低裂紋敏感性S 550MC熱軋汽車結構鋼帶研究

宋曉娟

（河鋼集團唐山不銹鋼有限責任公司，河北 063105）

0 引言

汽車橫梁及車內支撐件一般采用屈服強度420 MPa等級的鋼帶沖壓，但隨著汽車整車強度要求提高和重量減量化的環保要求，可采用高屈服強度550 MPa等級薄規格超高強鋼替代屈服強度420MPa厚規格的結構鋼。具體措施是用規格厚度為3.0～6.0 mm的550 MPa級結構鋼代替420 MPa級4.0～8.0 mm厚度結構鋼，此措施可有效降低車身重量，但采用常規超高強度汽車結構鋼，熱軋控制相對容易、產品強度和延伸率均較高，但對剪切、沖壓加工過程中產生的微裂紋比較敏感，如：切口質量較差，容易形成疲勞裂紋源，產品疲勞壽命低，給產品使用造成安全等隱患。

為了提高550 MPa等級薄規格超高強結構鋼安全性能，唐山不銹鋼公司根據前期汽車結構鋼的生產經驗并結合1580產線特點開發了低裂紋敏感性S550MC熱軋超高強汽車結構鋼帶。本文介紹了S550MC熱軋結構鋼的生產工藝流程、化學成分組成、軋鋼相關生產工藝，并對生產出的S550MC熱軋汽車結構鋼的組織特征和力學性能進行了分析，其性能完全滿足低裂紋敏感度超高強汽車結構鋼的要求。

1 S550MC熱軋汽車結構鋼生產工藝設計

1.1 生產工藝路線設計

1.2 化學成分設計

常規高強度汽車結構鋼采用C、Mn成分+Nb微合金化的成分體系，本次開發的低裂紋敏感度S550MC熱軋汽車結構鋼帶成分設計是在常規高強度汽車結構鋼成分體系的基礎上增加Ti微合金化成分，形成C、Mn成分+Nb、Ti微合金化成分體系。

1.2.1 C元素

C元素可以有效提高鋼的強度，且相對其它合金元素成本低廉，在成分設計時考慮碳含量對鋼材焊接性能的影響，C元素的成分設計為0.06%～0.09%。

1.2.2 Mn元素

Mn元素可以細化晶粒，提高鋼材的強度，同時可減少有害元素對鋼材的冷、熱脆影響，考慮成本因素，Mn元素的成分設計為1.20%～1.50%。

1.2.3 Nb元素

Nb元素能夠通過細晶強化和沉淀強化來提高材料的強韌性，其通過抑制高溫變形過程中的再結晶，擴大了奧氏體未再結晶區的范圍，同時通過優化控軋、空冷工藝可以起到細化晶粒增加強度的效果，另外Nb元素還可以起到析出強化的效果。考慮Nb元素加入量對鋼材的強化效果影響并考慮成本因素，Nb元素設計為0.030%～0.045%。

1.2.4 Ti元素

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Ti元素可以與N、C元素可以形成氮化物和碳化物來抑制奧氏體晶粒長大，晶粒的細小可以提高鋼材的力學性能，同時增加Ti元素可以改善鋼材的焊接性能，另外Ti元素能變質鋼中的硫化物,改善材料的縱橫向性能的差異及冷成型性能；當Ti含量較高時（＞0.04%），結合合適的熱加工工藝，Ti在鋼中能形成彌散細小的碳鈦化物或碳氮鈦化物的沉淀析出，起到析出強化作用[1]。

綜上所述，S550MC最終設計成分如表1所示。

表1 S550MC設計成分

1.3 熱軋工藝設計

1.3.1 熱軋加熱工藝設計

鋼坯采用蓄熱式加熱爐加熱。鋼坯加熱制度設計應考慮以下方面因素：為保證固溶強化元素的充分固溶，加熱溫度設定不能過低；鋼材加熱溫度上限控制要考慮鋼材表面氧化鐵皮控制要求、鋼坯的氧化燒損控制以及晶粒粗大對性能影響等因素。因此，鋼坯加熱制度要求為：板坯在高溫加熱段、均熱段溫度控制在1 260～1 300℃，總加熱時間為150～300 min，鑄坯在均熱段加熱時間≥30 min，鋼坯出爐后的除鱗溫度1 080～1 120℃。

1.3.2 熱軋粗軋工藝設計

粗軋采用單機架往復式5道次軋制，除鱗方式為單道次高壓水除鱗，為減少中間坯的過程溫降和精軋軋制負荷，粗軋后的中間坯料厚度設定34～36 mm。粗軋完成后中間坯在熱卷箱成卷，主要是加強除鱗效果、對中間坯均熱保溫，減少中間坯過程溫降，提高精軋軋制過程的穩定性。

1.3.3 熱軋精軋工藝設計

熱軋精軋采用7架次連軋，精軋入口溫度控制在1 020～1050℃，因含Nb合金元素鋼種后機架軋制變形抗力大，為保證軋制過程的穩定需對軋制負荷壓下率進行調整優化。主要調整方向為在壓下允許范圍內增大前機架壓下率，減少后機架負荷分配，考慮產品力學性能和產品的板型質量影響，末道次壓下率設定12%，產品的終軋溫度設定為870℃。

1.3.4 熱軋層流冷卻工藝設計

層流冷卻工藝采用三段冷卻模式，即：一段水冷+二段空冷+三段水冷模式。帶鋼首先經第一段加密冷卻，以70～100℃/s冷卻速率強冷至鐵素體生成溫度區間680～720℃；空冷時間控制在2～4 s，控制鐵素體生成比例；空冷后進行第三段層流冷卻，以40～60℃/s的冷卻速度冷卻到480～520℃卷取溫度進行卷取。

2 S550MC熱軋汽車結構鋼金相組織

鋼材通過采用Nb、Ti微合金化成分設計，熱軋工序通過加熱溫度、層冷的三段冷卻等相關工藝控制，提高了S550MC熱軋鋼帶的綜合性能。加熱溫度控制可以有效提高合金元素固溶強化效果；層流冷卻采用三段冷卻，調整鋼帶在相變過程中C的分配，避免向珠光體組織轉化，可以得到性能比鐵素體+珠光體更好的鐵素體+貝氏體組織，這種組織使鋼材具有較高的抗拉強度、良好的擴孔率和低裂紋敏感性，適合沖壓SUV、皮卡、輕卡等車型的結構件、加強件，具有制造工藝簡單、成本低廉、擴孔率高的特點。本工藝生產的熱軋S550MC板卷的組織主要為鐵素體+粒狀貝氏體，金相組織如圖1所示。

圖1 金相組織

3 S550MC熱軋汽車結構鋼力學性能

本工藝生產的低裂紋敏感性S550MC熱軋超高強汽車結構鋼強度和延伸率均符合標準要求，同時產品屈服延伸較小，不容易變形，沖擊韌性好，沖擊斷口良好、不分層，卷取晶粒更細，適合載荷頻繁變化、疲勞強度要求較高的場合，性能完全滿足低裂紋敏感性超高強汽車結構鋼的要求。該產品應用在汽車制動機構等沖壓結構件上，客戶反饋抗疲勞斷裂能力優于常規工藝。

3.1 強度性能

本工藝生產的鋼帶產品抗拉強度Rm：670～710 MPa，屈服強度Rp0.2：590～640 MPa，延伸率A：19.5～23%，0℃低溫沖擊功：160～190 J/cm2，擴孔率：60～70%，擴孔率較常規生產工藝提高了20～30%。檢測力學性能與EN 10149-2標準對比如表2所示。

表2 本發明實際生產性能與EN10149-2標準要求對比

3.2 延伸性能

本工藝生產的熱軋S550MC板卷拉伸曲線見圖2中曲線B，采用常規單段冷卻方式和600℃卷取溫度生產的S550MC熱軋板卷拉伸曲線見圖2中曲線A。由圖2可以看出曲線B屈服抗拉強度高、延伸小。本工藝低溫卷取的沖擊斷口見圖3，沖擊斷口韌性良好。采用常規單段冷卻方式和600℃卷取溫度生產S550MC斷口見圖4。

圖2 拉伸曲線對比

圖3 本工藝沖擊斷口

圖4 常規工藝沖擊斷口

4 結語

采用常規工藝生產的550 MPa級超高強結構鋼熱軋控制相對容易，產品強度和延伸率均較高，但對剪切、沖壓加工過程中產生的微裂紋比較敏感，切口質量較差，容易形成疲勞裂紋源，嚴重降低疲勞壽命，對產品使用造成安全隱患。

為降低裂紋敏感性，唐山不銹鋼公司通過優化550 MPa級超高強結構鋼的化學成分組成、熱軋相關工藝和層流冷卻路徑，并結合前期汽車結構鋼的生產經驗，開發了低裂紋敏感性S550MC熱軋超高強汽車結構鋼帶，降低了裂紋敏感性，改善了疲勞壽命，增加了超高強鋼的沖擊韌性和擴孔率。所生產的鋼帶產品在某重工制造有限公司使用，剪切、沖壓裂紋敏感性低，使用效果達到了設計要求。