CW510L汽車大梁用熱軋帶鋼軋制工藝研究

羅 洪

(四川省川威釩鈦冶金科技開發有限公司，四川成都 610095)

1 引言

汽車大梁用熱軋帶鋼要求材料具有良好的綜合性能:高強度、高韌性、屈強比適中、冷成型性能好［1］，主要用于汽車縱橫梁及其他機械配件。隨著汽車工業及機械工業的發展，對大梁鋼的需求將越來越大，汽車大梁鋼的開發具有廣闊的市場前景。但由于汽車大梁鋼對綜合性能要求較高，且高強度與良好的冷彎性能之間存在著嚴重的矛盾。因此為實現該產品的生產，經過多次試制，不斷摸索經驗，并對開發過程中的問題進行深入的研究，提出解決措施，最終開發成功CW510L汽車大梁用熱軋帶鋼。

2 成分設計及冶煉工藝

2．1 成分設計

在成分設計過程中，充分借鑒了開發Q345B熱軋帶鋼的經驗，對連續兩個月生產的Q345B熱軋帶鋼的成分、性能進行了統計分析，其中力學性能見表1。

表1 Q345B力學性能

從表1可看出Q345B熱軋帶鋼的力學性能滿足國標510級汽車大梁用熱軋鋼板機械性能要求。但是考慮到汽車大梁用熱軋鋼板對冷彎性能要求嚴格，需做橫向寬冷彎試驗(彎芯直徑d=1 a，試樣寬度B=35 mm)，因此取了Q345B熱軋帶鋼寬冷彎試樣進行冷彎試驗，結果發現冷彎試驗全部不合格。分析表明鋼中的C、Si、Mn含量高是寬冷彎試驗不合格的主要原因，尤其是C影響最為嚴重。

通過對Q345B熱軋帶鋼的分析研究確定了CW510L的成分設計思路:在Q345B基礎上通過降C來改善冷彎性能，C含量降低帶來的強度損失采用微合金化來補償。目前廣泛使用的微合金化元素主要有釩、鈦、鈮。它們的主要作用是:①加熱時抑制奧氏體晶粒長大，由于微合金化元素形成高度彌散的碳氮化物小顆粒，可以對奧氏體晶界起固定作用，從而阻止奧氏體晶界遷移，阻止奧氏體晶粒長大;②抑制奧氏體再結晶，加熱時固溶于奧氏體中的微合金元素與奧氏體中的缺陷交互作用，使奧氏體更穩定，再結晶核心形成困難，使奧氏體再結晶困難，從而抑制奧氏體再結晶;③細化鐵素體(F)晶粒;④沉淀強化，當鋼在加熱時，它們的碳、氮化物固溶于奧氏體中，在隨后的軋制冷卻過程中又以碳、氮化物的形態沿奧氏體晶界或奧氏體晶內變形帶處以彌散細小均勻地分布在基體中，產生沉淀強化效應［2］。對于微合金化元素的應用，在Ш級螺紋鋼筋中使用V進行微合金化已經具有豐富的經驗，并借鑒相關企業的生產經驗，確定成分見表2。

表2 CW510L成分設計

2．2 冶煉工藝

2．2．1 工藝路線

KR脫硫→LD→氬站→板坯連鑄機保護澆注

2．2．2 轉爐控制

為了穩定、準確地控制化學成分，轉爐裝爐基本實行定量加入，盡量減小波動，并根據鐵水溫度及碳、硅含量對廢鋼比進行微調。穩定控制吹煉過程，盡量避免后吹造成鋼水過氧化。強化擋渣操作，保證擋渣效果。

2．2．3 氬站控制

氬站處理對吹氬強度進行了有效控制:前期大流量，促使合金快速熔化，強化脫氧進程;中期中等流量，繼續合金均勻化過程，同時保持鋼液面不大翻，防止因卷渣、吸氣等現象發生惡化鋼質;后期小流量，鋼液面微微涌動，保持5 min以上，保證鋼水中夾雜物充分上浮。

2．2．4 連鑄控制

連鑄對連鑄二次冷卻強度進行了重點控制，同時確保過熱度、拉速與冷卻強度的匹配，對結晶器寬、窄面足輥、彎曲一段、二段冷卻水量進行穩定控制。并且澆注過程中作好全程保護，避免二次氧化。

3 軋制工藝

3．1 工藝流程

3．2 工藝制度

工藝制度主要包括:加熱制度、變形制度、速度制度、除鱗制度、輥型制度、冷卻制度、卷取制度。

3．3 主要工藝制度介紹

3．3．1 溫度制度

出爐溫度:1150～1250℃

粗軋出口溫度:970～1060℃

精軋入口溫度:920～1030℃

終軋溫度:840～910℃

3．3．2 變形制度

變形制度的制定遵循以下原則:在設備能力允許的情況下盡量提高壓下率、縮減軋制道次、縮短軋制周期、提高作業率。

粗軋采用可逆式軋制方式，經過5道次水平壓下和3道次立軋給精軋提供合格的中間板坯。為了保證中間板坯的板形，粗軋最后道次的壓下率取得較小，同時為了保證帶鋼的邊部質量，3道次立軋給予了10～20 mm的側壓。精軋采用連軋方式經過7道次水平壓下和1道次立軋。

3．3．3 除鱗制度

氧化鐵皮分為爐生氧化鐵皮和次生氧化鐵皮。板坯表面氧化鐵皮的清除程度直接影響到熱軋帶鋼的表面質量。如果氧化鐵皮未除凈在軋制過程中被壓入帶鋼表面，將影響帶鋼的表面質量，給用戶的使用造成困難，嚴重的將導致廢品。因此，必須制定合理的除鱗制度。對氧化鐵皮的特點進行研究后制定了以下除鱗制度:初除鱗除去爐生氧化鐵皮，軋制時制常開狀態;粗軋除鱗根據精軋溫度調節開啟道次，終軋溫度高時粗軋開3道除鱗水，終軋溫度低時粗軋開2道除鱗水，粗軋除鱗不得少于2道;精軋除鱗除去次生氧化鐵皮，軋制時制常開狀態。

3．3．4 冷卻制度

熱軋帶鋼出精軋后的冷卻制度很大程度上決定了帶鋼的金相組織，對帶鋼最終的力學性能、工藝性能產生非常大的影響。根據該鋼種特性并借鑒同類鋼種的生產經驗制定:卷取溫度580～660℃，層流冷卻采用冷卻水全開弱冷方式并且根據帶鋼厚度對冷卻水量進行適當調整。帶鋼出精軋后經層流冷卻到目標卷取溫度，卷取后堆冷。

4 試生產結果

4．1 力學性能及冷彎性能

試生產過程中，CW510L汽車大梁用熱軋帶鋼各批次力學性能、冷彎性能(見表3)及性能指標對比見圖1、圖2、圖3，冷彎實物樣見圖4、圖5。

表3 各批次力學性能、冷彎性能

4．2 金相組織

試樣經機械拋光后用4%硝酸酒精浸蝕，在顯微鏡下觀察 (500X)，基體組織主要為鐵素體+珠光體，晶粒度10．0～12．0級，組織照片見圖6(10．0 級)、圖7(12．0 級)。

圖5 冷彎合格樣

圖6 基體組織(10．0級)

圖7 基體組織(12．0級)

5 試生產結果分析

5．1 力學性能分析

從表3及性能指標對比圖1～圖3可看出，各批次的屈服強度、伸長率完全滿足用戶的使用要求。抗拉強度除第2、第5批次偏低外其余均能滿足使用要求，尤其是第8、第9次各項指標完全能夠滿足用戶要求，并具有較大富余量。

5．2 冷彎性能分析

試驗結果表明:寬冷彎在線合格率低，12小時后冷彎合格率明顯提高。對冷彎不合格試樣進行金相檢測發現:①非金屬夾雜嚴重，硫化物夾雜(A)最高達3．0B級(見圖8)，硅金相檢測結果，分別對其形成機理及其對鋼材性能的影響作了研究。

5．2．1 非金屬夾雜物

非金屬夾雜物主要是由脫氧產物和鋼液凝固時由一系列反應形成的。非金屬夾雜物作為獨立相存在于鋼中，破壞了鋼基體的連續性，使鋼的組織不均勻性增大。當金屬材料承受載荷特別是動載荷時，易造成應力集中，使金屬材料的力學性能、工藝性能、耐疲勞性能降低。因此鋼中非金屬夾雜物的存在對鋼的性能產生強烈的影響。

非金屬夾雜物往往被視為顯微裂紋的發源地，它與裂紋的形成有密切的關系。如果鋼中非金屬夾雜物嚴重，在受到外力作用時，比較容易變形的鋼基體在難以變形的夾雜物周圍塑性流動，產生很大的張力而使鋼基體和夾雜物界面的聯結斷裂，形成空隙;或是由于夾雜物周圍的應力而使夾雜物破碎形成空隙，由此產生裂紋源并加速擴展。因此，在進行冷彎試驗受到動載荷作用時很可能在夾雜物處產生裂紋源并得到擴展，最終形成裂紋，導致冷彎不合格。

5．2．2 帶狀組織

帶狀組織的形成是相變的結果，使鋼的力學性能、工藝性能產生各向異性。寬冷彎試驗要求試樣垂直于軋制方向進行橫向彎曲。彎曲時，由于鐵素體與珠光體的塑韌性不同，當帶狀組織嚴重時，極有可能在冷彎處開裂甚至斷裂。

帶狀組織的形成與鋼的化學成分的不均勻性有密切的關系。由于化學成分決定了相變溫度Ar3(先共析鐵素體析出溫度)，所以帶狀組織的形成與鋼中由于各區域內各元素含量的不同導致各區域內的Ar3點溫度不同有著密切關系。但是Ar3點溫度不同并不一定就產生帶狀組織，還與軋制條件和冷卻速度有關。

5．2．2．1 化學成分不均勻性(Ar3點溫度不同)對帶狀組織的影響

CW510L為亞共析鋼，在奧氏體冷卻時發生奧氏體到“鐵素體+珠光體”的轉變。如果在軋后冷卻過程中，鋼帶內部各個部分同時形成先共析鐵素體，就不會產生帶狀組織，也就是說各個區域的Ar3點溫度相同時就不會形成帶狀組織。但是鋼水在實際冷卻過程中，結晶時往往形成枝晶偏析，在連鑄板酸鹽夾雜(C)最高達4．0級(見圖9);②帶狀組織嚴重最高達3.5B級(見圖10)。根據坯的截面部分，由于枝間部分與枝干部分各個元素的含量不同，兩者之間的Ar3點溫度也就不同。這就導致先共析鐵素體析出的不同時性，即Ar3點溫度較高的偏析帶內優先形成先共析鐵素體，而Ar3點溫度較低的偏析帶內后轉變，由于富碳而形成珠光體。

在連鑄板坯加熱過程中，由于碳的擴散速度快，奧氏體化時碳能優先達到相對均勻，但是Mn、Si等元素不容易均勻化，并且在一定程度上仍保持著枝晶偏析引起的帶狀偏析。鋼在軋制冷卻時，伴隨先共析鐵素體的析出碳將不斷向Ar3點溫度較低的條帶擴散，并在其中富集，最后在到達共析溫度時，轉變為珠光體。這樣就形成了“鐵素體—珠光體”帶狀組織。

5．2．2．2 軋制條件對帶狀組織的影響

軋制條件對帶狀組織的形成也具有較大的影響。當終軋溫度處于兩相區(鐵素體+奧氏體)軋制時，鐵素體被拉長形成鐵素體條帶，在隨后的冷卻過程中，鐵素體條帶被保留下來，奧氏體發生相變，沿鐵素體條帶析出先共析鐵素體，到達共析轉變溫度(A1)時，發生共析轉變生成珠光體，最終形成“鐵素體—珠光體”帶狀組織。因此，為了減少帶狀組織的形成應避免在兩相區進行軋制。

5．2．2．3 冷卻條件對帶狀組織的影響

冷卻條件即冷卻速度也是形成帶狀組織的重要影響因素。由前述可知，鋼在軋制冷卻過程中，伴隨先共析鐵素體的析出碳將不斷向Ar3點溫度較低的條帶擴散，并在其中富集，最后在到達共析溫度時，轉變為珠光體。如果改變冷卻速度，即可改變冷卻的時間。冷卻速度增加，相變結束的時間縮短，導致C的擴散時間縮短，帶狀組織的形成受到抑制，即帶狀組織的程度減輕。

5．3 金相分析

金相檢測結果表明:帶鋼的基體組織為F+P，晶粒細小。細晶粒對提高金屬材料的塑韌性非常有利，所以細晶粒對提高帶鋼的冷彎性能是有利的。

5．4 堆冷對冷彎性能的影響

試驗結果表明，試樣在線冷卻時的寬冷彎試驗合格率較低，12小時后的寬冷彎合格率明顯上升。產生這一現象的原因是:由于CW510L鋼中含有較高的Mn和V，鋼的裂紋敏感性較強，加上軋后進行了層流冷卻，在局部區域產生了熱應力裂紋。由于軋后采用堆冷，使鋼在緩冷過程中產生自回火現象，從而使熱應力裂紋合并、修復，因此，12小時后鋼的冷彎合格率明顯上升。

6 結論

(1)軋制工藝的有效控制可明顯改善汽車大梁用鋼的綜合性能。

(2)CW510L汽車大梁用熱軋帶鋼粗軋出口溫度為970～1060℃、終軋溫度為840～910℃、卷取溫度為580～660℃，可較好地控制鋼的力學性能。

(3)軋后采用弱水全開層流冷卻方式可減少冷卻時的熱應力裂紋。

(4)軋后采用堆冷方式，可明顯改善鋼的冷彎性能。