低合金冷軋高強(qiáng)鋼HC420LA 生產(chǎn)工藝優(yōu)化

李 堃 厚健龍 向 華 成曉舉 于 萌 尚繼芳

（安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司）

0 引言

公安部公布的數(shù)據(jù)顯示，2020 年上半年中國的汽車保有量大約2.7 億輛[1]。龐大的汽車保有量將會(huì)帶來更加突出的能源安全和環(huán)境污染問題，因此車輛輕量化成為汽車節(jié)能減排的主要發(fā)力方向之一，汽車用高強(qiáng)鋼的研發(fā)正順應(yīng)其潮流。低合金冷軋高強(qiáng)鋼不僅強(qiáng)度高而且兼顧一定的加工成形性，被廣泛加工為汽車前后縱梁、門內(nèi)加強(qiáng)梁、底板橫梁等零件[2]。低合金冷軋高強(qiáng)鋼HC420LA是目前應(yīng)用最廣泛的汽車用高強(qiáng)鋼之一。鋼鐵企業(yè)為了增強(qiáng)競爭力，在研發(fā)時(shí)一方面需要考慮用戶對性能的要求，另一方面需要考慮盡量降低合金成本，因此在前期試驗(yàn)時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)生性能偏低的問題。筆者結(jié)合安鋼在小批量生產(chǎn)中遇到了HC420LA 屈服強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)下限的問題，通過對HC420LA 的化學(xué)成分、冷軋壓下率和連續(xù)退火溫度采取優(yōu)化措施，使得性能達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求且富余量充足。

1 存在問題及分析

安鋼生產(chǎn)的HC420LA，采用的是DIN EN 10268標(biāo)準(zhǔn),具體見表1。在小批量生產(chǎn)時(shí)，HC420LA 出現(xiàn)屈服強(qiáng)度偏低問題，厚度1.0～1.5 mm 的產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度在410 ～420 MPa，而厚度2.0 mm 的產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度在400 MPa 以下。屈服強(qiáng)度的均值為402 MPa，抗拉強(qiáng)度的均值為540 MPa，伸長率的均值為24%，其中屈服強(qiáng)度明顯低于標(biāo)準(zhǔn)中420 ～520 MPa 的要求，合格率僅為70%。

表1 HC420LA 性能標(biāo)準(zhǔn)

安鋼生產(chǎn)的HC420LA 與國內(nèi)其他鋼廠生產(chǎn)的同類產(chǎn)品成分相近[3]，為了提高屈服強(qiáng)度，在原成分基礎(chǔ)上，已采取調(diào)整熱軋卷取溫度、退火溫度和平整延伸率等措施，但均未達(dá)到理想效果。這表明在原成分下，不能通過工藝調(diào)整達(dá)到屈服強(qiáng)度大于420 MPa 的要求。因此，需要在優(yōu)化成分的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步調(diào)整工藝參數(shù)。

2 優(yōu)化措施

為了提高HC420LA 的屈服強(qiáng)度，主要采取以下優(yōu)化措施：（1）優(yōu)化成分。低合金高強(qiáng)鋼主要利用置換固溶元素Si、Mn 和間隙固溶元素C 來提供固溶強(qiáng)化，同時(shí)利用Nb 元素在基體中析出細(xì)微碳化物和氮化物形成彌散質(zhì)點(diǎn)，發(fā)揮析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用[4]，因此，需要通過提高強(qiáng)化元素C、Si、Mn 和Nb 的含量來提高其強(qiáng)度，但需要綜合考慮成本和強(qiáng)化效果。（2）優(yōu)化冷軋壓下率。隨著壓下率的增大，金屬內(nèi)部的晶粒纖維狀越明顯，加工硬化現(xiàn)象也越明顯；同時(shí)，壓下率越大，晶粒被破碎的程度就越大，這樣會(huì)促使再結(jié)晶原始晶粒變小，從而產(chǎn)生一定的細(xì)晶強(qiáng)化作用，提高金屬的強(qiáng)度。因此，可以在綜合考慮軋機(jī)能力的情況下，適當(dāng)提高冷軋壓下率[5]。（3）優(yōu)化退火溫度。帶鋼經(jīng)過冷軋后，鋼中晶粒會(huì)發(fā)生畸變，被擠壓成纖維狀組織。在退火過程中，由于鋼中的晶粒相互吞并、長大，所以纖維狀組織會(huì)逐漸恢復(fù)為無畸變的等軸晶粒。如果退火的溫度過高，鋼中的原子會(huì)迅速擴(kuò)散，導(dǎo)致晶界遷移過快，使晶粒粗大，析出滲C 體[6]。因此，可以適當(dāng)考慮降低退火溫度來提高強(qiáng)度。

2.1 成分優(yōu)化

資料顯示[7]，C、Si、Mn 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加0.1%，鋼的屈服強(qiáng)度分別提高了28 MPa、5.6 MPa、8.4 MPa。根據(jù)資料[8]，在0.03 %固溶質(zhì)量分?jǐn)?shù)的條件下，Nb 的析出對鋼的屈服強(qiáng)度的強(qiáng)化效果最高可以達(dá)到150 MPa。因此，考慮適當(dāng)增加C、Mn、Si、Nb 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來提高鋼的強(qiáng)度。

考慮到成本和強(qiáng)化效果，C 元素是最為經(jīng)濟(jì)、有效的強(qiáng)化方式，增加C 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可提高鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，但鋼的塑性會(huì)較低，因此將C 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高0.02%。Si 元素也具有較好的強(qiáng)化效果，但會(huì)降低鋼的塑性，同時(shí)對鋼的焊接性能也不利，因此將Si 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高0.1%。Mn 元素既可使鋼的屈服強(qiáng)度升高，也有利于鋼的韌性的提高，因此將其質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高0.1%。Nb 元素可明顯提高鋼的強(qiáng)度和韌性，但成本較高，因此將其質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高0.010%。成分優(yōu)化前后的對比見表2。

表2 成分優(yōu)化前后對比

成分優(yōu)化后，熱軋屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的均值比優(yōu)化前增加了27 MPa，伸長率降低了5%，具體熱軋性能對比見表3。

表3 成分優(yōu)化前后熱軋性能對比

2.2 冷軋壓下率優(yōu)化

冷軋壓下率對力學(xué)性能和再結(jié)晶溫度有著重要影響。隨著壓下率的增大，金屬內(nèi)部的晶粒纖維狀越明顯，加工硬化現(xiàn)象越明顯；壓下率大，晶粒被破碎的程度越大，再結(jié)晶原始晶粒越小，從而產(chǎn)生一定的細(xì)晶強(qiáng)化作用，提高金屬強(qiáng)度。同時(shí)，壓下率越大，金屬晶粒形變越大，產(chǎn)生畸變能越大，內(nèi)部存儲(chǔ)的能力越大，再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力越大[9]，也越有利于再結(jié)晶的進(jìn)行。因此，為了提高鋼的強(qiáng)度，結(jié)合冷軋軋機(jī)的軋制能力，將厚度1.5 mm 鋼板的冷軋壓下率從56%提高到62%，厚度2.0 mm 鋼板的冷軋壓下率由56%提高到60%，具體見表4。

表4 冷軋壓下率優(yōu)化

2.3 連續(xù)退火溫度優(yōu)化

帶鋼在連續(xù)退火爐主要在加熱和均熱段完成再結(jié)晶過程。帶鋼通過爐區(qū)加熱段時(shí)，一方面帶鋼中的冷軋應(yīng)力會(huì)得到釋放，缺陷會(huì)得到部分消除，另一方面冷軋后纖維狀組織會(huì)重新形核和長大[10]。在爐區(qū)均熱段時(shí)，鋼中的滲C 體發(fā)生溶解，鐵素體晶粒得到充分長大和均勻化。如果加熱、均熱溫度過高，會(huì)使鐵素體過分長大，導(dǎo)致性能下降[11]。如果加熱、均熱溫度過低，則會(huì)造成纖維狀組織未能充分還原為等軸晶粒，導(dǎo)致加工性能惡化。因此，綜合考慮將加熱、均熱溫度由820 ℃調(diào)整為780 ℃。不同退火溫度下HC420LA 的組織如圖1 所示。

從圖1 可以看出，當(dāng)退火溫度為820 ℃時(shí)，鋼中晶粒已經(jīng)完全再結(jié)晶，但部分晶粒較大，造成鋼板強(qiáng)度的降低，對應(yīng)的屈服強(qiáng)度在400～420 MPa，低于標(biāo)準(zhǔn)下限值；當(dāng)火溫度為790 ℃時(shí)，鋼中的組織比820 ℃時(shí)的晶粒略小，對應(yīng)的性能屈服強(qiáng)度在420～430 MPa，在標(biāo)準(zhǔn)下限附近，富余量不充足；當(dāng)退火溫度為780 ℃時(shí)，鐵素體晶粒完成了再結(jié)晶，晶粒度較均勻，對應(yīng)的屈服強(qiáng)度在430～460 MPa，性能適中，富余量充足。

圖1 不同退火溫度下HC420LA 的組織

3 優(yōu)化效果

對HC420LA 的化學(xué)成分、冷軋壓下率以及退火溫度優(yōu)化后，統(tǒng)計(jì)了將近1 000 t HC420LA 的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示其化學(xué)成分控制穩(wěn)定，軋機(jī)生產(chǎn)過程順利，退火后的金相組織正常的鐵素體組織，性能合格率由原來的70%提升到98%，厚度1.0～2.0 mm 的HC420LA 的整體屈服強(qiáng)度的均值提高了44 MPa，達(dá)到450 MPa,抗拉強(qiáng)度均值為564 MPa,伸長率均值為22 %，具體性能分布見表5，性能均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，而且富余量充足，下游用戶使用后反饋良好。

表5 HC420LA 優(yōu)化后的性能

4 結(jié)論

（1）針對HC420LA 屈服強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)的問題，通過對成分、冷軋壓下率以及退火溫度優(yōu)化，性能最終達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求，合格率達(dá)到98%。

（2）C 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高0.02%，Mn 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高0.1%，Nb 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高0.01%，熱軋板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高了27 MPa，伸長率降低了5%。

（3）適當(dāng)提高冷軋壓下率可產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化作用，從而提高鋼的強(qiáng)度。厚度1.5 mm 的HC420LA 壓下率由56%提高到62%，厚度2.0 mm 的HC420LA壓下率由56%提高到60%。

（4）適當(dāng)降低退火溫度可以提高鋼的屈服強(qiáng)度。HC420LA 的退火溫度在820 ℃時(shí)，組織晶粒變粗大，性能隨之降低，退火溫度降至780 ℃，鐵素體晶粒完成了再結(jié)晶，晶粒度較均勻，屈服強(qiáng)度為430～460 MPa。