鈦強(qiáng)化510MPa級汽車大梁鋼的試制

徐棟

（寶鋼集團(tuán)八鋼公司制造管理部）

1 前言

在國內(nèi)外汽車生產(chǎn)廠普遍追求降低成本、減輕車體自重、減少油耗的同時(shí),保證安全性的背景下,高強(qiáng)度、高質(zhì)量汽車大梁鋼在汽車上得到越來越多的應(yīng)用。近年來,以降低成本、提高性能、節(jié)約資源為目的減量化鋼材生產(chǎn)工藝技術(shù)越來越引起人們的重視,低成本高性能結(jié)構(gòu)鋼得到越來越廣泛的應(yīng)用。八鋼公司生產(chǎn)的抗拉強(qiáng)度510MPa級汽車大梁鋼以Nb、Ti復(fù)合微合金強(qiáng)化的材料為主。鈮鈦強(qiáng)化的該類鋼材有時(shí)會(huì)出現(xiàn)鋼板的屈強(qiáng)比高，斷后延伸率顯著偏低的問題。為了提高鋼材的綜合力學(xué)性能，以鈦合金鋼為研究對象,在八鋼1750熱連軋生產(chǎn)線進(jìn)行抗拉強(qiáng)度510MPa級汽車梁鋼的工業(yè)試驗(yàn),文章分析了鈦元素的強(qiáng)化機(jī)理以及對鋼材組織與性能的影響。

2 510MPa級汽車大梁鋼成分設(shè)計(jì)分析

2.1 微合金元素在鋼中的強(qiáng)化機(jī)理

（1）Nb在鋼中的強(qiáng)化機(jī)理：鈮更適用于低碳熱軋板帶。因?yàn)镹b(C,N)比NbC更易于在奧氏體區(qū)析出，氮含量將控制的盡可能低。

（2）V在鋼中的強(qiáng)化機(jī)理：釩以碳化物、氮化物和碳氮化物形式析出，其中最有效的是VN。對于給定的微合金化元素，氮化物更穩(wěn)定，即微粒不易粗化長大，這對釩的強(qiáng)化尤其顯著。

(3)Ti在鋼中的強(qiáng)化機(jī)理：鈦析出強(qiáng)化更具有吸引力。但由于鈦比較活躍，易于與氧、氮和硫結(jié)合，只有剩余的有效Ti才能以TiC析出，顯著提高強(qiáng)度。由于鈦是極活潑的金屬元素，鈦還能與鐵和碳生成難溶的碳化物質(zhì)點(diǎn)，富集于鋼的晶界處，阻止鋼的晶粒粗化，鈦能溶入γ和α相中，形成固溶體，使鋼產(chǎn)生強(qiáng)化。在奧氏體中析出的TiN粒子由于Ostwald熟化而長大，粒子粗化動(dòng)力學(xué)可由Wagner等式來描述[1]

式（1）表明鈦加入量過多，在鋼中容易形成粗大的Ti（C,N）夾雜，降低鋼的韌性。因此，在保證鋼材拉伸性能的前提下，盡可能控制鋼中鈦的加入量。這樣既能達(dá)到細(xì)晶強(qiáng)化或沉淀強(qiáng)化的目的，又能降低鋼中的夾雜物含量及尺寸，提高鋼材質(zhì)量，還可以降低制造成本。

2.2 成分設(shè)計(jì)

C是鋼中低成本的性能強(qiáng)化元素，鋼的強(qiáng)度隨碳含量的增加而提高，降低錳含量后適當(dāng)提高碳、鈦在鋼中的含量，鋼材的屈強(qiáng)比可顯著降低、斷后伸長率顯著提高，可顯著提高板材的塑性和冷加工性能。Mn可以改變鋼相變后的微觀組織，提高韌性、降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度，但錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高會(huì)引起連鑄板坯中心偏析過重，影響軋后鋼材的帶狀組織和各向異性。因此，錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)該較原來鈮強(qiáng)化B510L大梁鋼設(shè)計(jì)降低。

Ti是強(qiáng)碳化物形成元素，它與O、N、C都有極強(qiáng)的親和力。另外，鈦與硫的親和力大于鐵與硫的親和力，在含鈦鋼中優(yōu)先生成硫化鈦。由于鈦在未溶入之前，碳化鈦微粒有阻止晶粒長大的作用。鈦也是強(qiáng)鐵氧體形成元素之一，強(qiáng)烈地提高了鋼的A1和A3溫度。鈦在低合金鋼中能提高塑性和韌性。由于鈦固定了氮并形成碳化鈦或碳氮化鈦，提高了鋼的強(qiáng)度。為了有效防止鈦鐵加入鋼水中氧化和生成鈦的硫化物，提高鈦的收得率，確定鈦鐵加入鋼水的時(shí)機(jī)在LF深脫硫、深脫氧后的LF精煉末期加入。

Ti與碳形成的碳化物結(jié)合力極強(qiáng)、極穩(wěn)定、不易分解，只有當(dāng)加熱溫度達(dá)1000℃以上時(shí)，才開始緩慢地溶入固溶體中，在未溶入前，TiN微粒有阻止鋼晶粒長大的作用。鈮、釩、鋁、鈦的碳氮化物在鋼中的溶解及奧氏體晶粒長大見圖1和圖2。

鋼中高的氮含量容易生產(chǎn)鈦的碳氮化物復(fù)合夾雜，影響鋼材的各項(xiàng)性能。因此，確定鋼水氮含量控制在0.0040%～0.0065%。

圖1 鈮、釩、鋁、鈦的碳氮化物在鋼中的溶解

圖2 不同微合金化元素對晶粒長大的影響隨溫度的變化

采用碳、錳及鈮元素強(qiáng)化汽車大梁鋼具有高的強(qiáng)度及耐疲勞性能，但斷后延伸率余量不足。為了提高該鋼的塑性和低溫?zé)嵝裕芯库亸?qiáng)化對性能的影響。不同鈦含量對鋼材性能的影響見圖3。

圖3 不同鈦含量對鋼材性能的影響

綜合考慮鋼材性能、成本的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)鋼的成分設(shè)計(jì)錳含量目標(biāo)值由初始1.20%降低到0.90%以下，鈦含量目標(biāo)值由初始的0.03%提高到0.050%以上，其它元素與鈮、鈦復(fù)合強(qiáng)化的B510L成分設(shè)計(jì)相同。

文獻(xiàn)顯示鈦的強(qiáng)化機(jī)理[1]，鋼中鈦含量小于0.08%時(shí)主要是細(xì)晶強(qiáng)化，大于0.08%固溶強(qiáng)化起主要作用。軋制中形變誘導(dǎo)析出的碳化鈦可通過阻止奧氏體晶粒長大而細(xì)化鐵素體晶粒，而冷卻和卷取過程中析出的碳化鈦具有較強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化作用。為了保證碳化鈦在層冷過程的細(xì)小彌散析出，要求高鈦鋼板坯在加熱過程要充分固溶。

2.3 鈦強(qiáng)化的工藝路徑和關(guān)鍵控制點(diǎn)

工藝路線:高爐鐵水脫硫預(yù)處理→120t轉(zhuǎn)爐冶煉(爐后脫氧)→LF精煉(鈦合金化、吹氬、喂硅鈣夾芯線)→連鑄220mm板坯→熱連軋→卷取→檢驗(yàn)。

鋼板中的碳和鈮含量是提高鋼板強(qiáng)度、韌性以及可焊接性的主要因素。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，結(jié)合八鋼的設(shè)備狀況，確定了510MPa汽車大梁鋼開發(fā)的控制要點(diǎn)。

（1）采用低碳量，提高產(chǎn)品的韌性，使其具備良好的焊接性能。

（2）鈦微合金化，細(xì)化鋼的晶粒，提高產(chǎn)品的強(qiáng)度和韌性。

（3）LF采用造泡沫渣埋弧操作，深脫硫、去除夾雜，精煉結(jié)束喂鈣線或硅鈣夾芯線。

（4）鈣處理后對鋼包鋼水底吹氬弱攪拌，促使夾雜物上浮去除、改變夾雜形態(tài)。

（5）連鑄采用保護(hù)澆鑄，防止鋼水二次氧化，控制TiO2、Al2O3在連鑄過程再生成。

3 試驗(yàn)過程分析

3.1 冶煉及連鑄工藝

生產(chǎn)5爐試驗(yàn)鋼，生產(chǎn)工藝鐵水預(yù)脫硫、轉(zhuǎn)爐冶煉、LF精煉處理、板坯連鑄。

采用高爐鐵水需經(jīng)脫硫預(yù)處理，處理后硫含量控制在≤0.005%，磷含量≤0.10%。

120t轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制目標(biāo)為 [C]≤0.07%、[S]≤0.010%,[P]≤0.012%,出鋼前對爐渣進(jìn)行稠化,出鋼溫度為1630～1680℃。

LF脫硫、脫氧去夾雜，堿度控制在3.5～4.0,終渣(FeO)≤1.0%。采用低碳錳鐵、鋁鐵、硅鐵、鈦鐵、進(jìn)行脫氧合金化。LF精煉保持白渣時(shí)間在10min以上，精煉末期鈣處理，氬氣軟吹時(shí)間在8分鐘以上。

澆鑄方式采用吹氬大包水口＋吹氬塞棒＋浸入式水口＋中包覆蓋劑＋保護(hù)渣。

試驗(yàn)連鑄坯規(guī)格為板坯為:220×1500×長度（mm）

中間包鋼水過熱度10～30℃，拉速控制在1.0～1.20/min。連鑄坯低倍檢驗(yàn)C類偏析≤0.5級。連鑄中包取樣分析。鈦強(qiáng)化試驗(yàn)鋼熔煉的成品成分與原鈮鈦復(fù)合強(qiáng)化510MPa級汽車大梁鋼的成分設(shè)計(jì)見表1。

表1 鈮鈦復(fù)合強(qiáng)化鈦強(qiáng)化510MPa級汽車大梁鋼熔煉成分對比 %

3.2 軋制工藝

采用1750熱連軋軋機(jī)軋制厚度為5.69mm～9.50mm的熱軋卷，加熱溫度1150～1190℃，終軋溫度868～895℃(設(shè)計(jì)目標(biāo)終軋溫度860℃)，卷取溫度609～617℃(設(shè)計(jì)目標(biāo)卷取溫度610℃)。

4 兩種工藝的510MPa級性能對比

4.1 力學(xué)性能分析

表2 鈦強(qiáng)化試驗(yàn)材料與原鈮鈦復(fù)合強(qiáng)化材料的力學(xué)性能對比

試驗(yàn)鋼與鈮鈦復(fù)合強(qiáng)化生產(chǎn)的510L級大梁鋼的性能進(jìn)行了對比。從表2顯示，試驗(yàn)材料(鈦強(qiáng)化)鋼材的屈服強(qiáng)度408～520MPa，抗拉強(qiáng)度535～616MPa，屈強(qiáng)比0.75～0.82，鋼材斷后伸長率為28.0%～35.0%；原工藝(鈮鈦復(fù)合強(qiáng)化)鋼材的屈服強(qiáng)度440～580MPa，抗拉強(qiáng)度530～608MPa，屈強(qiáng)比0.82～0.90，鋼材斷后伸長率為25.0%～31.0%，在抗拉強(qiáng)度變化情況不大的情況下，試驗(yàn)材料的屈服度降低約50MPa，延伸率顯著提高，鋼材的塑性增加，各項(xiàng)力學(xué)性能滿足了國標(biāo)要求以及寶鋼企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

降低屈強(qiáng)比是改善冷成形性能和減少回彈的主要措施之一。微合金化高強(qiáng)度汽車大梁鋼板在冷沖壓成形時(shí)的回彈問題具有普遍性。試驗(yàn)對比顯示，鈦強(qiáng)化與鈮、鈦復(fù)合強(qiáng)化比較，鈦強(qiáng)化鋼材的屈強(qiáng)比顯著降低，抗拉強(qiáng)度變化不大的前提下，降低屈服應(yīng)力，鋼材的塑性增加，利于大梁鋼的冷加工變形。

4.2 鋼材中的組織和非金屬夾雜含量

經(jīng)金相顯微鏡觀察，鈮鈦復(fù)合強(qiáng)化組織為鐵素體和少量珠光體（鈮含量為0.01%，鈦含量為0.03%），晶粒度9級,見圖4中的a；試驗(yàn)的高鈦強(qiáng)化（鈦含量為0.05～0.07%）組織為鐵素體和少量珠光體，晶粒度10級,見圖4中的b。

兩種工藝生產(chǎn)的鋼材純凈度分析顯示，非金屬夾雜主要以球狀氧化物為主，級別分別為D17.5級和D1.0級(圖4中的c和d)，都達(dá)到了較高的潔凈度要求。

圖4 鈦與鈮強(qiáng)化鋼板的金相組織對比

5 結(jié)論

（1）通過鈦微合金化元素和控軋、控冷工藝相結(jié)合，獲得細(xì)晶粒組織。

（2）改善了試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能。鋼板的屈強(qiáng)比降低，斷后伸長率提高，塑性提高，試驗(yàn)鋼具有良好的冷加工成型性能。

（3）鈦強(qiáng)化的試驗(yàn)鋼與鈮、鈦復(fù)合合強(qiáng)化材料相比，制造成本顯著降低。