一种低硅含钛高强钢及其基于钛含量和轧制参数的控扎方法
阅读说明：本技术 一种低硅含钛高强钢及其基于钛含量和轧制参数的控扎方法 (Low-silicon titanium-containing high-strength steel and rolling control method thereof based on titanium content and rolling parameters ) 是由 马玉喜 于 2021-04-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低硅含钛高强钢,各组分及其所占质量百分比为：C0.04～0.12％,Si 0.08～0.19％,Mn 1.00～1.49％,Ti 0.08～0.14％,S≤0.002％,O≤0.002％,余量为Fe及不可避免的杂质；本发明采用两步钛微合金化手段并结合基于钛含量-轧制参数的联动控轧工艺,能保证钢板强度波动在50MPa以内；在降低硅、锰含量的前提下,可有效兼顾良好的力学强度、抗拉性能和抗冲击性能、表面质量和焊接性等；且涉及的制备工艺简单易行,成品可用于折弯成型性能和对表面光洁度要求较高的零部件制作。(The invention discloses low-silicon titanium-containing high-strength steel which comprises the following components in percentage by mass: 0.04-0.12% of C, 0.08-0.19% of Si, 1.00-1.49% of Mn, 0.08-0.14% of Ti, less than or equal to 0.002% of S, less than or equal to 0.002% of O, and the balance of Fe and inevitable impurities; the invention adopts a two-step titanium microalloying method and combines a linkage controlled rolling process based on titanium content-rolling parameters, and can ensure that the strength fluctuation of the steel plate is within 50 MPa; on the premise of reducing the contents of silicon and manganese, the high-strength steel can effectively give consideration to good mechanical strength, tensile property, impact resistance, surface quality, weldability and the like; the related preparation process is simple and easy to implement, and the finished product can be used for manufacturing parts with higher bending forming performance and surface finish requirement.)
技术领域
本发明属于钢材制备技术领域，具体涉及一种低硅含钛高强钢及其基于钛含量和轧制参数的控扎方法。
背景技术
目前，含钛高强钢广泛应用在工程机械、汽车制造等领域，一些对表面要求较高的关键零部件，不但对钢板性能均匀性提出更高的要求，而且对表面质量必须达到一定标准，目的是为了保证成品构建的外观形貌。现有含钛钢品种一般含有较多的硅含量，以弥补合金元素强化效果的不足，高的硅含量导致钢板表面光洁度达不到要求，不能用于制作精密构建。基于现有含钛高强钢成分体系，通过单纯降低硅含量的方式提高表面质量，将会导致强度不足等问题。
现有技术通常采用降低碳含量或钛含量的方法来增加工艺稳定性，从而得到性能均匀的高强钢板。然后这种方法为了保证强度，需要在基体中进一步加入一定量的V、Nb、Mo等贵重合金强化元素，并且对于厚板还需要增加热处理工艺进行生产，以达到强韧化目标；涉及的生产成本高昂，且生产周期较长：如专利CN107755431A公开了“一种热轧高强钢的轧制方法”，该方法主要对精轧过程进行控制，能够提高高强钢的轧制稳定性，降低生产成本；其关注点在中间坯厚度控制及轧辊参数调整方面，如果前工序参数不能精确控制，后工序无法弥补，会导致成品性能达不到要求；专利CN104263889A公开了“一种提高厚度≥10mm含钛高强钢冲击韧性的方法”，该方法适用于含Ti不低于0.06％，含N不高于0.004％的钢种制备，其生产工艺上主要实施温控，虽对板坯加热的升温速率、终轧温度和卷取温度进行了特别规定，也未涉及温度联动控制效果，如果前工序温度参数控制不当，后工序温控便不能及时准确地进行修正，最终产品的组织类型、析出物量和分布也会不同，会导致钢材的强度、延伸率和低温任性等指标下降。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种低硅含钛高强钢及其其基于钛含量和轧制参数的控扎方法，可保证含钛高强钢板强度波动在50MPa以内，解决其性能波动大的问题，并在降低硅、锰含量的前提下，可有效兼顾良好的力学强度、抗拉性能、抗冲击性能、表面质量和焊接性等；且涉及的钢板合金元素成本低廉，轧制工艺简单，尤其适用于折弯成型性能要求较高的零部件制作。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种低硅含钛高强钢，各组分及其所占质量百分比为：C 0.04～0.12％，Si 0.08～0.19％，Mn 1.00～1.49％，Ti 0.08～0.14％，S≤0.002％，O≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质；钢中不添加Nb、Ni、Mo、Cr等合金元素。
上述方案中，所述低硅含钛高强钢的金相组织包括88～92vol％的贝氏体、8～12vol％的铁素体和分散在基体中的碳化钛颗粒；其中碳化钛颗粒尺寸大小为20～40nm范围，析出颗粒所占体积百分比为0.8～1.2％。
上述方案中，所述含钛热轧高强钢的屈服强度在760MPa以上，抗拉强度在800MPa以上，延伸率A在28％以上，-20℃夏比冲击功为110J/cm2以上。
本发明还公开了一种低硅含钛高强钢基于钛含量和轧制参数的控扎方法，包括转炉冶炼、氩站钛微合金化、真空处理、浇注、控扎、卷取、堆垛缓冷等步骤；其中氩站钛微合金化首先加入21～25％添加量的钛合金；真空处理后期加入剩余添加量的钛合金；控扎步骤中钢坯均热时间t时、钢坯加热温度T加、卷取温度T卷、钛含量W钛这四个工艺参数采用联动控制方案，具体按照t时＝T卷+2W钛-T加+0.8281Rm-1549的公式进行。
上述方案中，所述联动控制方法包括：首先预设钢坯均热时间t时、钢坯加热温度T加、卷取温度T卷、钛含量W钛中四种参数的取值，再根据公式t时＝T卷+2W钛-T加+0.8281Rm-1549计算第四种参数的取值；其中预设的三种参数和计算所得第四种参数的取值条件同时满足：钢坯加热温度T加1245～1395℃，均热时间t时71～121min，卷取温度T卷551～650℃，钛含量W钛0.08～0.14wt％。
上述方案中，所述Rm为含钛热轧高强钢的常规抗拉强度，其取值范围可选择为740～840MPa。
上述方案中，所述真空处理总时间7～20min，真空处理结束前3min加入剩余钛合金进行目标成分，钛合金化过程保持炉顶吹氩气，吹氩速度≥26cm2/s，以免空气与钢液发生化学反应。
上述方案中，所述浇注步骤采用的温度为1500～1545℃，过热度控制在10～20℃，并在5min内完成浇注。
上述方案中，所述联动控扎步骤包括：将钢坯加热到1245～1395℃，均热时间控制在71～121min；经高压除鳞后进行粗轧，其粗轧开轧温度控制为1100℃～1150℃；控制精轧入口温度在950～1000℃，终轧温度在800～880℃；轧后快速冷却：冷却速度为30～50℃/s，冷却至551～650℃进行卷取。
上述方案中，卷曲所得钢卷进行堆垛缓冷，缓冷后常规工艺开平，按照需求切成钢板。
本发明采用的原理为：
成分设计原理：钛是廉价而有效的强化元素，本发明主要依靠钛元素来强化钢板；然而现有实验证实，为获得800MPa以上级别强韧性匹配良好的钢板，需要在降低碳含量的同时加入一定的强化元素，仅依靠碳、锰的作用只能保证强度，并且材料脆性增加，导致开裂现象发生；针对上述问题，本发明在低碳高钛成分设计的基础上，降低锰和硅含量，提升钢板表面质量和焊接性；同时考虑到S、O易与钛元素结合，减少游离钛的含量，减弱游离钛的强化作用，在本发明需对这三种元素含量进行限定，进而充分发挥钛合金化的强韧化作用，也是温度联动控制轧制工艺实施的前提和基础；本发明合金设计上降低了硅、锰含量，在一定程度上削弱了合金元素强化作用，为了充分发挥钛元素强化作用，采用钛元素与关键轧制工艺参数联动控制，以弥补强化效果的作用。基于上述成分设计并结合工艺改进，可调控铁素体和贝氏体的含量，使所得钢材可有效兼顾良好的力学强度、抗拉性能和抗冲击性能等。
工艺改进原理：
1)本发明分别在氩站和真空后期进行两步钛微合金化，其中氩站加入21～25％的钛含量总量，真空处理结束前3min再加入钛合金进行目标成分调整；本发明采用的低锰含量条件有利于钛合金化的吸收，通过提高氩站钛合金化比例、降低真空过程钛合金化比例，可有效避免真空过程钛合金化带来钢液杂质成分的增加，可有效将O含量控制在较低范围；采用上述两步钛微合金化手段在避免氩站钛元素损失有效保证钛合金收得率的同时，能获得时间使钛元素与S、O充分反应，生成杂质，上浮去除；
2)本发明采用的浇注温度为1500～1545℃，过热度控制在10～20℃，并在5min内完成浇注，是由于经过微合金化后钛元素在钢液中处在一种过饱和状态，浇注温度过高或过热度较高或时间过长均会降低钛元素的收得率；
3)本发明采用钢坯均热时间t时、钢坯加热温度(T加)、卷取温度(T卷)和钛含量(W钛)四个参数采用联动控制方案，具体按照t时＝T卷+2W钛-T加+0.8281Rm-1549公式进行参数的预设与控制，并对其重要参数范围作了进一步的限定；其中加热温度的高低影响游离钛在基体中所占的比例，温度越高游离钛含量越高，反之成立；而钢坯均热时间和加热温度为相互作用的关系，并且钢坯均热时间与钛元素的强化效果成正比关系；而钢坯均热时间和加热温度为相互作用的关系，并且均热时间可有效增强游离钛的强化作用，控制均热时间可忽略N元素对游离钛的影响，无需调控N含量，简化工艺；卷取温度高低直接影响了碳化钛析出粒子大小和数量，是强韧化作用的关键因子，与抗拉强度成一定的数量关系，因钢坯均热时间(t时)、加热(T加)、卷取温度(T卷)和钛含量(W钛)四个参数耦合作用有利于进一步调控强度波动并优化所得钢材的使用性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)冶炼工艺和轧制工艺均可在常规工艺装备实现，参数设置也在常规工艺参数可调范围，工艺简单易行，适用性广；
2)本发明采用两步钛微合金化手段并结合基于钛含量-轧制参数的联动控轧工艺，能保证钢板强度波动在50MPa以内；同时控制均热时间可忽略N元素对游离钛的影响，进一步简化生产工艺；引入钛元素控制因子可弥补降低硅、锰含量对强度的弱化作用，调控析出颗粒尺寸大小和析出量百分比；所得钢材的屈服强度在720MPa以上，抗拉强度在800MPa以上，延伸率A在28％以上，-20℃夏比冲击功为128J/cm2以上；且涉及的制备工艺简单易行，成品可用于折弯成型性能和对表面光洁度要求较高的零部件制作。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
本发明各实施例均按照以下步骤进行生产：
1)转炉冶炼后进入氩站，在氩站采进行钛微合金化，其中加入21～25wt％用量要求的钛合金；
2)经常规真空处理，真空处理结束前3min加入剩余含量要求的钛合金进行目标成分调整，浇注温度为1500～1545℃，过热度控制在10～20℃，并在5min内完成浇注；
3)将钢坯加热到1245～1395℃，均热保温时间71～121min；
4)经高压除鳞后进行粗轧，其粗轧开轧温度控制为1100～1150℃；控制精轧入口温度在950～1000℃，终轧温度在800～880℃；
5)轧后快速冷却：冷却速度为30～50℃/s，冷却至551～650℃进行卷取；
6)上述3、4、5步骤中钢坯均热时间t时、钢坯加热温度T加、卷取温度T卷、钛含量W钛四个参数采用联动控制方案，具体控制步骤为：首先预设钢坯均热时间t时、钢坯加热温度T加、卷取温度T卷、钛含量W钛中三种参数的取值，再根据公式t时＝T卷+2W钛-T加+0.8281Rm-1549计算第四种参数的取值；其中预设的三种参数和计算所得第四种参数的取值条件同时满足：钢坯加热温度T加1245～1395℃，均热时间t时71～121min，卷取温度T卷551～650℃，钛含量W钛0.08～0.14wt％；
7)钢卷进行堆垛缓冷，冷却速度≤0.5℃/s，缓冷至室温，然后常规工艺开平，按照需求切成钢板。
表1本发明各实施例和对比例的化学成分(wt.％)
注：表中/表示未控制含量，0表示不含。
表2本发明各实施例和对比例的主要工艺参数表
续表2本发明各实施例和对比例的主要工艺参数表
表3各实施例和对比例所得钢材的性能列表
实施例经过常规开平工艺开平并按照实际需要切成钢板。其中，表2和3中钢坯均热时间(t时)、钢坯加热(T加)、卷取温度(T卷)和钛含量W钛四个参数采用联动控制方案，具体按照t时＝T卷+2W钛-T加+0.8281Rm-1549公式进行，如温度数值为小数，则进位加1取整数。由表1、表2和表3中数据可以看出，该发明得到的钢板实施后能保证钢板抗拉强度波动在50MPa以内，屈服强度在770MPa以上，抗拉强度在800MPa以上，延伸率A在28％以上，-20℃夏比冲击功为128J/cm2以上，基体组织为贝氏体+铁素体，碳化物析出颗粒尺寸中位数在20～40nm范围。本发明实施例与对比例相比，虽然成分较为接近，但对比例钢板强度波动较大，高达238MPa；此外，本发明所得钢板延伸率指标和冲击韧性指标均优于对比例，并且制备工艺简单易行，综合性能整体较高。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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