粗軋出口溫度對600 MPa級汽車大梁鋼性能的影響

劉 敏，陳萬華

（日照鋼鐵控股集團有限公司 冶金技術處，山東 日照276800）

1 前 言

現代社會對生活品質和環境質量的要求在不斷提升，汽車制造業越來越重視節約能源與交通安全。在不降低車體結構強度的前提下，降低車重可起到明顯的降低油耗、減少排放、節能環保的效果。有研究指出，鋼板厚度減少0.05、0.10、0.15 mm，車身可分別減重6%、12%、18%。據統計，汽車的車身重量每減輕10%，就可節省原油3%～7%［1-2］，故研究汽車鋼性能在實際生產中具有切實的意義。

汽車大梁用鋼主要用于制造汽車結構件，一般包括主梁、橫梁、加強梁、邊梁以及小的沖壓件等，是性能指標要求較高的鋼種，一般厚度為3～10 mm。汽車大梁鋼是汽車的主要結構部件，它承載著汽車幾乎全部的重量［3］，大梁用鋼的性能質量會直接影響整個車的行車安全及使用壽命，各高校、企業也在不斷地研究創新。經試驗，低的粗軋出口溫度可有效改善帶鋼表面質量，但出現強度降低現象，以牌號610L鋼為例，研究進行了粗軋出口溫度對兩種不同厚度規格（3.8 mm、7.8 mm）600 MPa 級大梁鋼性能影響的分析。

2 汽車大梁鋼成分和工藝

2.1 汽車大梁鋼基本要求

汽車大梁鋼作為載重汽車車架主要構件的原料，一般需滿足如下質量要求：1）足夠的抗拉強度、屈服強度，以滿足汽車承載能力的要求。2）良好的延伸和冷彎性能，以滿足載重汽車橫梁和縱梁沖壓、滾壓成形或比較復雜變形的要求。3）鋼質純凈，夾雜和有害元素含量的降低可有效提高大梁鋼的疲勞強度和疲勞壽命。4）高表面質量，大梁表面一般需漆裝，為保證油漆后表面光潔，要求鋼板表面氧化鐵皮薄而且盡量均勻。5）良好的焊接性能，以滿足梁板焊接組裝要求。6）足夠的韌性，尤其是在低溫環境中使用。

2.2 成分設計

目前市場中使用的汽車大梁鋼的成分體系主要有3種。

一是采用單一的Ti微合金化［4-6］，成本低廉，但延展性、韌性相對不足，在制造大梁的過程中易出現折彎開裂。其機理主要是利用Ti 的沉淀強化和析出強化。彌散細小的碳化鈦粒子在粗軋機、精軋機及層冷區析出。目前國內的工藝，汽車大梁用鋼的強度要達到500 MPa級以上，鋼中鈦Ti含量需要達到≥0.04%，才能起到強化的作用。

二是采用V微合金化，承鋼具備含釩高強汽車大梁用鋼批量生產的能力，含釩高強汽車大梁用鋼，廣泛應用于各種類型的卡車；其具有良好的強韌性、低屈強比、高疲勞強度［7］，但釩鐵成本高。

三是采用Nb-Ti復合微合金，與單一Ti微合金化相比，Nb的加入可有效改善鋼的韌性，其主要機理是Nb對原奧氏體晶粒的細化作用。

本試驗采用的是Nb-Ti 復合微合金化，其熔煉分析化學成分如表1所示。

表1 610L試驗鋼化學成分（質量分數） %

2.3 生產工藝

試驗鋼工藝流程為：高爐鐵水→鐵水預處理→120 t轉爐→LF精煉爐→板坯連鑄→步進式加熱爐加熱→爐后高壓水除鱗→粗軋→熱卷箱→精軋→層流冷卻→卷取→精整→發貨。

為保證合金元素的充分回溶，同時為避免原始奧氏體晶粒過大，加熱溫度設定為1 200～1 290 ℃，板坯加熱時間≮180 min，粗軋根據生產實際采用1+5或3+3軋制。精軋為7機架連軋制到目標厚度。

3 試驗結果及分析

3.1 厚度7.8 mm的熱軋帶鋼性能

厚度規格7.8 mm 的熱軋帶鋼采用相同的終軋溫度910 ℃和相同的卷取溫度590 ℃，不同的粗軋出口溫度1 000～1 100 ℃。在不同粗軋溫度區間生產的帶鋼的力學性能如表2、圖1所示。

表2 不同粗軋溫度區間帶鋼的力學性能（厚度7.8 mm）

圖1 力學性能隨粗軋溫度的變化趨勢（厚度7.8 mm）

由表2和圖1可知，厚度規格7.0～8.0 mm的熱軋帶鋼粗軋溫度在1 000～1 055 ℃范圍內，隨著粗軋溫度的升高強度也提高；在1 055～1 075 ℃范圍內，隨著粗軋溫度的升高強度呈下降趨勢；在1 075～1 095 ℃范圍內隨著粗軋溫度的升高強度提高。

3.2 厚度3.8 mm的熱軋帶鋼性能

厚度規格3.8 mm 的熱軋帶鋼采用相同的終軋溫度900 ℃和相同的卷取溫度590 ℃，不同的粗軋出口溫度1 030～1 120 ℃。在不同粗軋溫度區間生產的帶鋼的力學性能如表3、圖2所示。

表3 不同粗軋溫度區間帶鋼的力學性能（厚度3.8 mm）

由表3 和圖2 可知，厚度規格3.8 mm 的熱軋帶鋼粗軋出口溫度在1 030～1 055 ℃范圍內，隨著粗軋出口溫度的升高強度也升高；在1 055～1 075 ℃范圍內，隨著粗軋出口溫度的升高強度呈下降趨勢；在1 075～1 115 ℃范圍內隨著粗軋出口溫度的升高強度提高。

圖2 力學性能隨粗軋溫度的變化趨勢（厚度3.8 mm）

3.3 強化機理分析

通過厚度3.8 mm 和7.8 mm 熱軋帶鋼的強度趨勢可知，薄規格和厚規格粗軋出口溫度在1 055～1 075 ℃，粗軋出口溫度升高強度降低；粗軋出口溫度低于1 055 ℃和高于1 115 ℃時，粗軋出口溫度越高強度越高。說明薄規格和厚規格在該成分體系下的強化機理一致。

微合金元素Nb 的加入可有效細化晶粒，這主要是因為在奧氏體再結晶過程中Nb的碳氮化物析出，對晶界有拖曳的作用，同時對晶界及軋制變形過程中產生的位錯起到釘軋作用。微合金元素Ti依據冶金工藝在鋼中的存在形式：TiN-TiS-Ti2C4S2-TiC/Ti（C、N）。TiN 在連鑄過程中析出的狀態分為液析和固析TiN，液析TiN 粒子一般呈正方形或長方形聚集在鋼中，尺寸＞0.5 μm，粒子尺寸較大、有棱有角，對鋼的沖擊韌性不利；固析TiN 通常會與Ti4C2S2復合析出，尺寸一般在100～500 nm范圍內；固析TiN 尺寸明顯小于液析TiN。固析TiN 對均熱過程中奧氏體晶粒的長大及熱連軋過程中奧氏體再結晶晶粒的長大具有一定的抑制作用。熱連軋后試樣中的析出的Ti（C、N）為球形，直徑大約在10～30 nm，均勻的分布于基體上，是形變誘導析出的產物。在卷取過程中，鋼材中析出的碳氮化物數量增加，平均尺寸更小且分布也更為彌散。有研究指出：大部分析出物的直徑約為5～15 nm，也有少數在20 nm 以上。直徑較小的析出物是在鐵素體中析出，而少數較大的析出物很可能是前期在奧氏體中形變誘導析出的。Nb 含量增加，會使連鑄板坯的裂紋敏感性增加；當Ti加入時，可有效改善含Nb鋼連鑄板坯邊部角裂的傾向。此外，Ti的析出物具有良好的熱穩定性，該性能可在焊接過程中有效阻止奧氏體粗化，對鋼材焊接性能起到改善作用。

4 結 論

4.1 粗軋出口溫度對薄規格3.8 mm和厚規格7.8 mm鋼帶的力學性能影響趨勢一致。

4.2 在該成分體系下，粗軋出口溫度在1 055～1 075℃，隨粗軋出口溫度升高強度降低；粗軋出口溫度低于1 055 ℃和高于1 115 ℃時，粗軋溫度越高強度越高。