扩孔性能稳定的高扩孔钢及其生产方法与流程

本发明涉及汽车用钢技术领域，具体地涉及一种扩孔性能稳定的高扩孔钢及其生产方法。

背景技术：

随着汽车工业的快速发展，汽车排放对环境污染的影响日益突出，节能减排刻不容缓，汽车轻量化是汽车节能减排的有效手段。车轮作为高速旋转的部件，其轻量化节能是其它零部件的1.5倍左右，效果尤为显著。汽车车轮、底盘等部件由于其复杂的成形、翻边、扩孔工序而要求材料具有高成性能、高翻边性能。目前国内乘用车钢质车轮、底盘结构件主要使用低合金高强钢，其中车轮轮辐件部分使用铁素体/马氏体双相钢(DP钢)，实际生产中由于低合金高强钢和DP钢的扩孔性能较低，因此在扩孔翻边工序中常出现开裂，影响生产效率和成材率，而且，若车轮上存在未被发现的细小裂纹，对车辆行驶会造成严重的安全隐患。

与传统材料低合金高强钢、DP钢相比，热轧铁素体贝氏体钢(FB钢)具有高强度和良好冷成形性、良好的扩孔、焊接及疲劳性能，是汽车车轮和底盘结构件等部件用热轧高强度钢板的理想材料。

如中国发明专利(授权公告号：CN103526116B，授权公告日：2015-07-08)公开了题为抗拉强度590MPa级具有高扩孔性能的铁素体贝氏体钢及其生产方法的中国专利文献。该钢的化学成分按重量百分数计为：C：0.05～0.10％，Si：0.10～0.50％，Mn：0.80～1.50％，P：0.03～0.06％，S≤0.008％，Cr：0.20～0.60％，Nb：0.03～0.06％，Al：0.01～0.06％，余量为Fe及不可避免的杂质。该钢的生产方法包括转炉冶炼、真空处理、连铸、铸坯加热、粗轧、精轧、冷却、卷取的步骤。实践证明，该钢的扩孔翻边性能、冲压成形性能和焊接性能优良，能适用于汽车车轮、底盘等结构件，同时，其生产方法工艺流程简单，成本低廉。缺点是由于在实际生产过程中，以保证带钢头尾的温度均匀性，通常采用升速轧制技术，带钢的轧制速度越来越快，其在水冷段的时间会相应缩短，造成冷却不够，即卷取的温度波动大，从而引发包括扩孔性能在内的性能波动较大。此外，空冷段测量温度受钢板表面残留的冷却水及水雾的影响，空冷段钢板板温的测量精度不高，会对工艺执行带来不利的影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种扩孔性能稳定的高扩孔钢及其生产方法。该生产方法采用较低的铌合金含量，优选6～8米的短坯进行准恒速轧制，同时对冷却过程进行控制，制备得到了扩孔性率高，且扩孔性能稳定的钢卷。

为实现上述目的，本发明公开了一种扩孔性能稳定的高扩孔钢化学成分按质量百分数计为：

C：0.06～0.10％、Si：0.10～0.25％、Mn：1.40～1.60％、P≤0.015％、S≤0.010％、Nb：0.015～0.049％，余量为Fe及不可避免的杂质。

进一步地，化学成分按质量百分数计为：

C：0.06～0.10％、Si：0.10～0.25％、Mn：1.40～1.60％、P≤0.015％、S≤0.010％、Nb：0.015～0.025％，余量为Fe及不可避免的杂质。

再进一步地，所述高扩孔钢的扩孔率大于或等于98％，且小于或等于105％，高扩孔钢头中尾部位扩孔率的波动性≤5％。

更进一步地，所述高扩孔钢的屈服强度R_eL≥460MPa，抗拉强度R_m为580～700MPa，延伸率A≥21％，且高扩孔钢头中尾部位的力学性能波动在20Mpa之间。

本发明还公开了一种扩孔性能稳定的高扩孔钢的生产方法，包括转炉冶炼、真空处理、连铸、铸坯加热、粗轧、精轧、冷却、卷取的步骤，其特殊之处在于：关键工艺过程如下：

铸坯加热工艺过程，得到的铸坯为短坯，短坯的长度为4～8m；

粗轧和精轧工艺过程，采用准恒速轧制工艺，轧钢加速度≤0.007m/s²；

冷却工艺过程，采用两段式冷却，第一段冷却的水冷冷速为80～220℃/s，第二段冷却的水冷冷速为40～140℃/s；且第一段冷却与第二段冷却之间为空冷段，空冷段测温点在距离F7轧机的30～40m之间移动。

进一步地，第一段冷却后采用侧喷，并配备风机。

再进一步地，铸坯加热工艺过程，加热温度为1220～1260℃，得到的铸坯为短坯，短坯的长度为6～8m；

粗轧和精轧工艺过程，采用准恒速轧制工艺，轧钢加速度≤0.005m/s²；

冷却工艺过程，采用两段式冷却，第一段冷却为超快冷却工艺，水冷冷速为100～200℃/s，第二段冷却为加密冷却工艺，水冷冷速为60～120℃/s。

再进一步地，第一段冷却后采用侧喷，并配备风机。

更进一步地，空冷段的开始温度为680～740℃，空冷时间为8～12s。

更进一步地，粗轧工艺过程，粗轧的出口温度1080～1120℃；

精轧工艺过程，精轧前的钢坯采用保温罩保温处理，精轧的终轧温度820～860℃；

卷取工艺过程，卷取温度控制在400～450℃之间。

本发明的原理：

1、各种化学成分的选用原理：

碳(C)：是最廉价的固溶强化元素，影响FB钢中贝氏体的体积分数和含碳量，从而对FB钢的强度有重要影响。如果其含量小于0.06％，则不能满足材料强度的要求，如果随着碳含量的提高，则冲压成形性和焊接性会降低，因此在保证强度的前提下采用较低碳含量，所以，将其含量限定在0.06～0.10％范围。

硅(Si)：可以通过固溶强化提高钢材强度，还可抑制碳化物的析出，避免珠光体相的出现。如果其含量小于0.10％，则不能发挥其效果；如果其含量超过0.25％，则会恶化热轧钢板的表面质量和焊接性能，所以，将其含量限定在0.10～0.25％之间。

锰(Mn)：是有效的固溶强化和促进贝氏体生成元素，为了发挥其效果，必须添加0.8％以上。但是添加多量的锰，会导致钢的塑性下降，因此在保证强度的前提下，减少Mn的添加量，所以将Mn含量限定在0.8～2.0％范围，优选为1.40～1.60％。

磷(P)：是良好的固溶强化元素，能提高钢的淬透性，有利于得到片层较薄的贝氏体相，但P添加量高于0.03％时，易由于偏析严重造成冲压成形性能、韧性、二次加工性能发生恶化，因此，将P含量限定在0.03以下，优选为低于0.015％。

硫(S)：是非常有害的元素，钢中的硫常以锰的硫化物形态存在，这种硫化物夹杂对钢的冲击韧性是十分不利的，并造成性能的各向异性，因此，需将钢中硫含量控制得越低越好。基于对钢板冲压成形工艺和制造成本的考虑，拟将钢中硫含量控制在0.010％以下。

铌(Nb)：是非常有效的细化晶粒、提高强度和韧性元素。可以通过抑制轧制变形后的再结晶奥氏体晶粒的长大，冷却后得到晶粒细小的铁素体等组织，提高钢的强度和韧性。此外析出的NbC，有利于钢材强度的提高。Nb含量低于0.015％时，NbC析出不足，难以达到本发明要求的强度，当含量高于0.049％时强化效果接近饱和，且合金成本升高。因此将Nb元素的含量限定在0.015～0.049％，优选为0.015～0.025％。

2、本发明生产方法的工作原理：

(1)本发明采用了较低的铌元素含量，充分利用铌的细晶效果和高扩孔钢的组织强化效果，由于高扩孔钢的卷取温度为400～450℃，这是贝氏体形成的温度范围，然而在该温度范围下，第二相析出强化的效果很弱，因此降低铌元素含量，充分利用组织强化，即利用贝氏体的量来提高强度。

(2)为了保证两段式冷却工艺过程中，钢卷头部中部尾部温度的稳定性，最终保证整卷扩孔性能的稳定，采用“短坯+准恒速轧制”模式，准恒速轧制的目的就是将加速度设至最低，以实现恒速轧制，短坯可保证在准恒速轧制模式下，钢卷尾部的温降小，从而达到升速轧制工艺相同的效果；而准恒速轧制模式，可保证带钢在通过层流冷却时的时间相等，这样冷却效果相同，工艺命中率高。

(3)为了保证空冷段温度的测量准确性，空冷段采用风机及侧喷，侧喷是为了去除钢板表面的水渍，风机是为了吹扫水气，同时测量空冷段温度的测温枪是可移动的，这样就在空冷段中部测温，让钢板表面和中部温度均匀后再进行测量，使温度更具代表性，而且远离第一段水冷，水冷后配置的侧喷水嘴和风机，同样可减少钢板表面残留冷却水和水蒸气对测量结果的不利影响。

(4)采用超快冷设备，使得第一段水冷的冷速可达100～200℃/s，这样精轧之后带钢晶粒内部大量的形变带得以保留，相变过程中形核处多，相变后铁素体晶粒细化，在如此高的冷速下，第一段水冷时间仅为1.0～1.5s，这样在层流冷却段有限的长度里，给空冷段留出足够的空冷时间。而第二段水冷采用加密冷却，也可使冷速高达60～120℃/s，这样就可以避开珠光体的形成区间，使未转变的奥氏体全部转变为贝氏体。

有益效果：

采用本发明的生产方法制备的钢卷，扩孔性能稳定，使钢卷的头部中部尾部的扩孔率达到了98％以上，且同一个钢卷的头部中部尾部的扩孔率波动性在5％以下，得到钢卷的屈服强度R_eL≥460MPa，抗拉强度R_m为580～700MPa，延伸率A≥21％，且高扩孔钢头中尾部位的力学性能波动在20Mpa之间。因此本发明制备的高扩孔钢适用于对材料性能要求高的汽车车轮、底盘等部件的生产。

附图说明

图1为实施例1制备的钢卷尾部的金相结构组织图；

图2为对比例制备的钢卷尾部的金相结构组织图；

图3为对比例制备的钢卷尾部扩孔试样的扫描电镜示意图。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

实施例1

本实施例制备扩孔性能稳定的高扩孔钢，化学成分按质量百分数计为：

C：0.06％、Si：0.10％、Mn：1.40％、P：0.015％、S：0.010％、Nb：0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本实施例的扩孔性能稳定的高扩孔钢的生产方法，包括转炉冶炼、真空处理、连铸、铸坯加热、粗轧、精轧、冷却、卷取的步骤，其中，关键工艺过程参数如下：

铸坯加热温度为1220℃，得到的铸坯为短坯，短坯的长度为6.1m；

粗轧的出口温度1080℃，精轧前的钢坯采用保温罩保温处理，精轧的终轧温度820℃；在粗轧和精轧的轧制工艺过程中，轧钢采用准恒速工艺进行轧制，轧钢的加速度为0.005m/s²。

两段式冷却中，第一段冷却为超快冷却工艺，水冷冷速为110℃/s，第二段冷却为加密冷却工艺，水冷冷速为120℃/s；在第一段冷却与第二段冷却之间存在空冷段，采用配风机，及侧喷的方式进行空冷，空冷的开始温度740℃，空冷时间12s；测量空冷段温度的仪器可以在第七轧机后30米移动；

卷取温度控制在430～450℃之间。

本实施例制备得到的高扩孔钢的性能如表1所示。

实施例2

本实施例制备扩孔性能稳定的高扩孔钢，化学成分按质量百分数计为：

C：0.10％、Si：0.25％、Mn：1.60％、P：0.010％、S：0.008％、Nb：0.049％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本实施例的扩孔性能稳定的高扩孔钢的生产方法，包括转炉冶炼、真空处理、连铸、铸坯加热、粗轧、精轧、冷却、卷取的步骤，其中，关键工艺过程参数如下：

铸坯加热温度为1260℃，得到的铸坯为短坯，短坯的长度为6.8m；

粗轧的出口温度1100℃，精轧前的钢坯采用保温罩保温处理，精轧的终轧温度840℃；在粗轧和精轧的轧制工艺过程中，轧钢采用准恒速工艺进行轧制，轧钢的加速度为0.003m/s²。

两段式冷却中，第一段冷却为超快冷却工艺，水冷冷速为130℃/s，第二段冷却为加密冷却工艺，水冷冷速为100℃/s；在第一段冷却与第二段冷却之间存在空冷段，采用配风机，及侧喷的方式进行空冷，空冷的开始温度720℃，空冷时间10s；测量空冷段温度的仪器可以在第七轧机后35米移动；

卷取温度控制在400～410℃之间。

本实施例制备得到的高扩孔钢的性能如表1所示。

实施例3

本实施例制备扩孔性能稳定的高扩孔钢，化学成分按质量百分数计为：

C：0.07％、Si：0.15％、Mn：1.50％、P：0.008％、S：0.005％、Nb：0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本实施例的扩孔性能稳定的高扩孔钢的生产方法，包括转炉冶炼、真空处理、连铸、铸坯加热、粗轧、精轧、冷却、卷取的步骤，其中，关键工艺过程参数如下：

铸坯加热温度为1240℃，得到的铸坯为短坯，短坯的长度为7.5m；

粗轧的出口温度1100℃，精轧前的钢坯采用保温罩保温处理，精轧的终轧温度840℃；在粗轧和精轧的轧制工艺过程中，轧钢采用准恒速工艺进行轧制，轧钢的加速度为0.002m/s²。

两段式冷却中，第一段冷却为超快冷却工艺，水冷冷速为150℃/s，第二段冷却为加密冷却工艺，水冷冷速为80℃/s；在第一段冷却与第二段冷却之间存在空冷段，采用配风机，及侧喷的方式进行空冷，空冷的开始温度700℃，空冷时间9s；测量空冷段温度的仪器可以在第七轧机后35米移动；

卷取温度控制在420～440℃之间。

本实施例制备得到的高扩孔钢的性能如表1所示。

实施例4

本实施例制备扩孔性能稳定的高扩孔钢，化学成分按质量百分数计为：

C：0.09％、Si：0.20％、Mn：1.50％、P：0.005％、S：0.005％、Nb：0.025％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本实施例的扩孔性能稳定的高扩孔钢的生产方法，包括转炉冶炼、真空处理、连铸、铸坯加热、粗轧、精轧、冷却、卷取的步骤，其中，关键工艺过程参数如下：

铸坯加热温度为1250℃，得到的铸坯为短坯，短坯的长度为8.0m；

粗轧的出口温度1120℃，精轧前的钢坯采用保温罩保温处理，精轧的终轧温度850℃；在粗轧和精轧的轧制工艺过程中，轧钢采用准恒速工艺进行轧制，轧钢的加速度为0.001m/s²。

两段式冷却中，第一段冷却为超快冷却工艺，水冷冷速为180℃/s，第二段冷却为加密冷却工艺，水冷冷速为60℃/s；在第一段冷却与第二段冷却之间存在空冷段，采用配风机，及侧喷的方式进行空冷，空冷的开始温度680℃，空冷时间8s；测量空冷段温度的仪器可以在第七轧机后340米移动；

卷取温度控制在400～420℃之间。

本实施例制备得到的高扩孔钢的性能如表1所示。

对比例

对比例制备扩孔性能稳定的高扩孔钢，化学成分按质量百分数计为：

C：0.07％、Si：0.15％、Mn：1.50％、P：0.005％、S：0.005％、Nb：0.065％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本对比例的扩孔性能稳定的高扩孔钢的生产方法，包括转炉冶炼、真空处理、连铸、铸坯加热、粗轧、精轧、冷却、卷取的步骤，其中，关键工艺过程参数如下：

铸坯加热温度为1250℃，得到的铸坯的长度为10.0m；

粗轧的出口温度1120℃，精轧的终轧温度850℃；在粗轧和精轧的轧制工艺过程中，轧钢采用准恒速工艺进行轧制，轧钢的加速度为0.025m/s²。

两段式冷却中，第一段冷却的水冷冷速为60℃/s，第二段冷却的水冷冷速为40℃/s；在第一段冷却与第二段冷却之间存在空冷段，采用配风机，及侧喷的方式进行空冷，空冷的开始温度700℃，空冷时间5s；测量空冷段温度的仪器可以在第七轧机后35米移动；

卷取温度控制在430～520℃之间。

对比例制备得到的高扩孔钢的性能如表1所示。

表1实施例和对比例制备的高扩孔钢的性能参数表

实施例与对比例相比，实施例在轧钢生产时优先采用坯长为6～8m之间的短坯，在精轧前采用保温罩进行保温处理，在轧制过程中采用准恒速轧制工艺，轧钢加速度≤0.005m/s²，且第一段冷却采用超快冷工艺，冷速可达100～200℃/s，第二段冷却采用加密冷却工艺，冷速为60～120℃/s，采用上述工艺，制备的高扩孔钢，结合表1可知，力学性能满足屈服强度R_eL≥460MPa，抗拉强度R_m为580～700MPa，延伸率A≥21％的要求，并且制备得到的钢卷头中尾的力学性能波动在20MPa以内，扩孔率均能大于或等于98％，且小于等于105％，不但扩孔性能提高，且同一个钢卷头中尾扩孔率的波动范围在5％以内。

如图1和图2所示，分别得到实施例1和对比例制备的高扩孔钢，即钢卷的尾部组织的金相组织结构图，从图1中可看出，本实施例制备的高扩孔钢金相组织均匀，孔隙小。

图3为对比例钢卷尾部扩孔试样的扫描电镜示意图，从图3中可看出，钢卷尾部出现较多的空洞，而这些空洞均是由珠光体引起的，由此可知，在冷却阶段，由于冷却工艺的不当，形成了大量的珠光体。

以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。