低合金冷軋高強鋼HC420LA 生產工藝優化

李 堃 厚健龍 向 華 成曉舉 于 萌 尚繼芳

（安陽鋼鐵集團有限責任公司）

0 引言

公安部公布的數據顯示，2020 年上半年中國的汽車保有量大約2.7 億輛[1]。龐大的汽車保有量將會帶來更加突出的能源安全和環境污染問題，因此車輛輕量化成為汽車節能減排的主要發力方向之一，汽車用高強鋼的研發正順應其潮流。低合金冷軋高強鋼不僅強度高而且兼顧一定的加工成形性，被廣泛加工為汽車前后縱梁、門內加強梁、底板橫梁等零件[2]。低合金冷軋高強鋼HC420LA是目前應用最廣泛的汽車用高強鋼之一。鋼鐵企業為了增強競爭力，在研發時一方面需要考慮用戶對性能的要求，另一方面需要考慮盡量降低合金成本，因此在前期試驗時經常會發生性能偏低的問題。筆者結合安鋼在小批量生產中遇到了HC420LA 屈服強度低于標準下限的問題，通過對HC420LA 的化學成分、冷軋壓下率和連續退火溫度采取優化措施，使得性能達到了標準要求且富余量充足。

1 存在問題及分析

安鋼生產的HC420LA，采用的是DIN EN 10268標準,具體見表1。在小批量生產時，HC420LA 出現屈服強度偏低問題，厚度1.0～1.5 mm 的產品的屈服強度在410 ～420 MPa，而厚度2.0 mm 的產品的屈服強度在400 MPa 以下。屈服強度的均值為402 MPa，抗拉強度的均值為540 MPa，伸長率的均值為24%，其中屈服強度明顯低于標準中420 ～520 MPa 的要求，合格率僅為70%。

表1 HC420LA 性能標準

安鋼生產的HC420LA 與國內其他鋼廠生產的同類產品成分相近[3]，為了提高屈服強度，在原成分基礎上，已采取調整熱軋卷取溫度、退火溫度和平整延伸率等措施，但均未達到理想效果。這表明在原成分下，不能通過工藝調整達到屈服強度大于420 MPa 的要求。因此，需要在優化成分的基礎上，進一步調整工藝參數。

2 優化措施

為了提高HC420LA 的屈服強度，主要采取以下優化措施：（1）優化成分。低合金高強鋼主要利用置換固溶元素Si、Mn 和間隙固溶元素C 來提供固溶強化，同時利用Nb 元素在基體中析出細微碳化物和氮化物形成彌散質點，發揮析出強化和細晶強化作用[4]，因此，需要通過提高強化元素C、Si、Mn 和Nb 的含量來提高其強度，但需要綜合考慮成本和強化效果。（2）優化冷軋壓下率。隨著壓下率的增大，金屬內部的晶粒纖維狀越明顯，加工硬化現象也越明顯；同時，壓下率越大，晶粒被破碎的程度就越大，這樣會促使再結晶原始晶粒變小，從而產生一定的細晶強化作用，提高金屬的強度。因此，可以在綜合考慮軋機能力的情況下，適當提高冷軋壓下率[5]。（3）優化退火溫度。帶鋼經過冷軋后，鋼中晶粒會發生畸變，被擠壓成纖維狀組織。在退火過程中，由于鋼中的晶粒相互吞并、長大，所以纖維狀組織會逐漸恢復為無畸變的等軸晶粒。如果退火的溫度過高，鋼中的原子會迅速擴散，導致晶界遷移過快，使晶粒粗大，析出滲C 體[6]。因此，可以適當考慮降低退火溫度來提高強度。

2.1 成分優化

資料顯示[7]，C、Si、Mn 元素的質量分數每增加0.1%，鋼的屈服強度分別提高了28 MPa、5.6 MPa、8.4 MPa。根據資料[8]，在0.03 %固溶質量分數的條件下，Nb 的析出對鋼的屈服強度的強化效果最高可以達到150 MPa。因此，考慮適當增加C、Mn、Si、Nb 元素的質量分數來提高鋼的強度。

考慮到成本和強化效果，C 元素是最為經濟、有效的強化方式，增加C 元素的質量分數可提高鋼的屈服強度和抗拉強度，但鋼的塑性會較低，因此將C 的質量分數提高0.02%。Si 元素也具有較好的強化效果，但會降低鋼的塑性，同時對鋼的焊接性能也不利，因此將Si 的質量分數提高0.1%。Mn 元素既可使鋼的屈服強度升高，也有利于鋼的韌性的提高，因此將其質量分數提高0.1%。Nb 元素可明顯提高鋼的強度和韌性，但成本較高，因此將其質量分數提高0.010%。成分優化前后的對比見表2。

表2 成分優化前后對比

成分優化后，熱軋屈服強度和抗拉強度的均值比優化前增加了27 MPa，伸長率降低了5%，具體熱軋性能對比見表3。

表3 成分優化前后熱軋性能對比

2.2 冷軋壓下率優化

冷軋壓下率對力學性能和再結晶溫度有著重要影響。隨著壓下率的增大，金屬內部的晶粒纖維狀越明顯，加工硬化現象越明顯；壓下率大，晶粒被破碎的程度越大，再結晶原始晶粒越小，從而產生一定的細晶強化作用，提高金屬強度。同時，壓下率越大，金屬晶粒形變越大，產生畸變能越大，內部存儲的能力越大，再結晶驅動力越大[9]，也越有利于再結晶的進行。因此，為了提高鋼的強度，結合冷軋軋機的軋制能力，將厚度1.5 mm 鋼板的冷軋壓下率從56%提高到62%，厚度2.0 mm 鋼板的冷軋壓下率由56%提高到60%，具體見表4。

表4 冷軋壓下率優化

2.3 連續退火溫度優化

帶鋼在連續退火爐主要在加熱和均熱段完成再結晶過程。帶鋼通過爐區加熱段時，一方面帶鋼中的冷軋應力會得到釋放，缺陷會得到部分消除，另一方面冷軋后纖維狀組織會重新形核和長大[10]。在爐區均熱段時，鋼中的滲C 體發生溶解，鐵素體晶粒得到充分長大和均勻化。如果加熱、均熱溫度過高，會使鐵素體過分長大，導致性能下降[11]。如果加熱、均熱溫度過低，則會造成纖維狀組織未能充分還原為等軸晶粒，導致加工性能惡化。因此，綜合考慮將加熱、均熱溫度由820 ℃調整為780 ℃。不同退火溫度下HC420LA 的組織如圖1 所示。

從圖1 可以看出，當退火溫度為820 ℃時，鋼中晶粒已經完全再結晶，但部分晶粒較大，造成鋼板強度的降低，對應的屈服強度在400～420 MPa，低于標準下限值；當火溫度為790 ℃時，鋼中的組織比820 ℃時的晶粒略小，對應的性能屈服強度在420～430 MPa，在標準下限附近，富余量不充足；當退火溫度為780 ℃時，鐵素體晶粒完成了再結晶，晶粒度較均勻，對應的屈服強度在430～460 MPa，性能適中，富余量充足。

圖1 不同退火溫度下HC420LA 的組織

3 優化效果

對HC420LA 的化學成分、冷軋壓下率以及退火溫度優化后，統計了將近1 000 t HC420LA 的生產數據，結果顯示其化學成分控制穩定，軋機生產過程順利，退火后的金相組織正常的鐵素體組織，性能合格率由原來的70%提升到98%，厚度1.0～2.0 mm 的HC420LA 的整體屈服強度的均值提高了44 MPa，達到450 MPa,抗拉強度均值為564 MPa,伸長率均值為22 %，具體性能分布見表5，性能均達到標準要求，而且富余量充足，下游用戶使用后反饋良好。

表5 HC420LA 優化后的性能

4 結論

（1）針對HC420LA 屈服強度低于標準的問題，通過對成分、冷軋壓下率以及退火溫度優化，性能最終達到了標準要求，合格率達到98%。

（2）C 的質量分數提高0.02%，Mn 的質量分數提高0.1%，Nb 的質量分數提高0.01%，熱軋板的屈服強度和抗拉強度提高了27 MPa，伸長率降低了5%。

（3）適當提高冷軋壓下率可產生細晶強化作用，從而提高鋼的強度。厚度1.5 mm 的HC420LA 壓下率由56%提高到62%，厚度2.0 mm 的HC420LA壓下率由56%提高到60%。

（4）適當降低退火溫度可以提高鋼的屈服強度。HC420LA 的退火溫度在820 ℃時，組織晶粒變粗大，性能隨之降低，退火溫度降至780 ℃，鐵素體晶粒完成了再結晶，晶粒度較均勻，屈服強度為430～460 MPa。