800 MPa級(jí)別高強(qiáng)汽車大梁鋼的研制

管傳華，唐小勇，左 鵬，陳紅雨

（寧波鋼鐵有限公司 制造管理部，浙江 寧波315807）

1 前 言

汽車輕量化技術(shù)已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵共性技術(shù)。研究表明，車重減輕10%，可節(jié)省燃油3%～7%，高強(qiáng)鋼對(duì)于汽車制造工業(yè)來(lái)說(shuō)，能較好地滿足安全、環(huán)保、節(jié)能的要求［1-2］。目前先進(jìn)高強(qiáng)度鋼如雙相鋼、TRIP鋼、TWIP鋼、含硼超高強(qiáng)鋼等已經(jīng)較廣泛采用，這些相變強(qiáng)化鋼板系列擁有高的強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率。但這些產(chǎn)品對(duì)生產(chǎn)過(guò)程控制要求苛刻，產(chǎn)品性能波動(dòng)較大。而以Nb、V、Ti強(qiáng)化的常規(guī)高強(qiáng)度鋼板性能波動(dòng)性小，對(duì)軋線配置水平要求不高，機(jī)械性能一致性方面有一定的優(yōu)勢(shì)。

某鋼鐵公司煉鋼配置了3座180 t轉(zhuǎn)爐，2座1 630 mm板坯連鑄機(jī)和1條1 780 mm熱連軋寬帶鋼生產(chǎn)線，主體工藝與設(shè)備以國(guó)產(chǎn)化配置為主，整體裝備技術(shù)水平較低。其中1 780 mm熱連軋寬帶鋼生產(chǎn)線設(shè)置了3座步進(jìn)梁式加熱爐、2架粗軋機(jī)、7機(jī)架精軋機(jī)組、一套常規(guī)層流冷卻系統(tǒng)和3座卷取機(jī)。產(chǎn)線設(shè)計(jì)以抗拉強(qiáng)度＜780 MPa產(chǎn)品為主。該生產(chǎn)線從2012年起生產(chǎn)汽車結(jié)構(gòu)用鋼，包括汽車大梁用鋼、鋼制車輪用鋼和結(jié)構(gòu)件用鋼等，主要覆蓋300～500 MPa強(qiáng)度級(jí)別的系列產(chǎn)品。面對(duì)汽車輕量化趨勢(shì)，產(chǎn)品強(qiáng)度級(jí)別逐步拓展到700 MPa。最近終端客戶提出800 MPa級(jí)別產(chǎn)品需求，用于汽車大梁結(jié)構(gòu)件和扭力梁。結(jié)合前期產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)線設(shè)備能力評(píng)估，軋線基本具備生產(chǎn)條件。

2 技術(shù)要求

根據(jù)用戶對(duì)汽車大梁和扭力梁鋼板的要求，所開(kāi)發(fā)的800 MPa級(jí)高強(qiáng)度大梁用鋼的厚度為3.0～5.0 mm，化學(xué)成分和力學(xué)性能應(yīng)滿足表1和表2的規(guī)定。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 力學(xué)性能

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工業(yè)試制

3.1 合金成分設(shè)計(jì)

C：是保證鋼的強(qiáng)度元素之一，為了保證良好的冷加工性能，采用低碳設(shè)計(jì)，按w（C）≤0.12%進(jìn)行成分設(shè)計(jì)。

Si：廉價(jià)的鋼產(chǎn)品性能強(qiáng)化元素，促進(jìn)鐵素體轉(zhuǎn)變，并能強(qiáng)化鐵素體。Si含量過(guò)高，在軋制作業(yè)過(guò)程中易產(chǎn)生紅鐵皮等表面缺陷，因此，既要充分利用Si元素的強(qiáng)化作用，又要克服其帶來(lái)的負(fù)面作用，按w（Si）≤0.60%進(jìn)行設(shè)計(jì)。

Mn：典型的奧氏體穩(wěn)定化元素，可顯著提高鋼的淬透性；Mn在推遲珠光體轉(zhuǎn)變的同時(shí)，也推遲鐵素體的析出，使貝氏體區(qū)右移。Mn含量太高也會(huì)影響產(chǎn)品的延伸性能和表面質(zhì)量，因此，按w（Mn）≤2.10%進(jìn)行設(shè)計(jì)［2］。

Al：對(duì)臨界區(qū)加熱時(shí)奧氏體形態(tài)的影響與Si的作用相似，Al還可以形成AlN析出，起到一定的細(xì)化晶粒作用。按w（Al）=0.015%～0.05%進(jìn)行設(shè)計(jì)［2-3］。

P、S及硫化物的控制：嚴(yán)格控制P、S及硫化物，結(jié)合產(chǎn)線實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，按w（P）≤0.025%，w（S）≤0.005%進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)喂鈣鐵線對(duì)硫化物進(jìn)行球化處理，同時(shí)降低鋼中的氧含量，嚴(yán)格控制夾雜物水平。

Nb、V、Ti等元素添加：結(jié)合前期600 MPa以下的產(chǎn)品成熟的鈮強(qiáng)化經(jīng)驗(yàn)，以及500～700 MPa產(chǎn)品采用Nb、Ti復(fù)合強(qiáng)化的效果，本次設(shè)計(jì)采用Nb、V、Ti進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)化，進(jìn)一步提升產(chǎn)品機(jī)械性能。其中Ti含量≥0.04%，（Nb+V+Ti）≤0.22%。

3.2 工業(yè)試制

3.2.1 工藝路線

本產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝路線為：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→RH精煉→連鑄→加熱→軋制→層流冷卻→卷取→噴印標(biāo)記→檢驗(yàn)→入庫(kù)。板坯規(guī)格為230 mm×1 250 mm×10 000 mm，采用熱送模式裝爐，成品卷規(guī)格為（3.0～4.0）mm×1 200 mm。

3.2.2 熱軋工藝

結(jié)合產(chǎn)品成分設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，重點(diǎn)考慮軋線主體設(shè)備能力和層流冷卻系統(tǒng)的冷卻穩(wěn)定性與精度。經(jīng)過(guò)軋線二級(jí)材料模型進(jìn)行充分模擬計(jì)算和優(yōu)化后，制定了合理的軋制與軋后冷卻工藝。

在軋制與冷卻工藝中重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化和Nb、V、Ti的復(fù)合強(qiáng)化效果。著重加強(qiáng)對(duì)板坯加熱質(zhì)量過(guò)程管控、全線工藝溫度控制、壓下制度優(yōu)化以及除鱗道次管理。主要熱軋工藝參數(shù)為：加熱溫度1 200～1 250℃，精軋終軋溫度830～910℃，卷取溫度550～630℃。軋后冷卻重點(diǎn)結(jié)合Nb、V、Ti的強(qiáng)化機(jī)制，形成鐵素體+珠光體組織［4］，滿足汽車大梁、扭力梁用鋼的高強(qiáng)度、復(fù)雜成形以及高疲勞壽命的要求。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)軋制力理論計(jì)算與實(shí)際值相差較多，同時(shí)發(fā)生精軋機(jī)組前3架有程度不同的打滑現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)負(fù)荷優(yōu)化和過(guò)程工藝參數(shù)調(diào)整后，打滑現(xiàn)象基本消除。層流冷卻系統(tǒng)控制精度有波動(dòng)，卷取溫度命中率在85%～98%。

3.3 結(jié)果與分析

在成品卷尾部取工藝試樣，并在帶鋼寬度1/4處制取拉伸、彎曲、金相和沖擊試樣，對(duì)材料的力學(xué)性能、冷彎性能進(jìn)行檢測(cè)，并觀察產(chǎn)品的微觀金相組織形貌。

3.3.1 力學(xué)性能

依據(jù)GB/T 228.1—2010金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法（B法），在WAW-600微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其中3.0 mm產(chǎn)品進(jìn)行了橫向和縱向拉伸試驗(yàn)，其余規(guī)格進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 產(chǎn)品性能

3.3.2 冷彎性能

依據(jù)GB/T 232—2010金屬材料彎曲試驗(yàn)方法，在DYZ-200電液控制冷彎試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均為無(wú)可見(jiàn)裂紋，合格。其中對(duì)3.0 mm產(chǎn)品進(jìn)行了不同彎心直徑條件下的冷彎極限試驗(yàn)，具體情況見(jiàn)表4。

表4 3.0 mm不同試驗(yàn)條件的冷彎試驗(yàn)

3.3.3 微觀組織

在3.0 mm厚度產(chǎn)品試樣上制取金相樣，按照GB/T 13298—2015金屬顯微組織檢驗(yàn)方法、GB/T 6394—2002金屬平均晶粒度測(cè)定方法和GB/T 10561—2005鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定，在金相電子顯微鏡LEICA DMI5 000M下，放大1 000倍觀察到的金相組織為鐵素體+少量珠光體，晶粒度為16級(jí)，未檢出非金屬夾雜，見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)鋼的顯微組織

4 產(chǎn)品應(yīng)用

本產(chǎn)品在2領(lǐng)域進(jìn)行了試用：輕型卡車大梁和乘用車扭力梁。前者主要是要求產(chǎn)品具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的折彎與焊接性能；后者采用制管+液壓成型工藝，故要求較好成形性能與焊接性能。首次試生產(chǎn)的成品卷一部分產(chǎn)品應(yīng)用于輕型卡車的大梁和車廂耐磨板，無(wú)論是加工性能還是實(shí)際使用效果，都得到客戶的認(rèn)可。部分產(chǎn)品應(yīng)用于扭力梁，首批20根試樣都一次生產(chǎn)成功，目前終端產(chǎn)品正在某國(guó)產(chǎn)品牌乘用車上進(jìn)行路試。

5 結(jié) 語(yǔ)

各大鋼企都很重視汽車用鋼，并投入了很多資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)。部分裝備水平不太理想的鋼企在汽車用鋼輕量化趨勢(shì)中，不斷開(kāi)發(fā)出500～1 000 MPa強(qiáng)度級(jí)別產(chǎn)品。因產(chǎn)線配置存在一定的不足，開(kāi)發(fā)中應(yīng)注意：

1）合理進(jìn)行化學(xué)成分設(shè)計(jì)，特別是強(qiáng)化元素之間的搭配，充分發(fā)揮復(fù)合強(qiáng)化效果。

2）高強(qiáng)汽車鋼開(kāi)發(fā)時(shí)最好能采用Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行熱態(tài)模擬試驗(yàn)，便于軋機(jī)負(fù)荷分配優(yōu)化和軋后冷卻工藝參數(shù)制定，減少軋制過(guò)程中打滑等故障，提高一次成功率。

3）開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度級(jí)別鋼時(shí)，需要對(duì)軋線設(shè)備能力和層流冷卻系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，特別要注意產(chǎn)品規(guī)格的選擇，防止設(shè)備超限而發(fā)生生產(chǎn)事故。