汽車用冷軋低合金高強鋼H C 4 2 0 L A的開發

葉 姜 樊 雷 余軼峰

1.前言

輕量化一直是汽車行業中一個重大的發展方向。高強度鋼在抗碰撞性能、加工工藝和成本方面較鋁、鎂合金具有明顯的優勢，能夠滿足減輕汽車質量和提高碰撞安全性能的雙重需要。從成本與性能角度來看，是滿足車身輕量化、提高碰撞安全性的最佳材料。高強度鋼板能夠大幅度增加零件的抗變形能力，提高能量吸收能力和擴大彈性應變區。高強度鋼應用于汽車零件上，可以通過減薄零件厚度來減輕車身質量，當鋼板厚度分別減少0.05mm、0.10mm、0.15mm時車身可減重6%、12%、18%。車身用鋼向高強度化發展已經成為趨勢。在汽車制造中，白車身車架縱、橫梁和汽車底盤等結構件和加強件，受力結構需要有良好的抗變形能力，即需要有高的屈服強度和高的屈強比，高強低合金鋼正好可以滿足此要求[1-2]。

2.成分設計

汽車用冷軋低合金高強鋼HC420LA代表了冷軋低合金高強鋼的最高強度級別，執行DIN EN 10268標準，這種鋼具有良好的成形性能和較高的強度，主要用于汽車座椅、橫梁等結構件和加強件。在低碳鋼中添加少量的鈮和（或）鈦等合金元素，使其與碳、氮等元素形成碳化物、氮化物并在鐵素體機體上析出從而提高鋼的強度[3]。柳鋼的汽車用冷軋低合金高強鋼HC420LA采用罩式退火設備生產，化學成分設計是在C、Mn鋼的基礎上，通過添加Nb、Ti元素進行微合金化處理，采用晶粒細化、沉淀強化等復合強化機制保證鋼的強度。綜合考慮，HC420LA設計的化學成分見表1。

表1 冷軋低合金高強鋼HC420LA化學成分 wt%

3.工藝流程及過程控制

3.1 生產工藝流程

HC420LA生產工藝流程：鐵水預處理-轉爐冶煉-LF精煉-RH精煉-板坯連鑄-熱軋-酸軋-罩式退火-平整-拉矯-卷取包裝。

3.2 冶煉及連鑄工藝

鐵水深脫硫，扒渣干凈；轉爐冶煉，控制C、P、S成分，采用Al-Fe脫氧，Mn-Fe配Mn，Nb-Fe、Ti-Fe調Nb、Ti，RH脫氣處理，降低H和O含量，使鋼的成分達到設計目標，連鑄時采取低過熱度澆注和全程保護澆注。

3.3 熱連軋工藝

低合金高強鋼HC420LA的強度要求較高，但柳鋼冷軋軋機的負荷能力一定，要求熱軋基板的強度不能過高。熱軋工序板坯加熱溫度控制在1200℃-1250℃范圍內，采用高溫加熱，保證穩定軋制的同時，在鋼中獲得粗大的碳氮化合物等第二相粒子。為使得在奧氏體形變過程中產生的大量位錯得以保留，從而提高最終轉變產物中的位錯密度，增強位錯強化和其他因素，終軋溫度目標值為860℃-900℃，卷取溫度580℃-640℃，有利于獲得均勻和細小的鐵素體晶粒。對低合金高強度鋼 HC420LA 熱軋基板進行力學性能檢驗（見表2）；對其進行金相檢驗，金相組織為鐵素體+珠光體，晶粒度平均為13級。

表2 HC420LA熱軋基板力學性能

表3 HC420LA冷軋卷力學性能

3.4 冷軋工藝

熱軋原料經過鹽酸紊流酸洗后，經5機架冷連軋機組進行軋制，冷軋壓下率越大，有利于提高金屬冷軋變形儲能，增加退火過程中再結晶的驅動力。但考慮到柳鋼冷軋機組的設備能力和設備損耗，結合柳鋼實際情況，冷軋壓下率控制在50%-60%。在罩式退火中，要保證試驗鋼的沖壓性能，必須使鋼板充分再結晶，消除加工硬化現象。同時均勻組織和細小等軸晶粒也有利于提高沖壓性能。HC420LA基板經過冷軋后位錯密度急劇升高，硬卷抗拉強度可達1000MPa以上。由于冷軋產生的加工硬化只有通過再結晶退火才能消除，冷軋后的組織通過回復、再結晶和晶粒長大3個過程，最終獲得理想的沖壓性能。為了制定合理的再結晶退火制度，采用硬度法測量了鋼的再結晶溫度為600℃。

冷軋板進行平整是為了保證鋼板板形，且對于消除屈服平臺、減少回彈以提高冷軋高強度鋼板的沖壓性能有利，在保證板形的質量的前提下，適當提高軋制壓力對于提高鋼板的強度有一定作用，所以設定平整延伸率控制在1.5%-2.0%。

4 產品性能及應用

4.1 產品性能及金相組織

HC420LA冷軋卷取樣進行縱向、橫向、45°方向力學性能及橫向金相組織檢驗，（見表3），組織為鐵素體+滲碳體，鐵素體晶粒度13級，將樣品進行透射電鏡制樣，應用JEM-2100F透射電鏡對試樣進行了析出物觀察，其析出物非彌散分布，顆粒大小5nm-40nm，經光譜分析其組成為TiC、TiN、Ti4C2S2和少量的MnS等。添加鈮、鈦等微合金元素，使鋼中形成細小、彌散的碳、氮化物，細化晶粒和阻礙位錯，實現強度的提高，使其具有較高的強度和塑性，滿足汽車制造對強度、塑性和韌性以及其他成形方面的要求。

4.2 產品應用

柳鋼生產的汽車用低合金高強鋼HC420LA各項指標均達到標準要求，得到汽配廠的認可，實現批量供貨，成功應用于某車型D柱，座椅鉸鏈等零件上。

5.結語

（1）以C-Mn鋼為基體，添加Nb、Ti元素延遲奧氏體再結晶獲得細晶強化組織獲得420MPa級高強度低合金鋼，性能良好，滿足沖壓要求。

（2）對HC420LA進行析出物分析，可見鋼中形成細小、彌散的碳、氮化物，細化晶粒和阻礙位錯，以實現強度的提高，使其具有較高的強度和塑性，滿足汽車制造對強度、塑性和韌性以及其他成形方面的要求。

[1]康永林,朱國明.中國汽車發展趨勢及汽車用鋼面臨的機遇與挑戰[J]．鋼鐵，2014,49（12）∶1-7.

[2]康永林.汽車輕量化先進高強鋼與節能減排[J].鋼鐵,2008,43(06)∶1-7.

[3]姚貴升.汽車用鋼應用技術[M]. 2007，7∶269-291.