冷軋低合金高強(qiáng)鋼X410LA產(chǎn)品開發(fā)

楊紅來，黃小山，彭 沖

（新余鋼鐵集團(tuán)有限公司，江西 338001）

0 引言

現(xiàn)代汽車工業(yè)輕量化、節(jié)能、安全的發(fā)展趨勢帶動(dòng)汽車用鋼向高強(qiáng)方向發(fā)展，新一代汽車用高強(qiáng)鋼已經(jīng)得到快速發(fā)展。冷軋低合金高強(qiáng)鋼不僅表面質(zhì)量好，且具有突出的力學(xué)性能匹配、良好的成形性和焊接性，尤其是高屈強(qiáng)比，能夠更好的發(fā)揮材料使用性能的特點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用在汽車的零部件中。如汽車重要的支撐部件A柱、B柱等，這些部件的原料需要具有一定的強(qiáng)度，而且還能夠在汽車的側(cè)面碰撞和側(cè)翻的過程中，具有一定的變形量，吸收碰撞過程中的能量，從而減少對(duì)駕駛艙內(nèi)人員的沖擊；還如汽車重要的加強(qiáng)部件車門內(nèi)板、翼子板里板等，這些部件的原料需要始終保持較高的強(qiáng)度和剛度，不能輕易的發(fā)生形變，這類材料需要有較高的屈服強(qiáng)度和較高的屈強(qiáng)比。而冷軋低合金高強(qiáng)鋼則能很好的滿足上述要求，對(duì)降低汽車自重、降低材料消耗有重要作用，隨著汽車輕量化、安全及成型技術(shù)的發(fā)展，其使用量逐年增加[1]。

為了滿足汽車原料市場的需求，優(yōu)化品種結(jié)構(gòu)，提高卷板線產(chǎn)品市場競爭能力，同時(shí)對(duì)地方汽車用鋼生產(chǎn)和汽車制造一體化發(fā)展的戰(zhàn)略支撐，新鋼2015年開始了高強(qiáng)汽車用鋼X410LA產(chǎn)品研制與開發(fā)。通過合理的化學(xué)成分設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)理論和生產(chǎn)試驗(yàn)研究，掌握一整套適合新鋼生產(chǎn)設(shè)備特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)可行、成熟可靠的高強(qiáng)汽車用鋼冶煉、連鑄、熱軋、冷軋及退火工藝控制技術(shù)。

1 產(chǎn)品研發(fā)機(jī)理

汽車用冷軋低合金高強(qiáng)鋼X410LA是冷軋低合金高強(qiáng)鋼中的高強(qiáng)度級(jí)別，具有良好的成形性能和較高的強(qiáng)度，其力學(xué)性能要求如表l所示。相對(duì)于固溶強(qiáng)化和相變強(qiáng)化來說，沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化是X410LA主要的強(qiáng)韌化手段[2]。

表1 X410LA鋼力學(xué)性能要求

通過向鋼中加入適量Nb、V、Ti等合金元素，可以阻止奧氏體長大、推遲奧氏體再結(jié)晶溫度以及增加鐵素體形核率[3]；再通過合適的生產(chǎn)工藝控制，如采用低溫大壓下破碎原奧晶粒，增加未發(fā)生再結(jié)晶奧氏體內(nèi)的變形帶，加大冷卻速度和降低卷取溫度等手段，增加鐵素體的形核點(diǎn)[4]。在γ→α轉(zhuǎn)變的過程中，如果鐵素體的形核率和形核點(diǎn)增加，鐵素體的晶粒尺寸能夠得到降低，從形核開始到完全長大的時(shí)間也能夠明顯縮短[5]，從而可達(dá)到細(xì)晶強(qiáng)化的目的。

同時(shí)Nb、V、Ti等微合金元素又能很好的與鋼中的C、N結(jié)合，形成碳氮化合物，這些化合物在變形或冷卻后可以沉淀析出，均勻彌散分布在基體之中，阻礙位錯(cuò)的滑移，起到強(qiáng)化基體的作用，同時(shí)這些析出物還有抑制奧氏體的再結(jié)晶和阻止晶粒長大的作用[6]。這些微合金元素本質(zhì)上主要是通過影響相變動(dòng)力學(xué)來影響奧氏體轉(zhuǎn)變及長大的，從而起到強(qiáng)化作用的[7]。碳氮化合物析出相在增加了基體強(qiáng)度的同時(shí)，還能起到釘扎奧氏體晶界的作用[8]，阻止奧氏體長大，細(xì)化原始奧氏體晶粒。

2 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

冷軋低合金高強(qiáng)鋼一般采用Nb、Ti復(fù)合微合金化設(shè)計(jì)，依賴微合金元素與C、N元素的結(jié)合形成碳化物、氮化物及碳氮化物的沉淀析出強(qiáng)化來提高鋼的強(qiáng)度[9]，另外這些微合金元素還能起到很好的細(xì)晶強(qiáng)化作用。同時(shí)添加Si、Mn等元素可進(jìn)一步細(xì)化晶粒，降低鋼的低溫脆性，尤其一定量Mn可以增加鋼的加工窗口溫度，也在一定程度上彌補(bǔ)了低碳鋼固溶強(qiáng)化不足的問題。但在保證低合金高強(qiáng)鋼所需的組織性能前提下，要適當(dāng)?shù)目刂其撝懈鞣N元素的含量，以保障低合金超高強(qiáng)鋼的成形性和焊接性，降低鋼的冷裂紋敏感指數(shù)。綜合考慮各合金元素對(duì)鋼中組織與性能的影響規(guī)律[10]，以及材料強(qiáng)度性能、焊接性和沖壓成形性能等綜合要求，H410LA化學(xué)成分見表2。

表2 X410LA鋼化學(xué)成分

3 X410LA鋼生產(chǎn)工藝控制

X410LA鋼生產(chǎn)工藝流程：KR鐵水預(yù)脫硫→轉(zhuǎn)爐煉鋼→LF精煉→板坯連鑄→熱送→加熱爐加熱→高壓水除鱗→粗軋→精軋→層冷→檢驗(yàn)→酸軋→連退→平整→包裝入庫。

3.1 冶煉、連鑄工藝控制

為了保證所要求的化學(xué)成分控制精度和潔凈度水平,煉鋼工序采用KR鐵水預(yù)處理→復(fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→板坯連鑄的生產(chǎn)工藝。

（1）采用KR工藝設(shè)施對(duì)鐵水進(jìn)行深脫硫，并且扒凈脫硫渣，保證轉(zhuǎn)爐入爐鐵水[S]≤0.005%且不含富硫渣。

（2）轉(zhuǎn)爐冶煉重點(diǎn)是控制鋼水終點(diǎn)[C]、[P]、[S]成分。針對(duì)新鋼鐵水[P]較高的特點(diǎn),吹煉前期采用較強(qiáng)的底吹攪拌強(qiáng)度，快速成渣，提高吹煉前期脫磷效率；出鋼時(shí)采用滑板擋渣，并隨鋼流加入石灰300～800 kg、螢石50～150 kg進(jìn)行渣洗，同時(shí)加入適量復(fù)合脫氧劑和合金進(jìn)行脫氧合金化。

（3）LF精煉主要是調(diào)整、控制鋼水成分和溫度，以及去除鋼中的夾雜物。首先加入石灰800～1 500 kg、螢石50～200 kg、精煉渣400～600 kg及少量Al粒等脫氧造渣材料，總的白渣保持時(shí)間大于20 min；然后加入少量合金進(jìn)行成分微調(diào)，待成分、溫度達(dá)到目標(biāo)后喂鈣線對(duì)夾雜物進(jìn)行變性處理；最后進(jìn)行軟吹氬使夾雜物上浮，軟吹時(shí)間大于8 min。

（4）連鑄工藝采用低過熱度澆注、動(dòng)態(tài)輕壓下和全程保護(hù)澆注等。

3.2 熱軋工藝控制

采取高溫加熱，保證軋制的穩(wěn)定性，同時(shí)保證析出粒子充分溶解，Nb、Ti完全固溶，在鋼中獲得粗大的Nb、Ti碳氮化合物等第二相粒子。板坯加熱溫度控制在1 200℃～1 270℃范圍內(nèi)，RT2溫度為1 080±30℃；為使得在奧氏體形變過程中產(chǎn)生的大量位錯(cuò)得以保留，從而提高最終轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中的位錯(cuò)密度，增強(qiáng)位錯(cuò)強(qiáng)化和其他因素，終軋溫度目標(biāo)值為900±20℃；終軋后快速冷卻和低溫卷取，有利于獲得均勻和細(xì)小的F晶粒，卷取溫度為620±20℃。

3.3 冷軋工藝控制

冷軋壓下率、連退工藝、平整拉矯工藝是低合金高強(qiáng)鋼冷軋工藝研究的重點(diǎn)，這些冷軋工藝對(duì)X410LA的組織、性能有重要的影響，能夠進(jìn)一步保證冷軋成品的綜合力學(xué)性能。

3.3.1 冷軋壓下率

在冷軋機(jī)組設(shè)備能力允許的前提下，冷軋壓下率越大，金屬冷軋變形儲(chǔ)能越大，則退火過程中再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力越大。綜合考慮新鋼冷軋機(jī)組的設(shè)備能力和生產(chǎn)試驗(yàn)情況，控制冷連軋機(jī)組軋制生產(chǎn)節(jié)奏，采用50%以上的大壓下量軋制，冷軋壓下率見表3所示。

表3 冷軋壓下率參數(shù)

3.3.2 連退工藝

X410LA冷軋后位錯(cuò)密度急劇升高，內(nèi)應(yīng)力大，為了消除冷軋變形后的加工硬化，消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，提高塑性，獲得理想的力學(xué)性能[11]，需采用合適的連退工藝進(jìn)行熱處理。

綜合考慮連退工藝對(duì)成品組織和性能的影響，制定合理的再結(jié)晶退火制度，嚴(yán)格控制退火均熱段板溫、時(shí)效溫度、快冷開始溫度及退火溫度，并保證工藝溫度相對(duì)穩(wěn)定，降低產(chǎn)品性能的波動(dòng)。冷軋連退工藝參數(shù)見表4。

表4 冷軋連退工藝參數(shù)

3.3.3 平整、拉矯工藝

X410LA連退后平整、拉矯工藝參數(shù)見表5。

表5 X410LA平整、拉矯工藝參數(shù)

4 產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量及應(yīng)用

4.1 產(chǎn)品性能及金相組織

4.1.1 X410LA力學(xué)性能

生產(chǎn)后，X410LA冷軋產(chǎn)品屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均達(dá)到理想要求，斷后延伸率較好，綜合性能良好，具體力學(xué)性能見表6。

表6 X410LA鋼力學(xué)性能

4.1.2 X410LA金相組織

對(duì)X410LA產(chǎn)品進(jìn)行了金相顯微組織檢驗(yàn)，金相組織為鐵素體+貝氏體，鐵素體晶粒度11級(jí)，組織晶粒細(xì)小，具體檢測結(jié)果見表7，金相組織見圖1。

圖1 X410LA鋼金相組織

表7 X410LA鋼金相檢測結(jié)果

4.2 產(chǎn)品應(yīng)用情況

新鋼生產(chǎn)的汽車用冷軋低合金高強(qiáng)鋼X410LA經(jīng)多家汽車廠、汽車配廠的沖壓使用試驗(yàn)，表面質(zhì)量及性能各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到客戶的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足客戶使用要求，得到客戶認(rèn)可，實(shí)現(xiàn)批量供貨。

5 結(jié)語

高強(qiáng)汽車用鋼X410LA成功的開發(fā)，優(yōu)化了新鋼的品種結(jié)構(gòu)，提高了公司在汽車原料市場競爭能力，并為后續(xù)品種的開發(fā)提供了有益的借鑒。

（1）在固溶強(qiáng)化元素C、Mn的基礎(chǔ)上，通過添加適量Nb、Ti等強(qiáng)碳化物形成元素，阻止奧氏體長大、推遲奧氏體再結(jié)晶溫度以及增加鐵素體形核率，獲得了細(xì)晶強(qiáng)化組織，達(dá)到了析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化目的。

（2）在合理成分設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，通過合適的生產(chǎn)工藝控制，進(jìn)一步保證了X410LA冷軋成品的金相組織和綜合力學(xué)性能。

（3）通過試驗(yàn)研究，形成了一套適合新鋼生產(chǎn)裝備特點(diǎn)的，經(jīng)濟(jì)可行的冶金成分以及成熟可靠的冶煉、連鑄、熱軋、冷軋及退火工藝控制技術(shù)。開發(fā)的汽車用冷軋低合金高強(qiáng)鋼X410LA力學(xué)性能和金相組織均符合技術(shù)要求，屈服強(qiáng)度達(dá)448 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)624 MPa，斷后延伸率達(dá)22.5%，表面質(zhì)量及性能各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足了用戶對(duì)汽車用鋼的要求。