一种屈服强度460MPa级低合金高强镀锌带钢及生产方法与流程

一种屈服强度460mpa级低合金高强镀锌带钢及生产方法
技术领域
1.本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种屈服强度460mpa级低合金高强镀锌带钢及生产方法。


背景技术：

2.随着国民经济和汽车工业的不断发展，汽车已经不再是奢侈品，越来越多地走进百姓家庭。2021年的数据显示中国汽车保有量已达3.95亿。随着汽车保有量的不断提升，在环保要求不断提高及能源日益紧张的背景下，汽车节能减排越来越受到国家及汽车制造企业的重视。根据相关研究，一般的汽车质量每减少10%可节油6%～7%，因此汽车轻量化对于汽车行业节能减排有着重要意义。在汽车轻量化中使用高强钢、超高强钢进行汽车零部件的生产，可在保证汽车安全性能及使用性能的基础上降低厚度从而实现减重。国家层面也在标准制定等方面推动高强钢的发展，如gb/t 2518：2019中就将低合金高强钢系列的产品最高屈服强度由420mpa提升到了550mpa。
3.目前市场上较为常见的汽车用低合金高强镀锌产品主要为屈服强度为420mpa及以下的产品，但随着汽车行业对轻量化迫切愿望及国家标准的出台，更高强度的高强低合金镀锌产品不断被开发并使用。
4.目前汽车用低合金高强镀锌产品主要采用低c、si、mn添加nb、v、ti等微合金元素设计并匹配不同的热轧控轧控冷和镀锌退火工艺，利用c、si、mn的固溶强化和微合金元素的析出强化、细晶强化等效果实现材料强度的提升。随着强度的不断提升，往往采用添加更高含量的mn、nb、ti元素而获得更高的强度。随着如今锰铁、铌铁等大宗原料价格的不断上涨，添加更高含量的微合金元素开发更高强度的高强低合金镀锌产品将导致产品成本的不断升高，降低产品竞争力；另外由于微合金元素的c、n化析出物的种类、形态、尺寸、数量等受工艺波动的影响较大，因此微合金元素含量的增加将会导致钢卷的通卷屈服强度波动加大，同时也会导致产品的卷间屈服强度波动较大。
5.中国专利cn 111575592 a，公开日为2020年8月25日，该专利公开了一种屈服强度460mpa级的低合金高强钢及生产方法，其化学成分重量比为c:0.07～0.09％、si≤0.05％、mn:1.20～1.50％、p:0.03％～0.05％、als: 0.025～0.060％、nb:0.045～0.055％、ti:0.005～0.015％、ca:0.001～0.003％、s≤0.006％、n≤0.0025％、o≤0.0025％同时热轧低温卷取的生产工艺及按厚度细化退火工艺。该专利采用最高达0.055%的nb合金及最高达1.5%的mn，这一方面导致该产品合金成本较高，另一方面该所开发的产品卷间强度极差最高70mpa，卷内强度差最高达30mpa，产品强度波动较大，根据国家标准gb/t2518要求，该产品的屈服强度的要求范围为460-560mpa，70mpa的卷间强度极差占范围值的70%，波动较大，不利于产品的稳定应用。
6.中国专利cn 110079735 a，公开日为2020年8月25日，该专利公开了一种屈服强度460mpa级的低合金高强钢，其化学成分重量比为：c：0.06～0.09％，si：0.050～0.090％，mn：1.10～1.30％，p：0.010～0.030％，s≤0.01％，al：0.020～0.070％，nb：0.010～
0.040％，ti：0.030～0.060％。该专利采用最高达0.04%的nb、0.06%的ti合金，这一方面导致该产品合金成本较高，该合金成品较cn 111575592 a更高，另一方面采用了最高为0.09%的si，该产品所生产的产品为冷轧产品，高si的成分设计可利用si的固溶强化效果提升材料强度，但开发同级别的镀锌产品，过高的si会在钢板表面析出富集，导致镀锌产品出现锌层色差等缺陷，影响表面质量。
7.中国专利cn 111575592 a和cn 110079735 a所公开的退火工艺均为800℃左右的较高温度退火，采用较高温度退火一方面导致更大的能源消耗，对环保也会产生不利影响，同时随着退火温度的提高，晶粒尺寸、析出物尺寸会更大，弱化细晶强化和析出强化效果。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于通过超细晶强化手段开发一种合金成本较低的屈服强度不小于460mpa汽车用高强低合金镀锌带钢。采用超细晶强化手段提升材料强度可降低合金添加量从而降低产品生产成本，同时减轻合金添加量过大出现的产品通卷屈服强度及卷间屈服强度出现大幅波动的问题，所生产的低合金高强镀锌带钢成本低、性能稳定，平均晶粒直径尺寸3～7μm ，通卷屈服强度波动不大于30mpa，卷间屈服强度波动范围不大于50mpa。
9.为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种屈服强度460mpa级高强低合金镀锌带钢，其化学成分及质量百分含量为c:0.09～0.12％、si≤0.05％、mn:0.9～1.10％、p:0.008～0.01％、als:0.025～0.045％、nb:0.015～0.025％、ti:0.015～0.025％、s:0.006～0.01％、n≤0.004％、b:0.0008～0.001％，余量为fe和不可避免的杂质。
10.本发明所述带钢厚度0.5～2.5mm，宽度1000～1800mm；带钢金相组织为铁素体+珠光体+贝氏体，其中贝氏体占比3～10%，平均晶粒直径尺寸3～7μm。
11.本发明所述带钢屈服强度rp0.2：460～560mpa，抗拉强度rm：500～640mpa，断后延伸率a
80mm
≥15％；带钢通卷屈服强度波动≤30mpa，卷间屈服强度波动范围≤50mpa。
12.本发明还提供上述屈服强度460mpa级高强低合金镀锌带钢的生产方法，其包括冶炼、连铸、加热、轧制、冷却、卷取、酸轧、连续退火镀锌、光整及拉矫工序；所述轧制工序，精轧终轧温度为870～890℃；所述冷却工序，采用前段1/2集中冷却模式进行超快冷，控制冷却速率为30～45℃/s；所述卷取工序，卷取温度为480～500℃；所述酸轧工序，冷轧压下率为60～75％；所述连续退火镀锌工序，当1.60mm≤带钢厚度≤2.50mm时，带钢运行速度60～90m/min，控制其连续退火均热温度为710～730℃，缓冷温度为680～690℃，快冷温度为380～420℃，控制快冷冷却速率19～35℃/s；当0.5mm≤带钢厚度＜1.60mm时，带钢运行速度95～135m/min，控制其连续退火均热温度为740～760℃，缓冷温度为700～710℃，快冷温度为380～420℃，控制快冷冷却速率32～55℃/s。
13.进一步的，所述加热工序，加热温度为1150～1200℃，加热时间为160～200min。
14.进一步的，所述轧制工序，粗轧采用3+3轧制模式，粗轧出口温度950～1050℃；进
行7道次精轧。
15.进一步的，所述酸轧工序，酸洗后进行5道次冷轧。
16.进一步的，所述光整及拉矫工序，光整步骤采用恒延伸率湿光整模式，光整延伸率为1.2～1.8%，拉矫延伸率为0.1～0.3%。
17.晶粒尺寸对材料屈服强度的影响，可用hall—petch公式进行表征：σ=σ0+kd-1/2
式中：σ为材料的屈服强度、σ0常数；k表征晶界对强度影响程度的常数；d为有效晶粒尺寸。
18.另根据公式：tc=a+blnd-1/2
式中：tc为材料韧脆转变温度，a、b为常数，d为有效晶粒尺寸。
19.根据上述两公式可知，当材料的晶粒尺寸减小时，材料的屈服强度升高而韧脆转降低，通过细晶强化手段可在提升材料强度的同时而提升材料韧性，通过减小晶粒尺寸对钢材进行强化是重要的强化手段。本发明的成分及工艺设计旨在获得平均晶粒直径尺寸3～7μm的细晶粒，利用细晶强化的效果大幅提升材料屈服强度，降低合金含量从而实现成本降低，同时也可也减轻因合金含量过高而出现的性能波动。
20.钢中的元素一般分为如下三类：一般合金化元素如碳、硅、锰、铜、铬、硼等；微合金化元素如铌、钒、钛等；还有夹杂及硫化物形状控制的添加元素如磷、硫、钙等。
21.c、mn：在钢中起固溶强化作用，是较经济的强化元素，但含量过高会降低材料的韧性，恶化焊接性能。本发明由于引入了贝氏体组织在提升基体强度且不会恶化材料韧性。本发明c含量0 .12％以下，优选0.09～0.12%，mn:0.9～1.10％，另钢中mn能跟s结合，形成硫化锰的夹杂，从而消除或减弱硫的有害作用，本发明mn/s比控制大于90。
22.nb、ti：微合金元素，在钢中起细晶强化和析出强化作用，但由于nb的析出物工艺敏感性较强导致在含量较高时由于析出物的析出形态数量不稳定而导致性能出现较大波动，同时较高的nb、ti含量也将导致合金成本大幅增加，因此本发明nb:0.015～0.025％、ti:0.015～0.025％。
23.b：提高钢的淬透性，与其他合金元素共同作用，一方面可起到提高奥氏体再结晶温度、细化铁素体晶粒，另一方面可拓宽形成贝氏体的冷却速度范围促进贝氏体组织形成促。组织细化及促进贝氏体相变的发生，均对提升材料强度有益，但b含量过高时反而会降低奥氏体粗化温度，易产生奥氏体粗化而降低产品强度，同时引起钢的脆性。本发明b含量0.0008～0.001％。
24.p、s：在钢中通常为有害元素，恶化钢的韧性和焊接性能，在低碳钢中希望p、s有较低的含量，但过低的含量控制往往会增加冶炼成本，降低成分命中率，因此本发明要求p、s含量均≤0.01%，其中p优选0.008～0.01％、s优选0.006～0.01％。
25.根据组织遗传原理，热轧原料的组织及析出物等对镀锌带钢组织及性能起着至关重要的作用。热轧终轧温度及后续的冷却及卷取对热轧组织及析出物有重要影响，随终轧温度、卷取温度的降低，层冷冷却速率的提高热轧组织及析出物尺寸细化，热轧原料强度提高。同时热轧原料的生产还需兼顾后工序生产，如热轧原料强度过高会导致酸轧轧制时轧制力过大，轧制困难。为此可通过适当的热轧轧制工艺以提升最终镀锌带钢的强度。本发明根据产线设备及工艺控制情况采用480～500℃的较低的卷取温度进行热轧原料的生产，该
工艺较目前同类产品所采用的卷取温度更低，且所产生产热轧原料经实际生验证，可确保后工序稳定生产。
26.热轧原料经酸轧60-75%的压下率变形后在镀锌工序进行退火镀锌，退火过程中的加热及冷却决定了最终的组织及析出物。镀锌退火一般分为部分再结晶和完全再结晶退火，部分再结晶退火由于保留了部分的酸轧形变组织，位错密度高，该工艺下材料强度较高，但延伸率较低，对于强度较高要求而变形简单的钢种可采用该种退火工艺获得高强度钢板。完全再结晶退火为将带钢加热至再结晶温度以上并保温，加热过程中发生再结晶形核和长大，通常随加热温度的提高组织粗化，材料强度降低而韧性提高，另在加热过程中还伴随着析出物的析出及长大，随着加热温度的提高析出物数量增加，但也会导致析出物尺寸增加，细小析出物弥散分布有较强的强化效果，而析出物尺寸增大时强化效果将减低。为此退火加热温度对材料性能至关重要，加热温度过低会导致再结晶不充分，强度高而延伸低，加热温度过高则会导致组织粗化，强度降低而延伸率升高。本发明通过热模拟确认了材料的再结晶温度，根据再结晶温度确认退火加热温度。另随着带钢厚度的增加带速降低，因此为保证材料的退火效率稳定，降低材料卷间性能波动，退火工艺按照厚度进行细化分组。采用该加热温度进行退火，再结晶完全，且组织未明显粗化，同时采用较低温度退火能降低能源消耗，生产过程更环保。
27.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：（1）本发明采用nb、ti、b合金成分设计，该成分设计综合利用了细晶强化、析出强化、和相变强化，nb、ti、b微合金元素的总含量范围0.0308～0.051%，产品合金含成本低，另由于nb、ti的含量相对较低，减轻低合金高强钢屈服强度波动大的问题。（2）热轧采用较低的卷取温度，通过轧制后的快速冷却进一步细化晶粒，提升原料强度同时保证后工序的生产稳定性。
28.（3）通过热模拟研究镀锌退火工艺，在再结晶温度以上加热的低温再结晶退火，该生产方法可确保再结晶充分同时获得较细的微观组织，保证材料性能稳定性，同时避免了过高温度退火导致的再结晶组织及析出物粗化造成的强度损失。
29.（4）本发明所采用的热轧生产工艺采用480～500℃的低温卷取，该工艺可减少(nb、ti)(c、n)化合物的析出，而在后续镀锌退火加热时再充分析出，从而保证成品析出物稳定析出，进一步减轻了因析出物不稳定导致的材料强度波动。
30.（5）本发明所采用的成分设计，通过添加微量微合金的成分设计，综合利用了析出强化、细晶强化同时b的添加促进了贝氏体的生成进一步提升了材料强度，另配合较低温度的卷取、快速冷区和低温完全再结晶退火，实现了成品组织的晶粒超细化，通过超细晶粒的强化效果大幅提升强度，同时保证材料具有较好的韧性。
31.按照iso 6892-1规定的方法对本发明所生产的高强低合金镀锌带钢进行检验，检验试样为横向80试样，力学性能满足：下屈服强度(rp0.2)为460～560mpa，抗拉强度（rm）为500～640mpa，断后延伸率a
80mm
≥15％；同时减轻了产品通卷屈服强度及卷间屈服强度大幅波动的问题，带钢通卷屈服强度波动≤30mpa，卷间屈服强度波动范围≤50mpa，具有成本低、带钢性能稳定的优点。
附图说明
32.图1为实施例3拉力曲线；图2为实施例2带钢的组织形貌图；图3为实施例2带钢组织的电镜扫描形貌图；图4为对比例4带钢的组织形貌图；图5为对比例4带钢组织的电镜扫描形貌图。
33.本发明屈服强度460mpa级高强低合金镀锌带钢化学成分的重量百分比为：c:0.09～0.12％、si≤0.05％、mn:0.9～1.10％、p:0.008～0.01％、als:0.025～0.045％、nb:0.015～0.025％、ti:0.015～0.025％、s:0.006～0.01％、n≤0.004％、b:0.0008～0.001％，余量为fe和不可避免的杂质。
34.该产品的开发需经4条产线，分别为炼钢、热轧、酸轧和镀锌产线。具体生产流程为：炼钢产线按设计成分提供合格板坯
→
板坯加热
→
粗轧
→
精轧
→
层流冷却卷取
→
酸轧
→
均热
→
缓冷
→
快冷
→
镀锌
→
镀后冷却
→
光整+拉矫
→
表面处理（按需求进行钝化、涂油等操作）
→
卷取
→
包装入库。具体参数控制为：经常规冶炼后浇铸成坯，板坯采用热装热送进入加热炉进行加热，加热温度为1150～1200℃，加热时间为160～200min；粗轧采用3+3轧制模式，粗轧出口温度950～1050℃；进行7道次精轧，精轧终轧温度为870～890℃；轧后采用前段1/2集中冷却模式进行超快冷，控制冷却速率为30～45℃/s；之后进行卷取，卷取温度为480～500℃；经酸洗后进行5道次冷轧，冷轧压下率为60～75％；连续退火镀锌工序，当1.60mm≤带钢厚度≤2.50mm时，带钢运行速度60～90m/min，控制其连续退火均热温度为710～730℃，缓冷温度为680～690℃，快冷温度为380～420℃，控制快冷冷却速率19～35℃/s；当0.5mm≤带钢厚度＜1.60mm时，带钢运行速度95～135m/min，控制其连续退火均热温度为740～760℃，缓冷温度为700～710℃，快冷温度为380～420℃，控制快冷冷却速率32～55℃/s。
35.光整步骤采用恒延伸率湿光整模式，光整延伸率为1.2～1.8%，拉矫延伸率为0.1～0.3%。
36.以下通过实施例对本发明作进一步详细说明。
37.具体的，在本发明中设置了5组实施例和9组对比例，对比例用于说明不同成分、不同生产工艺的生产方法的所获得的产品情况。
38.1、转炉冶炼、精炼、连铸工序提供满足设计成分的合格板坯，具体化学成分如下，所列示化学成分为熔炼分析所得成分值，数值为质量百分比：表1实施例及对比例板坯的化学成分及含量wt%
39.2、加热、轧制、冷却、卷取工序表2 实施例及对比例加热、轧制、冷却、卷取工序参数
40.3、酸轧、连续退火镀锌、光整+拉矫工序表3 实施例及对比例酸轧、连续退火镀锌、光整+拉矫工序工艺参数
41.4、力学性能检测对实施例和对比例所得到的镀锌成品取样进行力学能检测，代表性能样为带中取样，同时为检测产品的通卷性在头中尾分别取样进行测试。试样为横向80试样，检测按照iso 6892-1所规定的方法进行，拉力检验设备为zwick 100拉力试验机力学性能满足，检测结果如表4、表5。
42.表4 实施例及对比例带钢力学性能检测
43.表5 实施例1-5带钢头中尾力学性能检测
44.力学性能检测结果分析：屈服强度包含3种典型值，分别为上屈服reh、下屈服rel、0.2%屈服点rp0.2，本发明实施例中采用了较大的光整轧制力，充分消除了屈服平台，材料无明显的上下屈服，见图1，为此检测结果屈服强度值为rp0.2。
45.由表4检测结果可知，采用本发明方法所生产的不同厚度的镀锌带钢，屈服强度、抗拉强度、延伸率均较好的满足了gb/t 2518的要求，5个实例卷间屈服强度差30mpa，通卷屈服强度差25mpa。
46.对比例较实施例，成分上除b外，其余元素含量相当，热轧工艺相当，相同镀锌退火工艺条件下屈服强度相差最大达88mpa，该对比例说明了添加b元素，通过b的添加扩大了贝氏体形成区从而促进了贝氏体的生成，贝氏体的生成大幅提升了材料强度。另通过对比例1、2、3可知，在其他条件相当的条件，在一定退火温度条件下，随退火均热的温度的提高，产品强度降低，韧性提高。
47.对比例4、5、6成分设计与cn 111575592 a所公布的方法相当，采用较其更低的热轧卷取温度和退火均热温度，在采用480℃及450℃较低卷取温时产品性能满足标准要求，但随着卷取温度的提高当卷取温度达到600℃时，屈服强度低于标准要求。另4、5、6对比例说明，在其他参数一致的前提，随热轧卷取温度的升高，最终的镀锌成品强度将降低。
48.由图2、图3和图4、图5的对比可知，实施例1较对比例4微合金含量较低，金相组织两者晶粒尺寸相当，平均晶粒尺寸均为6.5μm左右，但组成相不同，实施例1由铁素体、珠光体和少量贝氏体组成，对比例4由铁素体和珠光体组成，而且由于贝氏体的生成，实施例1的珠光体含量低于对比例4。实施例通过成分和工艺控制利用细晶强化、相变强化、固溶强化提升产品强度，实现较低成本生产。
49.上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

技术特征：
1.一种屈服强度460mpa级低合金高强镀锌带钢，其特征在于，所述带钢化学成分及质量百分含量为c:0.09～0.12％、si≤0.05％、mn:0.9～1.10％、p:0.008～0.01％、als:0.025～0.045％、nb:0.015～0.025％、ti:0.015～0.025％、s:0.006～0.01％、n≤0.004％、b:0.0008～0.001％，余量为fe和不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的一种屈服强度460mpa级低合金高强镀锌带钢，其特征在于，所述带钢厚度0.5～2.5mm，宽度1000～1800mm。3.根据权利要求1或2所述的一种屈服强度460mpa级低合金高强镀锌带钢，其特征在于，带钢金相组织为铁素体+珠光体+贝氏体，其中贝氏体占比3～10%，平均晶粒直径尺寸3～7μm。4.根据权利要求1-3任一项所述的一种屈服强度460mpa级低合金高强镀锌带钢，其特征在于，所述带钢屈服强度：460～560mpa，抗拉强度rm：500～640mpa，断后延伸率a
80mm
≥15％；带钢通卷屈服强度波动≤30mpa，卷间屈服强度波动范围≤50mpa。5.基于权利要求1-4任一项所述的一种屈服强度460mpa级低合金高强镀锌带钢的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、冷却、卷取、酸轧、连续退火镀锌、光整及拉矫工序；所述轧制工序，精轧终轧温度为870～890℃；所述冷却工序，采用前段1/2集中冷却模式进行超快冷，控制冷却速率为30～45℃/s；所述卷取工序，卷取温度为480～500℃；所述酸轧工序，冷轧压下率为60～75％；所述连续退火镀锌工序，当1.60mm≤带钢厚度≤2.50mm时，带钢运行速度60～90m/min，控制其连续退火均热温度为710～730℃，缓冷温度为680～690℃，快冷温度为380～420℃，控制快冷冷却速率19～35℃/s；当0.5mm≤带钢厚度＜1.60mm时，带钢运行速度95～135m/min，控制其连续退火均热温度为740～760℃，缓冷温度为700～710℃，快冷温度为380～420℃，控制快冷冷却速率32～55℃/s。6.根据权利要求5所述的一种屈服强度460mpa级低合金高强镀锌带钢的生产方法，其特征在于，所述加热工序，加热温度为1150～1200℃，加热时间为160～200min。7.根据权利要求6所述的一种屈服强度460mpa级低合金高强镀锌带钢的生产方法，其特征在于，所述轧制工序，粗轧采用3+3轧制模式，粗轧出口温度950～1050℃；进行7道次精轧。8.根据权利要求7所述的一种屈服强度460mpa级低合金高强镀锌带钢的生产方法，其特征在于，所述酸轧工序，酸洗后进行5道次冷轧。9.根据权利要求8所述的一种屈服强度460mpa级低合金高强镀锌带钢的生产方法，其特征在于，所述光整及拉矫工序，光整步骤采用恒延伸率湿光整模式，光整延伸率为1.2～1.8%，拉矫延伸率为0.1～0.3%。

技术总结
一种屈服强度460MPa级低合金高强镀锌带钢及生产方法，属于冶金技术领域。带钢化学成分及质量含量为C:0.09～0.12％、Si≤0.05％、Mn:0.9～1.10％、P:0.008～0.01％、Als:0.025～0.045％、Nb:0.015～0.025％、Ti:0.015～0.025％、S:0.006～0.01％、N≤0.004％、B:0.0008～0.001％，余量为Fe和不可避免的杂质。其生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、冷却、卷取、酸轧、连续退火镀锌、光整和拉矫工序。本发明合金量低，采用较低温退火，通过细晶强化和相变强化提升强度，通卷及卷间屈服强度波动小，生产成本低。生产成本低。生产成本低。


技术研发人员：鲁安平 张义春 李守华 宋志超 王亮亮 韩雄超 张玉杰
受保护的技术使用者：河钢股份有限公司邯郸分公司
技术研发日：2023.05.08
技术公布日：2023/8/9