汽車結構用550 MPa級熱連軋鋼板的研制開發

吳剛

（本鋼技術研究院，遼寧 本溪 117021）

19世紀90年代，歐美發達國家開發了低級別汽車用鋼QStE340TM～QStE500TM，主要應用于高檔汽車的底盤零件，但因其釩含量高，釩+鈮或釩+鈦總量達到0.05%～0.10%左右，提高了生產成本，難以大量推廣使用。20世紀初，美國研究較多的V-Nb，日本研究較多的Nb-V-Ti，少數研究者采用Nb-Ti微合金化，獲得了良好的耐疲勞效果，但未能得到推廣利用[1]。中國從1995年開始研究汽車結構件用鋼，通過鑒定的牌號和鋼種有10個，但均由于成本高而未推廣。隨著我國科研水平的不斷提高和國家資源的開發利用，微合金元素鈦、釩、鈮、鉻、鉬和鎳等作為強化元素添加到低合金鋼中，獲得了實質性應用，微合金元素的合理利用充實了低合金鋼的物理冶金內容和強韌化機理的研究。

本文研制了在低碳鋼中添加高鈦—低鈮，配合熱連軋控軋控冷工藝生產屈服強度≥550 MPa的QStE550TM鋼板，主要用于重載汽車的橫、縱梁和底盤零件的制造。與添加V-Nb合金、Nb-V-Ti合金相比，鋼中加入鈦可以節省成本50元/t鋼以上。

1 技術要求

為了更好地滿足汽車結構件的技術要求，QStE550TM熱軋卷板要求具有較高強度的同時，還要求具有良好的低溫沖擊韌性和焊接性能。QStE550TM熱軋卷板的力學性能和化學成分要求見表1。

2 化學成分設計

為了充分保證強度、韌性和塑性指標的良好匹配，采用純凈鋼冶煉工藝，保證鋼中低磷、低硫和低碳含量，嚴格控制鋼中氫、氮、氧氣體含量，精煉時鈣質處理。為了降低合金成本，未加入鎳、鉬等貴合金的前提下，利用微合金元素鈦、鈮的析出強化、相變強化和細晶強化作用[2]，配合合理的控軋控冷工藝，使鋼板的力學性能和工藝性能達到技術規范要求。

關鍵化學成分及夾雜的控制如下：

碳：采用低碳含量設計，避開包晶區，一方面確保連鑄坯的表面質量和內部質量；另一方面保證鋼板具有優良的低溫沖擊韌性和焊接性能等。該鋼種碳含量要求在0.05%～0.08%。

錳：鋼中的錳可以明顯地提高屈服強度和抗拉強度，還能夠延遲奧氏體轉變，在冷卻速度一定的條件下，奧氏體轉變成珠光體和鐵素體的速率降低，從而使CCT曲線的Bs點下降，有利于細化組織，同時還可以降低碳化物析出尺寸，促進沉淀強化效果。該鋼種要求錳含量控制在1.20%～1.50%。

鈮：鈮在鋼中的作用以細晶強化為主，相變強化、析出強化為輔。此外，鈮還具有升高奧氏體再結晶溫度的作用[2]。為改善因沉淀強化和析出強化所造成的塑性損失，通過調整控軋控冷工藝制度，有效地控制細晶強化效果，使板卷強度和韌性達到良好匹配。

鈦：鈦鐵合金價格低廉，鋼中的鈦以析出強化為主，能夠細化奧氏體晶粒。在嚴格控制鋼中氮含量的前提下，碳化鈦的析出還可以大幅度的提高強度，因此，QStE550TM采用的是高鈦鋼。

硫及硫化物夾雜：為達到良好的強韌性匹配，保證鋼板具有良好的塑性、低溫沖擊韌性，同時還要具有較高的強度，要求鋼中硫≤0.005%。通過精煉處理后喂入硅鈣線對硫化物夾雜進行變質處理。

3 煉鋼、熱連軋軋制的關鍵技術控制

QStE550TM熱軋卷板的生產工藝為：高爐鐵水罐預脫硫→180 t頂底復吹（BOF）轉爐冶煉→鋼包爐爐外精煉→板坯連鑄澆鑄→步進式加熱爐加熱→熱連軋軋制→卷取機卷取、取樣→力學性能、工藝性能檢驗→包裝出廠。

3.1 煉鋼工藝

由于鈦在鋼中較活潑，容易和鋼中的氧、氮、硫形成化合物，冶煉控制的關鍵是采用純凈鋼冶煉技術，提高鋼水的潔凈度，嚴格地控制鋼中的氧、氮、硫和磷含量，得到氣體和有害元素較少的潔凈鋼水，從而保證有效鈦含量的穩定性。

鈦與氧的親和力很強，只有在保證充分脫氧的前提下，才能使鋼中的有效鈦發揮作用。QStE550TM采用鋼包爐精煉工藝，以控制鋼中的硫、磷含量，并進行喂硅鈣絲處理，對鋼中的氧化物、硫化物夾雜進行變質處理，使鋼中的夾雜物呈球狀分布，化學成分控制情況見表2。

由表2可見，該鋼的碳當量Cev和焊接裂紋敏感性指數Pcm均較低，表明鋼板具有良好的焊接性能。

3.2 熱連軋軋鋼工藝

3.2.1 控軋控冷工藝要點

（1）加熱工藝制度必須合理，目的是使煉鋼過程中的合金元素鈦、鈮溶解充分[3]。

（2）增加中間坯厚度，合理分配各道次壓下量，精軋機組保證未再結晶區的累積變形量，降低精軋機組入口溫度，以達到析出強化、相變強化和細晶強化的目的。

表2 QStE550TM鋼水化學成分（質量分數）Table 2 Chemical Compositions（Mass Fraction） of QStE550TM Molten Steel %

（3）合理選擇冷卻速率、卷取溫度，以獲得理想的組織和第二相的析出。

研究制定了QStE550TM熱連軋主要軋制工藝參數見表3。

表3 熱連軋主要軋制工藝參數Table3 Key Parameters for Hot Continuous Rolling Process ℃

3.2.2 熱連軋工藝制度的確定

熱軋工藝參數對鋼板的力學性能、工藝性能和使用性能有較大的影響，制定合理的熱軋工藝制度可充分發揮細晶強化、析出強化和相變強化的綜合效果[2]。實際操作中，對上述主要軋制參數具體確定如下。

（1） 加熱溫度

QStE550TM是細晶強化、析出強化和相變強化相結合的高鈦鋼，其強度主要源于碳化鈦、碳化鈮等析出物。因此，要求板坯加熱溫度為1 250±20℃，目的是使鈦鈮的碳化物、氮化物和碳氮化物再次固溶，并在隨后的粗軋、精軋、卷取過程中析出。從高鈦鋼的冶煉和軋制經驗來看，加熱爐加熱溫度對力學性能指標影響較大，板坯出爐溫度偏低會造成強度指標較低。

（2） 終軋溫度

對于高鈦鋼而言，層流冷卻的冷卻速率、卷取溫度是由終軋溫度所決定的。當終軋溫度低于Ar3時，晶粒經歷緩慢冷卻和恢復再結晶再次長大，鐵素體受加工變形的作用，鋼的力學性能下降。當終軋溫度高于Ar3到一定程度，極有可能造成鋼板塑性不足。綜合考慮組織均勻性和技術指標兩方面的因素，該鋼種終軋溫度控制在840～870℃為宜。

（3） 卷取溫度

在層流冷卻和卷取過程中，需要經過以下幾種組織相變[4]：① 析出強化以晶粒內部位錯密度和鐵素體晶界析出為主；②鐵素體晶粒粒子的回復、再結晶和晶粒長大降低了屈服強度、抗拉強度；③由于粒子析出的非共格化、集聚和長大減弱了晶界或位錯位移的阻滯作用，降低了力學性能。

上述三種轉變影響到卷取溫度的選擇，一方面，當卷取溫度設定低時，轉變過程②和轉變過程③非常微弱或來不及發生，或過程①因為動力學的原因，轉變無法結束，鈦鈮的氮化物、碳化物或碳氮化物粒子析出被“冷凍”而減弱強化效果；另一方面，卷取溫度過高，過程②和過程③占主導地位，降低了強度。

研究和實踐均表明，600℃的卷取溫度是最佳的析出溫度，能夠充分發揮各強化機制的作用，還能夠獲得較多的非多邊形鐵素體。

4 試驗結果與分析

4.1 顯微組織和夾雜物檢驗

該鋼的金相顯微組織見圖1。檢驗結果顯示，QStE550TM含鐵素體、少量珠光體和貝氏體，鐵素體晶粒度11.5～12.5級，組織均勻、細小。

圖1 QStE550TM金相組織Fig.1 Metallurgical Structure of QStE550TM

夾雜物檢驗結果為：A類夾雜均為0級，B類夾雜均為0.5級，這表明QStE550TM鋼的化學成分控制和熱連軋控軋控冷工藝制度合理，層流冷卻設計達到了要求，冷卻速率較合適。

4.2 力學性能

共試生產20批次QStE550TM，試樣厚度標準為3.0～16.0 mm，力學性能檢驗結果見表4。分析表4中的數據可見，各項性能指標均符合標準要求。以多種強化機制相結合的思路設計QStE550TM力學性能達到了理想的水平。

表4 QStE550TM力學性能檢驗結果Table 4 Test Results of Mechanical Properties of QStE550TM

4.3 系列沖擊試驗

評價鋼板韌性好壞的指標除斷后伸長率外，還有沖擊功數值，對QStE550TM卷板進行了+20℃～-60℃系列的沖擊功檢驗。

試樣尺寸為10.0 mm×7.5 mm×55.0 mm，圖2為QStE550TM系列沖擊功曲線。分析圖2可知，橫向-60℃沖擊功達30 J以上，縱向-60℃沖擊功可達60 J以上。統計20個批次的QStE550TM-40℃沖擊功范圍為80～150 J，平均為105 J?？梢?，QStE550TM具有優良的耐低溫沖擊韌性。

圖2 QStE550TM系列沖擊功曲線Fig.2 Curves for Impact Absorbing Energy of QStE550TM

4.4 冷彎性能試驗

為了考察QStE550TM鋼板的工藝性能，對鋼板進行寬冷彎試驗。圖3為冷彎試驗示意圖。

圖3 冷彎試驗示意圖Fig.3 Schematic Diagram for Cold Bending Test

試驗方向為橫向，彎曲角度為180°，彎心直徑d=1.0a（a為鋼板厚度），試樣寬度 b=80 mm，見圖3（a），檢驗結果全部合格。進一步壓靠到d=0，結果顯示無裂紋，見圖3（b）。由冷彎試樣可知，由于QStE550TM采用純凈鋼冶煉技術，嚴格地控制鋼中的氣體和夾雜物含量，利用鈣質處理使鋼中的氧化物和硫化物充分球化，QStE550TM鋼板不但具有優良的強韌性，還具有優異的工藝性能。

4.5 產品應用情況

圖4為使用QStE550TM制造的成品汽車縱梁實物照片。

圖4 QStE550TM制造的成品汽車縱梁實物照片Fig.4 Photograph of Longitudinal Beams to Automotives Made by QstE550TM

2012～2018年，共生產厚度3.0～10.0 mm 的QStE550TM卷板5.5萬t，供國內知名廠家制作重載汽車縱梁、橫梁和底盤零件。用戶采用下料、沖壓或滾壓成形、焊接（拼焊）、電泳、涂漆等工藝，進行了汽車大梁鋼的生產，并裝配到自卸車、重卡汽車等，未發現任何質量問題，板形良好，質量穩定。

5 結論

（1）采用純凈鋼冶煉技術、鈦鈮復合微合金化和合理的控軋控冷技術，在未添加Mo、Ni等貴重合金的前提下，充分發揮細晶強化、析出強化和相變強化的效果，成功研制出汽車結構用QStE550TM熱軋卷板。

（2）研制的QStE550TM鋼板金相組織為鐵素體、少量珠光體加貝氏體，金相組織細小、均勻，鐵素體平均晶粒度為11.5～12.0級，A類夾雜均為0級，B類夾雜均為0.5級。各項性能滿足技術規范的要求，產品用于制造重載汽車橫、縱梁結構件和底盤零件等，板形良好，質量穩定。