低成本510L汽車大梁鋼生產(chǎn)實踐

供稿|吳剛，荊濤，金世銓/WU Gang， JING Tao， JIN Shi-quan

低成本510L汽車大梁鋼生產(chǎn)實踐

供稿|吳剛1，荊濤2，金世銓1/
WU Gang1， JING Tao2， JIN Shi-quan1

內(nèi)容導(dǎo)讀

為達到汽車的輕量化發(fā)展，在傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，利用廉價的Ti-Fe替代昂貴的Nb-Fe，突出鈦的析出強化，實現(xiàn)了輕量低成本汽車大梁鋼510L生產(chǎn)。生產(chǎn)實踐表明，當(dāng)鋼中Ti≥0.04%，汽車大梁鋼510L對軋制工藝的波動較為敏感，鋼板存在強度波動較大的問題。通過化學(xué)成分和軋制工藝的不斷優(yōu)化，輕量低成本汽車大梁鋼510L生產(chǎn)逐步穩(wěn)定。

隨著人們對生活品質(zhì)與環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提升，節(jié)能與安全越來越成為國內(nèi)外汽車制造業(yè)追求的主要發(fā)展方向。在降低油耗、減少排放、節(jié)能環(huán)保的諸多措施中，降低車重效果最為明顯。據(jù)統(tǒng)計，汽車車重每減輕10%，可以節(jié)省原油3%～7%［1］。作為汽車重要零件之一的汽車大梁，特別是汽車承重梁，更是有效減輕汽車重量的主要零部件。

隨著冶金工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備和工藝技術(shù)的長足進步，應(yīng)用微合金技術(shù)開發(fā)高強鋼，使品種鋼的結(jié)構(gòu)和用量發(fā)生了深刻的變化，微合金元素的開發(fā)與應(yīng)用充實了低合金鋼的物理冶金內(nèi)容和強韌化原理［2］。近年來，國內(nèi)外先進汽車廠正逐步增加高強鋼的使用量，而且隨著鋼鐵冶金技術(shù)和TMCP技術(shù)的逐漸成熟，以及含鈦鋼強化原理的逐漸完善，鈦微合金元素在鋼中的應(yīng)用逐步增加。與鈮鐵、釩鐵等微合金元素相比，鈦鐵更具有成本優(yōu)勢。

鈦在鋼中的作用主要有：1）鈦能與鋼中氮、碳原子結(jié)合，形成穩(wěn)定碳氮化鈦、氮化鈦及碳化鈦等，能有效地阻止奧氏體晶粒長大，從而改善材料的焊接性能；2）w（Ti）≥0.04%［3］，配合合理的控軋控冷工藝，在鋼中形成彌散細小的碳化鈦，起到沉淀強化和細晶強化作用；3）鈦能球化鋼中的夾雜物，從而改善材料的低溫沖擊性能、各項異性及冷彎性能等。

由于鈦在鋼中非?；顫姡沟煤佷撔阅懿▌虞^大［4］，對化學(xué)成分和軋制工藝非常敏感。當(dāng)鋼中鈦含量較高（w（Ti）≥0.04%）時，利用鈦的析出強化機理，目前國內(nèi)各鋼鐵廠都逐步進行了新產(chǎn)品開發(fā)。寶鋼、鞍鋼、本鋼、武鋼［3］等企業(yè)先后完成系列化鋼種的研發(fā)和生產(chǎn)。

在本鋼原有汽車大梁鋼510L采用碳錳鈮系，工藝性能穩(wěn)定，易于大批量生產(chǎn)。但由于鈮鐵合金價格較高，造成制造成本偏高，從2011年開始，逐漸采用鈦鐵替代鈮鐵，嚴格控制鋼中鈦含量（w（Ti）≥0.04%），同時降低鋼中錳含量，大幅度降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)了低成本汽車大梁鋼的生產(chǎn)。

實驗原理

目前，按國標(biāo)GB/T3273—2015生產(chǎn)的510L采用在碳錳鋼基礎(chǔ)上加入鈦鐵。為實現(xiàn)減重并降低成本的生產(chǎn)目的，與原有工藝相比，采用鈦鐵代替鈮鐵，同時減少鋼中錳含量，突出了鈦的沉淀強化和析出強化。510L要求屈服強度≥355 MPa，抗拉強度510～650 MPa，斷后伸長率≥24%（厚度≥3.0 mm）。

一般來說，當(dāng)鋼中氣體氮較高時，首先形成氮化鈦，氮化鈦粒子大小與其析出過程有關(guān)。當(dāng)?shù)伭Ｗ樱?.5 μm時，生成液態(tài)或鋼液凝固過程中析出相，不起強化作用。當(dāng)鋼液凝固后生成氮化鈦，這些細小彌散的氮化鈦非常穩(wěn)定，能夠有效地阻止奧氏體晶粒長大，從而細化組織，隨著鋼中鈦含量增加，氮化鈦粒子將發(fā)生粗化。只有當(dāng)鋼中鈦含量達到一定值（w（Ti）≥0.04%）時，鈦在粗軋機、精軋機及層冷區(qū)析出彌散細小的碳化鈦粒子，才能起到析出強化作用。

鋼材軋制后在冷卻和卷取過程中，多余鈦將形成碳化鈦，形成細小彌散的碳化鈦析出物（溶于酸），導(dǎo)致鋼的強度隨鈦含量增加而明顯提高，起沉淀析出強化作用。而隨著變形速率的提高，鋼水蓄積的瞬時能量急劇增加，使得鋼水勢能平衡遭到破壞，析出粒子的形核部位增多，發(fā)生變形后的粒子臨界尺寸急劇變小。

隨著終軋溫度的降低，含鈦鋼的屈服強度也會隨之下降。一方面，當(dāng)終軋溫度降低時，加入鈦微合金化使鋼板晶粒細化，細化晶粒有利于提高強度和塑性。通過降低終軋溫度改變了鋼板的奧氏體晶粒尺寸，細化了鐵素體組織，導(dǎo)致細晶強化占主導(dǎo)地位。另一方面，通過調(diào)整終軋溫度，在奧氏體區(qū)將會生成更多的碳化鈦。而且，碳化鈦晶粒尺寸越大，對屈服、抗拉強度的貢獻越小，使溶解在奧氏體中的碳化鈦數(shù)量減少，隨終軋溫度降低，沉淀強化的作用減弱。

此外，通過調(diào)整終軋溫度，使得發(fā)生形核所需的形變能提高。而作為形核的驅(qū)動力，形變能將會驅(qū)使奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變溫度逐步升高，沉淀質(zhì)點所需的能量增加，進一步降低了沉淀強化的作用，

從對比結(jié)果來看，當(dāng)終軋溫度降低時晶粒細化對屈服強度的提高遠小于沉淀強化造成的強度減弱的作用。因此使鋼板的屈服強度降低。在鈦微合金鋼中，當(dāng)鋼板在600℃左右卷取時，可以起到明顯的沉淀強化和析出強化作用，使鋼板組織中的晶粒最為細小、均勻。

綜上所述，煉鋼生產(chǎn)中，應(yīng)嚴格控制鈦含量，按照純凈鋼冶煉，著重控制鋼中的N、O、S含量和夾雜物含量。軋鋼生產(chǎn)中，在控軋控冷基礎(chǔ)上，強化開軋、終軋、卷取以及軋后冷卻各點溫度控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

生產(chǎn)實驗

工藝路徑

根據(jù)汽車大梁鋼的特點和用戶的使用要求，確定510L鋼生產(chǎn)工藝路徑為：鐵水預(yù)處理（DS）→轉(zhuǎn)爐冶煉（LD）→爐外精煉（LF）→連鑄（CC）→加熱→2300 mm→層流冷卻→卷取→取樣→檢驗→包裝出廠。

實驗要求

510L鋼的實際成品成分控制較為理想，已經(jīng)達到實驗要求，而且鋼中氣體氧、氮含量較低，見表1。

表1　510L鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） %

連鑄坯尺寸：230 mm×1550 mm×8800 mm，在步進式加熱爐中，連鑄坯加熱至1220℃［5］。為了避免原始奧氏體晶粒的過分長大，采用高溫短時快速加熱，加熱時間為2 h 20 min。粗軋R1、R2各軋制3道次，軋成中間坯厚度為45 mm，精軋開軋溫度≥1130℃，成品厚度6.5 mm，終軋溫度為860℃，層流冷卻采用前段冷卻模式，卷取溫度為600℃。

結(jié)果分析

卷板冷卻后，在板寬1/4處，切取橫向拉伸試樣尺寸：6.5 mm×25 mm×300 mm，橫向冷彎試樣尺寸：6.5 mm×35 mm×260 mm，縱向沖擊試樣尺寸：5.0 mm×10 mm×55 mm。其工藝性能檢驗結(jié)果見表2。

在鋼板寬度中心部位切取金相試樣，研磨、拋光后用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀看金相組織，見圖1。

實驗結(jié)果表明，510L的金相組織為鐵素體和珠光體，工藝性能和冷彎性能滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。強度富余量較大，實際值達到80 MPa以上。510L的系列沖擊功結(jié)果表明：溫度在-40℃時，沖擊功達到70 J以上，表明510L具有良好的沖擊韌性，總體強韌指標(biāo)富裕量較大。

表2　510L工藝性能實驗結(jié)果

圖1　510L鋼金相組織

510L在化學(xué)成分設(shè)計上采用鈦鐵替代鈮鐵，降低鋼中Mn含量，每噸鋼可節(jié)省成本70元以上，其實物質(zhì)量已達到了550 MPa級別的要求，強度和韌性指標(biāo)富余量較大，各項指標(biāo)滿足技術(shù)規(guī)范的要求。

優(yōu)化后的產(chǎn)品質(zhì)量

在研制510L鋼過程中，需重視成品中鈦含量的精準(zhǔn)控制、熱連軋機組各控制點溫度的穩(wěn)定性。根據(jù)鈦在鋼中強韌化機理，參考小批量實驗結(jié)果，對低成本510L成分、工藝進行了進一步優(yōu)化，調(diào)整鈦含量，降低錳含量，煉鋼采用潔凈鋼冶煉控制技術(shù)，軋鋼降低進精軋溫度，優(yōu)化冷卻模式及卷取溫度，所獲得的510L鋼板的表面質(zhì)量和力學(xué)性能優(yōu)異，見表3。其力學(xué)性能和斷后伸長率有一定富余量，使得510L工藝波動造成的影響較小。

表3　優(yōu)化后的510L力學(xué)性能

性能穩(wěn)定性控制

眾所周知，由于鈦在鋼中非?；顫?，為了獲得穩(wěn)定的性能，如何控制化學(xué)成分、軋制工藝的穩(wěn)定性是產(chǎn)品性能穩(wěn)定的前提，同時取樣位置、試樣加工精度和檢驗設(shè)備的精確度對反饋真實性能也非常重要。

研究表明：鈦含量對強度的影響可分為三個階段，添加微量鈦（＜0.04%）條件下強度變化較??；鈦含量增加至0.04%～0.08%時，隨鈦含量增加，強度顯著提高；當(dāng)鈦含量增加到0.09%～0.15%時，強度隨鈦含量增加趨于平緩，見圖2。

圖2　相同工藝條件下鈦對強度的影響

結(jié)束語

在傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，利用鈦鐵替代鈮鐵，突出鈦的析出強化效果，實現(xiàn)了輕量低成本汽車大梁鋼510L生產(chǎn)。生產(chǎn)實踐表明：當(dāng)鋼中鈦質(zhì)量分數(shù)≥0.04%，汽車大梁鋼510L對軋制工藝的波動較為敏感，鋼板存在強度波動較大的問題。通過成分、工藝的不斷優(yōu)化，逐步實現(xiàn)了低成本汽車大梁鋼510L的穩(wěn)定生產(chǎn)。

1） 510L在化學(xué)成分設(shè)計上采用鈦鐵替代鈮鐵，同時還可以節(jié)省錳用量，每噸鋼節(jié)省成本70元，利用鈦鐵的強韌化機理，實現(xiàn)低成本汽車大梁用510L熱軋鋼帶（板）的穩(wěn)定生產(chǎn)。

2） 生產(chǎn)實驗表明：低成本汽車大梁鋼510L金相組織為鐵素體和珠光體，屈服強度和抗拉強度有較大富余量，-40℃沖擊功達到70 J以上，表明510L具有良好的沖擊韌性，總體強韌指標(biāo)富裕量較大，達到了550 MPa級別的要求，各項性能指標(biāo)均達到技術(shù)規(guī)范的要求。

3） 510L的生產(chǎn)，需注重冶煉過程鈦的精準(zhǔn)控制，熱連軋機組各點溫度控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。根據(jù)碳化鈦在鋼中沉淀強化和析出強化的特點，參考小批量實驗結(jié)果，對510L進行了優(yōu)化，調(diào)整鈦、錳含量，煉鋼采用潔凈鋼冶煉控制技術(shù)，軋鋼降低進精軋溫度，優(yōu)化冷卻模式及卷取溫度，所獲得的510L鋼板的表面質(zhì)量和力學(xué)性能優(yōu)異。

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Practice of Low Cost 510L Automobile Beam Steel

10.3969/j.issn.1000-6826.2016.05.10

吳剛（1968—），男，高級工程師，畢業(yè)于東北大學(xué)鋼鐵冶金專業(yè)，在本鋼產(chǎn)品研究院熱軋高強鋼研究所從事新產(chǎn)品研發(fā)工作，通信地址：117000 遼寧省本溪市明山區(qū)唐家路錦程公寓17號樓，E-mail：wg04140414@ sohu.com。

1. 本鋼集團產(chǎn)品研究院，遼寧 本溪 117000；2. 本鋼集團熱連軋廠，遼寧 本溪 117000