汽車結(jié)構(gòu)用550 MPa級(jí)熱連軋鋼板的研制開(kāi)發(fā)

吳剛

（本鋼技術(shù)研究院，遼寧 本溪 117021）

19世紀(jì)90年代，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)發(fā)了低級(jí)別汽車用鋼QStE340TM～QStE500TM，主要應(yīng)用于高檔汽車的底盤(pán)零件，但因其釩含量高，釩+鈮或釩+鈦總量達(dá)到0.05%～0.10%左右，提高了生產(chǎn)成本，難以大量推廣使用。20世紀(jì)初，美國(guó)研究較多的V-Nb，日本研究較多的Nb-V-Ti，少數(shù)研究者采用Nb-Ti微合金化，獲得了良好的耐疲勞效果，但未能得到推廣利用[1]。中國(guó)從1995年開(kāi)始研究汽車結(jié)構(gòu)件用鋼，通過(guò)鑒定的牌號(hào)和鋼種有10個(gè)，但均由于成本高而未推廣。隨著我國(guó)科研水平的不斷提高和國(guó)家資源的開(kāi)發(fā)利用，微合金元素鈦、釩、鈮、鉻、鉬和鎳等作為強(qiáng)化元素添加到低合金鋼中，獲得了實(shí)質(zhì)性應(yīng)用，微合金元素的合理利用充實(shí)了低合金鋼的物理冶金內(nèi)容和強(qiáng)韌化機(jī)理的研究。

本文研制了在低碳鋼中添加高鈦—低鈮，配合熱連軋控軋控冷工藝生產(chǎn)屈服強(qiáng)度≥550 MPa的QStE550TM鋼板，主要用于重載汽車的橫、縱梁和底盤(pán)零件的制造。與添加V-Nb合金、Nb-V-Ti合金相比，鋼中加入鈦可以節(jié)省成本50元/t鋼以上。

1 技術(shù)要求

為了更好地滿足汽車結(jié)構(gòu)件的技術(shù)要求，QStE550TM熱軋卷板要求具有較高強(qiáng)度的同時(shí)，還要求具有良好的低溫沖擊韌性和焊接性能。QStE550TM熱軋卷板的力學(xué)性能和化學(xué)成分要求見(jiàn)表1。

2 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

為了充分保證強(qiáng)度、韌性和塑性指標(biāo)的良好匹配，采用純凈鋼冶煉工藝，保證鋼中低磷、低硫和低碳含量，嚴(yán)格控制鋼中氫、氮、氧氣體含量，精煉時(shí)鈣質(zhì)處理。為了降低合金成本，未加入鎳、鉬等貴合金的前提下，利用微合金元素鈦、鈮的析出強(qiáng)化、相變強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用[2]，配合合理的控軋控冷工藝，使鋼板的力學(xué)性能和工藝性能達(dá)到技術(shù)規(guī)范要求。

關(guān)鍵化學(xué)成分及夾雜的控制如下：

碳：采用低碳含量設(shè)計(jì)，避開(kāi)包晶區(qū)，一方面確保連鑄坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量；另一方面保證鋼板具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性和焊接性能等。該鋼種碳含量要求在0.05%～0.08%。

錳：鋼中的錳可以明顯地提高屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，還能夠延遲奧氏體轉(zhuǎn)變，在冷卻速度一定的條件下，奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體和鐵素體的速率降低，從而使CCT曲線的Bs點(diǎn)下降，有利于細(xì)化組織，同時(shí)還可以降低碳化物析出尺寸，促進(jìn)沉淀強(qiáng)化效果。該鋼種要求錳含量控制在1.20%～1.50%。

鈮：鈮在鋼中的作用以細(xì)晶強(qiáng)化為主，相變強(qiáng)化、析出強(qiáng)化為輔。此外，鈮還具有升高奧氏體再結(jié)晶溫度的作用[2]。為改善因沉淀強(qiáng)化和析出強(qiáng)化所造成的塑性損失，通過(guò)調(diào)整控軋控冷工藝制度，有效地控制細(xì)晶強(qiáng)化效果，使板卷強(qiáng)度和韌性達(dá)到良好匹配。

鈦：鈦鐵合金價(jià)格低廉，鋼中的鈦以析出強(qiáng)化為主，能夠細(xì)化奧氏體晶粒。在嚴(yán)格控制鋼中氮含量的前提下，碳化鈦的析出還可以大幅度的提高強(qiáng)度，因此，QStE550TM采用的是高鈦鋼。

硫及硫化物夾雜：為達(dá)到良好的強(qiáng)韌性匹配，保證鋼板具有良好的塑性、低溫沖擊韌性，同時(shí)還要具有較高的強(qiáng)度，要求鋼中硫≤0.005%。通過(guò)精煉處理后喂入硅鈣線對(duì)硫化物夾雜進(jìn)行變質(zhì)處理。

3 煉鋼、熱連軋軋制的關(guān)鍵技術(shù)控制

QStE550TM熱軋卷板的生產(chǎn)工藝為：高爐鐵水罐預(yù)脫硫→180 t頂?shù)讖?fù)吹（BOF）轉(zhuǎn)爐冶煉→鋼包爐爐外精煉→板坯連鑄澆鑄→步進(jìn)式加熱爐加熱→熱連軋軋制→卷取機(jī)卷取、取樣→力學(xué)性能、工藝性能檢驗(yàn)→包裝出廠。

3.1 煉鋼工藝

由于鈦在鋼中較活潑，容易和鋼中的氧、氮、硫形成化合物，冶煉控制的關(guān)鍵是采用純凈鋼冶煉技術(shù)，提高鋼水的潔凈度，嚴(yán)格地控制鋼中的氧、氮、硫和磷含量，得到氣體和有害元素較少的潔凈鋼水，從而保證有效鈦含量的穩(wěn)定性。

鈦與氧的親和力很強(qiáng)，只有在保證充分脫氧的前提下，才能使鋼中的有效鈦發(fā)揮作用。QStE550TM采用鋼包爐精煉工藝，以控制鋼中的硫、磷含量，并進(jìn)行喂硅鈣絲處理，對(duì)鋼中的氧化物、硫化物夾雜進(jìn)行變質(zhì)處理，使鋼中的夾雜物呈球狀分布，化學(xué)成分控制情況見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，該鋼的碳當(dāng)量Cev和焊接裂紋敏感性指數(shù)Pcm均較低，表明鋼板具有良好的焊接性能。

3.2 熱連軋軋鋼工藝

3.2.1 控軋控冷工藝要點(diǎn)

（1）加熱工藝制度必須合理，目的是使煉鋼過(guò)程中的合金元素鈦、鈮溶解充分[3]。

（2）增加中間坯厚度，合理分配各道次壓下量，精軋機(jī)組保證未再結(jié)晶區(qū)的累積變形量，降低精軋機(jī)組入口溫度，以達(dá)到析出強(qiáng)化、相變強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的目的。

表2 QStE550TM鋼水化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Chemical Compositions（Mass Fraction） of QStE550TM Molten Steel %

（3）合理選擇冷卻速率、卷取溫度，以獲得理想的組織和第二相的析出。

研究制定了QStE550TM熱連軋主要軋制工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 熱連軋主要軋制工藝參數(shù)Table3 Key Parameters for Hot Continuous Rolling Process ℃

3.2.2 熱連軋工藝制度的確定

熱軋工藝參數(shù)對(duì)鋼板的力學(xué)性能、工藝性能和使用性能有較大的影響，制定合理的熱軋工藝制度可充分發(fā)揮細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和相變強(qiáng)化的綜合效果[2]。實(shí)際操作中，對(duì)上述主要軋制參數(shù)具體確定如下。

（1） 加熱溫度

QStE550TM是細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和相變強(qiáng)化相結(jié)合的高鈦鋼，其強(qiáng)度主要源于碳化鈦、碳化鈮等析出物。因此，要求板坯加熱溫度為1 250±20℃，目的是使鈦鈮的碳化物、氮化物和碳氮化物再次固溶，并在隨后的粗軋、精軋、卷取過(guò)程中析出。從高鈦鋼的冶煉和軋制經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，加熱爐加熱溫度對(duì)力學(xué)性能指標(biāo)影響較大，板坯出爐溫度偏低會(huì)造成強(qiáng)度指標(biāo)較低。

（2） 終軋溫度

對(duì)于高鈦鋼而言，層流冷卻的冷卻速率、卷取溫度是由終軋溫度所決定的。當(dāng)終軋溫度低于Ar3時(shí)，晶粒經(jīng)歷緩慢冷卻和恢復(fù)再結(jié)晶再次長(zhǎng)大，鐵素體受加工變形的作用，鋼的力學(xué)性能下降。當(dāng)終軋溫度高于Ar3到一定程度，極有可能造成鋼板塑性不足。綜合考慮組織均勻性和技術(shù)指標(biāo)兩方面的因素，該鋼種終軋溫度控制在840～870℃為宜。

（3） 卷取溫度

在層流冷卻和卷取過(guò)程中，需要經(jīng)過(guò)以下幾種組織相變[4]：① 析出強(qiáng)化以晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密度和鐵素體晶界析出為主；②鐵素體晶粒粒子的回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大降低了屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度；③由于粒子析出的非共格化、集聚和長(zhǎng)大減弱了晶界或位錯(cuò)位移的阻滯作用，降低了力學(xué)性能。

上述三種轉(zhuǎn)變影響到卷取溫度的選擇，一方面，當(dāng)卷取溫度設(shè)定低時(shí)，轉(zhuǎn)變過(guò)程②和轉(zhuǎn)變過(guò)程③非常微弱或來(lái)不及發(fā)生，或過(guò)程①因?yàn)閯?dòng)力學(xué)的原因，轉(zhuǎn)變無(wú)法結(jié)束，鈦鈮的氮化物、碳化物或碳氮化物粒子析出被“冷凍”而減弱強(qiáng)化效果；另一方面，卷取溫度過(guò)高，過(guò)程②和過(guò)程③占主導(dǎo)地位，降低了強(qiáng)度。

研究和實(shí)踐均表明，600℃的卷取溫度是最佳的析出溫度，能夠充分發(fā)揮各強(qiáng)化機(jī)制的作用，還能夠獲得較多的非多邊形鐵素體。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 顯微組織和夾雜物檢驗(yàn)

該鋼的金相顯微組織見(jiàn)圖1。檢驗(yàn)結(jié)果顯示，QStE550TM含鐵素體、少量珠光體和貝氏體，鐵素體晶粒度11.5～12.5級(jí)，組織均勻、細(xì)小。

圖1 QStE550TM金相組織Fig.1 Metallurgical Structure of QStE550TM

夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果為：A類夾雜均為0級(jí)，B類夾雜均為0.5級(jí)，這表明QStE550TM鋼的化學(xué)成分控制和熱連軋控軋控冷工藝制度合理，層流冷卻設(shè)計(jì)達(dá)到了要求，冷卻速率較合適。

4.2 力學(xué)性能

共試生產(chǎn)20批次QStE550TM，試樣厚度標(biāo)準(zhǔn)為3.0～16.0 mm，力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。分析表4中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。以多種強(qiáng)化機(jī)制相結(jié)合的思路設(shè)計(jì)QStE550TM力學(xué)性能達(dá)到了理想的水平。

表4 QStE550TM力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test Results of Mechanical Properties of QStE550TM

4.3 系列沖擊試驗(yàn)

評(píng)價(jià)鋼板韌性好壞的指標(biāo)除斷后伸長(zhǎng)率外，還有沖擊功數(shù)值，對(duì)QStE550TM卷板進(jìn)行了+20℃～-60℃系列的沖擊功檢驗(yàn)。

試樣尺寸為10.0 mm×7.5 mm×55.0 mm，圖2為QStE550TM系列沖擊功曲線。分析圖2可知，橫向-60℃沖擊功達(dá)30 J以上，縱向-60℃沖擊功可達(dá)60 J以上。統(tǒng)計(jì)20個(gè)批次的QStE550TM-40℃沖擊功范圍為80～150 J，平均為105 J。可見(jiàn)，QStE550TM具有優(yōu)良的耐低溫沖擊韌性。

圖2 QStE550TM系列沖擊功曲線Fig.2 Curves for Impact Absorbing Energy of QStE550TM

4.4 冷彎性能試驗(yàn)

為了考察QStE550TM鋼板的工藝性能，對(duì)鋼板進(jìn)行寬冷彎試驗(yàn)。圖3為冷彎試驗(yàn)示意圖。

圖3 冷彎試驗(yàn)示意圖Fig.3 Schematic Diagram for Cold Bending Test

試驗(yàn)方向?yàn)闄M向，彎曲角度為180°，彎心直徑d=1.0a（a為鋼板厚度），試樣寬度 b=80 mm，見(jiàn)圖3（a），檢驗(yàn)結(jié)果全部合格。進(jìn)一步壓靠到d=0，結(jié)果顯示無(wú)裂紋，見(jiàn)圖3（b）。由冷彎試樣可知，由于QStE550TM采用純凈鋼冶煉技術(shù)，嚴(yán)格地控制鋼中的氣體和夾雜物含量，利用鈣質(zhì)處理使鋼中的氧化物和硫化物充分球化，QStE550TM鋼板不但具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性，還具有優(yōu)異的工藝性能。

4.5 產(chǎn)品應(yīng)用情況

圖4為使用QStE550TM制造的成品汽車縱梁實(shí)物照片。

圖4 QStE550TM制造的成品汽車縱梁實(shí)物照片F(xiàn)ig.4 Photograph of Longitudinal Beams to Automotives Made by QstE550TM

2012～2018年，共生產(chǎn)厚度3.0～10.0 mm 的QStE550TM卷板5.5萬(wàn)t，供國(guó)內(nèi)知名廠家制作重載汽車縱梁、橫梁和底盤(pán)零件。用戶采用下料、沖壓或滾壓成形、焊接（拼焊）、電泳、涂漆等工藝，進(jìn)行了汽車大梁鋼的生產(chǎn)，并裝配到自卸車、重卡汽車等，未發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量問(wèn)題，板形良好，質(zhì)量穩(wěn)定。

5 結(jié)論

（1）采用純凈鋼冶煉技術(shù)、鈦鈮復(fù)合微合金化和合理的控軋控冷技術(shù)，在未添加Mo、Ni等貴重合金的前提下，充分發(fā)揮細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和相變強(qiáng)化的效果，成功研制出汽車結(jié)構(gòu)用QStE550TM熱軋卷板。

（2）研制的QStE550TM鋼板金相組織為鐵素體、少量珠光體加貝氏體，金相組織細(xì)小、均勻，鐵素體平均晶粒度為11.5～12.0級(jí)，A類夾雜均為0級(jí)，B類夾雜均為0.5級(jí)。各項(xiàng)性能滿足技術(shù)規(guī)范的要求，產(chǎn)品用于制造重載汽車橫、縱梁結(jié)構(gòu)件和底盤(pán)零件等，板形良好，質(zhì)量穩(wěn)定。