一种高强镀锡原板及其制造方法与流程

本发明属于包装用钢领域，具体涉及一种高强镀锡原板及其制造方法，尤其涉及一种适用于生产三片罐罐身、易开盖、旋开盖等的高强镀锡原板及其制造方法。

背景技术：

包装用钢泛指用于生产食品、饮料、化工用各种罐和盖的一类钢材，一般厚度小于0.5mm，钢板表面往往电镀锡或电镀铬。因其优越的薄板性能常被用于各种罐(如两片饮料罐、三片饮料罐、奶粉罐、三片食品罐、气雾罐、油漆桶等)和各种盖如皇冠盖、旋开盖、易开盖等的生产。基于人们对节能减排、降本降耗的不断要求，包装用钢强度被不断提高。

目前，提高包装用钢强度的方法分为二次冷轧方法和基于一次冷轧板的强化方法。

二次冷轧强化方法是钢板经过熔炼、连铸、热轧、酸洗、冷轧、连续退火后再进行第二次的冷轧，冷轧压下率往往在10％以上，以此实现镀锡原板强化的目的。但二次冷轧法在带钢退火后又添加了一次冷轧过程，因此能耗较高。且在提高镀锡原板强度的同时，往往导致钢板延伸率急剧降低，屈服强度＞500MPa时，延伸率＜3％，应用于对成形性有一定要求的产品加工时更容易出现开裂问题，如罐头罐罐身、罐盖上加强筋成形、易开盖的铆合成形等。

基于一次冷轧板的强化方法主要是通过带钢成分及工艺控制获得，典型现有技术如下：

PCT专利WO2008/102006A1公开了一种一次冷轧高强镀锡原板的方法。通过低温退火提高钢板强度，通过选用超低碳的钢种成分(含碳量5～40ppm)来保证钢板延伸率，最终可生产一系列屈服强度500MPa以上薄钢板。

美国专利US20150010779A1公开了一种通过快速连续退火获得镀锡原板的方法，钢板合金成分为：C≤0.1％，N≤0.02％，Mn≤0.5％，Si≤0.04％，Al≤0.1％，Cr≤0.1％，P≤0.03％，Cu≤0.1％，Ni≤0.1％，Sn≤0.04％，Mo≤0.04％，V≤0.04％，Ti≤0.05％，Nb≤0.05％，B≤0.005％，通过进行连续退火段快速的加热速度(75K/s，优先大于100K/s)加热至700℃以上，经过1～2s的短时间保温和冷却速度100～1200K/s，可获得抗拉强度至少500MPa，断裂延伸率大于5％的镀锡原板。但是其连续退火段要求快速进行，加热速度和冷却速度都很高，这就对设备、操作控制精度要求非常高，很难实现大规模稳定工业生产。

比利时专利BE1008976A6也公开了一种快速连续退火方法，其带钢主要成分为：C：0.002～0.1％，Mn：0.1～0.4％，N：0.001～0.006％，加热速度500～3000℃/s，退火温度高于650℃，保温时间5s，冷却速度500～2000℃/s，以此可获得硬度HR30T 75以上，同时延伸率10％以上的薄钢板。但该带钢为超低碳钢，炼钢工艺需要额外真空脱碳，使炼钢成本很高，而且连续退火段要求快速进行，对设备、操作控制精度要求也非常高，因此很难实现大规模稳定工业生产。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高强镀锡原板及其制造方法，该镀锡原板烘烤硬化后的屈服强度≥500MPa，延伸率≥5％，在提高强度的同时获得优异的延伸性能，可适用于生产三片罐罐身、易开盖、旋开盖等对成形性有要求的产品。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种高强镀锡原板，其化学成分重量百分比为：C：0.08～0.14％，Mn：0.2～0.5％，Al：0.03～0.05％，P：0.01～0.02％，N：0.006～0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，且上述元素需同时满足如下关系：8.5％≤50C+10Mn+50P+100N≤12.75％。

进一步，所述高强镀锡原板的化学成分中还含有：B：0.001％～0.008％，Cr：0.01～0.05％，Ti：0.001～0.1％，Nb：0.001～0.1％，Cu：0.01～0.05％，Mo：0.002～0.01％中的一种或一种以上，以重量百分比计。

本发明所述高强镀锡原板的金相组织由面积比为0～50％的带状铁素体晶粒、等轴铁素体晶粒及带状分布的颗粒状渗碳体组成。

再，所述高强镀锡原板在烘烤硬化后屈服强度≥500MPa，延伸率≥5％。

在本发明所述高强镀锡原板的成分设计中：

C：C元素在材料中是主要的强化元素，以间隙原子形式固溶或以渗碳体形式析出在基体上，对钢板起到固溶强化或析出强化的作用，从而显著提高钢板的屈服强度。本发明采用一次冷轧就达到传统二次冷轧技术所能达到的钢板强度，为保证强度，钢板中需添加≥0.08％的C，结合本发明的生产方法，这些C元素主要以渗碳体小颗粒的形式分布在铁素体基体上，对钢板起到析出强化的作用。但C含量过高容易在退火过程中从铁素体晶界上析出，从而降低钢板的塑性。对于本发明采用的低温退火工艺路线而言，C含量过高对产品最终加工性能、焊接性能、各向同性，尤其是对材料烘烤加热后性能也均有不利影响。因此，本发明钢中C含量控制在0.08～0.14％。

Mn：Mn元素在本发明中主要作用与C元素相近，通过Mn的固溶能进一步提高钢板的强度。此外Mn元素与钢中硫形成MnS，消除S引起的钢的热脆性问题，提高钢的热加工性能。但Mn含量过高会引起铸造板坯中Mn偏析以及热轧板中明显的带状组织分布，对最终薄板的冲压加工性能不利，如易开盖铆合成形时，Mn的偏析容易导致铆合开裂。因此，本发明钢中Mn含量控制在0.2～0.5％。

Al：Al元素在钢中主要起脱氧的作用，细化晶粒，同时钢中N元素与Al形成AlN析出，消除N元素对镀锡板使用过程中烘烤加热时时效的影响。Al添加过量容易降低板坯的可铸造性。因此，本发明适用钢的Al含量控制在0.03～0.05％。

P：P元素也是固溶强化元素，能提高钢的强度，但过量的P增加钢板的冷脆性及塑性，降低钢的冷弯性能和焊接性能。因此，本发明中P含量控制在0.01～0.02％。

N：N元素的固溶能大大提高钢的强度，但同时N含量太高会导致镀锡板的抗烘烤时效性能差，各向同性也会受到影响，因此，本发明薄钢板中N含量控制在0.006～0.015％。

C、Mn、P、N作为主要的强化元素，配合本发明的低温退火生产方法，能有效实现提高钢板强度的目的。为保证这四种元素的强化效果，除需满足以上成分要求外，还必须满足50C+10Mn+50P+100N≥8.5％。同时，这四种元素的添加对钢板烘烤硬化后延伸率均有不利影响，这种不利影响在本发明所述低温退火生产方法下会进一步被加强，因此，为保证钢板塑性，还必须满足50C+10Mn+50P+100N≤12.75％。

此外，B元素的添加能提高镀锡板的抗烘烤时效性能，减少钢板烘烤后延伸率的损失，Cr、Ti、Nb、Cu、Mo的添加均起到进一步提高钢板强度的作用。因此，根据实际应用中对烘烤时效后强度和延伸率的具体要求，可添加以上成分对钢板性能进行微调。

本发明所述高强镀锡原板的制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按上述成分冶炼、连铸；

2)热轧

轧制前加热温度≥1180℃；终轧温度≥850℃，卷取温度≤550℃；

3)酸洗

4)冷轧

冷轧压下率≥85％；

5)连续退火

退火温度T为550+5×10⁴×(C-0.08％)+5×10³×(Mn-0.20％)≤T≤630+5×10⁴×(C-0.08％)，单位：℃；保温时间10～100s，升温速度≥10℃/s，冷却速度≥10℃/s；

6)平整

平整率为0～2％。

进一步，所述高强镀锡原板的金相组织由面积比为0～50％的带状铁素体晶粒、等轴铁素体晶粒及带状分布的颗粒状渗碳体组成。

本发明所述高强镀锡原板在烘烤硬化后屈服强度≥500MPa，延伸率≥5％。

在上述步骤2)热轧工序中，对加热温度、终轧温度和卷取温度的控制机理如下：

热轧工序中，加热温度太低会导致钢中奥氏体无法完全再结晶，减弱热轧后晶粒的细化及C、N元素的固溶，导致最终镀锡原板屈服强度偏低。因此，本发明控制热轧加热温度≥1180℃。

热轧的终轧温度过低会导致进入铁素体+奥氏体两相区轧制，从而使终轧晶粒不均匀，铁素体晶粒长大更快，最终降低镀锡原板的强度及性能均匀性。因此，本发明控制热轧终轧温度≥850℃。

热轧的卷取温度太高，会使碳化物聚集长大或形成粗大珠光体组织，导致最终镀锡原板的强度降低。因此，本发明控制热轧卷取温度≤550℃。

本发明步骤4)冷轧工序中，冷轧压下率越大，最终镀锡原板的强度越高。本发明为保证钢板具有足够强度及最终钢板足够薄的厚度，要求冷轧段压下率≥85％。

在步骤5)连续退火工艺中，退火温度T选取略高于本发明钢种的临界再结晶温度范围，具体为：550+5×10⁴×(C-0.08％)+5×10³×(Mn-0.20％)≤T≤630+5×10⁴×(C-0.08％)，单位：℃，保温时间10～100s，该退火过程保证钢板50％以上铁素体晶粒发生再结晶，从而保证了钢板的强度和延伸率。若退火温度过低，钢板无法再结晶，退火后钢板的延伸率会很低(一般在2％以下)，无法满足使用时的成形要求；若退火温度过高，钢板完全再结晶后随之晶粒急剧长大，必然会导致钢板强度急剧降低，而无法满足镀锡板的强度要求。

退火保温时间决定了钢板再结晶的程度，保温时间过短，即使温度高于钢板的再结晶温度，50％以上的铁素体晶粒未来得及再结晶，获得钢板的延伸率仍然会很低；退火保温时间过长，会导致钢板再结晶后晶粒进一步长大，从而使得钢板强度偏低。此外，本发明连续退火工艺中升温速度、冷却速度都要求10℃/s以上，升温和冷却的速度太低会导致钢带在较高温度下保温时间过长，从而使得铁素体晶粒进一步长大，最终降低镀锡原板的屈服强度。

在步骤6)平整工艺中，为保证板形以及对钢板最终性能进行微调，本发明进行平整率为0～2％的平整。

由于本发明中钢板在退火段进行了再结晶，因此，所述镀锡原板最终组织中包括再结晶产生的等轴铁素体晶粒；钢板经过热轧、冷轧变形后钢中碳化物为颗粒状并沿轧向分布，经退火处理后，最终镀锡原板组织中碳化物颗粒仍然为带状分布。

本发明公开的高强薄钢板组织中还可存在50％以下的带状铁素体组织。该带状铁素体组织主要是由钢板连续退火时不完全再结晶产生的。在退火过程中，退火温度略高于钢板再结晶温度，当退火时间较短时(10～40s)，就会产生该组织。这种带状铁素体晶粒的存在有利于钢板强度的提高，但过多带状铁素体晶粒会导致最终钢板的延伸率过低。本发明通过控制退火时间在10s以上，从而保证钢板组织中带状铁素体晶粒占总面积的50％以下，最终钢板强度达到500MPa以上、延伸率达到5％以上。

本发明制造的高强镀锡原板经150～300℃、15～60min的烘烤后，屈服强度≥500MPa，延伸率≥5％，可实现工业化稳定生产，且成本较低，可广泛用于三片罐罐身、易开盖、旋开盖等。

本发明的有益效果：

本发明所述镀锡原板在合金成分设计方面提高了C含量，还必须控制8.5％≤50C+10Mn+50P+100N≤12.75％，从而在提高钢板强度的同时获得了优异的延伸性能；同时，与超低碳钢相比，本发明的合金成分体系使炼钢工艺不需要真空脱碳，降低炼钢成本。

本发明在制造方法方面，控制连续退火段退火温度T为：550+5×10⁴×(C-0.08％)+5×10³×(Mn-0.20％)≤T≤630+5×10⁴×(C-0.08％)，保温时间10～100s，保证钢板50％以上铁素体晶粒发生再结晶，并使钢板组织中带状铁素体晶粒占总面积的50％以下，从而保证了钢板的强度和延伸率；同时升温速度及冷却速度只要达到10℃/s以上即可制造出烘烤硬化后屈服强度≥500MPa、延伸率≥5％的镀锡原板，可适用于生产三片罐罐身、易开盖、旋开盖等对成形性有要求的产品。与快速连续退火方法相比，本发明对设备、操作控制精度要求低，更易于板型控制及生产宽规格镀锡原板，更易于实现大规模稳定工业生产。

附图说明

图1为本发明实施例3在退火时间0～120s内连续退火，平整后获得的镀锡原板组织中带状铁素体所占面积比随退火时间的变化曲线。

图2为本发明实施例3在退火时间0～120s内连续退火，平整后获得的镀锡原板中带状铁素体所占面积比与镀锡原板屈服强度、延伸率的关系曲线。

图3为本发明实施例1镀锡原板的金相组织。

图4为本发明实施例5镀锡原板的金相组织。

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。

表1为本发明实施例1-10和对比例1-8的合金成分，表2为本发明实施例1-10和对比例1-8的制造工艺参数，表3为本发明实施例1-10和对比例1-8经烘烤后的性能，注：钢板烘烤过程为210℃保温30min。力学性能按照JIS5标准加工拉伸样测定，Rp0.2为以产生0.2％残余变形的应力值为其屈服强度值，A％为断裂延伸率，测量标距为50mm。

由图1可知，随着带钢退火时间的延长，本发明钢中铁素体的再结晶程度逐渐提高，带状铁素体组织逐渐消失。由图2可知，随着钢组织中带状铁素体残留增加，钢板屈服强度增大，延伸率减小，在带状铁素体所占面积比为0～50％情况下，钢板的屈服强度≥500MPa，延伸率≥5％。

由图3可知，本发明实施例1镀锡原板的金相组织由带状分布的渗碳体颗粒及等轴铁素体晶粒组成。由图4可知，本发明实施例5镀锡原板的金相组织由等轴铁素体晶粒、带状分布的渗碳体颗粒及少量的带状铁素体组成。

由表3可知，本发明制造的镀锡原板烘烤硬化后屈服强度Rp0.2≥500MPa、延伸率A≥5％，适用于生产三片罐罐身、易开盖、旋开盖等对变形性有一定要求的产品。