趙江濤劉 斌劉永前周祖安鄧照軍楊海林

（1.武鋼研究院 湖北 武漢：430080；2.武鋼熱軋總廠 湖北 武漢：430081）

590MPa級(jí)高強(qiáng)度汽車大梁鋼的組織與性能研究

趙江濤1劉 斌1劉永前1周祖安1鄧照軍1楊海林2

（1.武鋼研究院 湖北 武漢：430080；2.武鋼熱軋總廠 湖北 武漢：430081）

通過在碳錳鋼基礎(chǔ)上添加鈮鈦微合金化元素，成功開發(fā)出鐵素體＋珠光體組織的高強(qiáng)度大梁用鋼，該鋼鋼質(zhì)純凈、晶粒細(xì)小、強(qiáng)度高、耐疲勞性好，已成功應(yīng)用于重型載重車縱梁制造。

大梁鋼；高強(qiáng)度；細(xì)晶強(qiáng)化；沉淀強(qiáng)化

為適應(yīng)汽車工業(yè)高強(qiáng)減薄、節(jié)能減排的行業(yè)趨勢(shì)和滿足國(guó)家低碳經(jīng)濟(jì)策略下的環(huán)保政策，國(guó)內(nèi)眾多汽車公司紛紛計(jì)劃并實(shí)踐高強(qiáng)化路線。汽車底盤車架減重是一個(gè)重點(diǎn)方向。車架是客貨車的承重件，由縱梁、橫梁、襯梁、加強(qiáng)板等組成。各零部件采用冷沖壓或滾壓方式成形，采用鉚接方式裝配。目前市場(chǎng)上廣泛使用的強(qiáng)度級(jí)別是440MPa、510MPa，各大鋼廠也有相應(yīng)牌號(hào)［1－4］。在此形勢(shì)下，武鋼成功開發(fā)出590MPa級(jí)大梁鋼WL590，成功供貨于東風(fēng)、陜汽、柳汽等汽車廠。

車架梁一般采用鈮、釩、鈦微合金鋼制造，在控制軋制過程中，應(yīng)變誘導(dǎo)析出的碳氮化物及加速冷卻工藝使晶粒細(xì)化，軋制后在鐵素體中析出的碳氮化鈮和碳氮化鈦起沉淀強(qiáng)化的作用。由于鈦有效地改變了硫化物夾雜的形貌［5］，因此含鈦鋼板冷彎性能特別好，但是，含鈦鋼板對(duì)卷取溫度和軋后冷卻速度較敏感，所以含鈦鋼板的強(qiáng)度波動(dòng)范圍大，通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝，控制冷卻速度，可穩(wěn)定鋼板的性能。鈮的析出強(qiáng)化作用大于鈦，通過高溫控軋、控冷和低溫卷取相結(jié)合，能獲得最佳的強(qiáng)度和延性的配合［6］?，F(xiàn)在用含鈮鋼制作車架梁，沖壓性能良好，因而近年來含鈮鋼有很大發(fā)展。本文系統(tǒng)研究了鈮鈦復(fù)合強(qiáng)化的WL590的微觀組織及其各項(xiàng)性能。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 性能要求與成分設(shè)計(jì)

590MPa級(jí)大梁鋼的性能要求如表1所示。

表1 試驗(yàn)鋼的性能要求

試驗(yàn)鋼的成分設(shè)計(jì)思路是：在碳錳鋼基礎(chǔ)上，添加鈮鈦進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)化。試驗(yàn)鋼的冶煉成分如表2所示。

表2 試驗(yàn)鋼的成分設(shè)計(jì)（wt%）

試驗(yàn)鋼卷的軋制規(guī)格是：8mm×1270mm。

1.2 試驗(yàn)項(xiàng)目及設(shè)備

力學(xué)性能試驗(yàn)在ZWICK公司60噸拉伸試驗(yàn)機(jī)上完成。金相組織分析在LEICA DM6000M金相顯微鏡上完成。透射電鏡分析在JEM－2100F型場(chǎng)發(fā)射透射電鏡上完成。低溫沖擊性能測(cè)試在PSW750儀器化擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上完成。擴(kuò)孔性能測(cè)試在通用板材成形試驗(yàn)機(jī)上完成。疲勞性能測(cè)試在PLG－200高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上完成。

1.3 工藝流程

試驗(yàn)鋼WL590的工藝流程是：鐵水脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→真空處理→連鑄→鑄坯精整→板坯加熱→熱連軋機(jī)控軋→層流冷卻→卷取→取樣檢驗(yàn)→包裝外運(yùn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 組織分析

試驗(yàn)鋼的成分設(shè)計(jì)及軋制和冷卻工藝設(shè)計(jì)決定其組織是鐵素體和珠光體。通過控軋控冷工藝使晶粒細(xì)化是該試驗(yàn)鋼的主要強(qiáng)化手段。

在金相顯微鏡下放大500倍后觀察到的組織特征如圖1所示，組織由鐵素體和細(xì)珠光體組成，晶粒細(xì)小均勻，晶粒度是13級(jí)，珠光體比例約10%。在透射電鏡下進(jìn)一步觀察放大后的珠光體形貌如圖2所示，珠光體細(xì)小均勻分布在鐵素體晶粒間。鐵素體和珠光體細(xì)小均勻分布將有效保證試驗(yàn)鋼力學(xué)性能的均勻性。

2.2 析出物分析

試驗(yàn)鋼采用鈮鈦復(fù)合強(qiáng)化，在板坯加熱時(shí)，鈮和鈦充分溶解，在冷卻過程中鈮和鈦與碳和氮復(fù)合析出，形成碳氮化鈮鈦析出相。析出相在軋制過程中有效阻礙了晶粒長(zhǎng)大，起到了細(xì)化晶粒的作用。同時(shí)復(fù)合相在晶粒內(nèi)部或晶界處起到釘軋位錯(cuò)的作用，提高了試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度，起到了析出強(qiáng)化的作用。析出相的尺寸及分布對(duì)性能影響顯著，尺寸細(xì)小且均勻分布能有效提高試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度。

在透射電境下觀察析出物的形貌和分布如圖3所示。能譜分析表明，析出物是鈮和鈦的碳氮化物，如圖4所示。析出相的尺寸為30nm，細(xì)小且彌散分布，表明加熱及軋制工藝設(shè)計(jì)能充分保證碳氮化物充分析出。

2.3 拉伸性能分析

評(píng)價(jià)一卷鋼性能穩(wěn)定性最好的方向是分析不同部位的力學(xué)性能。取試驗(yàn)鋼頭、中、尾三個(gè)部位，按0°、45°、90°三個(gè)方向分析力學(xué)性能，如表3所示。從表中看出，不同部位、不同方向的力學(xué)性能均達(dá)到性能目標(biāo)設(shè)計(jì)要求，頭部強(qiáng)度高于尾部強(qiáng)度，因?yàn)槲膊勘貢r(shí)間長(zhǎng)，晶粒長(zhǎng)大時(shí)間長(zhǎng)于頭部，稍微粗大。不同部位間的性能波動(dòng)在30MPa以內(nèi)，試驗(yàn)鋼性能均勻，表明軋制過程控制良好。

表3 試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

2.4 沖擊性能分析

在鋼板的中部取橫向試樣，將試驗(yàn)鋼加工成尺寸為7.5mm×10mm×55mm的V型缺口試樣，在常溫至－80℃系列溫度下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，各溫度下的沖擊功如圖5所示。在圖中通過1／2沖擊平臺(tái)（上沖擊功平臺(tái)值166J的一半即83J對(duì)應(yīng)的溫度）確定脆性轉(zhuǎn)變溫度ITT＜－80℃，表明試驗(yàn)鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度低，充分保證其在低溫條件下的服役能力。

2.5 擴(kuò)孔性能分析

擴(kuò)孔性能反映了試驗(yàn)鋼的翻邊、彎曲性能。將試驗(yàn)鋼加工成厚3mm、外徑100mm、內(nèi)徑16.5mm的圓片試樣進(jìn)行擴(kuò)孔試驗(yàn)，測(cè)得試驗(yàn)鋼的擴(kuò)孔率如圖6所示，擴(kuò)孔率平均值是92%，表明試驗(yàn)鋼擴(kuò)孔性能優(yōu)良，翻邊、彎曲加工性能好。

2.6 疲勞性能分析

采用拉－拉疲勞測(cè)試方法測(cè)試試驗(yàn)鋼的疲勞性能，應(yīng)力比設(shè)定為0.1，頻率為160Hz。試驗(yàn)鋼的疲勞性能曲線如圖7所示，縱坐標(biāo)是應(yīng)力幅，橫坐標(biāo)是循環(huán)次數(shù)。試驗(yàn)鋼的條件疲勞強(qiáng)度是132MPa，即在應(yīng)力幅為132MPa時(shí)循環(huán)1千萬次，試樣未發(fā)生斷裂，此時(shí)對(duì)應(yīng)最大應(yīng)力293MPa。試驗(yàn)結(jié)果還顯示，當(dāng)應(yīng)力幅為最大值214MPa時(shí)，循環(huán)次數(shù)為31.9萬次。

圖7 試驗(yàn)鋼的疲勞極限

通過對(duì)離散的試驗(yàn)點(diǎn)擬合，得到試驗(yàn)鋼的的疲勞曲線公式是：LgN＝－1.392146×Lg（σ－132）＋8.2354365，擬合相關(guān)度系數(shù)是0.951。通過該擬合公式可計(jì)算出任意應(yīng)力幅下試驗(yàn)鋼的疲勞循環(huán)次數(shù)。

3 結(jié) 論

（1）通過鈮和鈦微合金化元素和控軋控冷工藝相結(jié)合，奧氏體再結(jié)晶被抑制，晶粒細(xì)化，獲得細(xì)晶粒組織和細(xì)小的碳氮化鈮鈦析出物。組織是鐵素體和細(xì)珠光體，晶粒度13級(jí)。析出物尺寸是30nm，均勻分布。

（2）細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化顯著提升了試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能。抗拉強(qiáng)度達(dá)到670MPa，延伸率達(dá)到23.5%。不同部位、不同方向的強(qiáng)度波動(dòng)不超過30MPa。

（3）試驗(yàn)鋼具有良好工藝性能。試驗(yàn)鋼的擴(kuò)孔率達(dá)到92%，翻邊性能良好。脆性轉(zhuǎn)變溫度低于－80℃，低溫服役能力好。條件疲勞強(qiáng)度是132MPa，耐疲勞性好。

［1］ 鐘定忠.汽車大梁板WL510鋼的研制［J］.特殊鋼，2002，23（增刊）：56－58.

［2］ 周曉光.FTSR軋制BG510L鋼的組織與性能分析［J］.鋼鐵，2008，43（2）：73－76.

［3］ 王忠東.汽車大梁用鋼BG510L連鑄工藝實(shí)踐［J］.連鑄，2002，（6）：9－10.

［4］ 石發(fā)才.T420L和T510L汽車大梁用熱軋帶鋼的開發(fā)［J］.太鋼科技.2003，（3）：48－53.

［5］ 王祖濱.美國(guó)鋼鐵工業(yè)中鈦的應(yīng)用［J］.國(guó)外低合金鋼.合金鋼，1994（14）：35－38.

［6］ 付俊巖.如何用鈮改善鋼的性能－含鈮鋼生產(chǎn)技術(shù)［J］.2007：36－37.

Development of Automotive Crossbeam Steel With 590MPa Tensile Strength

ZHAO Jiangtao LIU Bin LIU Yongqian ZHOU Zu＇an DENG Zhaojun YANG Hailin

High strength beam steel with a microstructure of perlite and ferrolite is successfully developed by adding Nb and Ti on the base of carbon manganese steel.Owing to its pure materials，fine grain size，high strength and excellent formability，the steel is applied to the production of truck beam.

beam steel；high strength；fine grain strengthen；precipitation strengthen

TG115

A

1671－3524（2012）02－0008－03

（責(zé)任編輯：李文英）

2012－03－23

2012－04－28

趙江濤（1978～），男，碩士，工程師.E－mail：oatt＠yahoo.cn