抗拉强度400MPa级高强度碳锰结构钢及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种抗拉强度400MPa级高强度碳锰结构钢及其制造方法，其化学成分重量百分比为：碳：0.10～0.20%、硅≤0.30%、锰≤0.40%、铝：0.010～0.030%、磷≤0.02%、硫≤0.015%，余量为Fe及不可避免杂质元素。再配合转炉冶炼、连铸、热轧等工艺流程的控制，得到的冷轧高强度碳锰结构钢板，屈服强度为250MPa～280MPa，抗拉强度为≥400MPa，延伸率≥32％。通过增加碳的含量，代替昂贵的金属，降低生产成本，再通过工艺，使碳与Fe形成细小弥散的碳化物，均匀分布于铁素体中，得到的冷轧碳锰结构钢板具有高强度特点。
【专利说明】抗拉强度400MPa级高强度碳锰结构钢及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及属于冶金工业产品及其制造工艺的【技术领域】，涉及冷轧钢板及其制造技术，更具体地说，本发明涉及一种抗拉强度400MPa级高强度碳锰结构钢，另外，本发明还涉及该冷轧钢板的生产方法。
【背景技术】
[0002]随着汽车、家电与建筑行业等的轻量化，高强度冷轧钢板的需求量日益增大。碳锰冷轧高强度结构钢是目前汽车、家电与建筑等结构件用量最大的一种高强度冷轧钢板，约占整个高强度钢板的50%左右。其主要是从德国标准引用而来，目前国内宝钢、鞍钢、攀钢等均有相关研究，并广泛应用于汽车结构件、车身及汽车底盘等零部件，以及家电与建筑结构等。
[0003]目前碳锰结构钢主要是以低碳铝镇静钢为基础，通过添加Mn来提高钢的强度，主要牌号有St37、St44、St52等级别的系列产品，其性能均达到了国外同类产品水平，满足了汽车、家电与建筑行业的不同需求，为碳锰结构钢的广泛应用奠定了基础。
[0004]传统的高强度冷轧钢板的生产工艺流程由连铸+热轧+连续退火等工序完成，其冷轧钢板的厚度一般为0.8~2.5mm, 一般是通过低碳+锰来强化，或者添加微合金Nb、Ti来复合强化。但该工艺生产有如下缺点:①无法生产2.5mm以上规格产品。②组产受厚度、宽度、退火温度等所限制，组产困难。③制造成本较高。而罩式退火生产高强度钢板不受规格、工艺等限制，组产方便，制造成本低等特点。
[0005]中国专利号CN201110126624.4《400MPa级高强度高成形性能冷轧钢板及其生产方法》，阐明了以超低碳IF钢为基础，依靠添加Mn、S1、P等元素含量及退火工艺控制，实现晶粒细化，获得高强度的同时也有良好的冷成形性能。其成分要求如下:C≤0.04%，Si:0.10 ~0.40%, Mn:0.1 ~1.0%, P:0.010 ~0.100%, S ≤ 0.030%, Al:0.010 ~0.050%, Ti:0.01~0.10%, N≤0.005%, B:0.0004~0.0012%。余下为Fe和不可避免的杂质。
[0006]中国专利号CN201010130903.3《屈服强度400MPa以上级别低碳钢薄板及其制造方法》，阐述了一种通过铌、硼微合金化及其相互作用，通过合理的成分和工艺设计，能够形成贝氏体钢，通过双辊薄带连铸工艺，得到屈服强度大于400MPa以上不同强度级别的薄板。其主要成分要求如下:碳0.03~0.08%,锰0.4~1.2%，硅0.2~0.5%，铝0.01~
0.05%，硼 0.001 ~0.008%，硫≤ 0.01%，磷≤ 0.015%，氮≤ 0.006%，氧≤ 0.006%，余量为 Fe和不可避免的其他杂质元素。
[0007]中国专利号为CN201110126624.4采用超低碳IF钢生产，其生产的钢材满足深冲成形性的高强度钢板要求，但需真空脱气精炼，成本较高；并且加入了较高的P含量，加之晶界无间隙原子C，其晶界比较脆弱，容易产生低温脆性与二次加工脆性。中国专利号CN201010130903.3采用的是薄带连铸技术，获得是贝氏体组织，其成形性较差。
【发明内容】
[0008]本发明所要解决的技术问题是提供一种400MPa级冷轧高强度碳锰结构钢及其制造方法，通过提高碳的含量，代替昂贵的金属，且降低了生产成本，并可得到成形性较好的高强度钢板。
[0009]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0010]一种抗拉强度400MPa级高强度碳锰结构钢，其化学成分重量百分比为--碳..0.10 ~0.20%、硅≤ 0.30%、锰≤ 0.40%、铝:0.010 ~0.030%、磷≤ 0.02%、硫≤ 0.015%，余量
为Fe及不可避免杂质元素。
[0011 ] 一种抗拉强度400MPa级高强度碳锰结构钢的制造方法如下:
[0012]步骤1:转炉冶炼，在转炉按上述成分进行冶炼，获得目标钢水；
[0013]步骤2:连铸，将装有钢水的钢包运至回转台，回转台转动到浇注位置后，将钢水注入中间包，中间包再由水口将钢水分配到各个结晶器中去，使铸件成形并迅速凝固结晶，然后切割成一定长度的板坯；
[0014]步骤3:热轧，采用常规热轧工艺，将板坯热轧至冷轧所需的原料目标厚度，其终轧温度:860~890°C，卷取温度500~550°C ；
[0015]步骤4:酸洗冷轧，采用常规酸洗工艺，充分去除带钢表面的氧化铁皮，然后冷轧至成品所需厚度规格，冷轧压下率控制在60~80% ；
[0016]步骤5:罩式退火，采用常规罩式退火工艺，控制退火温度为650~700°C，采用随炉加热与随炉冷却；
[0017]步骤6:平整，控制平整延伸率为1.0~2.0%，
[0018]所述的制造方法，通过增加碳的含量，代替昂贵的金属，再通过工艺流程的控制，使碳与Fe形成细小弥散的碳化物，均匀分布于铁素体中，得到的冷轧高强度碳锰结构钢板，屈服强度为250MPa~280MPa，抗拉强度为≥400MPa，延伸率≥32%。
[0019]本发明的优点在于:
[0020]I)工艺流程中退火方式运用罩式退火，该方式的缓慢加热与缓慢冷却的特点，可以得到成形性较好的高强度钢板；
[0021]2)增加碳的含量，代替原有的昂贵金属，有效地降低了生产成本；且在工艺流程的控制下，碳与Fe形成细小弥散的碳化物，均匀分布于铁素体中，得到的冷轧碳锰结构钢板具有高强度特点；
[0022]3)本发明采用的精轧机轧出的带钢在输出辊道上由带钢层流冷却系统采用的冷却制度，其冷却效果明显，冷却速度较快，使N在热轧过程中不析出，并且碳化物细小均匀分布，有利于获得细小的晶粒，改善钢的塑性与冲压性能。
[0023]4)由于目前连续退火产能较大，且生产率高，表面质量好，以前用罩式退火生产的带钢逐渐被连续退火所取代；此发明采用罩式退火生产，可以提高目前罩式退火的产能。将罩式退火被连续退火所取代的部分产能得以释放。
【具体实施方式】
[0024]一种400MPa级冷轧高强度碳锰结构钢及其制造方法，其主要化学成分质量百分数为:C:0.10% ~0.20%、Si ≤0.30%、Mn ≤0.40%、Als:0.010% ~0.030%、P ≤ 0.02%、S ≤ 0.015%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。[0025]C:最有效的强化元素，是最经济且强化作用最强的元素。当C含量较低时，其成形性与焊接性能较好；但是C含量过低，很难获得所需的强度，同时C含量过低，C的过饱和度小，很难形成碳化物元素析出，从而抗时效性较差；为了获得所需的强度与良好的抗时效性能，C含量的下限控制在0.10%。C含量过高，使得钢的延伸性能与焊接性能下降，因此本发明将C含量的上限控制在0.20%。[0026]S1:在钢中有较强的强化作用，但Si易形成氧化物，不利于酸洗以及退火后表面容易形成氧化色，还降低钢板的涂镀性，因此本发明添加少量的Si或不添加Si，其上限控制在0.30%。
[0027]Mn:在钢中起固溶强化作用(溶入钢中的Mn造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金钢的强度与硬度增加)，同时降低钢的屈强比(韧性和塑性);另外与钢中的S作用，防止钢的热脆产生。但是Mn含量过高，一方面增加成本，另一方面使钢的塑性与焊接性能受到较大影响。在本专利中Mn主要与S发生作用，防止钢的热脆产生，同时起较小的固溶强化作用，因此其上限控制在0.40%。
[0028]Al:A1在钢中主要起脱氧作用，同时Al还可形成AlN析出，起到一定的细化晶粒的作用。少量Al的存在，保证强度性能的前提下，可使钢的延性提高。但是Al含量过高，结晶器容易堵塞，同时铸坯容易产生裂纹等缺陷，还增加成本。所以本发明Al重量百分比含量控制在0.010%~0.030%。
[0029]P:为钢中不可避免的有害杂质，对钢的冲压性能、冷脆性、二次加工脆性等均有不良影响，应严格控制钢中的P含量。
[0030]S:为钢中不可避免的有害杂质，对钢的各向同性、热脆性、冲压性能、冷弯性、翻边成形性能等有不利影响，严格控制钢中的S含量将增加钢的冶炼成本，因此本发明中将S含量上限控制在0.015%。
[0031]余量为Fe及不可避免的杂质元素，杂质元素在不增加额外成本的基础上越少越好。
[0032]本发明的主要特点:C含量相对较高，主要通过C的固溶强化以及与Fe作用的弥散析出强化来提高钢基强度，减少合金元素的加入，降低成本。添加适当的Mn含量，固定钢中的S，避免S与Fe结合形成热脆性；Mn的加入还可细晶强化，提高钢的强度与韧性。
[0033]本发明采用上述的化学成分及其质量比重，生产制造工艺流程为:
[0034]转炉冶炼一连铸一热轧一酸洗冷轧一罩式退火一平整一成品。
[0035]本发明采用以上化学成分和工艺流程生产抗拉强度大于400MPa级冷轧高强度碳锰结构钢，【具体实施方式】如下:对冷轧高强度碳锰结构钢板的化学成分进行优化设计，不添加价格昂贵的合金元素，利用C、Mn元素的固溶强化与细晶强化、析出强化提高产品的强度。同时无需精炼等工艺，冶炼流程大大缩短，进一步降低钢的成本。
[0036]转炉冶炼:转炉冶炼在转炉里进行，向转炉里加入高温的铁水和生石灰，再通过炉壁小孔吹入空气，进行强烈的氧化还原反应。
[0037]连铸:连铸工艺主要设备包括回转台、中间包，结晶器、拉矫机等。将装有钢水的钢包运至回转台，回转台转动到浇注位置后，将钢水注入中间包，中间包再由水口将钢水分配到各个结晶器中去。它使铸件成形并迅速凝固结晶。拉矫机与结晶振动装置共同作用，将结晶器内的铸件拉出，经冷却、电磁搅拌后，切割成一定长度的板坯。[0038]热轧:板坏经加热炉的上料辊道送到加热炉加热到设定温度后，由加热炉出炉辊道运出，经除鳞装置清除二次氧化铁皮后，由精轧前立辊导向进入精轧机组轧制成成品带钢，并运送到卷取机进行下一步加工。其中，精轧机轧出的带钢在输出辊道上由带钢层流冷却系统采用相应的冷却制度，将热轧带钢由终轧温度冷却到规定的卷取温度。终轧温度是指热轧板带离开最后一道精轧机时的温度；而之后的卷取温度是指板带到达卷取机时的温度。[0039]本发明控制的终轧温度为860~890°C ;卷取温度为500~550°C ;终轧后采用较高的冷却速率，使N在热轧过程中不析出，并且碳化物细小均匀分布。有利于获得细小的晶粒，改善钢的塑性与冲压性能。
[0040]酸洗冷轧:采用常规酸洗工艺，充分去除带钢表面的氧化铁皮。冷轧压下率控制在60 ~80%。
[0041]罩式退火:退火温度650~70(TC，米用随炉加热与随炉冷却。
[0042]平整:平整后带钢上下屈服点波动范围减小，基本可以消除屈服伸长，抗拉强度略有增加，延伸率略有下降，幅度均不大，平整率过小(平整率≤1.0%),对带钢性能影响很小或没有影响，过大(平整率≥ 2.0%)，则出现了明显的加工硬化，很大程度上恶化了带钢的综合性能。故控制平整延伸率为1.0~2.0%。
[0043]采用本发明的化学成分、工艺流程和具体方法和步骤生产的冷轧高强度碳锰结构钢板，屈服强度为250MPa~280MPa，抗拉强度为≥400MPa，延伸率≥32%。
[0044]具体实施例1:
[0045]钢的化学成分(质量百分比)C:0.12%, Mn:0.38%, Si:0.22%, P:0.010%, S:0.011%,Al:0.013%，余量为铁和不可避免的杂质。
[0046]其工艺流程为:转炉冶炼一连铸一热轧一酸洗冷轧一罩式退火一平整一成品。
[0047]工艺参数:按上述成分进行转炉冶炼，并连铸成230mm厚的板坯，然后将板坯加热至1230°C进行热轧，热轧终轧温度为880°C，卷取温度为520°C，热轧卷厚度为6.0mm，然后进行酸洗冷轧，冷轧压下率为75%，冷轧轧至目标厚度2.0mm,罩式退火温度为650°C，平整延伸率为1.2%。得到的产品屈服强度为276MPa，抗拉强度418MPa，延伸率34%。
[0048]具体实施例2:
[0049]钢的化学成分(质量百分比)C:0.185%, Mn:0.31%, Si:0.12%, P:0.018%, S:
0.010%, Al:0.017%，余量为铁和不可避免的杂质。
[0050]其工艺流程为:转炉冶炼一连铸一热轧一酸洗冷轧一罩式退火一平整一成品。
[0051]工艺参数:按上述成分进行转炉冶炼，并连铸成230mm厚的板坯，然后将板坯加热至1230°C进行热轧，热轧终轧温度为890°C，卷取温度为550°C，热轧卷厚度为5.0mm，然后进行酸洗冷轧，冷轧压下率为70%，冷轧轧至目标厚度1.5mm，罩式退火温度为680°C，平整延伸率为1.0%。得到的产品屈服强度为256.5MPa，抗拉强度406MPa，延伸率35%。
【权利要求】
1.一种抗拉强度400MPa级高强度碳锰结构钢，其化学成分重量百分比为:碳:0.10~0.20%、硅≤ 0.30%、锰≤ 0.40%、铝:0.010 ~0.030%、磷≤ 0.02%、硫≤ 0.015%，余量为 Fe 及不可避免杂质元素。
2.根据权利要求1所述的抗拉强度400MPa级高强度碳锰结构钢的制造方法，包括以下步骤: 步骤1:转炉冶炼，在转炉按上述成分进行冶炼，获得目标钢水； 步骤2:连铸，将装有钢水的钢包运至回转台，回转台转动到浇注位置后，将钢水注入中间包，中间包再由水口将钢水分配到各个结晶器中去，使铸件成形并迅速凝固结晶，然后切割成一定长度的板还; 步骤3:热轧，采用常规热轧工艺，将板坯热轧至冷轧所需的原料目标厚度，其终轧温度:860~890°C，卷取温度500~550°C ； 步骤4:酸洗冷轧，采用常规酸洗工艺，充分去除带钢表面的氧化铁皮，然后冷轧至成品所需厚度规格，冷轧压下率控制在60~80% ； 步骤5:罩式退火，采用常规罩式退火工艺，控制退火温度为650~700°C，采用随炉加热与随炉冷却； 步骤6:平整，控制平整延伸率为1.0~2.0%。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于:通过增加碳的含量，代替昂贵的金属，再通过工艺流程的控制，使碳与Fe形成细小弥散的碳化物，均匀分布于铁素体中。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于:该方法得到的冷轧高强度碳锰结构钢板，屈服强度为250MPa~280MPa，抗拉强度为≤400MPa，延伸率≤32%。
5.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于:通过增加Mn的含量，固定钢中的S，避免S和Fe的结合，还可细晶强化。
6.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于:热轧终轧结束后采用>20°C /s的冷却速率迅速冷至卷取温度。
【文档编号】C22C38/06GK103509996SQ201310439991
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年9月25日 优先权日:2013年9月25日
【发明者】潘红波, 杨兴亮, 詹华, 刘永刚, 舒宏富, 杨少华, 毛鸣, 张翠 申请人:马钢(集团)控股有限公司, 马鞍山钢铁股份有限公司