低碳微合金化汽車大梁用鋼B610L的研制開發(fā)

張愛梅，吾塔，趙亮

（寶鋼集團八鋼公司制造管理部）

汽車大梁用熱軋鋼板主要用于制造汽車車架的縱、橫梁。要求制造材料必須具有很高的強度及良好的塑性、韌性和冷彎成形性。隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，交通安全等問題也日益凸顯。在保證汽車強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車整體重量，提高汽車的動力性，減少燃料能耗，進而降低環(huán)境污染，這些要求已成為目前汽車工業(yè)發(fā)展的風向標。因而廣泛使用高強度汽車板則成為實現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑之一。研究結(jié)果表明[1]，鋼板的抗拉強度從400MPa提高到600MPa，鋼板厚度可從16mm降低到12 mm，而吸收的沖擊能指數(shù)基本保持不變，汽車減重率可提高約15%。八鋼公司近年來陸續(xù)開發(fā)了B510L、B550L等多個牌號汽車大梁用鋼，投入市場，用戶使用后反映良好。為了使八鋼生產(chǎn)的汽車大梁用鋼系列化，滿足用戶輕量化的需求，結(jié)合八鋼煉鋼、軋制裝備特點，通過工業(yè)試制與應用跟蹤，成功開發(fā)出抗拉強度610MPa的汽車大梁鋼B610L。

1 B610L鋼的技術(shù)要求及生產(chǎn)工藝

1.1 性能要求

根據(jù)下游用戶要求，汽車大梁用B610L熱軋鋼帶化學成分及力學性能要求見表1、表2。

表1 B610L成分的交貨標準 w t,%

表2 B610L鋼力學性能與工藝性能

1.2 成分設(shè)計

成分設(shè)計的基礎(chǔ)是要滿足力學和工藝性能的要求,結(jié)合汽車大梁鋼B610L的性能要求、服役環(huán)境，主要設(shè)計目標為實現(xiàn)高強度、高韌性、穩(wěn)定的冷成型性能。在進行成分設(shè)計時，重點考慮采取以下措施：（1）控制C、Mn含量，改善材料焊接性能；（2）控制S含量，減少S化物夾雜，以改善疲勞性能;（3）添加合金元素Nb、V、Ti、Al用來提高鋼的強度，合金元素對鋼板的強度、塑性、焊接等各項性能均會產(chǎn)生不同的影響。

C是鋼中的一個非常重要的元素，它的含量會對鋼的微觀組織產(chǎn)生直接的影響，從而極大地影響最終產(chǎn)品的機械性能。較高含量的C元素能大幅度提高鋼的強度，同時降低鋼的塑性和可焊性。Mn也是一個非常重要的元素，它主要以代位固溶的方式對鋼產(chǎn)生強化作用，對提高鋼的韌性有很好的作用，有利于提高鋼板強度的。另一類元素有Nb、V、Ti、Al，通過固溶、晶粒細化、析出第二相粒子等強化方式，達到提高強度的目的。

針對B610L的具體性能要求，研究分析了C、Si、Mn、Nb、Ti、V等強化元素的變化對材料各項性能的影響,確定八鋼B610L鋼的化學成分設(shè)計采用低碳結(jié)合高錳，并通過添加Nb、V、Ti進行微合金化的工藝路線。最終實現(xiàn)有效促進C、N化物粒子析出，通過沉淀強化及細晶強化等策略，穩(wěn)定高強度汽車大梁鋼的各項性能。成分設(shè)計詳情見表3。

表3 B610L汽車大梁鋼的成分設(shè)計 %

1.3 生產(chǎn)工藝

根據(jù)B610L成分設(shè)計特點和1750mm熱軋生產(chǎn)線的特點，其工藝路線為：鐵水預處理→120t頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐→冶煉→LF精煉→板坯連鑄→合格連鑄坯準備→加熱→高壓水除鱗→可逆粗軋5道次→熱卷箱→開卷→飛剪切頭尾→高壓水除鱗→精軋機組→層流冷卻→卷取→卸卷、打捆。

2 工藝控制技術(shù)

2.1 冶煉與連鑄

由于汽車大梁鋼對鋼水純凈度要求較高，生產(chǎn)時需要嚴格控制鋼中S、P含量，在生產(chǎn)B610L汽車大梁鋼過程中采用潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)。

（1）鐵水預處理，入轉(zhuǎn)爐鐵水硫控制在0.005%以下。

（2）強化轉(zhuǎn)爐冶煉操作，提高轉(zhuǎn)爐的脫S、脫P率。出鋼前向鋼包底加入200kg的鋁渣球，對鋼包頂渣進行改質(zhì)，利于脫硫和去除夾雜，為精煉造還原渣提供良好的條件，利于提高鋼水純凈度。

（3）采用埋弧操作，有效控制LF精煉鋼水裸露氧化和增氮。LF精煉增氮量控制在15×10-6以下；LF深脫硫，鋼中S含量降低到0.005%以下。

（4）鈣處理。對非金屬夾雜物進行變性處理，使Al2O3變性為鈣鋁酸鹽，易于上浮去除。

（5）精煉出站后，進行軟吹氬，時間大于8min，促進鋼中夾雜物充分上浮去除，利于鋼水成分、溫度的均勻，提高鋼水純凈度。

（6）板坯連鑄澆注過程采用大包和中包低碳覆蓋劑，防止鋼水降溫過快，連澆鋼水過熱度控制在30℃以內(nèi)，長水口和浸入式水口采用氬封保護澆注，減少鋼液的二次氧化。

2.2 軋制工藝

（1）加熱制度。板坯加熱溫度的設(shè)計是要使鋼的奧氏體晶粒不明顯長大，又保證鋼中合金化合物的充分固溶,防止板坯存在“過燒”和“過熱”的現(xiàn)象，板坯加熱采用步進梁式加熱爐加熱，加熱時間160～190min，其中均熱時間30～40min；保證爐膛溫度二加段為1280℃，均熱段溫度為1200℃，板坯從加熱爐出來溫度控制1170±30℃。板坯出爐后，經(jīng)多道次粗軋，通過反復變形和再結(jié)晶，使奧氏體晶粒不斷得到細化。

（2）終軋溫度。終軋溫度和卷取溫度是熱軋帶鋼控制軋制和控制冷卻的主要參數(shù)。為了保證板坯再結(jié)晶的程度，盡量對原奧氏體進行細化，在粗軋階段增加對板坯的壓下量；板坯經(jīng)過奇道次軋制后，得到中間坯的厚度34～42mm，從粗軋拋鋼時中間坯的溫度為1010～1030℃。中間坯進入精軋機軋制，通過機架間的冷卻水達到對軋制鋼帶的冷卻，確保終軋溫度在860℃。

（3）卷取溫度。卷取溫度是含鈮釩微合金鋼獲得細晶強化和沉淀強化的關(guān)鍵參數(shù),過低的卷取溫度不利于沉淀強化,過高的卷取溫度不利于晶粒細化,卷取溫度控制在600～640℃,能夠獲得細晶強化和沉淀強化的合理配合。

八鋼1750mm熱軋生產(chǎn)線帶立輥粗軋機，具有AWC寬度自動控制和SSC短行程控制功能，粗軋最大軋制壓力為42000 kN，均有除鱗裝置，去除二次氧化鐵皮。六架四輥式精軋機，精軋機之間設(shè)有五套液壓活套，以保證帶鋼厚度和寬度精度。高位水箱的層流冷卻裝置，能根據(jù)帶鋼溫度、厚度、鋼種及軋制速度，開啟的噴水組數(shù)和調(diào)節(jié)水量，將帶鋼由終軋溫度冷卻至所要求的卷取溫度，穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的機械性能；三助卷輥式的地下卷取機，助卷輥具有自動踏步控制（AJC）功能，保證卷取質(zhì)量。為了使板卷得到具有較高級別晶粒度的高倍組織，較好的沖擊韌性，并避免回復再結(jié)晶，結(jié)合設(shè)備情況，熱軋軋制工藝將終軋FT6定為（860±20）℃，卷取CT定為（620±20）℃，層冷模式設(shè)定為前段快冷。熱軋工藝參數(shù)見表4。

表4 熱軋工藝參數(shù)

3 大梁用鋼B610L熱軋板卷工業(yè)化生產(chǎn)

3.1 B610L冶煉成分實績

圖1 B610L板坯主要成分含量分布

工業(yè)化生產(chǎn)階段，統(tǒng)計了2014年1月至2015年4月生產(chǎn)的30爐B610L成分控制情況，各元素含量完全達到設(shè)計要求，且波動范圍很小，主要成分含量分布見圖1。

熔煉成品C控制精度高，C含量的波動控制在±0.015%以內(nèi)，C元素和其他合金元素的高精度控制為軋制鋼材的性能穩(wěn)定性創(chuàng)造了良好條件；硫含量控制在0.005%以下，降低了MnS夾雜以利于沖壓成型。

3.2 B610L熱軋板卷的組織和夾雜

對試制的B610板卷用ASTME45 A方法進行抽檢鋼中A、B、C、D類非金屬夾雜物級別檢驗，結(jié)果均小于1.0級，鋼質(zhì)純凈，夾雜物顆粒細小，見圖2。由此可以證明鋼水純凈度較高。有研究表明：低合金鋼經(jīng)過微鈦處理后，鋼中夾雜物由硫化物和硅酸鹽類變?yōu)榧毿〉难趸铩A雜物由長條的尖角狀變成圓形或近圓形，從而降低了有害夾雜物對鋼材塑性、韌性的不良影響,使成品板卷具有良好的冷成型性能。

采用光學顯微鏡對B610板卷進行微觀組織分析。試樣經(jīng)研磨和拋光后，用4%硝酸酒精腐蝕，用奧林巴斯PMG3倒置金相顯微鏡B610L鋼的金相組織，如圖3所示。

圖2 B610L熱軋板卷夾雜物

圖3 B610L熱軋板卷金相組織

由圖3可見，高強度汽車大梁鋼B610L微觀組主要為細小的多邊形鐵素體+珠光體，平均晶粒度可達11級，帶狀組織小于2級。

3.3 強度及塑性

對2014年1月至2015年4月生產(chǎn)的50批次B610L鋼的屈服強度、抗拉強度和伸長率進行了統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結(jié)果見表5。

表5 B610L鋼性能的統(tǒng)計分析

其力學性能分布見圖4。

圖4 B610L力學性能分布圖

從表5及圖4可以看出,各項力學指標均滿足技術(shù)條件的要求，性能波動較小，不同卷性能均勻，表明軋制過程溫度控制控制良好。

4 汽車大梁鋼B610L實際應用

B610從2014年4月推向市場以來，已累計生產(chǎn)2000t，供山西大運、三一重工等汽車廠家，用于制造卡車縱梁、橫梁、支撐結(jié)構(gòu)件等，鋼材沖壓性能表現(xiàn)良好，沒有發(fā)現(xiàn)沖壓開裂現(xiàn)象，冷成型性能和翻邊、擴孔性能良好，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，受到用戶的認可。制造的大梁如圖5所示。

圖5 使用B610L制造的大梁

5 結(jié)束語

（1）采用低碳微合金化冶煉工藝，在1750mm熱軋常規(guī)板坯產(chǎn)線，生產(chǎn)低碳微合金化汽車大梁鋼B610L,其化學成分和工藝規(guī)程設(shè)計合理，可以實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

（2）八鋼開發(fā)生產(chǎn)的B610L大梁鋼力學性能均勻穩(wěn)定，表面質(zhì)量優(yōu)良，且具有良好的沖壓性能，鋼卷的實物質(zhì)量均達到了技術(shù)標準的要求。

（3）鋼卷表面質(zhì)量和冷彎成形性能好，冶煉過程采用潔凈鋼的冶煉技術(shù)，有效地控制了鋼中夾雜物含量及形態(tài)分布，降低了夾雜物對產(chǎn)品性能的影響，顯微組織主要為鐵素體+珠光體組織，具有較好的力學性能；制作的大梁產(chǎn)品尺寸精度高，質(zhì)量穩(wěn)定，綜合成材率高。

[1]王國棟，劉相華，吳迪.節(jié)約型鋼鐵材料及其減量化加工制造[J].軋鋼，2006，23（2）：1～5.