎn)方法。
本發(fā)明的技術方案是這樣的，它的化學化學成分為(重量百分比)C0.03～0.12％，Si0.08～0.50％，Mn1.20～1.95％，P≤0.02％，S≤0.006％，Mo0.05％～0.15％，Als0.005～0.055％，Nb0.03～0.07％，Ti0.08～0.15％，V0.01～0.05％，Ca0.0008～0.004％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，碳當量Ceq≤0.42％，Ceq＝C+Mn/6+(Mo+V)/4+(Cr+Cu)/15+Si/24。
當需要增加鋼的耐大氣腐蝕性能時，在上述鋼的成份中加入Cu0.15～0.45％；或同時加入Cu0.15～0.45％、Ni0.05～0.20％。
本發(fā)明針對上述成分的高強度冷彎成型結構用鋼采用如下的生產(chǎn)工藝路線鋼水脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉→中薄板坯連鑄→直接熱裝→隧道爐加熱→粗軋→熱卷箱→精軋→層流冷卻→卷取，各個生產(chǎn)工藝中的特點是，a.連鑄時控制中間鋼包鋼水溫度在熔點之上的15～30℃，高速連鑄，其鑄坯拉速1.5～4.0m/min，鑄坯厚度規(guī)格范圍在100mm～200mm，寬度在900mm～2000mm。
b.鑄坯直接熱裝，鑄坯補充加熱到1100～1250℃，保溫30～90min后進行粗軋開坯，然后通過熱卷箱卷取。
c.精軋開軋入口溫度940～1070℃，精軋出口溫度840～920℃，連軋后7s以內(nèi)采用層流快速冷卻，卷取溫度500～610℃。
鋼板的顯微組織為鐵素體+貝氏體+孿晶馬氏體+殘余奧氏體，鐵素體占60％以上，平均直徑在4μm以下，并有大量均勻分布的20nm以下直徑的碳化物析出沉淀相。鋼板的厚度范圍在1.5mm～10mm，寬度在900mm～2000mm。
以中薄板坯鑄機鑄造，板坯的厚度在100mm～200mm、拉速1.5～4.0m/min，能夠?qū)崿F(xiàn)快速凝固，從而減少了Ti在液相中發(fā)生氧化的時間，因此減少了氧化物、N化物在坯殼的聚集，防范了Ti析出相導致的鑄坯裂紋。由于中薄鑄坯易于實現(xiàn)快速凝固，也減小了Ti、Nb的不均勻性及其析出相和P、S、N、C等元素形成的各類夾雜的偏析。
對鑄造出的中薄板坯采用直接熱裝，杜絕了板坯經(jīng)歷800℃以下的溫度段，Ti、Nb不會在板坯加熱前的階段析出，因此不需要考慮使Ti、Nb的析出相充分回溶的加熱時間。使再加熱時間減少，大幅度降低加熱能耗的同時，杜絕了鑄坯因加熱氧化過多而導致裂紋(特別是含有Cu時)。
采用熱卷箱，使精軋時中間坯頭、中、尾的溫度基本一致，不會出現(xiàn)因頭尾變形溫度差異所導致的組織和性能不均勻，尤其對于本發(fā)明鋼，由于含有較高的Nb、Ti，對軋制溫度更敏感，這點非常重要。
通過熱連軋機組在840～1070℃之間進行連續(xù)軋制及在軋后快速冷卻，可以獲得顯著的晶粒細化效果(晶粒度級別在12級以上)，獲得屈服強度在700Mpa以上、抗張強度在750Mpa以上、延伸率超過17％的焊接性能優(yōu)良的冷成型用高強度熱軋鋼板。
在本發(fā)明中，各元素限定理由詳細敘述如下CC作為調(diào)整組織狀態(tài)、提高強度的元素使用，是主要的間隙固溶強化元素。同時，在軋后冷卻到低溫時，可以與Ti和Nb、V形成細小碳化物(NbTi)C，起到重要的沉淀強化使用。但是用量低于0.03％時，固溶強化幅度不足，難于確保700MPa以上的屈服強度。因此下限確定在0.03％。但C含量高于0.12％時，在軋后進行快速冷卻后鐵素體的比例降低，組織強化的幅度過大，延伸率下降，冷彎加工性能變壞。同時C當量升高，焊接性能不好。因此上限確定為0.12％，最好的范圍為0.06～0.09％。
SiSi起到固溶強化作用，也是一種廉價的脫氧元素。使Si低于0.08％，對冶煉的要求高，工序成本增加。但其易于使鋼板產(chǎn)生紅銹缺陷，影響鋼板的表面質(zhì)量，特別是含量高于0.50％時，會致使在加熱階段產(chǎn)生的鐵皮層粘滯，不易去除。因此確定其范圍在0.08％～0.50％。
Mn是提高鋼材強度的必要元素。在本發(fā)明中，其少于1.20％時難于獲得700MPa以上的高的屈服強度。在添加量超過1.95％，鐵素體比例降低過多，強化幅度大，延伸率降低多，成型性變差。因此確定其范圍為1.20％～1.95％。
Ti是本發(fā)明中重要的沉淀強化元素，在630℃以下，從鋼中沉淀析出為20nm以下的TiC或(NbTi)C粒子，有效釘扎位錯，從而提高屈服強度。其少于0.08％，析出沉淀強化作用不足。高于0.15％時則造成連鑄上的麻煩，易于造成鑄坯的裂紋缺陷，同時在快速冷卻的前提下，其沉淀強化作用也趨于飽和，所以選擇其控制范圍為0.08％～0.15％。
Nb是重要的微合金化元素，可提高鋼的未再結晶區(qū)溫度，保障控制軋制的效果，使鋼材軋制后晶粒細化，同時Nb與Ti復合析出的沉淀粒子具有沉淀強化作用。低于0.03％，效果不足。高于0.07％作用達到飽和。因此確定其范圍為0.03％～0.07％。
V在630℃以下析出，有很好的強化作用，在本發(fā)明中，依靠其起到補充強化作用，同時與Mo一樣具有抑制焊接熱影響區(qū)軟化作用。在添加如前所述的Nb、Ti的前提下，在其含量達到0.01％時，就已明顯提高了強度，超高0.05％時，在本發(fā)明中的作用已經(jīng)達到飽和，且添加過多，造成不必要的成本增加，因此限定其范圍為0.01％～0.05％。
Mo起到調(diào)整貝氏體比例、提高強度的作用。同時可抑制焊接熱影響區(qū)軟化作用。在達到0.05％時，作用已經(jīng)明顯。但超過0.15％則成本增加，且碳當量增加，對焊接又變?yōu)椴焕?。因此確定其范圍為0.05％～0.15％。
Cu本發(fā)明中，提出對于需要耐大氣腐蝕性能的場合，添加Cu作為提高耐大氣腐蝕性能的元素。Cu含量達到0.15％時作用已很明顯，在0.45％時作用已經(jīng)飽和。因此上限為0.45％，下限為0.15％。
Ni是作為防止Cu裂缺陷的元素加入的，同時Ni元素還可以提高鋼的低溫韌性。在添加Cu后，加熱爐的氣氛不好調(diào)整時，添加0.05％以上的Ni可以有效防止Cu元素引起的熱裂缺陷。含量超過0.20％，作用達到飽和，且成本增加過多。因此其控制范圍為0.05％～0.20％。
P在本發(fā)明中，將P作為有害元素，因為其易于引起偏析，造成成型性能不良，同時能導致焊接接頭彎曲性能不好。其在0.02％以下時，影響已經(jīng)不明顯，所以將其上限定為0.02％。
S為有害元素，其與Mn形成的MnS條帶狀夾雜對冷彎成型性能和沖擊韌性有很大影響。且其易于形成大的TiS析出粒子，降低Ti的沉淀強化作用。其在0.006％以下時，對強度和冷彎性能的影響已經(jīng)不明顯。因此確定其控制范圍的上限為0.006％。最好為0.004％以下。
Ca使S化物球化，可以進一步保障鋼板的橫向延展性，提高冷彎成型性能。作為球化S化物的手段，在精煉以后進行Ca處理，Ca含量達到0.0008％已經(jīng)可以起到球化S化物，純凈鋼液質(zhì)量的作用。過量的Ca會使S化物粗大化，反造成延展性降低。因此根據(jù)經(jīng)驗，規(guī)定其在前述S化物含量水平下，其上限為0.008％。
采用中薄板坯連鑄和直接熱裝的理由如下本發(fā)明提供一種屈服強度在700MPa以上且含Nb、Ti、Cu等的鋼板的制造方法，這種鋼板性能均勻，且具有良好的冷彎成型性能。
由于本發(fā)明利用較高的含量的Ti提高鋼板的強度。而Ti易于在鋼液中形成N化物。這些N化物的偏析會導致鋼板出現(xiàn)分層缺陷，上浮到鑄坯表面則會導致鑄坯縱裂缺陷。中薄板坯可以實現(xiàn)快速凝固，減少上述兩種情況的發(fā)生率。所以選擇用中薄板坯連鑄。
同時中薄板坯鑄機與軋制線相連，可以實現(xiàn)直接熱裝，這樣鑄坯不需要降溫至800℃以下，沒有Ti、Nb的C、N化物在軋制前在鑄坯中的析出過程。因此不需要對板坯重新長時間再加熱，Ti也絕大部分固溶在精軋前的鋼中，從而保證軋后對其冷卻到低溫時的Ti等的析出相彌散細小，就可以充分發(fā)揮Ti的析出沉淀強化作用。否則，必須對板坯長時間高溫加熱，這樣除鑄坯燒損較大，耗能外，鋼板易于出現(xiàn)邊裂缺陷。
采用熱卷箱的理由本發(fā)明中的鋼由于含有較高的Ti和Nb，要利用控制軋制細化晶粒?？刂栖堉频臏囟炔煌?，鋼板的組織狀態(tài)將有很大差異。一般情況下，不使用熱卷箱，由于軋制順序原因，中間坯頭、尾的溫度差異可達到100℃，導致成品頭尾的屈服強度差值最大達到150MPa。性能波動很大。采用熱卷箱技術，中間坯的溫度波動將低于30℃。大幅度減少了成品頭尾的性能差。
鑄坯加熱溫度和均熱時間鑄坯在隧道式加熱爐，由于采用直接熱裝，在1100℃以上已經(jīng)足以保障Nb、Ti的充分固溶，從而充分發(fā)揮Nb、Ti的沉淀強化作用。溫度超過1250℃，鑄坯燒損增加。因此確定加熱溫度為1100℃～1250℃。而直接裝入隧道爐的鑄坯，仍然保留900℃以上的平均溫度，通過30～90min加熱均溫后，可以正常軋制。因此確定均熱溫度為30～90min。
精軋溫度為了使晶粒微細化，精軋開軋溫度應1070℃以下，最好的開軋溫度在1010℃～940℃，低于940℃，則在兩相區(qū)的變形量增加，成品的延展性降低，同時軋機的負荷增大，不利于生產(chǎn)。終軋溫度在840℃以上是必要的，低于840℃，應力誘導先析出的粒子數(shù)量增加，不利于沉淀強化。如果超過920℃，晶粒容易粗大化，控制軋制的效果不好。故精軋終軋溫度范圍確定在840℃～920℃。
冷卻時機和冷卻速度在軋后經(jīng)過7s后再冷卻，控制軋制的效果將打折扣，晶粒細化效果不充分。因此軋制后到冷卻開始時間應不高于7s。冷卻速度低于20℃/s，Ti的C化物會在冷卻過程中析出，成品中粗大的粒子數(shù)增多，在卷取后的沉淀強化作用將不足。因此軋后冷卻速度應高于20℃/s。冷卻不連續(xù)，也容易出現(xiàn)析出粒子粗大化，且晶?？赡軙执蠡?，致使成品強度不足，因此本發(fā)明推薦冷卻連續(xù)進行。
卷取溫度卷取溫度低于650℃，形成的晶粒已基本不在長大。但仍易于出現(xiàn)較大尺寸的沉淀析出的粒子。低于630℃，沉淀析出的粒子可以起到很好的強化作用，但沒有貝氏體、馬氏體組織強化效果，強度指標不足。在卷取溫度低于610℃時，可以獲得良好的組織強化效果。但過低的卷取溫度(低于500℃)，會使成品中的貝氏體、馬氏體的比例增加，強度增加過多而延展性降低，冷彎成型性能變差，同時難于卷取。因此確定卷取溫度為500℃～610℃。
本發(fā)明的優(yōu)點及效果在于1.以中薄板坯鑄機生產(chǎn)連鑄坯。凝固速度快，有效防止了Ti等的偏析，以及防范了Ti在坯殼凝固期間的析出對鑄坯的質(zhì)量的損害。同時，較高速的凝固使連鑄坯成分均勻，偏析程度小。
2.采用直接熱裝，鑄坯熱損失少，為短時間再加熱提供了保證，所以再加熱能耗低。鑄坯的溫度不降低到800℃以下，因此Ti、Nb等不會在再加熱前大量析出，保障了其在軋后的析出強化作用。加熱時間短，氧化少，鑄坯(特別是含Cu時)發(fā)生熱裂紋的幾率大幅度降低。
3.采用熱卷箱，使精軋變形時的中間坯縱向溫度差異減到很小，通卷的性能差異小。另外，易于實現(xiàn)軋制溫度、層流冷卻速度、卷取溫度的精確控制，從而實現(xiàn)性能水平的準確控制。實現(xiàn)高強度、高韌性、良好焊接性能等良好綜合性能匹配。
4.夾雜形態(tài)更細小、分散，成分分布更趨勻質(zhì)，組織細化均勻，提高了綜合性能，并保證了良好的冷彎成型性能。
5.在Nb微合金化的基礎上控制軋制，軋后采用快速冷卻，冷卻速度≥20℃，保障了細晶強化的效果?？焖倮鋮s抑制了Ti的相間析出，并抑制了析出相的過度長大。采用500～610℃的溫度的卷取，使具有強化效果的Nb、Ti等的C、N化合物沉淀析出但其大部分尺度都在30nm以下，充分發(fā)揮了沉淀強化作用的同時也發(fā)揮了一定的組織強化作用。
7.與薄板坯連鑄相比，生產(chǎn)效率高、鑄坯中等厚度斷面的選擇，保障了軋制的大壓縮比，有效消除了鑄造帶來的內(nèi)部缺陷，因此產(chǎn)品力學性能穩(wěn)定。
具體實施例方式
本發(fā)明的化學化學成分為(重量百分比)C0.03～0.12％，Si0.08～0.50％，Mn1.20～1.95％，P≤0.02％，S≤0.006％，Mo0.05％～0.15％，Als0.005～0.055％，Nb0.03～0.07％，Ti0.08～0.15％，V0.01～0.05％，Ca0.0008～0.004％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，碳當量Ceq≤0.42％，Ceq＝C+Mn/6+(Mo+V)/4+(Cr+Cu)/15+Si/24。
當需要增加鋼的耐大氣腐蝕性能時，在上述鋼的成份中加入Cu0.15～0.45％；或同時加入Cu0.15～0.45％、Ni0.05～0.20％。
本發(fā)明針對上述成分的高強度冷彎成型結構用鋼采用如下的生產(chǎn)工藝路線鋼水脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉→中薄板坯連鑄→直接熱裝→隧道爐加熱→粗軋→熱卷箱→精軋→層流冷卻→卷取，各個生產(chǎn)工藝中的特點是，a.連鑄時控制中間鋼包鋼水溫度在熔點之上的15～30℃，高速連鑄，其鑄坯拉速1.5～4.0m/min，鑄坯厚度規(guī)格范圍在100mm～200mm，寬度在900mm～2000mm。
b.鑄坯直接熱裝，鑄坯補充加熱到1100～1250℃，保溫30～90min后進行粗軋開坯，然后通過熱卷箱卷取。
c.精軋開軋入口溫度940～1070℃，精軋出口溫度840～920℃，連軋后7s以內(nèi)采用層流快速冷卻，卷取溫度500～610℃。
通過上述方法生產(chǎn)出的鋼板，在顯微組織為鐵素體+貝氏體+孿晶馬氏體+殘余奧氏體，鐵素體占60％以上，平均直徑在4μm以下，并有大量均勻分布的20nm以下直徑的碳化物析出沉淀相。鋼板的厚度范圍在1.5mm～10mm，寬度在900mm～2000mm。
下面為本發(fā)明幾個最佳實施例及產(chǎn)品測試結果。
1.成分控制例

注Ceq＝C+Mn/6+(Mo+V)/4+(Cu+Ni)/15+Si/24
2.軋制工藝對上述成分的鋼水控制其溫度在熔點之上20～50℃時高速連鑄，其鑄坯拉速1.5～4.0m/min，鑄坯厚度規(guī)格范圍在100mm～200mm，寬度在900mm～2000mm，直接進加熱爐，鑄坯均熱溫度1180～1260℃，精軋開軋溫度1020±30℃，終軋溫度范圍840～910℃，在軋后2～5s內(nèi)投入層流快速冷卻到卷取溫區(qū)，冷速50℃/s～140℃/s，卷取溫度500～610℃，最佳卷取溫度570±30℃控制。
3.成品力學性能水平


權利要求
1.一種高強度冷彎成型結構用鋼板，其特征在于，它的化學成分按重量百分比計C0.03～0.12％，Si0.08～0.50％，Mn1.20～1.95％，P≤0.02％，S≤0.006％，Mo0.05％～0.15％，Als0.005～0.055％，Nb0.03～0.07％，Ti0.08～0.15％，V0.01～0.05％，Ca0.0008～0.004％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，碳當量Ceq≤0.42％，Ceq＝C+Mn/6+(Mo+V)/4+(Cr+Cu)/15+Si/24。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種高強度冷彎成型結構用鋼板，其特征在于，鋼的成份中加入Cu0.15～0.45％。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種高強度冷彎成型結構用鋼板，其特征在于，鋼的成份中加入Cu0.15～0.45％，Ni0.05～0.20％。
4.按權利要求1-3中任一項的高強度冷彎成型結構用鋼板的生產(chǎn)方法，其生產(chǎn)工藝路線為鐵水脫硫-轉(zhuǎn)爐冶煉-爐外精煉-中薄板坯連鑄-直接熱裝-隧道爐加熱-粗軋-熱卷箱-精軋控軋-快速冷卻-卷取，其特征在于，a.連鑄時控制中間鋼包鋼水溫度在熔點之上的15～30℃，高速連鑄，其鑄坯拉速1.5～4.0m/min，鑄坯厚度規(guī)格范圍在100mm～200mm，寬度在900mm～2000mm。b.直接熱裝，鑄坯加熱到1100～1250℃，在爐內(nèi)保溫30～90min后進行粗軋開坯，然后通過熱卷箱卷取，減少中間坯軋制過程中的頭尾溫度差異；c.精軋開軋入口溫度940～1070℃，精軋出口溫度840～920℃，連軋后鋼板在0～7s后采用快速冷卻，冷速≥20℃/s，最高為200℃/s，卷取溫度500～610℃；d.鋼板的顯微組織為鐵素體+貝氏體+孿晶馬氏體+殘余奧氏體，鐵素體占60％以上，平均直徑在4μm以下，并有大量均勻分布的20nm以下直徑的碳化物析出沉淀相，鋼板的厚度范圍在1.5mm～10mm，寬度在900mm～2000mm。
全文摘要
本發(fā)明公開一種高強度冷彎成型結構用鋼及生產(chǎn)方法，其化學成分為C0.03～0.12％，Si0.08～0.50％，Mn1.20～1.95％，P≤0.02％，S≤0.006％，Mo0.05％～0.15％，Als0.005～0.055％，Nb0.03～0.07％，Ti0.08～0.15％，V0.01～0.05％，Ca0.0008～0.004％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，碳當量Ceq≤0.42％，工藝特點為鋼水控制溫度在熔點之上15～30℃時高速連鑄，鑄坯拉速1.5～4.0m/min，鑄坯厚度規(guī)格范圍在100～200mm，直接進加熱爐，鑄坯均熱溫度1100～1250℃，精軋開軋940～1070℃、出口溫度840～920℃，連軋后0～7s后采用快速冷卻，冷速≥20℃/s，卷取溫度500～610℃。這種鋼板的屈服強度達到700MPa以上，抗拉強度在750～950MPa之間，延伸率超過17％，具有良好的焊接性能和冷彎成型性能。
文檔編號C22C38/18GK1970811SQ200510047838
公開日2007年5月30日 申請日期2005年11月25日 優(yōu)先權日2005年11月25日
發(fā)明者楊旭, 谷春陽, 王東明, 陳新, 姚偉志, 董浩然 申請人:鞍鋼股份有限公司