微合金高強度汽車橋殼用鋼板研制開發

羅興壯

(廣西柳州鋼鐵集團有限公司，廣西 柳州 545002)

隨著我國對節能環保要求的日益嚴格及國家能源發展戰略的需要，汽車輕量化逐漸成為緩解能源壓力、改善環境以及降低霧霾的重要手段[1]。汽車橋殼作為汽車重要結構件，其減重對于汽車輕量化具有重要意義。研究表明[2-3],鋼板厚度減小0.05 mm、0.10 mm和0.15 mm時，車身分別減重6%、12%和18%，而車輛每減輕其總質量的10%時，燃油消耗量可降低6%～8%。可見增加鋼板強度是減小板厚、減輕車重的主要途徑。隨著中、重型卡車車橋制造技術的發展和汽車節能減重需要，后驅動橋已大量使用10～16 mm厚度熱軋鋼板制作沖焊橋殼，替代制作工藝復雜、生產效率低、重量大、成本高的鑄造橋殼[4-6]。本文結合柳鋼2800 mm中厚板生產線工藝特點及高強度汽車橋殼鋼的技術要求，通過合理成分和工藝設計，成功研制開發Nb-V-Ti復合微合金化高強度汽車沖壓橋殼用鋼。

1 成分設計

1.1 技術要求

中、重型卡車后驅動橋殼為汽車底盤最重要的承載部件，橋殼沖壓成型需要承受巨大的彎曲和膨脹塑性變形，沖壓成型后須經過焊接組合成橋，因此要求鋼板具有較高的強度和剛度、良好的沖壓成型及焊接性能。其力學和工藝性能要求見表1，同時為了保證焊接性能，碳當量CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.46。鋼板晶粒度應為6級或更細，且晶粒度不均勻性應在3個連續不同級別數內；帶狀組織通常不大于2級，允許帶狀組織大于2級但不大于3級。

表1 汽車橋殼用鋼板力學及工藝性能要求

1.2 成分設計

鑒于高強度沖壓汽車橋殼鋼力學及工藝性能要求，采用Nb-V-Ti復合微合金化成分設計。以C-Si-Mn固溶強化元素成分為基礎，嚴格控制P、S、N元素含量，適當添加Nb、V、Ti復合微合金化元素，在鋼坯加熱過程中起到抑制原始奧氏體晶粒長大，軋制過程中抑制再結晶及再結晶晶粒長大，低溫時起到沉淀強化的作用[7]。Nb在控制軋制時產生顯著晶粒細化和中等沉淀強化效果；Ti具有強烈的沉淀強化，而晶粒細化效果不明顯；V具有中等沉淀強化和細晶強化作用。因此，根據汽車橋殼用鋼板對強度和塑韌性的要求，選擇適量的Nb-V-Ti復合微合金化，可在保證鋼板強度的前提下，維持良好的塑韌性和焊接性能。

表2 汽車橋殼用鋼板化學成分(質量分數，%)

2 制造工藝

2.1 工藝流程

鐵水預處理→轉爐冶煉→爐后吹氬→LF精煉→RH精煉→板坯連鑄→堆冷→板坯加熱→除鱗→粗軋→精軋→矯直→鋼板檢查→標記入庫。

2.2 冶煉控制

汽車橋殼鋼用于沖焊中、重型卡車后驅橋殼，作為汽車底盤最重要的承載部件，因此對鋼水的純凈度要求較高，必須嚴格控制鋼中P、S含量，控制入爐鐵水W(S)≤0.005%，轉爐吹煉過程采用全程底吹氬模式，吹煉后期加大底吹氬氣流量，加強熔池攪拌，出鋼前進行豎爐攪拌，降低出鋼氧含量，采用雙擋渣出鋼，出鋼過程底吹吹氬，出鋼時間≥200 s，控制下渣量；LF精煉造還原渣，白渣保持時間≥10 min，提高脫硫效果；RH精煉進行鈣處理，球化夾雜物，提高鋼水可澆性。真空總循環時間15～20 min，鈣處理后軟吹氬時間≥8 min，鋼水鎮靜時間≥18 min，促進鋼中夾雜物充分上浮去除，提高鋼水純凈度及均勻鋼水溫度；連鑄中間包鋼水過熱度≤25 ℃，全程氬封保護澆注，減少鋼水二次氧化，使用抗表面縱裂保護渣，正常拉速控制在1.00～1.40 m/min[8]。

2.3 軋制工藝

鋼中加入Nb、V、Ti復合微合金元素，主要是利用微合金元素在鋼坯加熱高溫下固溶于原始奧氏體中，抑制奧氏體再結晶及再結晶晶粒長大，低溫變形時析出發生沉淀強化和細晶強化，提高鋼材強度。根據微合金作用特點，軋制時制定合理的加熱、軋制工藝，充分發揮Nb、V、Ti元素沉淀強化和細晶強化作用。

2.3.1 加熱制度

為使Nb、V、Ti等微量合金元素充分固溶，同時防止奧氏體晶粒過分長大，均熱目標溫度1240 ℃，加熱時間≥230 min，均熱時間>37 min。

2.3.2 控制軋制

軋制分粗軋和精軋兩個階段，根據文獻[9]得出的再結晶終止溫度Tnr=887+464C+6445Nb-644Nb1/2+732V-230V1/2+890Ti+363Al-357Si

(1)

將汽車橋殼鋼冶煉化學成分代入式(1)，得出再結晶終止溫度約為1053 ℃。為確保粗軋完全在奧氏體再結晶區軋制，粗軋溫度控制在1080～1170 ℃。根據經驗公式Ar3=910-230C-21Mn-15Ni+32Mo+45Si+13W+104V，可得奧氏體向鐵素體轉變溫度約為872 ℃，因此，精軋變形道次溫度控制在870～1000 ℃之間，盡量避開部分再結晶區軋制，獲得均勻的等軸晶粒。同時由于Nb含量較高，為了防止混晶，精軋第一道次、第二道次壓下率分別要求≥15%、≥12%，增大道次變形量，使軋制變形滲透到鋼板芯部，使厚度方向各點均達到再結晶臨界變形量，細化奧氏體晶粒[9]。典型規格精軋道次壓下率如表3所示。

表3 典型規格精軋道次壓下情況

3 試制結果與分析

3.1 力學性能

鋼板力學性能檢驗結果見表4，性能完全滿足技術指標要求。同一塊鋼板頭部屈服強度和抗拉強度比中部高，相反，斷后伸長率中部比頭部高。鋼板屈服強度和抗拉強度余量較大，斷后伸長率最低21.5%，余量較小，可適當提高終軋溫度，增加晶粒尺寸，降低屈服、抗拉強度，從而提高斷后伸長率，提高鋼板塑韌性。

表4 汽車橋殼鋼鋼板力學性能

3.2 沖擊韌性及寬冷彎性能

汽車沖焊橋殼作為汽車底盤最重要的承載部件，沖壓成型需要承受巨大的彎曲和膨脹塑性變形，以及后續服役工況復雜，需要良好的沖擊韌性及冷彎性能。試制鋼板低溫沖擊韌性和1a寬冷彎結果見圖1、圖2。從20 ℃至-60 ℃，V型沖擊功逐漸降低，-60 ℃沖擊值大于200 J，低溫沖擊韌性較好，低溫脆性轉變溫度低。對試制鋼板進行1a寬冷彎試驗，所有試樣表面完好，均未出現裂紋，試樣塑性較好。

3.3 金相組織

為檢測試驗鋼板組織控制情況，取樣進行金相檢驗，檢驗結果見圖3。鋼板組織均為F+P，晶粒度11.0～13.0級，帶狀組織1.5級，厚度方向上均未發現混晶現象。

圖1 低溫沖擊韌性 圖2 寬冷彎

(a)近表面 (b)1/4位置 (c)中心圖3 金相組織

4 結論

(1)采用Nb-V-Ti復合微合金強化，試驗鋼屈服和抗拉強度余量較大，個別試樣延伸率余量較小，可適當提高精軋終軋溫度，降低屈服和抗拉強度，提高延伸率，改善汽車橋殼鋼沖壓成型性能。

(2)試驗鋼沖擊韌性較好，-60 ℃沖擊值大于200 J，低溫脆性轉變溫度低；1a寬冷彎表面質量完好，沖壓成型性能較好。

(3)金相組織為F+P，晶粒度11.0～13.0級，帶狀組織1.5級，組織無混晶現象，完全滿足技術要求。