高強(qiáng)度汽車(chē)大梁鋼合金減量化生產(chǎn)實(shí)踐

張懷賓 劉社牛 程永固

(安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和環(huán)境要求的日益提高，對(duì)鋼鐵產(chǎn)業(yè)也提出了越來(lái)越嚴(yán)格的資源、能源與環(huán)保要求。大力推行循環(huán)經(jīng)濟(jì)，即減量化、再使用、再循環(huán)、再制造，成為鋼鐵企業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向。其中減量化原則是指以資源投入最小化為目標(biāo)，以提高資源利用率為核心，降低鋼中合金元素添加量為主的節(jié)約型鋼材生產(chǎn)模式［1］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)鋼鐵市場(chǎng)需求持續(xù)疲軟，產(chǎn)能過(guò)剩、供大于求的矛盾日益尖銳，鋼材價(jià)格持續(xù)走低，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，鋼鐵企業(yè)舉步維艱。在當(dāng)前的市場(chǎng)環(huán)境下，合理利用控軋控冷工藝，提高鋼強(qiáng)度的同時(shí)，適當(dāng)降低鋼中合金元素的添加量，即減量化生產(chǎn)，可以有效地降低鋼材的生產(chǎn)成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 AG610L 的技術(shù)條件

高強(qiáng)度汽車(chē)大梁鋼AG610L，主要用于制造汽車(chē)縱梁、橫梁、加強(qiáng)梁、橋殼、保險(xiǎn)桿等構(gòu)件，在冷加工過(guò)程中，一般以采用沖壓成型為主，因此要求鋼材具有較高的強(qiáng)度、良好的冷成型性和焊接性能。AG610L 的主要厚度范圍為2.0 mm～12.0 mm，技術(shù)條件見(jiàn)表1。

表1 AG610L 的技術(shù)條件

2 初始AG610L 的化學(xué)成分和力學(xué)性能

安鋼1780 mm 熱連軋機(jī)組2009年開(kāi)始研制生產(chǎn)AG610L，初始的化學(xué)成分設(shè)計(jì)采用Nb、V 復(fù)合微合金化的成分體系，產(chǎn)品各項(xiàng)力學(xué)性能滿(mǎn)足了用戶(hù)的需求。表2 為典型的初始AG610L 的化學(xué)成分，表3 為力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表2 初始AG610L 的典型化學(xué)成分

表3 AG610L 的力學(xué)性能

3 軋制工藝對(duì)AG610L 力學(xué)性能的影響

控軋控冷工藝是微合金鋼獲得高強(qiáng)度和高韌性的重要措施之一。結(jié)合安鋼熱連軋生產(chǎn)線的特點(diǎn)，做了以下幾方面技術(shù)研究工作:

1)加熱工藝。Nb、V 的微合金化效果均是通過(guò)碳化物的固溶和析出來(lái)實(shí)現(xiàn)的，合理的加熱溫度是保證鋼中碳化物的充分固溶而且不能使奧氏體的晶粒過(guò)分粗大。由于VC 的奧氏體固溶溫度較低，而NbC 的奧氏體固溶溫度很高，因而制定加熱工藝時(shí)應(yīng)主要考慮NbC 的固溶溫度，保證NbC 全部固溶，才能充分發(fā)揮Nb 微合金的強(qiáng)化作用，達(dá)到提高強(qiáng)度的目的［2］。根據(jù)NbC 的固溶度公式，要使NbC 完全固溶，AG610L 的加熱溫度應(yīng)控制在1200℃為宜。

2)精軋終軋溫度。終軋溫度對(duì)鋼的強(qiáng)度有明顯的影響，降低終軋溫度，鋼的強(qiáng)度提高，但是屈服強(qiáng)度的升高幅度比抗拉強(qiáng)度高［3］，因而造成屈強(qiáng)比提高。生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，終軋溫度提高了40℃，AG610L 的屈強(qiáng)比可以降低0.01～0.02，這對(duì)冷成型性能有益。

3)卷取溫度。隨著卷取溫度的降低，鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均明顯升高，伸長(zhǎng)率降低。AG610L要求鋼具有較高的強(qiáng)度的同時(shí)，應(yīng)具有較高的韌性，以滿(mǎn)足沖壓等冷成型性能的加工要求，這對(duì)鋼的微觀組織有嚴(yán)格的要求，組織目標(biāo)為鐵素體+珠光體。貝氏體組織雖然具有較高的強(qiáng)度，但是其韌性較差，不適于成型加工，在組織中應(yīng)予以避免的。卷取溫度控制在580℃以上，可以防止AG610L 微觀組織中出現(xiàn)貝氏體的異常組織。

4)層流冷卻。在保持層流冷卻上下水比例不變的情況下，增加單個(gè)集管的流量，可以明顯提高鋼的強(qiáng)度。以厚度規(guī)格8 mm 為例，單集管水流量由80 L/h 提高到90 L/h，同時(shí)終軋溫度由840℃提高到860℃，這時(shí)粗調(diào)段的冷卻速率由28.8℃/s 提高到32.8℃/s。對(duì)比調(diào)整前后AG610L 的力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度提高了21.5 MPa，抗拉強(qiáng)度提高了20.1 MPa，而伸長(zhǎng)率只有略微的降低。層流調(diào)整前后AG610L 的金相組織如圖1 所示。

圖1 調(diào)整前后AG610L 的金相組織

由圖1 可以看出，層流調(diào)整前后AG610L 的組織均有鐵素體和珠光體組成，但是層流調(diào)整后的鐵素體組織明顯細(xì)化，晶粒度提高1 級(jí)，珠光體組織分布也更加彌散。

3 AG610L 的合金減量化成分設(shè)計(jì)

軋制工藝優(yōu)化后，特別是通過(guò)調(diào)整層流冷卻粗調(diào)段的集管流量，AG610L 獲得了更高的強(qiáng)度。雖然更高的強(qiáng)度能夠提高汽車(chē)的安全性能，但是也帶來(lái)了冷加工設(shè)備的負(fù)荷增大，沖壓后的回彈量增大等不利影響，因而下游廠家期望鋼的強(qiáng)度應(yīng)均勻分布在一定的范圍內(nèi)。因此在優(yōu)化軋制工藝的基礎(chǔ)上，適當(dāng)降低鋼的合金含量，實(shí)現(xiàn)減量化生產(chǎn)，既降低了AG610L 的生產(chǎn)成本，也能夠更好地滿(mǎn)足用戶(hù)的加工要求。

減量化要考慮的主要合金元素有Mn、Nb、V。減量化元素的選擇原則是，既要滿(mǎn)足鋼強(qiáng)度的要求，又使合金成本最低。Mn 元素的強(qiáng)化機(jī)理主要是固溶強(qiáng)化作用，其強(qiáng)化的穩(wěn)定性較好;Nb 具有強(qiáng)烈的細(xì)晶強(qiáng)化作用和中等的沉淀強(qiáng)化作用［4］，在AG610L 的含量范圍，Nb 的波動(dòng)對(duì)力學(xué)性能影響較大;而V 的強(qiáng)化作用比較復(fù)雜，V 的強(qiáng)化作用主要是V 的碳氮化物在鐵素體中的沉淀析出。由于VC在鐵素體中的溶解度較高，超過(guò)固溶度的VC 部分才能夠在鐵素體中析出，起到強(qiáng)化作用，而固溶部分的固溶強(qiáng)化效果很弱。一般情況下，V 含量在0.025%以下時(shí)，VC 就會(huì)以固溶形態(tài)存在，不會(huì)產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化作用，因此AG610L 中，能夠起到強(qiáng)化作用的有效釩較少。綜合以上分析，確定去除釩合金化能夠達(dá)到生產(chǎn)成本最低的目的?？紤]到去除釩合金化后，固氮元素減少，板坯在連鑄過(guò)程中易析出AlN，而引起鑄坯角橫裂的缺陷，采用微鈦處理的方法，不僅可以消除板坯角橫裂缺陷，同時(shí)也可以降低合金成本。減量化成分設(shè)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 減量化的AG610L 化學(xué)成分 %

4 AG610L 的合金減量化生產(chǎn)效果

4.1 力學(xué)性能

統(tǒng)計(jì)了AG610L 合金減量化后生產(chǎn)的268 批力學(xué)性能，性能初驗(yàn)合格率和綜合合格率都達(dá)到了100%。鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率分布如圖2、圖3、圖4 所示。

圖2 屈服強(qiáng)度分布

圖3 抗拉強(qiáng)度分布

圖4 伸長(zhǎng)率分布

減量化后的AG610L 的力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度分布范圍在525 MPa～625 MPa 之間，抗拉強(qiáng)度分布在605 MPa～685 MPa 之間，伸長(zhǎng)率分布在18%～31%之間，與含釩鋼相比，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的波動(dòng)范圍分別降低了10 MPa 和25 MPa，屈強(qiáng)比保持不變。在韌性方面，伸長(zhǎng)率平均值降低了2%，但也達(dá)到23.96%，遠(yuǎn)高于技術(shù)協(xié)議的要求。因而在降低合金成本的情況下，采用減量化工藝生產(chǎn)的AG610L 的產(chǎn)品，具有較高地實(shí)物質(zhì)量，也較好的滿(mǎn)足了用戶(hù)的使用要求。

4.2 顯微組織

減量化后AG610L 的顯微組織仍為鐵素體和珠光體組成，但是鐵素體的晶粒度要更為細(xì)小一些。表5 統(tǒng)計(jì)了部分規(guī)格減量化前后的鐵素體晶粒度。

表5 減量化前后AG610L 的鐵素體晶粒度

從表5 可以看出，減量化前后，同規(guī)格AG610L的鐵素體晶粒度均提高了1 級(jí)左右。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)優(yōu)化軋制工藝，控制加熱溫度、終軋溫度和卷取溫度，以及在保持上下比例不變的前提下，增加了層流冷卻粗調(diào)段的集管冷卻水流量，使AG610L的鐵素體晶粒度提高了1 級(jí)，強(qiáng)度提高，為合金減量化提供了工藝條件。生產(chǎn)實(shí)踐表明，去除釩合金化以后，減量化工藝生產(chǎn)的AG610L 的產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量仍保持較高的水平，完全滿(mǎn)足下游用戶(hù)的冷加工要求，降低了AG610L 的生產(chǎn)成本，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］王祖濱，侯豁然.爐卷軋機(jī)生產(chǎn)高強(qiáng)度微合金鋼［J］.中國(guó)冶金，2004(3):25－29.

［2］劉社牛，張振申，黃重，等.加熱工藝對(duì)AG610L 性能影響的研究.河南冶金.2010，18(3):12－13.

［3］劉社牛，巫寶振，王斌，等.控軋控冷工藝對(duì)HP345 屈強(qiáng)比影響的研究.河南冶金，2008，16(6):8－9.

［4］齊俊杰，黃運(yùn)華，張躍.微合金化鋼.北京:冶金工業(yè)出版社，2006:6－23.