汽車(chē)用低合金冷軋高強(qiáng)鋼HC420LA的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)

白玉靜 厚健龍 李 堃 田海濤

（安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司）

0 前言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)各大汽車(chē)廠商對(duì)輕量化概念越發(fā)重視，尤其是新能源汽車(chē)的減重成為各大車(chē)企及鋼廠所共同關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，其中通過(guò)使用低合金冷軋高強(qiáng)度鋼就是解決此類(lèi)問(wèn)題的一個(gè)重要途徑。低合金冷軋高強(qiáng)鋼通過(guò)在成分中添加Nb、Ti元素，保證析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化效果，并通過(guò)退火溫度的合理設(shè)定，在時(shí)效過(guò)程中，將回溶的Nb、Ti與C、N原子結(jié)合在鐵素體內(nèi)部析出，從而降低間隙固溶強(qiáng)化程度，提高了材料延伸率[1]。筆者通過(guò)分析Nb、Ti等元素在低合金高強(qiáng)鋼中的相關(guān)強(qiáng)化機(jī)理，設(shè)計(jì)出合理的化學(xué)成分體系，并結(jié)合材料設(shè)計(jì)成本，制定煉鋼連鑄、熱連軋、酸洗冷連軋、連續(xù)退火等工序段的生產(chǎn)工藝，在安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司冷軋廠成功生產(chǎn)了低合金冷軋高強(qiáng)鋼HC420LA，其產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量良好，生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，成本較低，具有優(yōu)良的淺沖壓成型能力。

1 技術(shù)要求及工藝路線

1.1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

安鋼低合金冷軋高強(qiáng)鋼HC420LA的化學(xué)成分設(shè)計(jì)思路是在 C、Mn 鋼的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加Nb、Ti元素進(jìn)行微合金化處理。通常C是較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化元素，能顯著提高鋼板的強(qiáng)度，但會(huì)降低鋼板的韌性和塑形，也會(huì)惡化鋼板的焊接性能和成形性能，為了使鋼板具有良好的成形性能，將C含量控制在0.06%～0.09%。Mn元素相比C元素而言，對(duì)鐵素體有較強(qiáng)的置換固溶強(qiáng)化效應(yīng)，在保證冶煉和軋制過(guò)程中不出現(xiàn)帶狀組織以及不影響后續(xù)焊接的情況下，將Mn含量控制在1.00%～1.50%。Nb在鋼中形成的[NbCN]、[NbC]等化合物會(huì)延遲奧氏體轉(zhuǎn)變，起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用，Ti彌散形成的TiN細(xì)小粒子，能夠有效抑制晶粒長(zhǎng)大，產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化作用，不僅可以提高材料的強(qiáng)度也能有效提高材料的成形性能，同時(shí)還能兼顧合金成本與軋制生產(chǎn)成本，因此選擇Nb、Ti復(fù)合成分體系。添加的Nb、Ti微量合金在熱軋及隨后的冷軋退火過(guò)程中溶解和析出，形成的碳化物或碳氮化物等第二相粒子對(duì)微觀組織有強(qiáng)烈的影響，從而決定了鋼板的力學(xué)性能[2]。安鋼低合金冷軋高強(qiáng)鋼HC420LA成分控制范圍見(jiàn)表1。

表1 安鋼低合金高強(qiáng)鋼HC420LA化學(xué)成分

1.2 性能要求

HC420LA的力學(xué)性能見(jiàn)表2。標(biāo)準(zhǔn)EN10268要求其屈服強(qiáng)度為420～520 MPa，抗拉強(qiáng)度為470～590 MPa，斷后延伸率A80不小于17%。為確保性能穩(wěn)定，且滿足用戶微沖壓使用要求，特制定產(chǎn)品實(shí)物性能的內(nèi)控要求，即屈服強(qiáng)度為430～500 MPa，抗拉強(qiáng)度500～560 MPa，斷后延伸率A80大于19%，從而保證材料的加工成形性能。

表2 安鋼低合金高強(qiáng)鋼HC420LA性能要求

1.3 工藝流程

安鋼低合金高強(qiáng)鋼HC420LA工藝流程：鐵水預(yù)處理-150 t轉(zhuǎn)爐冶煉-LF精煉-230 mm雙流板坯連鑄-1780 mm熱連軋-1550 mm酸軋聯(lián)合機(jī)組-1550 mm連續(xù)退火。

2 關(guān)鍵工藝及控制

2.1 煉鋼連鑄工藝控制

為減輕LF爐脫硫壓力，鐵水經(jīng)預(yù)處理脫硫后，終點(diǎn)硫含量控制在0.005%以下，并保證扒渣干凈。轉(zhuǎn)爐采用低碳模式冶煉，采用優(yōu)質(zhì)冶金石灰、輕燒白云石，出鋼采用滑板擋渣，頂渣加入石灰和改質(zhì)劑。在LF精煉過(guò)程中，采用全程控鋁，進(jìn)站[Alt]≥0.020%后快速造白渣，并保證白渣保持時(shí)間不小于15 min，要求整個(gè)精煉過(guò)程不能裸露鋼液面，且軟攪拌時(shí)間大于8 min 后可出站。連鑄采用全程保護(hù)澆注，鋼水過(guò)熱度在15～30 ℃之間，使用低碳中包覆蓋劑和結(jié)晶器保護(hù)渣，結(jié)晶器采用液面自動(dòng)控制系統(tǒng)，以保證液面穩(wěn)定。采用“恒”速澆注，保證鑄坯表面質(zhì)量，結(jié)晶器和二次冷卻均采用弱冷，采用7#冷卻水表生產(chǎn)230 mm規(guī)格鑄坯。

2.2 熱軋工藝控制

加熱溫度對(duì)Nb、Ti的固溶量以及后續(xù)軋制冷卻過(guò)程中的奧氏體晶粒尺寸都有影響，合適的加熱溫度能夠保證Nb[CN]在熱軋過(guò)程中充分析出，阻止奧氏體再結(jié)晶轉(zhuǎn)變，從而細(xì)化鐵素體。為此板坯采用直熱裝，并將加熱溫度控制在1 210～1 250 ℃，總在爐時(shí)間大于130 min?？紤]到熱軋晶粒大小直接影響退火后晶粒大小，為了獲得細(xì)小的析出物和均勻的鐵素體晶粒，并保證退火后冷軋板晶粒和強(qiáng)度，將終軋溫度控制在870～910 ℃，層流采用前段集中冷卻，卷取溫度在580～620 ℃。

2.3 酸連軋工藝控制

為保證酸洗質(zhì)量，將酸洗拉矯機(jī)延伸率設(shè)定到0.5%以上，酸洗時(shí)關(guān)注酸洗槽中游離的Cl-含量及溫度，確保酸洗質(zhì)量，正常生產(chǎn)時(shí)酸洗速度控制在150～200 mpm。在保證冷軋機(jī)組穩(wěn)定順行的前提下，采用較大壓下率，可以增加形變儲(chǔ)能，使材料在退火過(guò)程中具有更強(qiáng)的再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力。3.0 mm熱軋?jiān)仙a(chǎn)1.2 mm退火卷時(shí)，軋機(jī)各道次的壓下量分別為S1=18%、S2=18%、S3=17%、S4=14%、S5=13%，軋制力穩(wěn)定控制在12 000～13 000 kN，綜合考慮設(shè)備能力的限定范圍及軋輥使用周期長(zhǎng)短的情況，將低合金冷軋高強(qiáng)鋼HC420LA的壓下率控制在55%～65%。

2.4 連續(xù)退火工藝控制

在冷軋退火過(guò)程中熱軋時(shí)固溶的鈮的析出物以第二相粒子彌散析出形成沉淀強(qiáng)化，同時(shí)由于第二相析出物粒子在晶界沉淀析出而抑制鐵素體晶粒長(zhǎng)大，引起細(xì)晶強(qiáng)化，沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化兩種強(qiáng)化機(jī)制復(fù)合，從而確保成品力學(xué)性能[3]。將帶鋼在加熱段和均熱段的退火溫度控制在（810±10） ℃，目標(biāo)帶速控制在150～200 mpm，并設(shè)計(jì)最高帶速和最低帶速以防止部分極限規(guī)格在爐內(nèi)跑偏。同時(shí)較快的冷卻速率也能夠細(xì)化晶粒，從而增加強(qiáng)度，現(xiàn)場(chǎng)采用加大快冷段風(fēng)機(jī)開(kāi)口度，提高帶鋼冷卻速率。平整是以較小的變形量對(duì)退火后的冷軋帶鋼進(jìn)行軋制，以消除屈服平臺(tái)、改善力學(xué)性能、獲得良好板形及所要求的表面結(jié)構(gòu)，由于平整是決定成品帶鋼板形的最后一道工序，因此提高平整機(jī)的板形控制能力對(duì)于改善冷軋帶鋼的板形質(zhì)量具有重要意義[4]?？紤]到低合金冷軋高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度、中間工序的成形以及后續(xù)電泳或噴漆時(shí)表面效果，將平整機(jī)延伸率設(shè)定為0.9%～1.2%。

3 分析與討論

3.1 力學(xué)性能

經(jīng)過(guò)各工序的精心組織和嚴(yán)格控制，最終安鋼低合金冷軋高強(qiáng)鋼HC420LA的力學(xué)性能完全符合內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求，且波動(dòng)較小，其屈服強(qiáng)度在452～472 MPa，抗拉強(qiáng)度在557～576 MPa，斷后延伸率A80在22.7%～25.5%，具體力學(xué)性能見(jiàn)表3。

表3 安鋼低合金高強(qiáng)鋼1.2 mmHC420LA退火后力學(xué)性能

3.2 金相檢驗(yàn)

熱軋產(chǎn)品的組織性能對(duì)冷軋產(chǎn)品的組織性能具有較大的遺傳性,良好的熱軋產(chǎn)品組織性能可為冷軋產(chǎn)品的組織性能奠定良好基礎(chǔ)。安鋼低合金冷軋高強(qiáng)鋼HC420LA熱軋產(chǎn)品和冷軋產(chǎn)品的金相組織對(duì)比如圖1所示。其熱軋板組織為鐵素體+珠光體，B類(lèi)非金屬夾雜物1.0級(jí)，D類(lèi)非金屬夾雜物1.0～1.5級(jí)，鐵素體晶粒度為9.5～10級(jí)，且未發(fā)現(xiàn)混晶。冷軋板組織為鐵素體+珠光體，鐵素體晶粒度為10.5～11級(jí)，組織較為均勻，晶粒經(jīng)析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用整體尺寸細(xì)小。

圖1 低合金高強(qiáng)鋼HC420LA熱軋組織和冷軋組織對(duì)比

3.3 使用效果

安鋼冷軋低合金高強(qiáng)鋼HC420LA目前主要應(yīng)用于汽車(chē)加強(qiáng)零部件的沖制，產(chǎn)品使用效果良好，成形及表面質(zhì)量得到了用戶的肯定。同時(shí)表面也完全滿足對(duì)后續(xù)電泳、噴涂工藝的相應(yīng)需求。

4 結(jié)論

（1）安鋼低合金冷軋高強(qiáng)鋼HC420LA采用Nb、Ti復(fù)合微合金強(qiáng)化，性能余量及成本適合，滿足汽車(chē)用鋼輕沖壓和折彎要求。

（2）通過(guò)加強(qiáng)煉鋼和連鑄過(guò)程控制，鋼中B類(lèi)非金屬夾雜物1.0級(jí)，D類(lèi)非金屬夾雜物1.0～1.5級(jí)，確保了低合金冷軋高強(qiáng)鋼HC420LA的表面質(zhì)量及力學(xué)性能良好，滿足批量生產(chǎn)要求。

（3）熱軋采用合理的加熱工藝、軋制工藝和冷卻工藝，獲得穩(wěn)定的性能和均勻的組織。冷軋采用55%～65%壓下率。連退采用（810±10） ℃高溫退火工藝及較大的冷卻速度，平整采用0.9%～1.2%延伸率，最終成功研發(fā)出板形良好和性能穩(wěn)定的汽車(chē)用低合金冷軋高強(qiáng)鋼HC420LA，滿足用戶使用要求。