IF高強(qiáng)鋼HC180Y的研制開發(fā)

于永業(yè) 厚健龍 白玉靜

（安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司）

0 前言

近年來，隨著我國(guó)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展以及環(huán)保節(jié)能力度的不斷加大，高強(qiáng)度、輕量化已經(jīng)成為汽車行業(yè)的重要發(fā)展方向之一，其中受到廣泛關(guān)注度的就是高強(qiáng)度IF鋼，而最具有代表性的高強(qiáng)鋼HC180Y因其良好的抗變形性能，主要用作汽車門內(nèi)結(jié)構(gòu)件使用，大大增加了汽車對(duì)乘坐人員的安全保護(hù)性能。它是在IF鋼的基礎(chǔ)上通過添加Nb、Ti等微合金強(qiáng)化元素來提高鋼材的強(qiáng)度性能，同時(shí)由于Nb、Ti等合金元素的加入，碳、氮等間隙原子被固定，沒有間隙原子的存在，有利于織構(gòu)在退火過程中優(yōu)先發(fā)展，不僅具有IF鋼的優(yōu)良的深沖性能，而且還具有一定的強(qiáng)度，是汽車輕量化的重要鋼種之一[1-2]。

1 成分設(shè)計(jì)及性能要求

1.1 成分設(shè)計(jì)

安鋼IF高強(qiáng)鋼HC180Y的開發(fā)是在IF鋼開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再根據(jù)材料性能要求和成本因素，選擇Nb、Ti復(fù)合強(qiáng)化元素的成分體系。鋼中各元素對(duì)產(chǎn)品性能都有影響關(guān)系。

（1）C元素：C是鋼中最一般的強(qiáng)化元素，但C元素含量高會(huì)直接影響材料的塑性應(yīng)變比r值和加工硬化指數(shù)n值，通常將IF高強(qiáng)鋼產(chǎn)品的C含量控制在0.0035%以下，以保證材料具有低的屈服強(qiáng)度和較高的伸長(zhǎng)率以及減弱對(duì)應(yīng)變時(shí)效的影響；（2）Si元素：Si含量直接影響鐵素體和奧氏體的硬度和強(qiáng)度，同時(shí)考慮Si含量對(duì)爐輥表面缺陷形成的影響，Si含量控制在0.05%以下；（3）Mn元素：Mn是一種常見的固溶強(qiáng)化元素， 它的添加會(huì)細(xì)化珠光體，從而顯著提高鋼的強(qiáng)度，但會(huì)降低伸長(zhǎng)率和r值，因此將Mn含量控制在0.30%～0.50%以內(nèi)；（4）P元素：它是一種廉價(jià)且強(qiáng)化效果強(qiáng)的元素，在鋼中起到固溶強(qiáng)化鐵素體的作用，從而提高鋼的強(qiáng)度，但為防止P的偏析引起二次加工脆化， P含量設(shè)計(jì)為0.040%～0.060%，同時(shí)加入0.002 0%左右的B來降低脆性轉(zhuǎn)變溫度；（5）S元素：因S易與Fe形成易熔共晶體，分布于奧氏體晶界引起熱脆，故將其含量控制在0.015%以下；（6）其他合金元素：在IF高強(qiáng)鋼中添加微合金元素Nb、Ti，可以有效固溶C、N原子，以達(dá)到提高產(chǎn)品成形性能的目的。選擇Nb、Ti復(fù)合強(qiáng)化的方式，既有助于通過Nb元素細(xì)化晶粒，促進(jìn)形核與生長(zhǎng)，也可以通過適量的Ti元素保證最終產(chǎn)品的各項(xiàng)異性， Ti的加入量直接影響了材料中第二相粒子的析出規(guī)律，最終影響材料的力學(xué)性能。因此，為了獲得最優(yōu)的成品性能，在高強(qiáng)度IF鋼成分設(shè)計(jì)時(shí)將Ti元素含量控制在0.020%～0.040%，Nb元素含量控制在0.015%～0.025%。成本相比單加Nb成分體系大幅降低，產(chǎn)品具有優(yōu)良的性能和成本優(yōu)勢(shì)。安鋼IF高強(qiáng)鋼HC180Y冶煉成分控制范圍見表1。

表1 安鋼IF高強(qiáng)鋼HC180Y冶煉成分控制

1.2 工藝流程

安鋼IF高強(qiáng)鋼HC180Y工藝流程：鐵水預(yù)處理-150 t轉(zhuǎn)爐冶煉- LF精煉-RH精煉-230 mm連鑄板坯生產(chǎn)-1 780 mm熱連軋-1 550 mm酸洗連軋-1550 mm連續(xù)退火。

1.3 性能要求

IF高強(qiáng)鋼HC180Y既要保證其具有一定的強(qiáng)度，又要滿足用戶對(duì)成型性能的要求，產(chǎn)品需要具有均勻的伸長(zhǎng)和高的總伸長(zhǎng)率，其力學(xué)性能見表2。

表2 安鋼IF高強(qiáng)鋼HC180Y力學(xué)性能

2 生產(chǎn)工藝控制

2.1 冶煉工藝控制

鐵水經(jīng)預(yù)處理后，將入轉(zhuǎn)爐鐵水S含量控制在0.002%以下，并采用潔凈廢鋼冶煉，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)C含量控制在0.07%以下，S含量控制在0.010%以下，出鋼采用滑板擋渣并加頂渣，同時(shí)為保證鋼水不發(fā)生二次氧化及鋼中夾雜物上浮及時(shí)，在LF精煉工序嚴(yán)格控制吹氬強(qiáng)度并升溫，全程軟攪拌并在LF出站時(shí)添加磷鐵至控制范圍下限，到RH精煉爐真空脫碳，時(shí)間控制在10 min內(nèi)，脫碳結(jié)束后，根據(jù)氧含量添加脫氧劑和控鋁，循環(huán)5 min后添加鈦鐵、金屬錳等進(jìn)行合金成分調(diào)整，為確保夾雜物上浮和成分的均勻性，成分調(diào)整后真空凈循環(huán)時(shí)間在8 min以上，生產(chǎn)準(zhǔn)備要求轉(zhuǎn)爐鋼包、覆蓋劑、中間包、塞棒、水口、取樣器等中間增C的環(huán)節(jié)均采用無(wú)碳或超低碳材質(zhì)，從而保證出站目標(biāo)C含量≤0.003 5%。

2.2 連鑄生產(chǎn)控制

連鑄采用全程保護(hù)澆注，并防止鋼水的二次氧化，將過熱度控制在15～30 ℃，結(jié)晶器及二次冷卻均為強(qiáng)冷，采用結(jié)晶器液面自動(dòng)控制系統(tǒng)，將液面波動(dòng)控制在±3 mm以內(nèi)，拉速控制在1.2～1.5 m/min，并保持恒速穩(wěn)定澆注，為確保夾雜物滿足技術(shù)要求，將頭尾坯直接降級(jí)改判。

2.3 熱軋工藝控制

為防止鑄坯產(chǎn)生表面裂紋，HC180Y采用直熱裝?？紤]到材料在奧氏體區(qū)軋制時(shí)溫度需保持在一個(gè)較高的水平，將出爐溫度控制在1 200～1 230 ℃之間，終軋溫度設(shè)定為910 ℃，并采用前段稀疏冷卻方式細(xì)化晶粒；考慮到第二相粒子析出對(duì)深沖性能的影響，提高有利于成形的{111}取向織構(gòu)比例，將卷取溫度設(shè)定為700 ℃。

2.4 酸軋工藝控制

安鋼1 550 mm酸軋機(jī)組采用鹽酸紊流酸洗+5機(jī)架連軋工藝，其中酸洗溫度為75～85 ℃，帶鋼速度80～120 mpm，根據(jù)帶鋼表面質(zhì)量及時(shí)調(diào)整酸液濃度，保證表面酸洗質(zhì)量。后經(jīng)冷軋五機(jī)架連軋機(jī)軋制，理論上冷軋壓下率越大，冷軋板晶粒越細(xì)小，并且在晶粒形狀上趨于餅狀，有利于沖壓性能的提高[3]，可以為材料后續(xù)的退火再結(jié)晶的形核過程提供更大的驅(qū)動(dòng)力，但考慮到安鋼1 550 mm酸軋機(jī)組軋機(jī)能力和軋制穩(wěn)定性，壓縮比采用75%～88%。

2.5 退火工藝控制

退火溫度是影響IF高強(qiáng)鋼性能的關(guān)鍵工藝因素，退火溫度過高會(huì)導(dǎo)致再結(jié)晶晶粒粗大，退火溫度過低會(huì)導(dǎo)致退火再結(jié)晶不完全，都會(huì)對(duì)材料本身的強(qiáng)度或深沖性能產(chǎn)生大幅影響。通過對(duì)壓縮比為80%的1.0 mm材料進(jìn)行不同退火溫度下的生產(chǎn)試驗(yàn)，對(duì)比觀察了其金相組織和力學(xué)性能，確定安鋼IF高強(qiáng)鋼HC180Y退火溫度為820 ℃，帶速為180～260 mpm。在平整工藝設(shè)定方面，材料的伸長(zhǎng)率會(huì)隨著平整延伸率的升高而降低，屈服強(qiáng)度會(huì)隨著平整延伸率的升高而增加，而平整延伸率對(duì)抗拉強(qiáng)度、n值、r值的影響較小，考慮到IF高強(qiáng)鋼不存在屈服平臺(tái)，平整機(jī)延伸率設(shè)定值在0.80%～1.0%。

3 產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量

3.1 化學(xué)成分

HC180Y化學(xué)成分全部元素含量均符合技術(shù)要求，碳含量全部控制在0.003 0%以下。從冶煉生產(chǎn)過程來看，增加LF工序升溫，整個(gè)生產(chǎn)過程的溫度控制合理，但需要注意的是LF升溫后，鋼中氧含量的升高；同時(shí)RH工序在鋼水到站后應(yīng)保證吹氧時(shí)間及氬氣環(huán)流量，真空處理時(shí)間應(yīng)保證脫碳效果，爐號(hào)L027256安鋼IF高強(qiáng)鋼HC180Y實(shí)際冶煉成分見表3。

表3 安鋼IF高強(qiáng)鋼HC180Y冶煉成分

3.2 力學(xué)性能

加熱溫度、精軋終軋溫度、卷取溫度、退火工藝是影響力學(xué)性能的主要因素，在HC180Y生產(chǎn)中，通過試驗(yàn)選擇并嚴(yán)格控制各關(guān)鍵工藝參數(shù)，從而獲得優(yōu)良的力學(xué)性能。安鋼IF高強(qiáng)鋼HC180Y力學(xué)性能指標(biāo)見表4。

表4 安鋼IF高強(qiáng)鋼HC180Y力學(xué)性能指標(biāo)

從表4可以看出，隨機(jī)抽查3卷IF高強(qiáng)鋼HC180Y的力學(xué)性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且波動(dòng)較小，其屈服強(qiáng)度在198～211 MPa之間，抗拉強(qiáng)度在343～346 MPa之間，伸長(zhǎng)率在38.5%以上，r值在2.0以上，n值在0.21以上。

3.3 金相檢驗(yàn)

熱軋產(chǎn)品的金相組織對(duì)冷軋產(chǎn)品的金相組織具有較大的遺傳性，合理控制熱軋工藝參數(shù)，才能獲得良好的熱軋產(chǎn)品組織和性能，為冷軋產(chǎn)品的組織和性能奠定基礎(chǔ)。IF高強(qiáng)鋼HC180Y熱軋產(chǎn)品和冷軋產(chǎn)品的金相組織對(duì)比如圖1所示。熱軋產(chǎn)品的組織為鐵素體+珠光體，B類非金屬夾雜物0.5級(jí)，D類非金屬夾雜物1.0～1.5級(jí)，鐵素體粒度為9.0～9.5級(jí)。冷軋板的組織為鐵素體+珠光體，鐵素體晶粒度為8.0～8.5級(jí)。

圖1 IF高強(qiáng)鋼 HC180Y熱軋和冷軋產(chǎn)品金相組織對(duì)比

3.4 產(chǎn)品實(shí)物

使用安鋼HC180Y沖壓的汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)零件圖如圖2所示。

圖2 IF高強(qiáng)鋼HC180Y沖壓結(jié)構(gòu)件

4 結(jié)論

（1）安鋼IF高強(qiáng)鋼HC180Y采用Nb、Ti復(fù)合成分體系既能夠起到提高強(qiáng)度的作用，又能夠起到固溶間隙原子的作用，同時(shí)利用Mn、P元素固溶強(qiáng)化兼顧了成本。在LF精煉工序嚴(yán)格控制吹氬強(qiáng)度，將RH精煉工序真空脫碳時(shí)間控制在15 min內(nèi)。

（2）熱軋采用高溫終軋和高溫卷取工藝，便于第二相粒子析出，以提高有利于成形的{111}取向織構(gòu)比例。冷軋采用75%～88%的壓縮比，連續(xù)退火溫度為820℃，平整延伸率為0.80%～1.00%，合理的工藝參數(shù)確保了產(chǎn)品質(zhì)量和性能。

（3）安鋼IF高強(qiáng)鋼HC180Y屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足用戶要求，滿足了汽車加強(qiáng)件、結(jié)構(gòu)件等領(lǐng)域的使用要求，其產(chǎn)品經(jīng)用戶使用后，反饋沖壓成形良好，質(zhì)量穩(wěn)定，得到了用戶的認(rèn)可。