专利名称：制造双相钢板的方法
技术领域：
利用包括两级等温均热处理和保温程序的热加工曲线(thermalprofile)制造双相镀锌钢带。钢带进入镀槽时的温度接近其熔点。
背景技术：
本发明之前，对钢带进行热处理并镀敷金属层的镀锌处理已经是众所周知的，并得到了高度发展。一般，将冷轧钢板加热到临界区域(Ac1和Ac3之间)，以形成部分奥氏体，随后以能使部分奥氏体转变为马氏体的方式冷却，获得铁素体和马氏体显微组织。在钢中含有如Mn、Si、Cr和Mo等合金元素以促进形成马氏体。为实现这一点，已有多种特定工艺，其中之一如Omiya等人的美国专利6312536所述。在Omiya等人的该专利中，以冷轧钢板作为热浸镀锌的基体，该钢板具有特定的组成，在所述制造条件下，该组成据称有益于形成主要由铁素体和马氏体构成的显微组织。Omiya等人的该专利描述了一种镀锌双相制品。
根据Omiya等人的专利，双相镀锌钢板通过下述步骤制造在冷轧钢板进入460℃(860°F)的镀锌槽以前，以780℃(1436°F)或更高的温度对其进行均热，一般进行10-40秒，随后以至少5℃每秒的速度冷却，更常采用20-40℃每秒。Omiya等人的专利中所述的钢组成应如下，以重量百分比计碳0.02-0.20 铝0.010-0.150钛最高0.01 硅最高0.04磷最高0.060 硫最高0.030锰1.5-2.40 铬0.03-1.50钼0.03-1.50同时锰、铬和钼的含量应满足下述关系3Mn+6Cr+Mo最高8.1％，以及Mn+6Cr+10Mo至少3.5％显然，Omiya等人的该专利中，要在至少780℃(1436°F)的温度下进行初始热处理(均热)步骤。见第5栏第64-67行；第6栏第2-4行“为了获得所需显微组织和稳定的可成形性，必须在780℃或更高的温度加热钢板，该温度比Ac1点高约50℃。...加热应当持续10秒以上，以获得所需的铁素体+奥氏体显微组织。”随后工艺说明继续描述了以高于1℃/秒的平均速度将该钢板冷却到镀槽温度(通常为440-470℃，或824-878°F)，并穿过镀槽。镀敷后，以至少5℃/秒的速度冷却，可获得期望的主要为铁素体和马氏体的显微组织。任选在金属镀敷后但在最终冷却前的合金化工序(通常称为锌镀层扩散退火处理)中，该镀敷板可以在冷却前加热。
显然，Omiya等人并未意识到无需其均热步骤的高温也可以获得双相产品，或者，在较低温度的均热后进行特定的保温步骤将有助于形成所期望的显微组织。
发明概述本人发现，与上文所引用的Omiya等人的专利相反，不仅无需将初始热处理温度保持在780℃(1436°F)或更高的温度，而且，所期望的双相显微组织可以通过下述手段获得在初始热处理(均热)过程中使温度保持在从Ac1+45°F但至少为1340°F(727℃)至Ac1+135°F但不高于1425°F(775℃)的范围内。与Omiya等人的专利相反，如果遵照本发明的其它步骤，则无需将温度保持在780℃或更高。为方便起见，下文中将本发明中的初始热处理称为“均热”。但是，本发明所述方法并不仅仅依赖于较Omiya等人所述更低的均热温度；相反，所述(Ac1+45°F)～1425°F、通常为1340～1420°F的均热温度，还必须结合随后在850～920°F(454～493℃)进行的基本上等温的热处理，称为保温步骤。在保温步骤中，当钢板冷却至室温(环境温度)之前，将钢板保持在850～920°F(454～493℃)，有时表示为885°F±35°F，保持20～100秒。冷却至环境温度应采用的速度至少应为5℃/秒。应当再次指出的是，Omiya等人的专利中并未记载在其热处理过程中有在任何温度或保持任何时间的保温步骤。而且，本人的工作表明，如果对Omiya等人的专利中规定的钢在其限定的、或更高的均热温度范围内(例如1475°F)进行均热，并进一步进行包括如前所述的保温步骤(850～920°F)的热循环，制成的钢不会获得所需的以铁素体-马氏体为主的显微组织，而将包含大量的贝氏体和/或珠光体。
本发明将均热步骤的温度下限定为“Ac1+45°F，但至少为1340°F(727℃)”，是由于事实上所有具有组成A的钢的Ac1都至少为1295°F。
该钢板的组成与Ochiya等人的专利中所述的相似碳0.02-0.20 铝0.010-0.150钛最高0.01硅最高0.04磷最高0.060 硫最高0.030锰1.5-2.40铬0.03-1.50钼0.03-1.50同时锰、铬和钼的含量应满足下述关系Mn+6Cr+10Mo至少为3.5％根据本发明，硅含量至多为0.5％，碳含量优选为0.03-0.12％，但也可以使用Omiya等人的专利中所述的碳含量范围。下文中将上述经改进的组成称为组成A。
因此，本发明提出一种制造双相钢板的方法，包括将钢板在从Ac1+45°F但至少为1340°F(727℃)至Ac1+135°F但不高于1425°F(775℃)的范围内进行20～90秒均热，以不低于1℃/秒的速度将钢板冷却至454～493℃，将钢板在850～920°F(454～493℃)范围内保持20～100秒。保温步骤可以在热浸镀之前进行，也可以与热浸镀一同开始，因为镀锌槽的温度也将处于454～493℃(850～920°F)范围内。保温步骤之后，无论钢板是否镀锌，都可立即以至少5℃/秒的速度使钢板冷却至环境温度。或者，钢板镀敷后，以常规方法进行镀锌层扩散退火处理，即，将钢板加热至通常不高于约960°F的温度约5～20秒，随后以至少5℃/秒的速度冷却。本发明所述镀锌层扩散退火和镀锌热循环列于图6中以作比较。
实际的热浸镀步骤基本上以常规方式进行，即，将钢与熔融镀锌金属接触约5秒；但有些情况下更短的时间也已足够，也可以采用更长的时间，但可能不会产生更好的效果。钢带一般约0.7mm～约2.5mm厚，镀层一般约10微米厚。进行保温和镀敷步骤后，经镀敷的钢通过本文中其它处记载的方式冷却至环境温度，或者如上所述进行常规镀锌层扩散退火。遵照上述规程，所得产品的显微组织将主要含有铁素体和马氏体。
商业生产中，通常采用一般为1000～6000英尺长的钢带卷，基本上连续进行热浸镀锌。本发明对工艺的控制更为便利，这不仅是因为均热步骤是在较低温度下进行，还由于钢带更易于保持与进入和离开的热浸镀容器相同的温度，而几乎无需考虑钢带与锌罐之间发生会加热熔融锌并限制产量的明显的热传递。
特定地应用于连续钢带镀锌的生产线，包括钢带供给装置和镀锌槽，本发明包括将具有组成A的冷轧钢带卷供给镀锌生产线中的加热区，使钢带连续穿过加热区，从而将其加热至从Ac1+45°F但至少为1340°F(727℃)至Ac1+135°F但不高于1425°F(775℃)范围内，使钢带穿过均热区，从而将其保持在从Ac1+45°F但至少为1340°F(727℃)至Ac1+135°F但不高于1425°F(775℃)范围内，保持20～90秒，使钢带穿过冷却区，以高于1℃/秒的速度使其冷却，当钢带温度降至885°F±35°F、但仍在镀锌槽温度±30°F(优选20°F±镀槽温度，更优选10°F±镀槽温度)范围内时，中断冷却，将钢带在镀锌槽温度±30°F(仍然优选在20°F±镀槽温度，更优选10°F±镀槽温度)范围内保持20～100秒，使钢带穿过镀锌槽，任选地对镀敷过的钢带进行镀锌层扩散退火，将钢带冷却至环境温度。镀锌槽一般处于约870°F(850-920°F)，可以设置在保温区的开始，或者在保温区末端附近，或者在保温区内的其它任意位置，或紧接其后。在镀槽中的一般停留时间为3～6秒，但可以稍作改变，特别是对于其上限，可以高达10秒。如前所述，当钢浸入并离开锌镀槽后，在冷却至室温以形成镀锌层之前，如果需要的话钢带可以通过常规方式加热以形成镀锌层扩散退火的涂层。
图1所示为本发明的一般热循环。
图2所示为极限抗拉强度作为与实施例1所述相关的均热温度和保温时间的函数。
图3所示为屈强比作为均热温度的函数。
图4所示为在实施例2中所述的条件下，均热温度对屈强比的影响情况。
实施例3所述的条件下，另一条屈强比曲线如图5所示。
本发明中的热循环范例如图6所示。
发明详述实施例1根据图1所示的一般热循环，采用不同“均热”温度处理薄钢板试样-依照图示曲线的一组试样在880°F“保温”35秒，另一组试样在880°F保温70秒。试样是具有前述组成A的冷轧钢，具体来说，C为0.67，Mn为1.81，Cr为0.18，Mo为0.19，都以重量百分比计。其它元素成分通常为低碳、A1镇静钢。均热温度在1330～1510°F范围内以递增20°F变化。冷却后，测定改良试样的机械性能和显微组织。所得产品的极限抗拉强度(“UTS”)作为均热温度和保温时间的函数如图2所示。对于这种特定材料，目标是最小UTS为600MPa，并通过两种保温时间都采用约1350°F～1450°F的均热温度范围而实现。
实施例1的一个目的是获得主要为铁素体-马氏体的显微组织。屈强比即屈服强度与极限抗拉强度的比值，是是否存在铁素体-马氏体双相显微组织的标志。进行如实施例1所述处理时，当屈强比为0.5或更低时，表明存在铁素体-马氏体显微组织。如果屈强比高于约0.5，显微组织中将存在很大体积分数的其它有害组分，如贝氏体、珠光体和/或Fe3C。图3显示了对于在35秒和70秒保温区的试样，屈强比作为均热温度的函数。注意到两条曲线在从约1350～1430°F的温度范围都获得了非常低的屈强比，约为0.45，表明在该均热温度范围内具有最佳双相特性。对在该1350～1430°F均热范围进行了均热的钢制成的试样进行金相学分析，证实了铁素体-马氏体显微组织。对于在1390°F进行均热、在880°F分别保温70和35秒的钢，使用点算法进行的定量金相表明马氏体含量分别为14.5和13.5％，显微组织中未观察到其它组分。(图像通过Lepera蚀刻技术形成，其中铁素体显示为浅灰色，马氏体为白色，如珠光体和贝氏体等为黑色)。对于均热温度低于约1350°F时而言，如所预见的，由于碳化物溶解不充分，导致碳化铁(Fe3C)残留在显微组织中，结果会在冷却过程中限制马氏体的生成。
但是，不希望均热温度高于约1430°F时显微组织中出现贝氏体。例如，金相分析表明，在1510°F均热、在880°F保温70秒的钢中含有8.5％贝氏体。这一结果与Omiya的专利截然相反。根据Omiya所述，正是在该均热温度范围即必须高于1436°F，期望获得铁素体-马氏体显微组织。本人的研究表明，当退火均热温度处于Omiya所述的范围内、热处理过程中的保温区域处于880°F附近时，在显微组织中会存在大量贝氏体。对于本实施例中所使用的特定钢而言，获得铁素体-马氏体显微组织所必需的退火范围为从约1350至1430°F。表1总结了本实施例中不同均热温度区域中热处理、屈强比和显微组成之间的关系。
表1
实施例2对具有组成A的另一种冷轧钢板进行与实施例1所描述和图1所示的一系列热循环。该钢也处于所述组成范围内，以重量百分比计特别地含有下述组成0.12％C、1.96％Mn、0.24％Cr和0.18％Mo，该组成的余量通常为低碳A1镇静钢。再次检测材料的机械性能。对于在880°F进行70秒保温工序的钢，其均热温度对于屈强比的影响如图4所示。该曲线的形状与图3相似，金相分析表明，在不同的均热温度区域内发生了与前述实施例相同的冶金现象(metallogical phenomena)。同样如前一实施例所证实的，为获得主要为铁素体-马氏体的显微组织，在约880°F进行保温步骤的情况下，退火均热温度范围必须从约1350至1425°F。
实施例3如前两个实施例所述，根据图1所示的热循环对具有组成A的第三种冷轧钢板进行处理。该钢以重量百分比计含有0.076C、1.89Mn、0.10Cr、0.094Mo和0.34Si，余量通常为低碳钢。进行了如其它实施例所述的退火后，再次检测其机械性能和所得的显微组织。图5示出了保温70秒时，材料的屈强比作为均热温度的函数。采用获得铁素体-马氏体双相显微组织的精确退火范围，再次发现该曲线的形状与前述实施例相似。但是，注意与前述实施例相比，该曲线向右移动了约30°F。这是因为与前两个实施例中的钢相比，这种钢因其硅含量较高而具有更高的Ac1温度。表2示出了每种钢生成铁素体-马氏体的必要均热温度范围、以及根据Andrews所述其各自的Ac1温度。如表所示，优选退火温度范围看来是Ac1温度的函数。一般来说，基于这一信息，生产双相钢所必需的均热温度范围取决于特定的钢组成-也就是说，当热循环中的保温步骤处于880°F附近(885°F±35°F)时，均热温度应当处于从Ac1+45°F但至少为1340°F(727℃)至Ac1+135°F但不超过1425°F(775℃)范围内。
表2
*生成铁素体-马氏体的退火范围(华氏度)**双相钢必需的退火范围，与Ac1相关实施例4表3所示为含碳量低于前述钢的另外两种钢的机械性能。这两种钢经过图1所示的处理，分别采用1365、1400和1475°F的各自均热温度，并在880°F保温70秒。表中还示出了每种钢制成双相钢预期所必需的均热温度范围，是如实施例3所述由Ac1计算出来的。在分别处于两种钢要求的均热温度范围内的1365和1400°F均热时，观察到低屈强比的铁素体-马氏体显微组织。而且，在本发明所述范围之外的1475°F进行均热的钢，由于其显微组织中存在贝氏体，屈强比显著较高。
表3
实施例5前述实施例是基于实验室研究，但是也进行了工厂试验，证实了前述生产热浸镀锌和镀锌层扩散退火双相钢产品的热处理程序。表4示出了对经过镀锌层扩散退火的钢进行工厂试验的结果。表明表中所示的钢具有完全相同的组成、并因此具有相似的Ac1温度。根据Ac1温度计算出形成双相的预期均热温度范围是约1350至1440°F。而且，就工艺而言，这些钢的保温温度和时间都相当一致，且退火(均热)温度是材料之间的主要加工变量。表中还示出了机械性能及相应的屈强比。表明钢1-4在本发明所述均热范围内进行均热，并具有低于0.5的预期的屈强比。金相检验表明在钢1-4中存在铁素体马氏体显微组织，马氏体含量约为15％。钢5在优选均热范围之外进行处理，其屈强比较高，约为0.61。金相分析表明该材料中含有11％的贝氏体。镀锌和镀锌层扩散退火处理的相似结果也已示出。
表4
权利要求
1.一种制造初始双相钢板的方法，其中所述钢板具有下述组成，以重量百分比计，碳0.02-0.20；铝0.010-0.150；钛最高0.01；硅最高0.5；磷最高0.060；硫最高0.030；锰1.5-2.40；铬0.03-1.50；钼0.03-1.50；同时锰、铬和钼的含量应满足下述关系(Mn+6Cr+10Mo)＝至少3.5％，该方法包括将所述钢板在从Ac1+45°F，但至少为1340°F(727℃)至Ac1+135°F，但不高于1425°F(775℃)的范围内进行20～90秒均热，以至少1℃/秒的速度将所述钢板冷却至850～920°F的温度范围，将所述钢板在850～920°F范围内保持20～100秒。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述钢板为钢带，且所述方法是对至少1000英尺长的钢带连续进行。
3.如权利要求1所述的方法，包括在所述保温之前、过程中或之后立即在处于850～920°F温度范围内的熔融镀锌金属容器中，对所述钢板进行镀敷。
4.如权利要求3所述的方法，其中，在所述镀敷过程中，所述钢板的温度保持在熔融金属温度±20°F范围内，以便使所述钢带和熔融金属之间的热传递最小化。
5.如权利要求1所述的方法，在所述步骤后以至少5℃/秒的速度使钢板冷却至环境温度，此后所述双相在主要为铁素体和马氏体的显微组织中得到证明。
6.如权利要求1所述的方法，其中包括对所述钢板进行镀锌层扩散退火处理，并以至少5℃/秒的速度使经过镀敷的钢板冷却，此后所述双相在主要为铁素体和马氏体的显微组织中得到证明。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述钢的碳含量为0.03-0.12％。
8.在包括镀锌槽的镀锌生产线中对钢带进行基本上连续镀锌的方法，包括将具有下述组成的钢带卷供给所述镀锌生产线中的加热区碳0.02-0.20；铝0.010-0.150；钛最高0.01；硅最高0.5；磷最高0.060；硫最高0.030；锰1.5-2.40；铬0.03-1.50；钼0.03-1.50；同时锰、铬和钼的含量应满足下述关系(Mn+6Cr+10Mo)至少为3.5％，将所述钢带连续穿过加热区使钢带加热至1340～1425°F，使钢带穿过均热区使其在1340～1420°F范围内保持20～90秒，使所述钢带穿过冷却区，以高于1℃/秒的速度使其冷却，当钢带温度降至所述镀锌槽温度±30°F时中断冷却，将钢带在850～920°F、并在镀锌槽温度±30°F的温度范围内保温20～100秒，使钢带穿过所述镀锌槽，将该钢带冷却至环境温度。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述钢带在所述镀锌槽中的停留时间为3-6秒。
10.如权利要求8所述的方法，其中以5～40°F/秒的速度在所述冷却区中进行所述冷却。
11.如权利要求8所述的方法，其中所述钢带进入镀锌槽时的温度为该镀锌槽温度的±10°F范围内。
12.如权利要求8所述的方法，其中，一旦中断所述冷却就立即使钢带进入所述镀锌槽中。
13.如权利要求8所述的方法，其中，在所述20～100秒期间的终点附近，使所述钢带进入所述镀锌槽。
14.如权利要求8所述的方法，其中如此制成的镀锌钢带其显微组织主要为铁素体-马氏体、并含有少于5％其它形态的组分。
15.如权利要求8所述的方法，其中所述钢带中的碳含量为0.03-0.12wt％。
16.如权利要求8所述的方法，其中所述钢带冷却至环境温度之前进行镀锌层扩散退火。
17.制造显微组织主要为马氏体和铁素体的镀锌钢带的方法，其中所述钢具有下述组成，以重量百分比计碳0.02-0.20；铝0.010-0.150；钛最高0.01；硅最高0.5；磷最高0.060；硫最高0.030；锰1.5-2.40；铬0.03-1.50；钼0.03-1.50；该方法包括将所述钢带在从Ac1+45°F但至少为1340°F，至Ac1+135°F但不高于1425°F进行至少20秒的均热，以至少1℃/秒的速度将该钢带冷却，将该钢带在885°F+35°F保持20～100秒，在该保温期间的任意时刻将所述钢带穿过镀锌容器，在其中停留2-9秒对该钢带进行镀敷，将镀敷后的钢带冷却至环境温度。
18.如权利要求17所述的方法，包括在钢带冷却至环境温度之前对其进行镀锌层扩散退火。
19.如权利要求17所述的方法，其中钢带在所述镀锌容器内停留期间，钢带的温度处于该镀锌容器温度的±20°F范围内。
20.如权利要求17所述的方法，其中钢带在所述镀锌容器内停留期间，钢带的温度处于该镀锌容器温度的±10°F范围内。
全文摘要
利用时间/温度循环制造双相钢板，包括在约1340－1425°F进行均热，在850－920°F保温，其中该钢具有下述组成，以重量百分比计碳0.02－0.20；铝0.010－0.150；钛最高0.01；硅最高0.5；磷最高0.060；硫最高0.030；锰1.5－2.40；铬0.03－1.50；钼0.03－1.50；同时锰、铬和钼的含量应满足下述关系(Mn+6Cr+10Mo)＝至少3.5％。该钢板优选为经过连续镀锌或镀锌层扩散退火生产线处理的钢带形式，且该产品主要为铁素体和马氏体。
文档编号C21D9/46GK1742109SQ200380109234
公开日2006年3月1日 申请日期2003年11月4日 优先权日2002年11月26日
发明者D·P·霍伊迪克 申请人:Uec科技有限责任公司