汽車(chē)用冷軋低合金高強(qiáng)鋼H C 4 2 0 L A的開(kāi)發(fā)

葉 姜 樊 雷 余軼峰

1.前言

輕量化一直是汽車(chē)行業(yè)中一個(gè)重大的發(fā)展方向。高強(qiáng)度鋼在抗碰撞性能、加工工藝和成本方面較鋁、鎂合金具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足減輕汽車(chē)質(zhì)量和提高碰撞安全性能的雙重需要。從成本與性能角度來(lái)看，是滿足車(chē)身輕量化、提高碰撞安全性的最佳材料。高強(qiáng)度鋼板能夠大幅度增加零件的抗變形能力，提高能量吸收能力和擴(kuò)大彈性應(yīng)變區(qū)。高強(qiáng)度鋼應(yīng)用于汽車(chē)零件上，可以通過(guò)減薄零件厚度來(lái)減輕車(chē)身質(zhì)量，當(dāng)鋼板厚度分別減少0.05mm、0.10mm、0.15mm時(shí)車(chē)身可減重6%、12%、18%。車(chē)身用鋼向高強(qiáng)度化發(fā)展已經(jīng)成為趨勢(shì)。在汽車(chē)制造中，白車(chē)身車(chē)架縱、橫梁和汽車(chē)底盤(pán)等結(jié)構(gòu)件和加強(qiáng)件，受力結(jié)構(gòu)需要有良好的抗變形能力，即需要有高的屈服強(qiáng)度和高的屈強(qiáng)比，高強(qiáng)低合金鋼正好可以滿足此要求[1-2]。

2.成分設(shè)計(jì)

汽車(chē)用冷軋低合金高強(qiáng)鋼HC420LA代表了冷軋低合金高強(qiáng)鋼的最高強(qiáng)度級(jí)別，執(zhí)行DIN EN 10268標(biāo)準(zhǔn)，這種鋼具有良好的成形性能和較高的強(qiáng)度，主要用于汽車(chē)座椅、橫梁等結(jié)構(gòu)件和加強(qiáng)件。在低碳鋼中添加少量的鈮和（或）鈦等合金元素，使其與碳、氮等元素形成碳化物、氮化物并在鐵素體機(jī)體上析出從而提高鋼的強(qiáng)度[3]。柳鋼的汽車(chē)用冷軋低合金高強(qiáng)鋼HC420LA采用罩式退火設(shè)備生產(chǎn)，化學(xué)成分設(shè)計(jì)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，采用晶粒細(xì)化、沉淀強(qiáng)化等復(fù)合強(qiáng)化機(jī)制保證鋼的強(qiáng)度。綜合考慮，HC420LA設(shè)計(jì)的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 冷軋低合金高強(qiáng)鋼HC420LA化學(xué)成分 wt%

3.工藝流程及過(guò)程控制

3.1 生產(chǎn)工藝流程

HC420LA生產(chǎn)工藝流程：鐵水預(yù)處理-轉(zhuǎn)爐冶煉-LF精煉-RH精煉-板坯連鑄-熱軋-酸軋-罩式退火-平整-拉矯-卷取包裝。

3.2 冶煉及連鑄工藝

鐵水深脫硫，扒渣干凈；轉(zhuǎn)爐冶煉，控制C、P、S成分，采用Al-Fe脫氧，Mn-Fe配Mn，Nb-Fe、Ti-Fe調(diào)Nb、Ti，RH脫氣處理，降低H和O含量，使鋼的成分達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，連鑄時(shí)采取低過(guò)熱度澆注和全程保護(hù)澆注。

3.3 熱連軋工藝

低合金高強(qiáng)鋼HC420LA的強(qiáng)度要求較高，但柳鋼冷軋軋機(jī)的負(fù)荷能力一定，要求熱軋基板的強(qiáng)度不能過(guò)高。熱軋工序板坯加熱溫度控制在1200℃-1250℃范圍內(nèi)，采用高溫加熱，保證穩(wěn)定軋制的同時(shí)，在鋼中獲得粗大的碳氮化合物等第二相粒子。為使得在奧氏體形變過(guò)程中產(chǎn)生的大量位錯(cuò)得以保留，從而提高最終轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中的位錯(cuò)密度，增強(qiáng)位錯(cuò)強(qiáng)化和其他因素，終軋溫度目標(biāo)值為860℃-900℃，卷取溫度580℃-640℃，有利于獲得均勻和細(xì)小的鐵素體晶粒。對(duì)低合金高強(qiáng)度鋼 HC420LA 熱軋基板進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)（見(jiàn)表2）；對(duì)其進(jìn)行金相檢驗(yàn)，金相組織為鐵素體+珠光體，晶粒度平均為13級(jí)。

表2 HC420LA熱軋基板力學(xué)性能

表3 HC420LA冷軋卷力學(xué)性能

3.4 冷軋工藝

熱軋?jiān)辖?jīng)過(guò)鹽酸紊流酸洗后，經(jīng)5機(jī)架冷連軋機(jī)組進(jìn)行軋制，冷軋壓下率越大，有利于提高金屬冷軋變形儲(chǔ)能，增加退火過(guò)程中再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力。但考慮到柳鋼冷軋機(jī)組的設(shè)備能力和設(shè)備損耗，結(jié)合柳鋼實(shí)際情況，冷軋壓下率控制在50%-60%。在罩式退火中，要保證試驗(yàn)鋼的沖壓性能，必須使鋼板充分再結(jié)晶，消除加工硬化現(xiàn)象。同時(shí)均勻組織和細(xì)小等軸晶粒也有利于提高沖壓性能。HC420LA基板經(jīng)過(guò)冷軋后位錯(cuò)密度急劇升高，硬卷抗拉強(qiáng)度可達(dá)1000MPa以上。由于冷軋產(chǎn)生的加工硬化只有通過(guò)再結(jié)晶退火才能消除，冷軋后的組織通過(guò)回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大3個(gè)過(guò)程，最終獲得理想的沖壓性能。為了制定合理的再結(jié)晶退火制度，采用硬度法測(cè)量了鋼的再結(jié)晶溫度為600℃。

冷軋板進(jìn)行平整是為了保證鋼板板形，且對(duì)于消除屈服平臺(tái)、減少回彈以提高冷軋高強(qiáng)度鋼板的沖壓性能有利，在保證板形的質(zhì)量的前提下，適當(dāng)提高軋制壓力對(duì)于提高鋼板的強(qiáng)度有一定作用，所以設(shè)定平整延伸率控制在1.5%-2.0%。

4 產(chǎn)品性能及應(yīng)用

4.1 產(chǎn)品性能及金相組織

HC420LA冷軋卷取樣進(jìn)行縱向、橫向、45°方向力學(xué)性能及橫向金相組織檢驗(yàn)，（見(jiàn)表3），組織為鐵素體+滲碳體，鐵素體晶粒度13級(jí)，將樣品進(jìn)行透射電鏡制樣，應(yīng)用JEM-2100F透射電鏡對(duì)試樣進(jìn)行了析出物觀察，其析出物非彌散分布，顆粒大小5nm-40nm，經(jīng)光譜分析其組成為T(mén)iC、TiN、Ti4C2S2和少量的MnS等。添加鈮、鈦等微合金元素，使鋼中形成細(xì)小、彌散的碳、氮化物，細(xì)化晶粒和阻礙位錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度的提高，使其具有較高的強(qiáng)度和塑性，滿足汽車(chē)制造對(duì)強(qiáng)度、塑性和韌性以及其他成形方面的要求。

4.2 產(chǎn)品應(yīng)用

柳鋼生產(chǎn)的汽車(chē)用低合金高強(qiáng)鋼HC420LA各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，得到汽配廠的認(rèn)可，實(shí)現(xiàn)批量供貨，成功應(yīng)用于某車(chē)型D柱，座椅鉸鏈等零件上。

5.結(jié)語(yǔ)

（1）以C-Mn鋼為基體，添加Nb、Ti元素延遲奧氏體再結(jié)晶獲得細(xì)晶強(qiáng)化組織獲得420MPa級(jí)高強(qiáng)度低合金鋼，性能良好，滿足沖壓要求。

（2）對(duì)HC420LA進(jìn)行析出物分析，可見(jiàn)鋼中形成細(xì)小、彌散的碳、氮化物，細(xì)化晶粒和阻礙位錯(cuò)，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度的提高，使其具有較高的強(qiáng)度和塑性，滿足汽車(chē)制造對(duì)強(qiáng)度、塑性和韌性以及其他成形方面的要求。

[1]康永林,朱國(guó)明.中國(guó)汽車(chē)發(fā)展趨勢(shì)及汽車(chē)用鋼面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J]．鋼鐵，2014,49（12）∶1-7.

[2]康永林.汽車(chē)輕量化先進(jìn)高強(qiáng)鋼與節(jié)能減排[J].鋼鐵,2008,43(06)∶1-7.

[3]姚貴升.汽車(chē)用鋼應(yīng)用技術(shù)[M]. 2007，7∶269-291.