590MPa級高強度汽車大梁鋼的組織與性能研究

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級高強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）

通過在碳錳鋼基礎上添加鈮鈦微合金化元素，成功開發出鐵素體＋珠光體組織的高強度大梁用鋼，該鋼鋼質純凈、晶粒細小、強度高、耐疲勞性好，已成功應用于重型載重車縱梁制造。

大梁鋼；高強度；細晶強化；沉淀強化

為適應汽車工業高強減薄、節能減排的行業趨勢和滿足國家低碳經濟策略下的環保政策，國內眾多汽車公司紛紛計劃并實踐高強化路線。汽車底盤車架減重是一個重點方向。車架是客貨車的承重件，由縱梁、橫梁、襯梁、加強板等組成。各零部件采用冷沖壓或滾壓方式成形，采用鉚接方式裝配。目前市場上廣泛使用的強度級別是440MPa、510MPa，各大鋼廠也有相應牌號［1－4］。在此形勢下，武鋼成功開發出590MPa級大梁鋼WL590，成功供貨于東風、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，應變誘導析出的碳氮化物及加速冷卻工藝使晶粒細化，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，含鈦鋼板對卷取溫度和軋后冷卻速度較敏感，所以含鈦鋼板的強度波動范圍大，通過改進生產工藝，控制冷卻速度，可穩定鋼板的性能。鈮的析出強化作用大于鈦，通過高溫控軋、控冷和低溫卷取相結合，能獲得最佳的強度和延性的配合［6］。現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展。本文系統研究了鈮鈦復合強化的WL590的微觀組織及其各項性能。

1 試驗材料及方法

1.1 性能要求與成分設計

590MPa級大梁鋼的性能要求如表1所示。

表1 試驗鋼的性能要求

試驗鋼的成分設計思路是：在碳錳鋼基礎上，添加鈮鈦進行復合強化。試驗鋼的冶煉成分如表2所示。

表2 試驗鋼的成分設計（wt%）

試驗鋼卷的軋制規格是：8mm×1270mm。

1.2 試驗項目及設備

力學性能試驗在ZWICK公司60噸拉伸試驗機上完成。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型場發射透射電鏡上完成。低溫沖擊性能測試在PSW750儀器化擺錘沖擊試驗機上完成。擴孔性能測試在通用板材成形試驗機上完成。疲勞性能測試在PLG－200高頻疲勞試驗機上完成。

1.3 工藝流程

試驗鋼WL590的工藝流程是：鐵水脫硫→轉爐冶煉→真空處理→連鑄→鑄坯精整→板坯加熱→熱連軋機控軋→層流冷卻→卷取→取樣檢驗→包裝外運。

2 結果與討論

2.1 組織分析

試驗鋼的成分設計及軋制和冷卻工藝設計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化是該試驗鋼的主要強化手段。

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，組織由鐵素體和細珠光體組成，晶粒細小均勻，晶粒度是13級，珠光體比例約10%。在透射電鏡下進一步觀察放大后的珠光體形貌如圖2所示，珠光體細小均勻分布在鐵素體晶粒間。鐵素體和珠光體細小均勻分布將有效保證試驗鋼力學性能的均勻性。

2.2 析出物分析

試驗鋼采用鈮鈦復合強化，在板坯加熱時，鈮和鈦充分溶解，在冷卻過程中鈮和鈦與碳和氮復合析出，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大，起到了細化晶粒的作用。同時復合相在晶粒內部或晶界處起到釘軋位錯的作用，提高了試驗鋼的強度，起到了析出強化的作用。析出相的尺寸及分布對性能影響顯著，尺寸細小且均勻分布能有效提高試驗鋼的強度。

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，細小且彌散分布，表明加熱及軋制工藝設計能充分保證碳氮化物充分析出。

2.3 拉伸性能分析

評價一卷鋼性能穩定性最好的方向是分析不同部位的力學性能。取試驗鋼頭、中、尾三個部位，按0°、45°、90°三個方向分析力學性能，如表3所示。從表中看出，不同部位、不同方向的力學性能均達到性能目標設計要求，頭部強度高于尾部強度，因為尾部保溫時間長，晶粒長大時間長于頭部，稍微粗大。不同部位間的性能波動在30MPa以內，試驗鋼性能均勻，表明軋制過程控制良好。

表3 試驗鋼的力學性能

2.4 沖擊性能分析

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

2.5 擴孔性能分析

擴孔性能反映了試驗鋼的翻邊、彎曲性能。將試驗鋼加工成厚3mm、外徑100mm、內徑16.5mm的圓片試樣進行擴孔試驗，測得試驗鋼的擴孔率如圖6所示，擴孔率平均值是92%，表明試驗鋼擴孔性能優良，翻邊、彎曲加工性能好。

2.6 疲勞性能分析

采用拉－拉疲勞測試方法測試試驗鋼的疲勞性能，應力比設定為0.1，頻率為160Hz。試驗鋼的疲勞性能曲線如圖7所示，縱坐標是應力幅，橫坐標是循環次數。試驗鋼的條件疲勞強度是132MPa，即在應力幅為132MPa時循環1千萬次，試樣未發生斷裂，此時對應最大應力293MPa。試驗結果還顯示，當應力幅為最大值214MPa時，循環次數為31.9萬次。

圖7 試驗鋼的疲勞極限

通過對離散的試驗點擬合，得到試驗鋼的的疲勞曲線公式是：LgN＝－1.392146×Lg（σ－132）＋8.2354365，擬合相關度系數是0.951。通過該擬合公式可計算出任意應力幅下試驗鋼的疲勞循環次數。

3 結 論

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

（2）細晶強化和沉淀強化顯著提升了試驗鋼的力學性能。抗拉強度達到670MPa，延伸率達到23.5%。不同部位、不同方向的強度波動不超過30MPa。

（3）試驗鋼具有良好工藝性能。試驗鋼的擴孔率達到92%，翻邊性能良好。脆性轉變溫度低于－80℃，低溫服役能力好。條件疲勞強度是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連鑄工藝實踐［J］.連鑄，2002，（6）：9－10.

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

［5］ 王祖濱.美國鋼鐵工業中鈦的應用［J］.國外低合金鋼.合金鋼，1994（14）：35－38.

［6］ 付俊巖.如何用鈮改善鋼的性能－含鈮鋼生產技術［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