260～420 MPa 級汽車用冷軋低合金高強鋼的生產(chǎn)過程能力分析

供稿|康華偉，張衛(wèi)衛(wèi)，尹翠蘭/ KANG Hua-wei,ZHANG Wei-wei,YIN Cui-lan

內容導讀 通過對260～420 MPa 級汽車用冷軋低合金高強鋼的生產(chǎn)開發(fā)及力學性能的過程能力分析，形成了產(chǎn)品標準化工藝技術路線，實現(xiàn)了產(chǎn)品工業(yè)化批量穩(wěn)定生產(chǎn)，產(chǎn)品已成功應用于國內外知名汽車廠，對工業(yè)化生產(chǎn)具有重要的借鑒與指導意義。

冷軋低合金高強鋼（HSLA 鋼）具有高屈服強度及屈強比、良好的成形及焊接性能等特點，比碳素結構鋼具有更高的屈服強度，而較雙相鋼等先進高強鋼具有更低的成本，因此備受市場青睞，廣泛應用于汽車、家電、建筑等行業(yè)的結構件中，其中在汽車輕量化應用中最為突出，特別是在國產(chǎn)自主品牌汽車和新能源汽車快速發(fā)展下，高性價比（低成本高性能）的冷軋低合金高強鋼發(fā)揮著重要的作用[1]。

汽車用HSLA 鋼是在低碳鋼中添加Nb、Ti 等微合金元素，利用細晶強化、析出強化等強化機理，提高其屈服強度、屈強比，同時兼?zhèn)淞己玫目棺冃文芰2]。260～420 MPa 級別HSLA 鋼的牌號為HC260LA、HC300LA、HC340LA、HC380LA、HC420LA 等，其中HC340LA 與HC420LA 市場最常見，廣泛應用于汽車的A 柱上部加強件、內側B 柱、車門檻加長件、左右縱梁外板和底盤座椅部件等領域，發(fā)展前景廣闊[3]。

工藝流程

結合HSLA 鋼種成分特點，對C、P、S、N 等元素的控制與鋼水的潔凈度要求，以及LF 與RH 精煉設備能力，同時考慮經(jīng)濟高效性，對不同強度級別的HSLA 鋼采取不同的工藝路線。

（1）對于HC260LA、HC300LA 和HC340LA牌號：KR 脫硫→轉爐冶煉→LF 精煉→連鑄→板坯檢驗→加熱→粗軋→精軋→層流冷卻→卷取→平整（根據(jù)需要）→熱卷檢驗→酸軋→連退→重卷/拉矯（根據(jù)需要）→冷卷檢驗→包裝→入庫。

（2）對于HC380LA 和HC420LA 牌號：KR 脫硫→轉爐冶煉→LF 精煉→RH 精煉→連鑄→板坯檢驗→加熱→粗軋→精軋→層流冷卻→卷取→平整（根據(jù)需要）→熱卷檢驗→酸軋→連退→重卷/拉矯（根據(jù)需要）→冷卷檢驗→包裝→入庫。

成分設計

成分配比和合金元素的含量是影響其組織性能的關鍵因素[4]。通過查閱資料，理論研究化學成分對HSLA 鋼生產(chǎn)與性能的影響機理，并充分借鑒國內外同類產(chǎn)線鋼廠的生產(chǎn)實際情況，在保證產(chǎn)品質量前提前，綜合考慮低成本高效生產(chǎn)，以低C 控制、適當加P 提Mn、加Nb 不加Ti 為主要思路，保證各強度級別的性能要求，HSLA 主要鋼種成分設計如表1 所示。

表1 HSLA 鋼的冶煉設計成分（質量分數(shù)） %

生產(chǎn)工藝控制

對冶煉連鑄的HSLA 鋼坯，再經(jīng)過熱軋、冷軋與連續(xù)退火生產(chǎn)工序，獲得最終的成品HSLA 鋼帶。熱軋卷取溫度對后續(xù)成品性能和組織有一定的影響，熱軋的層流冷卻時存在一段空冷區(qū)，由于Nb 元素對溫度的敏感性高，在空冷區(qū)時，含Nb 析出物粗大，根據(jù)遺傳效應，后續(xù)隨著退火溫度的提高，含Nb 析出物粗大化，降低了析出強化效果，對屈服強度效果影響明顯[5]。冷軋過程中產(chǎn)生大量的變形組織，在熱處理過程中，鐵素體經(jīng)過回復并在形變帶發(fā)生形核再結晶和晶粒長大[6]。隨著冷軋壓下率增大，晶粒拉長使晶界面增加、晶格畸變程度增大，變形晶格間儲存的能量增大，晶格間及晶界上的變形缺陷增多。軋制過程中材料承受的軋制力越大，要求軋機的負荷能力越高。退火是晶粒再結晶的過程，隨著退火溫度的升高或保溫時間的延長，相同厚度規(guī)格鋼的晶粒尺寸明顯增大，主要是因為隨著溫度升高，晶粒長大速率增大，從而導致強度下降[7]；另外隨著退火速度的提高，γ→P 相變過冷度增加，使得奧氏體分解珠光體形核加速且共析反應溫度降低，根據(jù)相變動力學和熱力學原理，這將導致先共析鐵素體含量減少，珠光體轉變量增加[8]。通過對HSLA 鋼的熱軋、冷軋及連續(xù)退火工序的關鍵工藝參數(shù)進行優(yōu)化，形成標準化工藝控制參數(shù)，如表2 所示。

表2 HSLA 鋼的生產(chǎn)工藝參數(shù)

生產(chǎn)過程能力分析

通過對工業(yè)化生產(chǎn)的HSLA 主要鋼種HC260LA、HC340LA 與HC420LA 力學性能實績值進行統(tǒng)計，如表3 所示。

表3 HSLA 鋼的力學性能實績值

過程能力指數(shù)Cpk在判定鋼種力學性能穩(wěn)定性方面是一種有效手段，能夠用量化的數(shù)據(jù)說明其穩(wěn)定程度，對于汽車廠和鋼廠都具有很重要的意義[9]。Cpk是指工序過程能力指數(shù)，其值越高，則產(chǎn)品質量特性值的分散就會越小，表明生產(chǎn)越穩(wěn)定。通過對工業(yè)化生產(chǎn)的HSLA 主要鋼種HC260LA、HC340LA與HC420LA，隨機取100 組力學性能實績值，采用Minitab 軟件行數(shù)據(jù)分析處理，分別對其屈服強度、抗拉強度、斷后延伸率A80的進行過程能力圖分析，如圖1 所示。

圖1 HSLA 鋼的過程能力分析圖：（a，b，c）HC260LA 屈服強度、抗拉強度、延伸率；（d，e，f）HC340LA 屈服強度、抗拉強度、延伸率；（g，h，i）HC420LA 屈服強度、抗拉強度、延伸率

從圖1 的生產(chǎn)過程能力圖看，HC260LA、HC340LA 與HC420LA 的力學性能過程能力較好，屈服強度、抗拉強度、斷后延伸率A80的過程能力指數(shù)Cpk值統(tǒng)計如表4 所示，其中HC420LA 屈服強度由于用戶需求采用偏下限值的控制模式，其Cpk較低，僅為1.11，其余牌號及指標的Cpk值均大于1.33，說明過程能力穩(wěn)定，數(shù)據(jù)波動小，可更好滿足汽車主機廠的加工要求，避免了因性能波動調節(jié)沖壓模具參數(shù)而造成的廢品率與生產(chǎn)節(jié)奏影響，提高了用戶滿意度。

表4 HSLA 鋼的過程能力指數(shù)Cpk 值

結束語

通過對汽車用HSLA 鋼的研究開發(fā)，制定了標準化的汽車用HSLA 鋼產(chǎn)品控制計劃與工藝方案，形成了完善、穩(wěn)定、高效的生產(chǎn)工藝，已實現(xiàn)屈服強度260～420 MPa 級鋼種的批量接單，工藝窗口可控性強，生產(chǎn)過程能力穩(wěn)定，產(chǎn)品已成功應用于國內外知名汽車廠，對工業(yè)化生產(chǎn)具有重要的借鑒與指導意義。