高強度汽車大梁鋼合金減量化生產實踐

張懷賓 劉社牛 程永固

(安陽鋼鐵集團有限責任公司)

0 前言

隨著經濟的快速發展和環境要求的日益提高，對鋼鐵產業也提出了越來越嚴格的資源、能源與環保要求。大力推行循環經濟，即減量化、再使用、再循環、再制造，成為鋼鐵企業未來的發展方向。其中減量化原則是指以資源投入最小化為目標，以提高資源利用率為核心，降低鋼中合金元素添加量為主的節約型鋼材生產模式［1］。

近年來，國內鋼鐵市場需求持續疲軟，產能過剩、供大于求的矛盾日益尖銳，鋼材價格持續走低，市場競爭日趨激烈，鋼鐵企業舉步維艱。在當前的市場環境下，合理利用控軋控冷工藝，提高鋼強度的同時，適當降低鋼中合金元素的添加量，即減量化生產，可以有效地降低鋼材的生產成本，具有顯著的經濟效益和社會效益。

1 AG610L 的技術條件

高強度汽車大梁鋼AG610L，主要用于制造汽車縱梁、橫梁、加強梁、橋殼、保險桿等構件，在冷加工過程中，一般以采用沖壓成型為主，因此要求鋼材具有較高的強度、良好的冷成型性和焊接性能。AG610L 的主要厚度范圍為2.0 mm～12.0 mm，技術條件見表1。

表1 AG610L 的技術條件

2 初始AG610L 的化學成分和力學性能

安鋼1780 mm 熱連軋機組2009年開始研制生產AG610L，初始的化學成分設計采用Nb、V 復合微合金化的成分體系，產品各項力學性能滿足了用戶的需求。表2 為典型的初始AG610L 的化學成分，表3 為力學性能統計結果。

表2 初始AG610L 的典型化學成分

表3 AG610L 的力學性能

3 軋制工藝對AG610L 力學性能的影響

控軋控冷工藝是微合金鋼獲得高強度和高韌性的重要措施之一。結合安鋼熱連軋生產線的特點，做了以下幾方面技術研究工作:

1)加熱工藝。Nb、V 的微合金化效果均是通過碳化物的固溶和析出來實現的，合理的加熱溫度是保證鋼中碳化物的充分固溶而且不能使奧氏體的晶粒過分粗大。由于VC 的奧氏體固溶溫度較低，而NbC 的奧氏體固溶溫度很高，因而制定加熱工藝時應主要考慮NbC 的固溶溫度，保證NbC 全部固溶，才能充分發揮Nb 微合金的強化作用，達到提高強度的目的［2］。根據NbC 的固溶度公式，要使NbC 完全固溶，AG610L 的加熱溫度應控制在1200℃為宜。

2)精軋終軋溫度。終軋溫度對鋼的強度有明顯的影響，降低終軋溫度，鋼的強度提高，但是屈服強度的升高幅度比抗拉強度高［3］，因而造成屈強比提高。生產數據統計表明，終軋溫度提高了40℃，AG610L 的屈強比可以降低0.01～0.02，這對冷成型性能有益。

3)卷取溫度。隨著卷取溫度的降低，鋼的屈服強度和抗拉強度均明顯升高，伸長率降低。AG610L要求鋼具有較高的強度的同時，應具有較高的韌性，以滿足沖壓等冷成型性能的加工要求，這對鋼的微觀組織有嚴格的要求，組織目標為鐵素體+珠光體。貝氏體組織雖然具有較高的強度，但是其韌性較差，不適于成型加工，在組織中應予以避免的。卷取溫度控制在580℃以上，可以防止AG610L 微觀組織中出現貝氏體的異常組織。

4)層流冷卻。在保持層流冷卻上下水比例不變的情況下，增加單個集管的流量，可以明顯提高鋼的強度。以厚度規格8 mm 為例，單集管水流量由80 L/h 提高到90 L/h，同時終軋溫度由840℃提高到860℃，這時粗調段的冷卻速率由28.8℃/s 提高到32.8℃/s。對比調整前后AG610L 的力學性能，屈服強度提高了21.5 MPa，抗拉強度提高了20.1 MPa，而伸長率只有略微的降低。層流調整前后AG610L 的金相組織如圖1 所示。

圖1 調整前后AG610L 的金相組織

由圖1 可以看出，層流調整前后AG610L 的組織均有鐵素體和珠光體組成，但是層流調整后的鐵素體組織明顯細化，晶粒度提高1 級，珠光體組織分布也更加彌散。

3 AG610L 的合金減量化成分設計

軋制工藝優化后，特別是通過調整層流冷卻粗調段的集管流量，AG610L 獲得了更高的強度。雖然更高的強度能夠提高汽車的安全性能，但是也帶來了冷加工設備的負荷增大，沖壓后的回彈量增大等不利影響，因而下游廠家期望鋼的強度應均勻分布在一定的范圍內。因此在優化軋制工藝的基礎上，適當降低鋼的合金含量，實現減量化生產，既降低了AG610L 的生產成本，也能夠更好地滿足用戶的加工要求。

減量化要考慮的主要合金元素有Mn、Nb、V。減量化元素的選擇原則是，既要滿足鋼強度的要求，又使合金成本最低。Mn 元素的強化機理主要是固溶強化作用，其強化的穩定性較好;Nb 具有強烈的細晶強化作用和中等的沉淀強化作用［4］，在AG610L 的含量范圍，Nb 的波動對力學性能影響較大;而V 的強化作用比較復雜，V 的強化作用主要是V 的碳氮化物在鐵素體中的沉淀析出。由于VC在鐵素體中的溶解度較高，超過固溶度的VC 部分才能夠在鐵素體中析出，起到強化作用，而固溶部分的固溶強化效果很弱。一般情況下，V 含量在0.025%以下時，VC 就會以固溶形態存在，不會產生沉淀強化作用，因此AG610L 中，能夠起到強化作用的有效釩較少。綜合以上分析，確定去除釩合金化能夠達到生產成本最低的目的。考慮到去除釩合金化后，固氮元素減少，板坯在連鑄過程中易析出AlN，而引起鑄坯角橫裂的缺陷，采用微鈦處理的方法，不僅可以消除板坯角橫裂缺陷，同時也可以降低合金成本。減量化成分設計見表4。

表4 減量化的AG610L 化學成分 %

4 AG610L 的合金減量化生產效果

4.1 力學性能

統計了AG610L 合金減量化后生產的268 批力學性能，性能初驗合格率和綜合合格率都達到了100%。鋼的屈服強度、抗拉強度、伸長率分布如圖2、圖3、圖4 所示。

圖2 屈服強度分布

圖3 抗拉強度分布

圖4 伸長率分布

減量化后的AG610L 的力學性能，屈服強度分布范圍在525 MPa～625 MPa 之間，抗拉強度分布在605 MPa～685 MPa 之間，伸長率分布在18%～31%之間，與含釩鋼相比，屈服強度和抗拉強度的波動范圍分別降低了10 MPa 和25 MPa，屈強比保持不變。在韌性方面，伸長率平均值降低了2%，但也達到23.96%，遠高于技術協議的要求。因而在降低合金成本的情況下，采用減量化工藝生產的AG610L 的產品，具有較高地實物質量，也較好的滿足了用戶的使用要求。

4.2 顯微組織

減量化后AG610L 的顯微組織仍為鐵素體和珠光體組成，但是鐵素體的晶粒度要更為細小一些。表5 統計了部分規格減量化前后的鐵素體晶粒度。

表5 減量化前后AG610L 的鐵素體晶粒度

從表5 可以看出，減量化前后，同規格AG610L的鐵素體晶粒度均提高了1 級左右。

5 結束語

通過優化軋制工藝，控制加熱溫度、終軋溫度和卷取溫度，以及在保持上下比例不變的前提下，增加了層流冷卻粗調段的集管冷卻水流量，使AG610L的鐵素體晶粒度提高了1 級，強度提高，為合金減量化提供了工藝條件。生產實踐表明，去除釩合金化以后，減量化工藝生產的AG610L 的產品實物質量仍保持較高的水平，完全滿足下游用戶的冷加工要求，降低了AG610L 的生產成本，取得了較好的經濟效益。

［1］王祖濱，侯豁然.爐卷軋機生產高強度微合金鋼［J］.中國冶金，2004(3):25－29.

［2］劉社牛，張振申，黃重，等.加熱工藝對AG610L 性能影響的研究.河南冶金.2010，18(3):12－13.

［3］劉社牛，巫寶振，王斌，等.控軋控冷工藝對HP345 屈強比影響的研究.河南冶金，2008，16(6):8－9.

［4］齊俊杰，黃運華，張躍.微合金化鋼.北京:冶金工業出版社，2006:6－23.