一种屈服强度420MPa级冷轧钢板及其制备方法与流程

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种屈服强度420MPa级冷轧钢板及其制备方法。

背景技术：

汽车车体轻量化可达到降低能耗及CO₂排放量的目的。轻量化已被证明是汽车“节能减排”的关键技术路线，汽车自重每减少10％，可降低油耗6％-8％，降低二氧化碳排放13％。中国是世界汽车第一大生产和消费国，轻量化已成为汽车工业可持续发展的一个重要课题。汽车用钢高强度化是实现汽车轻量化的有效途径，汽车用钢高强度化已成为必然趋势。通过增加高强度钢板的使用量强化车身结构，可提高其撞击安全性。因此，高强度钢板的使用可以兼顾成本及性能，满足车体轻量化、提高撞击安全性的需求。

在汽车制造中，汽车前后纵梁、侧梁等受力结构件和加强件需要有良好的抗变形能力，即需要有高的屈服强度和高的屈强比。冷轧高强度低合金钢在这些部件用量较大，常见牌号如屈服强度340MPa、380MPa及420LA，其中屈服强度420MPa级别为目前国标中最高级别。这类钢需要依靠析出强化和细晶强化手段来提高屈服强度。由于对微合金元素有严格的用量限制，加之连退过程中微合金元素析出的控制上存在难度，实际生产中往往出现屈服强度偏低、强塑性匹配差、以及由于再结晶不充分导致的力学性能不稳定等问题。

连续退火是低合金高强钢生产过程中的关键环节，连续退火温度、带钢运行速度、冷却速度和过时效温度等直接影响最终成品的力学性能。鉴于实际生产过程中经常由于组织不均匀导致成形性能及力学性能稳定性等问题，目前企业生产过程中通常采用高温均热的方法来保证充分再结晶，从而获得均匀的组织，均热温度一般在800℃左右甚至更高。

CN 102492823B涉及一种屈服强度420MPa级冷轧低合金高强钢的连续退火工艺方法，其650℃以上采用150±25℃/s的加热速率，均热温度为800±10℃。获得的力学性能为屈服强度430MPa，抗拉强度500MPa，但其延伸率偏低，仅为21％，这可能与快速加热造成的组织不均匀有关。此外，如此高的加热速率，需要改变传统生产线的加热方式，采用如感应加热方式，除了增加设备投资外，耗电量也将大幅提高。

CN 105714186A涉及一种屈服强度420MPa级冷轧低合金高强钢的连续退火工艺方法，其均热温度为770±20℃。获得的力学性能达到420MPa级别。但其Nb含量较高，为0.03％～0.06％，生产成本较高。

CN 103131843B涉及一种340MPa级别的冷轧低合金钢的稳定化连续退火工艺。其带钢均热温度为795～805℃，力学性能平均值为：屈服强度376Mpa，抗拉强度471MPa，延伸率28％。但是，该方法中Nb含量为0.04％～0.05％，成本较高。

上述方法中均采用了高温均热，这将带来如下问题：(1)高温下，极易发生炉底辊结瘤，从而容易对运行过程中的带钢造成划伤，影响带钢表面质量；(2)高温均热条件下，析出粒子极易发生粗化，同时铁素体晶粒容易长大，造成强度下降；(3)高温下，Si、Mn元素扩散能力提高，选择性氧化加剧，带钢表面质量控制难度加大；(4)高温下能耗增加，加热成本较高。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种屈服强度420MPa级高强度低合金钢板及其制备方法；该方法将热轧后冷却条件控制与连续退火过程中的加热控制相结合，即通过控制热轧后冷却速度及卷取温度；在后续连续退火过程中采用低温加热，在保证组织均匀性的基础上实现组织细化和析出强化。采用该方法制造屈服强度420MPa级低合金高强钢板，并且具有优异的塑性。

本发明的屈服强度420MPa级冷轧钢板，组成成分及其质量百分比为：C：0.06～0.09％，Si：0～0.2％，Mn：0.8～1.0％，Ti：0～0.02％，Nb：0.01～0.025％，其余为Fe及不可避免杂质元素。

所述的屈服强度420MPa级冷轧钢板，其厚度为0.5～2.5mm。

所述的屈服强度420MPa级冷轧钢板，其屈服强度为435～450MPa，抗拉强度为518～548MPa，延伸率A₈₀为25.0～26.3％。

所述的屈服强度420MPa级冷轧钢板，其微观组织包括铁素体、珠光体和渗碳体，其中，铁素体、珠光体和渗碳体三者体积百分比之和≥98％，铁素体的晶粒平均尺寸为4.1～5.8μm。

本发明的屈服强度420MPa级冷轧钢板的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，熔炼及锻造：

按照屈服强度420MPa级冷轧钢板的化学成分配比，熔炼成铸锭；其中，屈服强度420MPa级冷轧钢板，组成成分及其质量百分比为：C 0.06～0.09％，Si 0～0.2％，Mn 0.8～1.0％，Ti 0～0.02％，Nb 0.01～0.025％，其余为Fe及不可避免杂质元素；将铸锭锻造成板坯；

步骤2，热轧：

(1)将锻造后板坯在1220±30℃保温2～3h；

(2)将保温后的板坯，进行热轧，开轧温度为1150～1180℃，终轧温度为880～920℃，累计压下率为85.7～94％，制得热轧板；

(3)将热轧板，以40～100℃/s的冷却速率，冷却至400～580℃时，进行卷取；

步骤3，冷轧：

(1)将卷取后的热轧板，酸洗；

(2)将酸洗后的热轧板，进行冷轧，冷轧压下率为50～83.3％，制得冷轧板；

步骤4，连续退火处理：

(1)将冷轧板，以2～5℃/s加热速率升温至640～660℃；

(2)然后，再以1～2℃/s加热速率升温至710～740℃；

(3)在710～740℃，保温80～150s，制得均热钢板；

(4)将均热钢板，以1～3℃/s的冷却速率缓冷至650～700℃；

(5)然后，再以30～50℃/s的冷却速率冷却至380～420℃，过时效400～600s至360～400℃；

(6)最后，以5～20℃/s冷却速率冷却至室温，制得屈服强度420MPa级冷轧钢板。

上述的屈服强度420MPa级冷轧钢板的制备方法中：

所述步骤1中，按照屈服强度420MPa级冷轧钢板的成分化学成分选配原料后，熔炼。

所述步骤2中，卷取温度为400～580℃。

所述步骤4中，(1)为一段加热，(2)为二段加热，(3)为三段加热，也是均热段，保温时间即为均热时间。

所述步骤2中，热轧前板坯厚35～50mm，热轧板厚3～5mm，步骤3中的冷轧板厚0.5～2.5mm。

本发明的屈服强度420MPa级冷轧钢板及其制备方法，设计思路如下：

低合金钢合金元素含量较低，其主要强化机制为细晶强化和析出强化。在实现上述两种强化机制的基础上，保证铁素体晶粒的完全再结晶，是获得高强塑性及力学稳定性的关键。

在热轧后以40～100℃/s冷却速率快速冷却至400～580℃卷取，通过冷却条件控制，在冷轧之后形变储能大幅提高；另外，快速冷却结合低温卷取，可保证热轧后析出粒子尺寸细小，甚至抑制部分热轧后的析出。

在后续连续退火过程中，高的形变储能可以大幅提高铁素体再结晶动力学。因此，可以保证在均热温度710～740℃，均热时间80～150s条件下铁素体发生完全再结晶。与常规均热温度相比，铁素体晶粒长大速率降低，铁素体晶粒细化。同时，由于析出粒子对铁素体晶粒长大的“钉扎”作用，可抑制铁素体晶粒长大，实现铁素体的晶粒细化。另外，连续退火过程中固溶部分的微合金元素将发生析出，且与常规均热温度相比，析出粒子长大速率降低，可实现良好的析出强化效果。

本发明屈服强度420MPa级冷轧钢板及其制备方法，通过快速冷却、低温卷取，结合连续退火过程的低温加热，有四点益处：

其一，不需要高温加热，降低了带钢表面质量控制难度，并降低了加热能源消耗；

其二，提高连续退火之前铁素体中的形变储能，在随后的连续退火过程中加快铁素体再结晶动力学，有助于在低温加热条件下实现完全再结晶；

其三，低温加热条件下，有利于微合金元素析出粒子的细化及细小弥散析出，有助于保证析出强化效果，并抑制铁素体晶粒长大；

其四，本发明制备工艺简单，成本较低，可以满足工业化需求。

附图说明

图1本发明实施例2制备的屈服强度420MPa级冷轧钢板的金相组织图。

具体实施方式

以下实施例中采用的熔炼炉为150kg真空感应熔炼炉。

以下实施例中采用的热轧机为Φ450mm可逆式热轧机。

以下实施例中采用的冷轧机为直拉式四辊可逆冷轧机。

以下实施例中采用的退火及冷却设备为连续退火试验机。

下面对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种屈服强度420MPa级冷轧钢板，组成成分及其质量百分比为：C：0.06％，Si：0.04％，Mn：0.8％，Nb：0.025％，其余为Fe及不可避免杂质元素；其厚度为1mm。

上述的屈服强度420MPa级冷轧钢板的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，熔炼及锻造：

按照屈服强度420MPa级冷轧钢板的化学成分分选配原料后，熔炼成铸锭；其中，屈服强度420MPa级冷轧钢板，组成成分及其质量百分比为：C：0.06％，Si：0.04％，Mn：0.8％，Nb：0.025％，其余为Fe及不可避免杂质元素；将铸锭锻造成40mm厚的板坯；

步骤2，热轧：

(1)将锻造后板坯在1220℃保温2h；

(2)将保温后的板坯，进行热轧，开轧温度为1150℃，终轧温度为880℃，累计压下率为90％，制得热轧板；

(3)将热轧板，以50℃/s的冷却速率，冷却至500℃时，进行卷取；

步骤3，冷轧：

(1)将卷取后的热轧板，酸洗；

(2)将酸洗后的热轧板，进行冷轧，冷轧压下率为75％，制得冷轧板；

步骤4，连续退火处理：

(1)将冷轧板，以4℃/s加热速率升温至650℃；

(2)然后，再以1.5℃/s加热速率升温至740℃；

(3)在740℃，保温120s，制得均热钢板；

(4)将均热钢板，以2℃/s的冷却速率缓冷至690℃；

(5)然后，再以30℃/s的冷却速率冷却至390℃，过时效500s至370℃；

(6)最后，以5℃/s冷却速率冷却至室温，制得屈服强度420MPa级冷轧钢板。

本实施例制备的屈服强度420MPa级冷轧钢板，其屈服强度R_eL＝435MPa，抗拉强度R_m＝525MPa，延伸率A_80mm＝26.3％。

本实施例制备的屈服强度420MPa级冷轧钢板，其微观组织包括铁素体、珠光体和渗碳体，其中，铁素体、珠光体和渗碳体三者体积百分比之和≥98％，铁素体的晶粒平均尺寸为4.1μm。

实施例2

一种屈服强度420MPa级冷轧钢板，组成成分及其质量百分比为：C：0.07％，Si：0.1％，Mn：0.9％，Nb：0.025％，其余为Fe及不可避免杂质元素；其厚度为1.8mm。

上述的屈服强度420MPa级冷轧钢板的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，熔炼及锻造：

按照屈服强度420MPa级冷轧钢板的化学成分分选配原料后，熔炼成铸锭；其中，屈服强度420MPa级冷轧钢板，组成成分及其质量百分比为：C：0.07％，Si：0.1％，Mn：0.9％，Nb：0.025％，其余为Fe及不可避免杂质元素；将铸锭锻造成50mm厚的板坯；

步骤2，热轧：

(1)将锻造后板坯在1220℃保温2h；

(2)将保温后的板坯，进行热轧，开轧温度为1150℃，终轧温度为880℃，累计压下率为91％，制得热轧板；

(3)将热轧板，以40℃/s的冷却速率，冷却至400℃时，进行卷取；

步骤3，冷轧：

(1)将卷取后的热轧板，酸洗；

(2)将酸洗后的热轧板，进行冷轧，冷轧压下率为60％，制得冷轧板；

步骤4，连续退火处理：

(1)将冷轧板，以2℃/s加热速率升温至650℃；

(2)然后，再以1℃/s加热速率升温至730℃；

(3)在730℃，保温100s，制得均热钢板；

(4)将均热钢板，以1℃/s的冷却速率缓冷至680℃；

(5)然后，再以40℃/s的冷却速率冷却至400℃，过时效500s至380℃；

(6)最后，以10℃/s冷却速率冷却至室温，制得屈服强度420MPa级冷轧钢板。

本实施例制备的屈服强度420MPa级冷轧钢板，其屈服强度R_eL＝440MPa，抗拉强度R_m＝535MPa，延伸率A_80mm＝25.6％。

本实施例制备的屈服强度420MPa级冷轧钢板的金相组织图，如图1所示，可见其组织为典型的铁素体+珠光体+渗碳体。其中，浅灰色为铁素体，黑色块状为珠光体，铁素体内黑色点状为渗碳体；铁素体、珠光体和渗碳体三者体积百分比之和≥98％，铁素体晶粒平均为5.2μm。

实施例3

一种屈服强度420MPa级冷轧钢板，组成成分及其质量百分比为C：0.06％，Si：0.04％，Mn：1.0％，Nb：0.02％，其余为Fe及不可避免杂质元素；其厚度为1.2mm。

上述的屈服强度420MPa级冷轧钢板的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，熔炼及锻造：

按照屈服强度420MPa级冷轧钢板的化学成分分选配原料后，熔炼成铸锭；其中，屈服强度420MPa级冷轧钢板，组成成分及其质量百分比为C：0.06％，Si：0.04％，Mn：1.0％，Nb：0.02％，其余为Fe及不可避免杂质元素；将铸锭锻造成50mm厚的板坯；

步骤2，热轧：

(1)将锻造后板坯在1230℃保温2.5h；

(2)将保温后的板坯，进行热轧，开轧温度为1150℃，终轧温度为900℃，累计压下率为94％，制得热轧板；

(3)将热轧板，以100℃/s的冷却速率，冷却至550℃时，进行卷取；

步骤3，冷轧：

(1)将卷取后的热轧板，酸洗；

(2)将酸洗后的热轧板，进行冷轧，冷轧压下率为60％，制得冷轧板；

步骤4，连续退火处理：

(1)将冷轧板，以5℃/s加热速率升温至640℃；

(2)然后，再以2℃/s加热速率升温至710℃；

(3)在710℃，保温80s，制得均热钢板；

(4)将均热钢板，以3℃/s的冷却速率缓冷至700℃；

(5)然后，再以50℃/s的冷却速率冷却至420℃，过时效400s至400℃；

(6)最后，以20℃/s冷却速率冷却至室温，制得屈服强度420MPa级冷轧钢板。

本实施例制备的屈服强度420MPa级冷轧钢板，其屈服强度R_eL＝443MPa，抗拉强度R_m＝535MPa，延伸率A_80mm＝25.4％。

本实施例制备的屈服强度420MPa级冷轧钢板，其微观组织包括铁素体、珠光体和渗碳体，其中，铁素体、珠光体和渗碳体三者体积百分比之和≥98％，铁素体的晶粒平均尺寸为5.8μm。

实施例4

一种屈服强度420MPa级冷轧钢板，组成成分及其质量百分比为C：0.09％，Si：0.2％，Mn：1.0％，Ti：0.01，Nb：0.02％，其余为Fe及不可避免杂质元素；其厚度为2.5mm。

上述的屈服强度420MPa级冷轧钢板的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，熔炼及锻造：

按照屈服强度420MPa级冷轧钢板的化学成分分选配原料后，熔炼成铸锭；其中，屈服强度420MPa级冷轧钢板，组成成分及其质量百分比为：C：0.09％，Si：0.2％，Mn：1.0％，Ti：0.01，Nb：0.02％，其余为Fe及不可避免杂质元素；将铸锭锻造成45mm厚的板坯；

步骤2，热轧：

(1)将锻造后板坯在1220℃保温3h；

(2)将保温后的板坯，进行热轧，开轧温度为1150℃，终轧温度为890℃，累计压下率为88.9％，制得热轧板；

(3)将热轧板，以60℃/s的冷却速率，冷却至450℃时，进行卷取；

步骤3，冷轧：

(1)将卷取后的热轧板，酸洗；

(2)将酸洗后的热轧板，进行冷轧，冷轧压下率为50％，制得冷轧板；

步骤4，连续退火处理：

(1)将冷轧板，以3℃/s加热速率升温至660℃；

(2)然后，再以1.5℃/s加热速率升温至720℃；

(3)在720℃，保温100s，制得均热钢板；

(4)将均热钢板，以2℃/s的冷却速率缓冷至680℃；

(5)然后，再以50℃/s的冷却速率冷却至380℃，过时效500s至360℃；

(6)最后，以13℃/s冷却速率冷却至室温，制得屈服强度420MPa级冷轧钢板。

本实施例制备的屈服强度420MPa级冷轧钢板，其屈服强度R_eL＝442MPa，抗拉强度R_m＝518MPa，延伸率A_80mm＝25.0％。

本实施例制备的屈服强度420MPa级冷轧钢板，其微观组织包括铁素体、珠光体和渗碳体，其中，铁素体、珠光体和渗碳体三者体积百分比之和≥98％，铁素体的晶粒平均尺寸为5.8μm。

实施例5

一种屈服强度420MPa级冷轧钢板，组成成分及其质量百分比为C：0.06％，Si：0.04％，Mn：0.9％，Ti：0.015％，Nb：0.015％，其余为Fe及不可避免杂质元素；其厚度为0.5mm。

上述的屈服强度420MPa级冷轧钢板的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，熔炼及锻造：

按照屈服强度420MPa级冷轧钢板的化学成分分选配原料后，熔炼成铸锭；其中，屈服强度420MPa级冷轧钢板，组成成分及其质量百分比为C：0.06％，Si：0.04％，Mn：0.9％，Ti：0.015％，Nb：0.015％，其余为Fe及不可避免杂质元素；将铸锭锻造成35mm厚的板坯；

步骤2，热轧：

(1)将锻造后板坯在1250℃保温3h；

(2)将保温后的板坯，进行热轧，开轧温度为1180℃，终轧温度为920℃，累计压下率为91.4％，制得热轧板；

(3)将热轧板，以80℃/s的冷却速率，冷却至460℃时，进行卷取；

步骤3，冷轧：

(1)将卷取后的热轧板，酸洗；

(2)将酸洗后的热轧板，进行冷轧，冷轧压下率为83.3％，制得冷轧板；

步骤4，连续退火处理：

(1)将冷轧板，以2℃/s加热速率升温至640℃；

(2)然后，再以1℃/s加热速率升温至720℃；

(3)在720℃，保温150s，制得均热钢板；

(4)将均热钢板，以1℃/s的冷却速率缓冷至650℃；

(5)然后，再以40℃/s的冷却速率冷却至410℃，过时效600s至380℃；

(6)最后，以5～20℃/s冷却速率冷却至室温，制得屈服强度420MPa级冷轧钢板。

本实施例制备的屈服强度420MPa级冷轧钢板，其屈服强度R_eL＝450MPa，抗拉强度R_m＝542MPa，延伸率A_80mm＝25.5％。

本实施例制备的屈服强度420MPa级冷轧钢板，其微观组织包括铁素体、珠光体和渗碳体，其中，铁素体、珠光体和渗碳体三者体积百分比之和≥98％，铁素体的晶粒平均尺寸为4.7μm。

实施例6

一种屈服强度420MPa级冷轧钢板，组成成分及其质量百分比为：C：0.08％，Si：0.15％，Mn：0.9％，Ti：0.02％，Nb：0.01％，其余为Fe及不可避免杂质元素；其厚度为2mm。

上述的屈服强度420MPa级冷轧钢板的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，熔炼及锻造：

按照屈服强度420MPa级冷轧钢板的化学成分分选配原料后，熔炼成铸锭；其中，屈服强度420MPa级冷轧钢板，组成成分及其质量百分比为C：0.08％，Si：0.15％，Mn：0.9％，Ti：0.02％，Nb：0.01％，其余为Fe及不可避免杂质元素；将铸锭锻造成35mm厚的板坯；

步骤2，热轧：

(1)将锻造后板坯在1190℃保温3h；

(2)将保温后的板坯，进行热轧，开轧温度为1180℃，终轧温度为910℃，累计压下率为85.7％，制得热轧板；

(3)将热轧板，以100℃/s的冷却速率，冷却至580℃时，进行卷取；

步骤3，冷轧：

(1)将卷曲后的热轧板，酸洗；

(2)将酸洗后的热轧板，进行冷轧，冷轧压下率为60％，制得冷轧板；

步骤4，连续退火处理：

(1)将冷轧板，以1℃/s加热速率升温至650℃；

(2)然后，再以1℃/s加热速率升温至730℃；

(3)在730℃，保温150s，制得均热钢板；

(4)将均热钢板，以2℃/s的冷却速率缓冷至700℃；

(5)然后，再以50℃/s的冷却速率冷却至420℃，过时效500s至400℃；

(6)最后，以15℃/s冷却速率冷却至室温，制得屈服强度420MPa级冷轧钢板。

本实施例制备的屈服强度420MPa级冷轧钢板，其屈服强度为屈服强度R_eL＝447MPa，抗拉强度R_m＝548MPa，延伸率A_80mm＝26.1％。

本实施例制备的屈服强度420MPa级冷轧钢板，其微观组织包括铁素体、珠光体和渗碳体，其中，铁素体、珠光体和渗碳体三者体积百分比之和≥98％，铁素体的晶粒平均尺寸为5.5μm。