供稿|吳剛，荊濤，金世銓/WU Gang， JING Tao， JIN Shi-quan

低成本510L汽車大梁鋼生產(chǎn)實(shí)踐

供稿|吳剛1，荊濤2，金世銓1/
WU Gang1， JING Tao2， JIN Shi-quan1

內(nèi)容導(dǎo)讀

為達(dá)到汽車的輕量化發(fā)展，在傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，利用廉價(jià)的Ti-Fe替代昂貴的Nb-Fe，突出鈦的析出強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)了輕量低成本汽車大梁鋼510L生產(chǎn)。生產(chǎn)實(shí)踐表明，當(dāng)鋼中Ti≥0.04%，汽車大梁鋼510L對(duì)軋制工藝的波動(dòng)較為敏感，鋼板存在強(qiáng)度波動(dòng)較大的問(wèn)題。通過(guò)化學(xué)成分和軋制工藝的不斷優(yōu)化，輕量低成本汽車大梁鋼510L生產(chǎn)逐步穩(wěn)定。

隨著人們對(duì)生活品質(zhì)與環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提升，節(jié)能與安全越來(lái)越成為國(guó)內(nèi)外汽車制造業(yè)追求的主要發(fā)展方向。在降低油耗、減少排放、節(jié)能環(huán)保的諸多措施中，降低車重效果最為明顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車車重每減輕10%，可以節(jié)省原油3%～7%［1］。作為汽車重要零件之一的汽車大梁，特別是汽車承重梁，更是有效減輕汽車重量的主要零部件。

隨著冶金工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備和工藝技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，應(yīng)用微合金技術(shù)開發(fā)高強(qiáng)鋼，使品種鋼的結(jié)構(gòu)和用量發(fā)生了深刻的變化，微合金元素的開發(fā)與應(yīng)用充實(shí)了低合金鋼的物理冶金內(nèi)容和強(qiáng)韌化原理［2］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外先進(jìn)汽車廠正逐步增加高強(qiáng)鋼的使用量，而且隨著鋼鐵冶金技術(shù)和TMCP技術(shù)的逐漸成熟，以及含鈦鋼強(qiáng)化原理的逐漸完善，鈦微合金元素在鋼中的應(yīng)用逐步增加。與鈮鐵、釩鐵等微合金元素相比，鈦鐵更具有成本優(yōu)勢(shì)。

鈦在鋼中的作用主要有：1）鈦能與鋼中氮、碳原子結(jié)合，形成穩(wěn)定碳氮化鈦、氮化鈦及碳化鈦等，能有效地阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，從而改善材料的焊接性能；2）w（Ti）≥0.04%［3］，配合合理的控軋控冷工藝，在鋼中形成彌散細(xì)小的碳化鈦，起到沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用；3）鈦能球化鋼中的夾雜物，從而改善材料的低溫沖擊性能、各項(xiàng)異性及冷彎性能等。

由于鈦在鋼中非?；顫?，使得含鈦鋼性能波動(dòng)較大［4］，對(duì)化學(xué)成分和軋制工藝非常敏感。當(dāng)鋼中鈦含量較高（w（Ti）≥0.04%）時(shí)，利用鈦的析出強(qiáng)化機(jī)理，目前國(guó)內(nèi)各鋼鐵廠都逐步進(jìn)行了新產(chǎn)品開發(fā)。寶鋼、鞍鋼、本鋼、武鋼［3］等企業(yè)先后完成系列化鋼種的研發(fā)和生產(chǎn)。

在本鋼原有汽車大梁鋼510L采用碳錳鈮系，工藝性能穩(wěn)定，易于大批量生產(chǎn)。但由于鈮鐵合金價(jià)格較高，造成制造成本偏高，從2011年開始，逐漸采用鈦鐵替代鈮鐵，嚴(yán)格控制鋼中鈦含量（w（Ti）≥0.04%），同時(shí)降低鋼中錳含量，大幅度降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)了低成本汽車大梁鋼的生產(chǎn)。

實(shí)驗(yàn)原理

目前，按國(guó)標(biāo)GB/T3273—2015生產(chǎn)的510L采用在碳錳鋼基礎(chǔ)上加入鈦鐵。為實(shí)現(xiàn)減重并降低成本的生產(chǎn)目的，與原有工藝相比，采用鈦鐵代替鈮鐵，同時(shí)減少鋼中錳含量，突出了鈦的沉淀強(qiáng)化和析出強(qiáng)化。510L要求屈服強(qiáng)度≥355 MPa，抗拉強(qiáng)度510～650 MPa，斷后伸長(zhǎng)率≥24%（厚度≥3.0 mm）。

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)鋼中氣體氮較高時(shí)，首先形成氮化鈦，氮化鈦粒子大小與其析出過(guò)程有關(guān)。當(dāng)?shù)伭Ｗ樱?.5 μm時(shí)，生成液態(tài)或鋼液凝固過(guò)程中析出相，不起強(qiáng)化作用。當(dāng)鋼液凝固后生成氮化鈦，這些細(xì)小彌散的氮化鈦非常穩(wěn)定，能夠有效地阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，從而細(xì)化組織，隨著鋼中鈦含量增加，氮化鈦粒子將發(fā)生粗化。只有當(dāng)鋼中鈦含量達(dá)到一定值（w（Ti）≥0.04%）時(shí)，鈦在粗軋機(jī)、精軋機(jī)及層冷區(qū)析出彌散細(xì)小的碳化鈦粒子，才能起到析出強(qiáng)化作用。

鋼材軋制后在冷卻和卷取過(guò)程中，多余鈦將形成碳化鈦，形成細(xì)小彌散的碳化鈦析出物（溶于酸），導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度隨鈦含量增加而明顯提高，起沉淀析出強(qiáng)化作用。而隨著變形速率的提高，鋼水蓄積的瞬時(shí)能量急劇增加，使得鋼水勢(shì)能平衡遭到破壞，析出粒子的形核部位增多，發(fā)生變形后的粒子臨界尺寸急劇變小。

隨著終軋溫度的降低，含鈦鋼的屈服強(qiáng)度也會(huì)隨之下降。一方面，當(dāng)終軋溫度降低時(shí)，加入鈦微合金化使鋼板晶粒細(xì)化，細(xì)化晶粒有利于提高強(qiáng)度和塑性。通過(guò)降低終軋溫度改變了鋼板的奧氏體晶粒尺寸，細(xì)化了鐵素體組織，導(dǎo)致細(xì)晶強(qiáng)化占主導(dǎo)地位。另一方面，通過(guò)調(diào)整終軋溫度，在奧氏體區(qū)將會(huì)生成更多的碳化鈦。而且，碳化鈦晶粒尺寸越大，對(duì)屈服、抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)越小，使溶解在奧氏體中的碳化鈦數(shù)量減少，隨終軋溫度降低，沉淀強(qiáng)化的作用減弱。

此外，通過(guò)調(diào)整終軋溫度，使得發(fā)生形核所需的形變能提高。而作為形核的驅(qū)動(dòng)力，形變能將會(huì)驅(qū)使奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變溫度逐步升高，沉淀質(zhì)點(diǎn)所需的能量增加，進(jìn)一步降低了沉淀強(qiáng)化的作用，

從對(duì)比結(jié)果來(lái)看，當(dāng)終軋溫度降低時(shí)晶粒細(xì)化對(duì)屈服強(qiáng)度的提高遠(yuǎn)小于沉淀強(qiáng)化造成的強(qiáng)度減弱的作用。因此使鋼板的屈服強(qiáng)度降低。在鈦微合金鋼中，當(dāng)鋼板在600℃左右卷取時(shí)，可以起到明顯的沉淀強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用，使鋼板組織中的晶粒最為細(xì)小、均勻。

綜上所述，煉鋼生產(chǎn)中，應(yīng)嚴(yán)格控制鈦含量，按照純凈鋼冶煉，著重控制鋼中的N、O、S含量和夾雜物含量。軋鋼生產(chǎn)中，在控軋控冷基礎(chǔ)上，強(qiáng)化開軋、終軋、卷取以及軋后冷卻各點(diǎn)溫度控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)

工藝路徑

根據(jù)汽車大梁鋼的特點(diǎn)和用戶的使用要求，確定510L鋼生產(chǎn)工藝路徑為：鐵水預(yù)處理（DS）→轉(zhuǎn)爐冶煉（LD）→爐外精煉（LF）→連鑄（CC）→加熱→2300 mm→層流冷卻→卷取→取樣→檢驗(yàn)→包裝出廠。

實(shí)驗(yàn)要求

510L鋼的實(shí)際成品成分控制較為理想，已經(jīng)達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，而且鋼中氣體氧、氮含量較低，見(jiàn)表1。

表1　510L鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

連鑄坯尺寸：230 mm×1550 mm×8800 mm，在步進(jìn)式加熱爐中，連鑄坯加熱至1220℃［5］。為了避免原始奧氏體晶粒的過(guò)分長(zhǎng)大，采用高溫短時(shí)快速加熱，加熱時(shí)間為2 h 20 min。粗軋R1、R2各軋制3道次，軋成中間坯厚度為45 mm，精軋開軋溫度≥1130℃，成品厚度6.5 mm，終軋溫度為860℃，層流冷卻采用前段冷卻模式，卷取溫度為600℃。

結(jié)果分析

卷板冷卻后，在板寬1/4處，切取橫向拉伸試樣尺寸：6.5 mm×25 mm×300 mm，橫向冷彎試樣尺寸：6.5 mm×35 mm×260 mm，縱向沖擊試樣尺寸：5.0 mm×10 mm×55 mm。其工藝性能檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

在鋼板寬度中心部位切取金相試樣，研磨、拋光后用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀看金相組織，見(jiàn)圖1。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，510L的金相組織為鐵素體和珠光體，工藝性能和冷彎性能滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。強(qiáng)度富余量較大，實(shí)際值達(dá)到80 MPa以上。510L的系列沖擊功結(jié)果表明：溫度在-40℃時(shí)，沖擊功達(dá)到70 J以上，表明510L具有良好的沖擊韌性，總體強(qiáng)韌指標(biāo)富裕量較大。

表2　510L工藝性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1　510L鋼金相組織

510L在化學(xué)成分設(shè)計(jì)上采用鈦鐵替代鈮鐵，降低鋼中Mn含量，每噸鋼可節(jié)省成本70元以上，其實(shí)物質(zhì)量已達(dá)到了550 MPa級(jí)別的要求，強(qiáng)度和韌性指標(biāo)富余量較大，各項(xiàng)指標(biāo)滿足技術(shù)規(guī)范的要求。

優(yōu)化后的產(chǎn)品質(zhì)量

在研制510L鋼過(guò)程中，需重視成品中鈦含量的精準(zhǔn)控制、熱連軋機(jī)組各控制點(diǎn)溫度的穩(wěn)定性。根據(jù)鈦在鋼中強(qiáng)韌化機(jī)理，參考小批量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)低成本510L成分、工藝進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，調(diào)整鈦含量，降低錳含量，煉鋼采用潔凈鋼冶煉控制技術(shù)，軋鋼降低進(jìn)精軋溫度，優(yōu)化冷卻模式及卷取溫度，所獲得的510L鋼板的表面質(zhì)量和力學(xué)性能優(yōu)異，見(jiàn)表3。其力學(xué)性能和斷后伸長(zhǎng)率有一定富余量，使得510L工藝波動(dòng)造成的影響較小。

表3　優(yōu)化后的510L力學(xué)性能

性能穩(wěn)定性控制

眾所周知，由于鈦在鋼中非?；顫姡瑸榱双@得穩(wěn)定的性能，如何控制化學(xué)成分、軋制工藝的穩(wěn)定性是產(chǎn)品性能穩(wěn)定的前提，同時(shí)取樣位置、試樣加工精度和檢驗(yàn)設(shè)備的精確度對(duì)反饋真實(shí)性能也非常重要。

研究表明：鈦含量對(duì)強(qiáng)度的影響可分為三個(gè)階段，添加微量鈦（＜0.04%）條件下強(qiáng)度變化較?。烩伜吭黾又?.04%～0.08%時(shí)，隨鈦含量增加，強(qiáng)度顯著提高；當(dāng)鈦含量增加到0.09%～0.15%時(shí)，強(qiáng)度隨鈦含量增加趨于平緩，見(jiàn)圖2。

圖2　相同工藝條件下鈦對(duì)強(qiáng)度的影響

結(jié)束語(yǔ)

在傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，利用鈦鐵替代鈮鐵，突出鈦的析出強(qiáng)化效果，實(shí)現(xiàn)了輕量低成本汽車大梁鋼510L生產(chǎn)。生產(chǎn)實(shí)踐表明：當(dāng)鋼中鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥0.04%，汽車大梁鋼510L對(duì)軋制工藝的波動(dòng)較為敏感，鋼板存在強(qiáng)度波動(dòng)較大的問(wèn)題。通過(guò)成分、工藝的不斷優(yōu)化，逐步實(shí)現(xiàn)了低成本汽車大梁鋼510L的穩(wěn)定生產(chǎn)。

1） 510L在化學(xué)成分設(shè)計(jì)上采用鈦鐵替代鈮鐵，同時(shí)還可以節(jié)省錳用量，每噸鋼節(jié)省成本70元，利用鈦鐵的強(qiáng)韌化機(jī)理，實(shí)現(xiàn)低成本汽車大梁用510L熱軋鋼帶（板）的穩(wěn)定生產(chǎn)。

2） 生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)表明：低成本汽車大梁鋼510L金相組織為鐵素體和珠光體，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有較大富余量，-40℃沖擊功達(dá)到70 J以上，表明510L具有良好的沖擊韌性，總體強(qiáng)韌指標(biāo)富裕量較大，達(dá)到了550 MPa級(jí)別的要求，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)規(guī)范的要求。

3） 510L的生產(chǎn)，需注重冶煉過(guò)程鈦的精準(zhǔn)控制，熱連軋機(jī)組各點(diǎn)溫度控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。根據(jù)碳化鈦在鋼中沉淀強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的特點(diǎn)，參考小批量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)510L進(jìn)行了優(yōu)化，調(diào)整鈦、錳含量，煉鋼采用潔凈鋼冶煉控制技術(shù)，軋鋼降低進(jìn)精軋溫度，優(yōu)化冷卻模式及卷取溫度，所獲得的510L鋼板的表面質(zhì)量和力學(xué)性能優(yōu)異。

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Practice of Low Cost 510L Automobile Beam Steel

10.3969/j.issn.1000-6826.2016.05.10

吳剛（1968—），男，高級(jí)工程師，畢業(yè)于東北大學(xué)鋼鐵冶金專業(yè)，在本鋼產(chǎn)品研究院熱軋高強(qiáng)鋼研究所從事新產(chǎn)品研發(fā)工作，通信地址：117000 遼寧省本溪市明山區(qū)唐家路錦程公寓17號(hào)樓，E-mail：wg04140414@ sohu.com。

1. 本鋼集團(tuán)產(chǎn)品研究院，遼寧 本溪 117000；2. 本鋼集團(tuán)熱連軋廠，遼寧 本溪 117000