本发明属超低碳钢制造领域，具体涉及一种适应大变形及冲压加工的高表面质量覆铝基板用钢及其生产方法。
背景技术
随着技术和经济的发展，对金属材料的性能要求越来越高，单一组成的金属材料常常难以同时满足实际使用过程中多方面性能的要求。选取两种或两种以上的金属材料采用各种不同工艺制成复合板材能够满足特殊的综合性能要求。覆铝钢是在室温条件下通过轧制将铝膜覆在带钢表面形成表面为铝、芯层为钢的复合板带，其既有钢的强度，同时具有铝的散热性好、耐蚀、轻便及美观特性，特别是大幅度降低了成本。在家电面板、汽车零部件、食品加工托盘等领域应用的覆铝板不仅要求具有良好的钢铝结合强度，同时要求具有优良的冲压性能及高的表面质量，特别是后面两个要求，目前的覆铝产品难以满足。
中国专利号cn102019727公开了“冷却器用覆铝钢带及其制备方法和其所用的钢带及铝合金带”，其介绍了生产复合带材的方法、工艺，虽然提及了所用的基板，但其主要用于生产较厚的覆铝带钢，塑性变形能力不充分，难以满足大变形要求(变形不超过70％)，且表面质量较差。
覆铝带钢生产所用的基板在复合带材生产过程中与表面的铝膜一起变形，所以要求具有与铝相当的强度及塑性，所以一般强度低、塑性优良。但覆铝基板同时还要求具有良好的钢铝覆合性能，所以通常的低强度钢难以用于覆铝钢生产。
日本专利号jp2005281806公开了“具有优良韧性的低屈服点钢及其生产方法”，属于屈服强度较低，延伸率较高的低合金结构钢，屈服强度一般在200mpa左右。这些专利一般为厚板产品，在成分设计上以较低的碳(c)-硅(si)-锰(mn)为基础添加了铬(cr)、钼(mo)、镍(ni)、铜(cu)、硼(b)等合金中的一种或多种成分，主要用于抗震阻尼器的生产。
中国专利公开号cn101775535a公开了“160mpa级抗震用低屈服点钢、钢板及其制造方法”，该专利涉及钢种为厚板产品，主要用于抗震阻尼器制作，不具有良好的钢铝覆合性能，而本发明专利涉及钢种主要用于覆铝带钢的生产，除了要求较低的屈服强度、优良的塑性，还要求具有良好的钢铝界面结合性能、高表面质量及冲压性能。
另外2009年中国专利公开号cn101525720公开了“一种新型的用于制备覆铝钢带的专用基体钢带”，该专利所涉及钢种为高合金成分，其中mn含量在15～30％，从轧制变形看，所述基体钢带变形量约为50％。
从与现有专利的对比可发现，现有的覆铝钢产品单道次变形一般在70％以下，同时表面存在应变不均匀问题，存在带状条纹，无法进行冲压加工；而低屈服点钢虽然塑性优良，具备大变形能力，但钢铝结合性能差，无法进行钢铝的覆合加工。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种适应大变形及冲压加工的高表面质量覆铝基板用钢及其生产方法，其抗拉强度280～380mpa，延伸率在40％以上；具有优良的塑性及钢铝覆合性能外，能够满足单道次大变形(80-90％)要求，用其作基板生产的覆铝板带具有优良的表面质量，板带表面无肉眼可见的条纹缺陷。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
本发明钢成分为近似纯铁的低c-si-mn设计并添加适量的ti，采用控制轧制的方式生产，
具体的，本发明的一种适应大变形及冲压加工的高表面质量覆铝基板用钢，其化学成分重量百分比为：c≤0.01％，si：0.006～0.015％，mn：0.05～0.3％，p≤0.015％，s≤0.01％，al≤0.005％，n≤0.005％，ti：0～0.05％，o：0.01～0.08％，其余为fe和不可避免的杂质；且，同时满足：
c+n≤0.012；
mn/s≥8；
ti/(3.42n+4c)≥1。
又，本发明所述钢的显微组织为均匀的等轴状铁素体+少量贝氏体组织。所述钢的抗拉强度280～380mpa，延伸率在40％以上。
钢板一般通过固溶强化，析出强化、位错强化和晶界强化等手段提高强度。本发明所述的覆铝基板抗拉强度280～380mpa，延伸率40％以上，并具有良好的钢铝结合性能及冲压性能。为此必须尽量限定特定合金元素的含量。具体化学成分的限定理由如下：
c通过固溶强化会使屈服强度升高，延伸率降低；同时较高的c易在位错等缺陷位置偏聚，对表面质量不利。根据实际的炼钢工艺，应尽可能降低其含量，0.01％为上限。
si为脱氧元素，也是固溶强化元素，使屈服强度升高、延伸率降低，但适当的si有利于改善钢铝界面结合性能，所以控制si的添加量0.006-0.015％。
mn也是钢中常见的强化元素，通过固溶强化提高屈服强度，使延伸率降低；但适量的mn能够与钢中的s结合生成mns，减低钢的热脆性，但过高的mn固溶mn阻碍回复并抑制再结晶晶粒的长大，降低γ织构(nd∥<111>)强度，对钢板的冲压成形十分不利，所以其含量控制在0.05-0.3％。
较高的p引起钢的“冷脆”，使塑性和冲击韧性降低，并使钢的焊接性能与冷弯性能变差，且p对钢铝界面结合不利，所以应尽量降低钢中p的含量，本发明中要求其含量控制在0.015％以下。
s对钢的性能不利，易引发钢的“热脆性”，降低钢的低温韧性，同时恶化钢铝界面结合性能。mn的加入能够与s形成mns，提高mn/s比能够提高热延展性，要求控制其s含量在0.01％以下，并限定mn/s比≥8。
al是钢种重要的脱氧元素，但较高的al易扩散到钢铝结合界面，恶化界面结合强度。所以必须控制其含量在一定范围内，本发明中要求其含量以0.005％为上限。
n能够与钢中的al形成aln颗粒，从而抑制al向界面的扩散，但n与c类似，易于在位错处偏聚形成柯氏气团，对后续的表面质量不利，所以控制其含量上限为0.005％，并且c+n≤0.012％。
ti用来固定c、n原子以降低其对位错运动的阻碍作用，ti在钢中可依次形成tin→ti4c2s2→tis和tic，消除钢中自由的c、n原子，减少柯氏气团的形成，有利于表面质量的提高。但较多的ti会降低钢板的延伸率，所以限定ti的加入量在0.05％以内。同时限定c、n、ti含量满足关系式ti/(3.42n+4c)≥1.0。
氧(o)元素能够抑制钢中al元素对钢铝界面结合的不利作用，所以要求适当添加一定含量的o元素。另外，由于本发明中限制si、al的含量在极低的范围内，所以钢中的氧含量不可避免的偏高。但过高的氧会产生皮下气泡，疏松等缺陷，并加剧硫的热脆作用。在钢的凝固过程中，氧将会以氧化物的形式大量析出，会降低钢的塑性，冲击韧性等加工性能。所以限制其含量0.01-0.08％。
本发明涉及钢种，要求具有优良的塑性以满足覆铝轧制，并在良好的钢铝结合性能基础上满足单道次大变形、冲压及高表面质量要求。通过控制钢中c、n含量在0.005％以下，调整基板强度及间隙原子在位错处的偏聚，解决了表面变形不均匀问题，提高表面质量并保证冲压性能；而ti的加入进一步限定了c、n原子在晶界的分布，有利于冲压性能的提高；同时控制si、al及o成分在特定的范围则保证了发明钢种具有优良的钢铝结合性能。而对p、s的成分控制有利于获得内质优良的钢坯，提高钢板的钢铝结合性能及低温韧性等，对mn的成分限定0.05-0.3％则对覆铝性能有利。总体上，采用上述要求的成分体系，能够获得满足要求的发明钢种。
本发明所述的适应大变形及冲压加工的高表面质量覆铝基板用钢的生产方法，其包括，
1)冶炼
按上述成分经铁水预处理、转炉顶底复合吹炼、炉外精炼、连铸成板坯；
2)板坯再加热，加热温度1180～1220℃；
3)控制轧制
采用两段控制轧制，粗轧结束温度980℃以上，粗轧阶段的累计变形量≥80％；精轧入口温度950℃以上，精轧结束温度820～860℃；
4)控制冷却，水冷速度10℃/s以上；
5)卷取，卷取温度540～600℃。
在本发明生产工艺中：
铁水预处理，脱p、s，保证钢中低的p、s含量；转炉顶底复合吹炼，控制c含量。
考虑微合金元素碳氮化物在奥氏体中的溶解行为及加热过程中奥氏体晶粒长大行为，本发明要求铸坯在1180～1220℃之间再加热，采用两段控制轧制工艺。控制粗轧结束温度在980℃以上，精轧入口温度950℃以上，精轧结束温度820～860℃之间，卷取温度540～600℃范围内，水冷速度10℃/s以上。
从图1的连续冷却曲线看，钢种的铁素体相变温度接近890℃。控制精轧结束温度820～860℃可以保证实现在在铁素体区完成精轧，从而获得良好的板形及期望的组织、性能；过高容易进入奥氏体、铁素体两相区，基体中易形成混晶，同时引起轧制力波动，对钢带的厚度控制及板形不利；温度过低则热变形抗力增加，加大轧制载荷，使得能耗增加。
根据精轧开始温度，相应要求控制精轧入口温度950℃以上，粗轧结束温度980℃以上。从cct曲线看，本发明涉及钢种具有很宽的铁素体区。为实现目标性能，保证再结晶细化晶粒效果，要求粗轧阶段的累计变形量≥80％。
为获得良好的带钢表面质量，粗轧阶段的侧压量控制在50mm以内。同时要求铸坯边角位置不得有气孔、疤痕等缺陷，或进行表面清理。
为获得目标要求的性能，要求控制钢的基体组织为等轴状铁素体+少量贝氏体组织。从连续冷却曲线可以看出，冷却速度在10℃/s以上均可以获得铁素体+贝氏体组织。考虑到快速冷却以细化组织及相变完成时间，欲在短时间内完成大部分铁素体→贝氏体相变，同时避免珠光体组织的形成，冷却速度必须控制在10℃/s以上。因此本发明涉及钢种的轧后冷速控制在10℃/s以上即可。
卷取温度根据钢的相变点并结合目标组织确定。从图1看，钢的马氏体相变开始温度约为535℃，停冷温度低于这个温度将有马氏体组织形成，虽然提高了强度但严重降低材料的韧性和塑性；停冷温度过高比如600℃将在基体中生产珠光体组织，对塑性不利。结合生产的控制难度，控制钢种在540～600℃范围内卷取，之后再冷却至室温。卷取控制温度低于540℃时，带钢局部温度易出现过低，易形成马氏体组织，导致带钢组织和性能的不均匀。
为抑制终轧后带钢中铁素体晶粒的异常长大，保证带钢组织为均匀的等轴状铁素体+少量贝氏体组织，要求轧后控制冷却采用前冷方式。即带钢出热连轧机组后用第一组冷却水快速冷却，即可实现540～600℃卷取。
本发明具有如下优点：
1.本发明钢具有优良的综合力学性能，抗拉强度在280～380mpa，延伸率超过40％，同时钢种具有优良的钢铝界面结合性能，适用于覆铝带钢的生产。覆铝带钢经550℃5h保温后钢铝界面无铁铝化合物层形成。
2.本发明钢具有优良的塑性变形能力，满足单道次变形80％以上、甚至90％以上要求，中间无需退火，减少了生产工序，提高生产效率。
3.本发明钢变形均匀，具有优良的冲压性能，覆铝后成品同时具有良好的表面质量，覆铝带钢表面无肉眼可见的条纹缺陷，可以用于替代镀铝板带的应用，且成本更低，钢铝界面结合性能更佳。
4.本发明钢采用控制轧制工艺生产，生产工艺简单，成本较低，适用于企业的大规模生产。
附图说明
图1为本发明钢种的静态cct曲线(计算)示意图。
图2为本发明实施例钢的典型基体组织照片。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
实施例1
按照本发明钢化学成分要求，在500kg真空感应炉中炼钢，获得化学成分见表1，浇铸成100kg钢锭，钢坯加热温度为1180℃以上，终轧温度820～860℃，卷取温度540～600℃。
本发明钢实施例的力学性能如表2所示。与相近钢种进行了成分、生产工艺和性能的对比。其中，
对比钢1为中国专利cn101514426a“屈服强度100mpa计建筑抗震用低屈服点钢及其生产方法”；si、al含量较高，不含有o；
对比钢2为中国专利cn101775535a“160mpa级抗震用低屈服点钢、钢板及其制造方法”，al含量较高，不含有o；
对比钢3为中国专利cn101525720“一种新型的用于制备覆铝钢带的专用基板”，合金成分过高；
对比钢4为日本专利jp09067652a“抗震设备用钢板及其生产方法”，al含量较高。
本发明钢种与四种对比钢在成分上有明显差异。上述四种对比钢具有要求有较高的si、al含量，而本发明钢种明确要求al含量在0.005％以下，si0.005-0.15％；本发明钢种的o含量要求与对比钢也存在明显不同，对比钢对o含量均为有控制要求，而本发明钢种明确要求控制o含量在0.01-0.08％之间。此外，对比钢3要求很高的mn含量，其它合金成分的控制上限也极高，同时对比钢2还要求含有一定的nb、v。所以对比钢种在成分上与本发明钢种差异明显。
从性能看，对比钢1、2、4仅要求具有较低的屈服强度和较高的延伸率，而本发明钢种除了上述要求外，还明确要求钢种具有良好的钢铝界面结合性能，适用于覆铝带钢的生产，且要求冲压性能优良，并且覆铝后具有良好的表面质量；并同时要求所述钢种具有大的冷轧变形能力，满足单道次变形80％以上、甚至90％以上，中间无需退火，这是也是对比钢3所不具备的。所以，在性能上本发明钢种与对比钢也存在显著不同。
综上所述，本发明钢采用极低的c-si-mn设计，辅以合适的p、s、al、ti和o等成分，设计出一种具有抗拉强度280-380的覆铝基板，满足延伸率高、钢铝覆合性能好、表面质量高且变形能力强的覆铝基板要求，并且生产周期短，工艺简单，在性能上也达到或超过了对比钢种的要求。
实施例2
按照本发明成分要求，在试验室500kg真空感应炉上冶炼本发明钢。化学成分见表1。钢坯加热温度为1200℃，终轧温度820-860℃，轧后水冷到540-600℃卷取或空冷至室温。轧制厚度2-8mm。力学性能见表2。
表1本发明钢实施例－化学成分单位：重量百分比
表2本发明钢实施例－力学及覆铝性能
从表2可见，本发明钢具有稳定的屈服强度，在不同的轧制工艺下，各种规格钢板的抗拉强度均均在280-380mpa之间，并具有很高的延伸率。在成分设计、生产工艺和性能上优于对比钢种。从而使得本发明钢可以广泛用于双面大变形覆铝带钢的生产，且生产出的覆铝板带具有良好的冲压性能及表面质量。