V-Ti析出强化550MPa级绿色清洁表面汽车大梁钢板及其制造方法与流程

本发明属于金属材料加工，具体涉及一种v-ti析出强化550 mpa级绿色清洁表面汽车大梁钢板及其制造方法。

背景技术：

1、近年来，随着汽车工业的快速发展，汽车主机厂对钢板表面质量、环保性能以及生产成本的要求日益提高。汽车大梁作为汽车结构中的重要组成部分，其轻量化制造和绿色生产工艺已成为行业关注的焦点。

2、传统汽车大梁钢板的生产需经过多道次热轧、酸洗等工序，存在生产流程长、能耗高、环境污染严重等问题。酸洗工艺存在酸雾污染大、废酸处理成本高、除鳞不均匀、基材损失严重等缺陷。另一种方法是通过添加cr元素使钢板表面形成致密的fe3o4氧化层，可直接用于冲压成形，但这种方法成本较高，且存在氧化铁皮脱落影响模具寿命的风险。

3、公开专利cn107649522a提出了一种热轧钢卷表面质量控制方法，但其钢板表面仍存在较厚的氧化铁皮，粗糙度较大。

4、公开专利cn101906584a提出了一种免酸洗汽车大梁钢的生产方法，但需添加cr元素，成本高且粗糙度问题未完全解决。

5、公开专利cn103320683a提出的酸洗工艺存在严重的环境污染问题。

6、公开专利cn105369134a提出的400 mpa级钢板强度不足。

7、此外，现有技术在550 mpa级汽车大梁钢的开发上，多采用高mn或添加mo等贵金属方案，导致成本上升，或者通过复杂的热处理工艺实现，增加了工序和能耗。

8、因此，如何在不添加贵金属且不采用复杂后处理的前提下，稳定达到550 mpa级强度，同时赋予钢板优良的免酸洗表面和良好的成形性能，是当前的技术难点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种v-ti析出强化的550 mpa级绿色清洁表面汽车大梁钢板及其制造方法。本发明在c-mn系钢成分基础上，采用低si、低c、添加v和ti的成分体系，配合控轧控冷工艺，并采用eps绿色清洁表面处理，获得抗拉强度达到550 mpa级以上、断后伸长率a≥22%的绿色清洁表面汽车大梁用钢板。

2、本发明的技术方案一是提供一种v-ti析出强化550 mpa级绿色清洁表面汽车大梁钢板，具体技术方案如下：化学成分按质量百分数为，c：0.06%~0.08%、si≤0.15%、mn：1.50%~1.65%、als：0.015%~0.045%、v：0.05%~0.10%、ti：0.040%~0.060%、n≤0.008%、p≤0.020%、s≤0.010%，余量为fe和不可避免的杂质。

3、本发明合金设计的理由如下：

4、c：c是强固溶强化元素，可显著提升钢的强度。若钢中c含量过低，则需提高其他强化元素含量来弥补，不利于降低钢板成本；而c含量过高时，钢板强度提高，但会降低延伸率，且不利于钢板成形。为确保抗拉强度稳定达到550 mpa以上，且不损害焊接性能，本发明将c含量限定在0.06%~0.08%之间。

5、si：si起到固溶强化和脱氧的作用。为防止表面形成难以去除的复杂氧化铁皮，本发明将si含量限定在≤0.15%。

6、mn：mn能提高钢板淬透性，并产生固溶强化效果。为满足550 mpa级强度要求，需适当提高mn含量，但为避免中心偏析风险，本发明将mn含量限制在1.50%~1.65%。

7、s、p：s、p均为有害元素，其含量越低越好，含量过低则生产成本高，在不影响钢板性能的前提下，其含量限制在p≤0.020%，s≤0.010%。

8、v：v是核心析出强化元素，在铁素体中与c、n结合，析出纳米级v(c,n)颗粒，产生强烈的沉淀强化作用，强度贡献约100~150 mpa。v含量低于0.05%时，强化效果不足；高于0.10%时，易形成粗大析出相而损害韧性。因此，本发明v含量为0.05%~0.10%。

9、ti：ti同样具有析出强化和细晶强化的作用。ti优先与n结合，形成高温稳定的tin颗粒，可钉扎奥氏体晶界，细化晶粒，同时固定钢中自由n，保护v的析出强化潜力。ti含量低于0.040%时析出不足，高于0.060%时易生成大尺寸tin夹杂，故ti含量为0.040%~0.060%。

10、n：n是形成v(c,n)、ti(c,n)复合析出相的关键元素。适量的n与v、ti结合，可增加析出相体积分数，优化析出相尺寸和分布，提高析出强化效果。n含量过高会与ti形成大尺寸tin夹杂，降低钢的韧性和疲劳性能；n含量过低则析出强化效果不足。因此，本发明中限定n≤0.008%。

11、als：al是钢中的脱氧元素，起到减少钢中氧化物夹杂、纯净钢质的作用，有利于提高钢板的成形性能；同时，al可以形成aln析出，起到细化晶粒的作用。因此，本发明als的最优范围在0.015%~0.045%之间。

12、v-ti协同效应：v和ti的复合添加可显著提高碳氮化物的析出体积分数，具有协同强化效应。为确保最佳协同效果，限定v+ti≥0.10%，且v/ti=0.8~2.0。该范围保证了两种元素的析出温度窗口互补，可实现多尺寸、多阶段的强化相析出。

13、采用nb、v、ti复合强化的方式生产550 mpa热轧高强钢已有成熟工业实践，按照常规生产工艺控制，可得到晶粒度细小和力学性能良好的热轧高强钢。本发明在c-mn钢基础上，采用v-ti复合微合金化路线替代常规nb-ti路线。与nb相比，v具有以下特点：（1）v的碳氮化物全固溶温度较低（约900 ℃），在1200~1250 ℃加热条件下可完全固溶，析出驱动力更大；（2）v(c,n)在铁素体区析出的弥散度更高，析出强化贡献约100~150 mpa；（3）v对再结晶的抑制作用虽弱于nb，但与ti复合添加时，ti首先在高温区析出tin钉扎晶界，v在低温区大量弥散析出，二者在温度窗口上互补。

14、优选，所述钢板组织包括铁素体、珠光体、贝氏体，其中铁素体体积分数≥70%，珠光体+贝氏体体积分数≤30%，平均晶粒度10~12级。

15、优选，所述钢板屈服强度rel≥500 mpa，抗拉强度rm≥550 mpa，断后伸长率a≥22%，表面粗糙度ra=3.0~4.5 μm，表面清洁度sa不低于3级，成品厚度为3~12 mm。

16、本发明的技术方案二是提供一种v-ti析出强化550 mpa级绿色清洁表面汽车大梁钢板的制造方法，包括冶炼、中薄板坯连铸、加热、控轧控冷工艺、eps绿色清洁表面处理工艺。该制造方法的具体步骤如下：

17、中薄板坯连铸：采用中薄板坯连铸工艺，连铸坯厚度控制在135~200 mm。与传统的225~250 mm厚板坯连铸连轧工艺相比，中薄板坯连铸可有效缩短产线长度，降低能耗。

18、加热工艺：连铸坯经步进式加热炉加热，加热温度控制在1200~1250 ℃，保温时间1~3 h。v的碳氮化合物固溶温度约为900 ℃，远低于ti。1200~1250 ℃的加热温度既保证了ti和v的完全固溶，能为后续析出强化创造条件，又保留了部分未溶tin粒子钉扎晶界，抑制晶粒长大。

19、控轧控冷工艺：采用两阶段控制轧制，精轧阶段开轧温度980~1030 ℃，终轧温度850~890 ℃。研究表明，v和ti在850~900 ℃范围内对奥氏体再结晶具有明显的抑制作用，有利于未再结晶区控轧，细化晶粒。终轧温度850~890 ℃高于ar3约100~145 ℃，确保轧制在奥氏体单相区完成。

20、终轧后采用连续层流冷却，冷却速率≥20 ℃/s，卷取温度为560~620 ℃。卷取温度的选择兼顾了tic和v(c,n)的析出窗口，使二者均能充分发挥强化作用。

21、eps绿色清洁表面处理工艺：钢卷经开卷矫直后，进入eps（eco pickled surface）单元，以水和钢砂为介质，采用物理喷射方式去除热轧氧化铁皮。eps单元的核心部件为上下对置的两组高速旋转涡轮，涡轮叶片将钢砂与水的混合浆料加速至60~70 m/s的线速度，以60°入射角双面同时喷射钢板表面，通过磨料冲击剥离氧化铁皮。

22、优选，eps工艺窗口中，涡轮转速1700~1900 rpm，钢板行进速度35~50 m/min，钢砂目数40~50目，对应平均粒径约270~420 μm。

23、进一步地，为保证表面粗糙度ra≤5.0 μm，且清洁度sa≥3级，工艺参数与钢板性能满足如下关系：

24、

25、式中：

n为涡轮转速，rpm；

v为钢板行进速度，m·min-1；

d为钢砂平均粒径，μm；

σ为钢板抗拉强度，mpa；k为设备常数，取值0.10~0.18。

26、优选，范围在25~35之间时，可稳定获得钢板ra=3.0~4.5 μm，且清洁度sa达到3级。

27、经eps处理后，钢板表面呈现均匀的银灰色金属光泽，无氧化皮残留、无油污，处理后利用环保缓蚀剂在钢板表面形成保护膜。eps是一种绿色清洁表面处理技术，可替代酸洗、抛丸、高压水冲洗等传统工序，介质全部循环利用，无有害废料产生。

28、本发明提供了一种v-ti析出强化的550 mpa级绿色清洁表面汽车大梁钢板及其制造方法，同现有技术相比，有益效果如下：

29、1.低成本高性能：通过v-ti复合微合金化设计，利用v(c,n)与tic的协同析出强化，在不添加mo、cr等贵金属元素的情况下，稳定达到550 mpa级强度，断后伸长率a≥22%，满足汽车大梁用钢的综合性能要求。

30、2.析出强化与细晶强化协同：利用v在铁素体区析出10~60 nm纳米级v(c,n)颗粒，结合tic的细晶强化和抑制再结晶作用，在较低碳当量条件下实现高强度和高塑性的良好匹配。

31、3.绿色环保：完全取消酸洗工序，采用eps绿色清洁表面处理工艺，以水和钢砂为介质去除氧化铁皮，介质全部循环利用，无酸雾、无废液排放，实现绿色清洁生产。

32、4.表面质量优异：经eps处理后钢板表面光滑清洁，表面粗糙度ra=3.0~4.5 μm，表面清洁度sa不低于3级，满足后续涂装和冲压要求。

33、5.工艺适应性强：可处理厚度3~12 mm的钢板，扩大了产品适用范围。