汽車底盤用500 MPa級熱軋酸洗鋼板的開發(fā)

孫成錢 時曉光 董 毅 劉仁東 韓楚菲 王俊雄 徐榮杰

(鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009)

汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對鋼鐵材料的安全性、綠色環(huán)保、低成本、高表面質(zhì)量等方面提出了更高的技術(shù)要求。熱軋酸洗鋼板是在熱軋廠熱軋，隨后經(jīng)冷軋廠酸洗機組酸洗去除氧化鐵皮，其表面質(zhì)量和性能介于熱軋鋼板和冷軋鋼板之間，可部分替代熱軋鋼板和冷軋鋼板；與熱軋鋼板和冷軋鋼板相比，在經(jīng)濟性、環(huán)保性、表面質(zhì)量等方面具有顯著優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，市場需求量日益增加[1- 6]。目前，國內(nèi)外大部分鋼廠均具備汽車用熱軋酸洗鋼板的生產(chǎn)能力，如韓國浦項、日本新日鐵、中國寶武等，并形成了汽車底盤、座椅、安全構(gòu)件等系列產(chǎn)品。

本文通過熱軋廠熱軋和冷軋廠鹽酸酸洗，試制了含鈦和不含鈦兩種成分的鋼板，研究了加入鈦元素對熱軋酸洗鋼板組織和性能的影響，并進(jìn)行了汽車底盤零件的樣件試制。

1 試驗材料及方法

兩種試制鋼板的化學(xué)成分見表1。Si是鐵素體形成元素，固溶強化效果顯著。但Si含量過高會導(dǎo)致熱軋鋼板表面出現(xiàn)紅色氧化鐵皮，表面質(zhì)量惡化。因此將Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)定為0.06%～0.16%。加入微量Ti可以細(xì)化原始奧氏體晶粒，Ti還以第二相粒子的形式存在，強化鐵素體，起到沉淀強化的作用，因此在2號鋼中添加適量的Ti元素；此外，由于Ti易與N結(jié)合形成TiN，惡化產(chǎn)品性能，因此適當(dāng)提高了Al含量。Al脫氧后多余的部分可以與鋼中N形成AlN析出物，避免形成TiN顆粒。因此將Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.015%～0.045%。

表1 試制鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

試制鋼板在熱軋廠熱軋和冷軋廠鹽酸酸洗。具體工藝路線為：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉→連鑄→加熱→軋制→層流冷卻→卷取→開卷→平整→開卷→酸洗→卷取。工藝參數(shù)為：將230 mm×1 550 mm連鑄坯直接熱送熱裝到步進(jìn)式加熱爐中加熱至(1 250±20) ℃，保溫約2.5 h后熱軋，終軋溫度為(890±20) ℃，終軋后采用前段快速連續(xù)層流冷卻，將鋼板以大于50 ℃/s的速率冷卻至(620±20) ℃后卷取，然后進(jìn)行鹽酸酸洗，酸洗拉矯延伸率為1.0%，酸洗槽溫度控制在80 ℃，成品鋼板厚度為2.5 mm。

由于鋼中含有Nb、Ti微合金元素，在熱軋工藝中，如果加熱溫度低于1 200 ℃，Nb、Ti溶解不充分，則不能充分利用其微合金化作用，導(dǎo)致鋼板強度降低；若加熱溫度高于1 280 ℃，晶粒急劇長大粗化，不利于提高鋼板韌性。因此將熱軋加熱溫度控制為(1 250±20) ℃，保溫約2.5 h。連鑄坯在奧氏體再結(jié)晶區(qū)粗軋，通過軋制變形后的再結(jié)晶細(xì)化奧氏體晶粒，終軋溫度略高于Ar3，通過奧氏體低溫區(qū)的軋制變形，使奧氏體晶粒內(nèi)形成變形帶，并應(yīng)變誘導(dǎo)微合金元素的碳氮化物沉淀，細(xì)化奧氏體的相變產(chǎn)物，提高鋼板的韌性，還可以通過沉淀強化提高鋼的強度。結(jié)合現(xiàn)場實際生產(chǎn)，將終軋溫度設(shè)定為(890±20) ℃。從熱力學(xué)角度考慮，在Nb、Ti的析出溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的下降，第二相質(zhì)點析出逐漸充分。但從動力學(xué)角度考慮，由于Ti的擴散激活能高，需要充分的時間才能析出。綜合考慮兩方面影響因素，終軋后冷卻到(620±20) ℃卷取有利于大量第二相粒子的析出。同時由于生產(chǎn)微合金鋼時鋼卷頭尾部的冷速快，溫降大，減緩了Ti元素的擴散速度，抑制了第二相粒子析出，因此需要提高鋼卷頭尾部的卷取溫度，避免產(chǎn)生通卷性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象。將頭尾20 m的卷取溫度提高20 ℃，冷卻到(640±20) ℃卷取。

在試制鋼板上切取金相試樣。金相試樣經(jīng)磨、拋后，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，然后在光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織。制備碳膜萃取復(fù)型試樣，在Tecnai G2 20型透射電子顯微鏡(TEM,transmission electron microscope)上觀察其精細(xì)結(jié)構(gòu)。沿鋼板橫向制取拉伸試樣，在Z100型電子拉伸試驗機上進(jìn)行拉伸試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

兩種成分熱軋酸洗鋼板的顯微組織如圖1所示，均由鐵素體和珠光體組成。2號鋼板比1號鋼板的晶粒細(xì)小。這是由于2號鋼板添加了Ti元素，在高溫時Ti固溶于奧氏體中，能抑制奧氏體晶粒的長大，起析出強化和細(xì)晶強化的作用[7- 10]。

圖1 試制鋼板的顯微組織

從圖2可以看出，2號鋼板的鐵素體晶界清晰可見，存在一定量的位錯，鐵素體中有彌散析出物，析出強化使得2號鋼板的屈服強度提高。

圖2 2號鋼板的精細(xì)結(jié)構(gòu)

2號鋼板中析出物的形貌如圖3(a)所示，其形狀規(guī)則，大體呈圓形和橢圓形，尺寸10～50 nm，主要分布于鐵素體中。圖3(b)能譜分析顯示其為Nb和Ti的碳化物(Nb,Ti)C，這些(Nb,Ti)C第二相析出強化鐵素體，有利于提高鋼板的屈服強度。能譜分析中Cu來自支撐碳膜的銅網(wǎng)架。

圖3 2號鋼板中析出物的TEM形貌及能譜分析

2.2 力學(xué)性能

工業(yè)試制鋼板的力學(xué)性能見表2。

表2 試制鋼板的力學(xué)性能

從表2可知，兩種工業(yè)試制鋼板的力學(xué)性能良好，屈服強度達(dá)到400 MPa以上，抗拉強度高于500 MPa，斷后伸長率高于30%。2號鋼板的屈服強度比1號鋼板高約70 MPa，根據(jù)霍爾- 佩奇公式，晶粒細(xì)化可以提高屈服強度，由于2號鋼板比1號鋼板的晶粒更加細(xì)小，所以2號鋼板的屈服強度比1號鋼板高，這也是由于Ti的加入起到了細(xì)晶強化和析出強化作用。另外，2號鋼板的抗拉強度比1號鋼板高約60 MPa，斷后伸長率低約4%。

3 應(yīng)用

工業(yè)試制的兩種成分鋼板在某汽車廠成功沖壓成汽車底盤零件，如圖4所示。

圖4 兩種成分鋼板沖壓成的汽車底盤

4 結(jié)論

(1)通過熱軋廠熱軋和冷軋廠鹽酸酸洗，工業(yè)試制的兩種成分鋼板的顯微組織主要由鐵素體和珠光體組成，屈服強度達(dá)到400 MPa以上，抗拉強度高于500 MPa，斷后伸長率高于30%。

(2)Ti元素的添加，除細(xì)化鋼板的組織外，還能以第二相粒子的形式存在，強化鐵素體，起沉淀強化作用；與不含Ti的鋼相比，含Ti鋼的屈服強度和抗拉強度分別提高了70、60 MPa，屈強比提高了0.05，斷后伸長率降低了4%。

(3)根據(jù)客戶需求，可生產(chǎn)低屈強比和高屈強比的500 MPa級熱軋酸洗鋼板。