制管用600 MPa級微合金鋼設計開發實踐

董繼亮， 張 星， 侯明山， 席曉利， 王 棟

（1.河鋼集團唐鋼公司技術中心， 河北 唐山 063016； 2.河鋼唐鋼生產制造部， 河北 唐山 063016）

600 MPa級微合金鋼已廣泛用于汽車底盤大梁，鋼帶經過剪切、沖壓、焊接、噴涂等工序后裝配為汽車底盤大梁。隨著節能減排需求的日益提升，機械輕量化需求也逐漸顯現，目前機械設備上底盤大梁基本使用Q345厚規格材質方管，其性能：屈服強度為 345～400 MPa，抗拉強度為 470～550 MPa。底盤縱梁、襯梁、橫梁通過鉚焊加強板（大梁鋼方管壁厚8 mm，襯梁鋼板厚度5 mm），從而保證車架彎曲剛度、疲勞性能。采用抗拉強度600 MPa級微合金鋼來制作方管大梁實現底盤的輕量化，不但可以獲得大的減重空間，并且可以同時提高車廂的抗疲勞性能和安全性，所以其將成為未來研究的熱點之一。

本研究基于唐鋼現代化中板坯連軋—連軋生產線，通過合金成分設計、冶煉和連鑄工藝控制、鑄坯加熱和控軋—控冷工藝優化開發了600 MPa級微合金高強制管用鋼，產品通過添加Nb、Ti等強化元素，憑借固溶強化、析出強化和細晶強化等強化作用，顯著提高了材料強度并且使材料具有較好的塑韌性及抗疲勞性。

1 工業試制

1.1 成分設計

實驗鋼主要用于機械底盤等部位大梁，對強度、沖擊韌性以焊接性都有較高要求，在成分設計上，考慮到材質的焊接性能與碳當量（見式（1））相關，因此選擇低碳成分保證材料可焊接性；Mn可以通過相變和固溶等強化作用提高鋼帶的物理性能，但Mn元素同樣能降低點焊能力，因此實際生產中要求w（Mn）低于1.6%。使用鈮和鈦作為復合強化元素，提升材質的強度，同時鈦元素還能改善焊接性能；嚴格控制氮、硫和磷元素含量，減少雜質元素的不利影響。本研究中成分設計方案如表1所示；材料力學性能要求如表2所示。

試驗鋼基于中板坯連軋—連軋生產流程設計，其工藝路線為：鐵水預處理→轉爐冶煉→LF→連鑄→加熱→軋制→層流冷卻→卷取。

表1 化學成分 %

表2 鋼帶力學性能要求

1.2 生產工藝及試制結果

由于產品Mn含量較高，為減少MnS偏析，需要在冶煉過程中嚴格控制S含量。通過鐵水預處理脫除大部分的S，控制出站鐵水中w（S）≤0.015%；轉爐冶煉采用低碳出鋼，轉爐終點成分控制w（C）≤0.04%、w（P）≤0.016%，轉爐出鋼過程中加入中碳錳鐵和鈮鐵；LF精煉過程中造還原渣，對鋼水中S進一步進行去除并進行合金成分微調，脫氧結束后添加鈦鐵，保證足夠的靜吹時間促進夾雜物上浮；通過計算，鋼水液相線為1 520℃，連鑄區域過熱度控制為20～30℃；連鑄區域需保證設備精度，控制結晶器液位波動在±3 mm以內并保證拉速平穩。

產品中有較高的Nb元素，因此鑄坯加熱對鋼帶的物理性能有較大的影響，為了保證高溫下Nb的完全固溶，根據設計成分計算固溶溫度1 215～1 235℃，鑄坯均熱溫度高于1 275℃，并保證熱坯保溫時間大于180 min；為防止精軋過程中Nb在奧氏體中過早析出喪失強化效果[8，9]，終軋溫度要高于奧氏體向鐵素體轉變溫度；同時為了增加層冷過程冷卻速度，進一步細化晶粒，適當降低卷曲溫度。精軋開軋溫度tFE目標1 030℃，終軋溫度tFD目標850～880℃；層冷使用集中快冷模式增加冷速，卷曲溫度580～620℃。

試驗鋼實際化學成分見表3，成分控制較穩定，S、P、N殘余元素含量較低，成分達到設計目的。兩爐鋼物理性能見表4，產品性能指標均達到設計要求。0℃、-20℃和-40℃夏比擺錘沖擊均達到較高水平。

表3 化學成分 %

表4 物理性能

2 實驗鋼制管后性能分析

2.1 樣品概況

實驗鋼矩形管樣品總長度約為1 m，截面外尺寸為140 mm×80 mm。該矩形管由厚度規格為5.1 mm的熱軋卷板經輥彎成形、高頻電阻焊接等工藝制成，焊縫位于矩形管寬度80 mm側面的中間部位。

2.2 實驗項目

1）超聲波探傷。利用超聲波探測儀，分析矩形管樣品的焊縫及4個圓角的整個長度范圍內是否有裂紋、孔洞、夾雜物等宏觀缺陷。

2）金相組織觀察。利用激光共聚焦光學顯微鏡，觀察矩形管樣品焊接部位及其附近的金相組織。

3）常溫拉伸實驗。分析矩形管樣品焊接部位的結合強度，以及基體材料的拉伸力學性能。在分析焊接部位的結合強度時，拉力載荷垂直于焊縫長度方向，并且焊縫位于試樣平行段的中間部位；在分析基體材料的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率時，拉力載荷平行于板材的軋制方向。

4）三點彎曲實驗。利用2 000 kN電液伺服彎曲試驗機，檢測實驗鋼矩形管樣品的抗彎性能。與Q345矩形管進行對比試驗，Q345矩形管樣品截面外尺寸為140 mm×80 mm，與實驗鋼矩形管相同。Q345矩形管在生產時，由無縫管通過“圓成方”工藝拉拔制成，管材壁厚為8 mm。

3 實驗結果

3.1 超聲波探傷結果

利用超聲波探測儀，分別對矩形管樣品的焊縫及4個圓角的整個長度范圍進行了檢測。結果表明，在焊縫及4個圓角的整個長度范圍內，均沒有發現裂紋、孔洞、夾雜物等宏觀缺陷。

3.2 金相組織觀察結果

圖1所示為實驗鋼矩形管樣品焊接部位及其附近的金相組織概貌。從圖1可以看出，焊接部位依次由焊縫熔合區、熱影響區和基體三個部分組成。其中，熔合區的寬度在1.5 mm（管材壁厚方向的中間部位）～3.1 mm（管材內外表面附近）范圍內，熱影響區的寬度在0.6 mm（管材內表面附近）～1.1 mm（管材外表面附近）范圍內。

圖1 矩形管樣品焊接部位及其附近的金相組織概貌

下頁圖2所示為矩形管基體、熱影響區和熔合區的金相組織。可以看出，基體的金相組織由細小的多邊形鐵素體和珠光體組成，其中部分珠光體沿板材的軋制方向呈帶狀分布；熱影響區的金相組織主要由多邊形鐵素體和粒狀貝氏體組成，此外還有少量的珠光體；在熔合區，金相組織則主要由魏氏組織鐵素體和板條貝氏體組成，同時也存在少量的珠光體。

由于貝氏體的存在，可以認為，熱影響區和焊縫熔合區的強度將會高于基體材料。

3.3 常溫拉伸實驗結果

圖2 矩形管基體、熱影響區和熔合區的金相組織

表5 矩形管焊接部位的拉伸力學性能

下頁表5列出了矩形管焊接部位的拉伸力學性能，下頁圖3是矩形管樣品焊接部位的拉伸斷裂位置。可以看出，試樣在拉伸過程中斷裂時，斷裂均發生在遠離熔合區和熱影響區的基體部位，強度也與熱軋性能數值接近。可以認為，對于矩形管樣品來說，熔合區和熱影響區的結合強度均高于基體部分，這與金相組織觀察的結果一致。也就是說，實驗鋼板材具有良好的焊接性能，焊接部位不會成為強度較差的薄弱環節。

3.4 三點彎曲實驗結果

實驗鋼與Q345矩形管的抗彎曲性對比，通過對比三點彎曲實驗得到的結構載荷—位移響應及結構的變形模式來分析。圖4為兩種矩形管三點彎曲實驗對應的載荷—位移圖，從圖4中可以看出，兩種材質的矩形管均表現出典型的彎曲變形行為，在變形的初始狀態，兩矩形管處于線性彈性變形，力值均急劇上升；在下壓過程中，當矩形管局部出現褶皺時，力值達到最大，此時Q345矩形管的最大載荷為338 kN，實驗鋼矩形管的最大載荷為330 kN，兩者相差不大，表明兩者抗彎曲性能差別不大；隨著加載點局部褶皺的出現，載荷隨著垂直位移的增大而減小。

圖4 兩種矩形管三點彎曲實驗對應的載荷—位移圖

圖5為矩形管加載彎曲過程圖，可以發現，兩種矩形管的彎曲變形主要集中在與壓頭接觸部分產生的塑性鉸處，而其他部分只發生繞支撐點的剛性轉動。在彎曲過程中，兩種矩形管變形特征極為相似：與壓頭接觸的上管壁向內翻折，與之相鄰的兩受壓側面均向外翻折，變形區域整體表現為由向內凹和兩個向外翻折模式，該變形的形成降低了矩形管的抗彎曲剛度，表現為圖4中載荷—位移曲線經過最高點后曲線的下滑。

圖5 兩種矩形管的加載彎曲過程圖

下頁圖6為矩形管彎曲后變形狀態及局部變形圖，結合圖4載荷—位移曲線圖，可以看出，Q345矩形管載荷—位移曲線經過最高點后的下滑幅度與實驗鋼曲線的下滑幅度相比，較為劇烈。這是因為在下壓過程中，Q345矩形管受壓管壁與兩側受壓面相連接的圓角開裂（見圖6所示），導致曲線下滑劇烈。經過分析認為，Q345矩形管下壓開裂是由于局部圓角應力集中導致。該Q345矩形管是由無縫鋼管經過拉拔而成，并且為一道次直接成形。在拉拔成形過程中，應變主要集中在矩形截面的4個圓角部位，因此，在后續使用過程中較容易出現圓角開裂。而實驗鋼矩形管采用“直接成方”輥彎成形，在下壓過程中無圓角開裂現象發生。同時，重點關注了焊縫處的變形情況，發現焊縫位置同樣無明顯開裂。

圖6 矩形管彎曲后變形狀態及局部變形圖

綜上所述，三點彎曲實驗結果表明，Q345矩形管與實驗鋼矩形管兩者抗彎曲性能差別不大，但是在彎曲過程中Q345矩形管出現圓角開裂現象，而實驗鋼矩形管彎曲后圓角部位及焊縫處均未見明顯開裂，說明5.1 mm厚度的實驗鋼制成的矩形管整體性能優于8.0 mm厚度Q345矩形管。

4 結論

1）超聲波探傷結果表明，在實驗鋼矩形管樣品的焊縫及4個圓角的整個長度范圍內，均沒有發現裂紋、孔洞、夾雜物等宏觀缺陷。因此實驗鋼熱軋卷板能夠滿足矩形管產品對于焊接性能和冷彎性能的需要。

2）金相組織和常溫拉伸實驗結果表明，在實驗鋼矩形管的焊縫熔合區和熱影響區當中均存在貝氏體組織，強度均高于基體部分。因此實驗鋼板材具有良好的焊接性能，焊接部位不會成為強度較差的薄弱環節。

3）三點彎曲實驗結果表明，Q345與實驗鋼矩形管的抗彎曲性能差別不大；在彎曲過程中，Q345矩形管出現開裂，而實驗鋼矩形管的圓角及焊縫部位均未見明顯開裂。因此實驗鋼矩形管的整體性能優于Q345矩形管。

4）通過上述實驗，證明5.1 mm規格實驗鋼矩形管各項性能指標均優于8.0 mm規格Q345無縫鋼管，應用600 MPa級的微合金高強鋼，機械大梁可減重36%，機械底盤整體質量可以減輕20%～30%。

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