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馬鋼高強汽車大梁鋼板的開發(fā)與應(yīng)用
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.bt990.com.cn
更新時間：2015-12-29
基于馬鋼熱連軋線，通過不同的成分設(shè)計和控軋控冷工藝，開發(fā)出大梁鋼系列、冷成形高屈服系列、細(xì)晶粒鋼系列等三個系列的高強汽車大梁鋼板，產(chǎn)品具有良好的力學(xué)性能、焊接性能、疲勞性能和冷加工性能，已成功在國內(nèi)汽車主機廠得到大規(guī)模應(yīng)用。
基于馬鋼熱連軋線，通過不同的成分設(shè)計和控軋控冷工藝，開發(fā)出大梁鋼系列、冷成形高屈服系列、細(xì)晶粒鋼系列等三個系列的高強汽車大梁鋼板，產(chǎn)品具有良好的力學(xué)性能、焊接性能、疲勞性能和冷加工性能，已成功在國內(nèi)汽車主機廠得到大規(guī)模應(yīng)用。
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汽車底盤是汽車重要的結(jié)構(gòu)件，汽車底盤上縱梁、橫梁、懸置梁、前后橋等零件都采用汽車大梁鋼來制造。隨著國內(nèi)重型汽車工業(yè)的快速發(fā)展，各汽車生產(chǎn)廠對車架的服役要求更加苛刻，不僅要求汽車大梁用鋼具有更高的強度，而且還需要良好的塑性、韌性及冷彎性能。
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目前，國內(nèi)各大鋼廠都開發(fā)了不同強度級別的汽車大梁鋼板，并向更高強度方向發(fā)展。采用高強汽車梁可以提高安全性，延長產(chǎn)品壽命，降低生產(chǎn)成本，減輕汽車自重，增加汽車的有效載荷，有利于節(jié)約資源和環(huán)保。
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鋼鐵材料的高強度化是保證汽車輕量化和安全性的有效手段，豐田汽車公司的研究表明，汽車用鋼的強度由440MPa提升至590MPa時，部件的重量可減輕約15%；如果進一步提升至780MPa，則部件的重量可減輕約30%，達(dá)到減輕汽車重量和節(jié)能減排的目標(biāo)。
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近年來，馬鋼作為較早開發(fā)生產(chǎn)汽車板的鋼鐵企業(yè)，根據(jù)汽車工業(yè)對汽車大梁鋼板的技術(shù)要求，充分利用產(chǎn)線特點，在碳錳鋼基礎(chǔ)上，通過Nb、Ti微合金化，結(jié)合控軋控冷工藝，利用細(xì)晶強化和沉淀析出等強化機制，開發(fā)出大梁鋼系列、冷成形高屈服系列、細(xì)晶粒鋼系列等三種系列高強汽車大梁鋼板，并成功應(yīng)用于國內(nèi)眾多汽車生產(chǎn)廠家。
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1主要設(shè)備及生產(chǎn)工藝
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1.1生產(chǎn)設(shè)備
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馬鋼生產(chǎn)汽車大梁鋼板的主要配套設(shè)備有300t轉(zhuǎn)爐3座，LF爐2座，RH爐2座，板坯連鑄機（2流）3臺，步進梁式加熱爐3座，7機架2250精軋機組1條，1580精軋機組1條，以及相應(yīng)自動化控制設(shè)備?？傮w裝備處于國內(nèi)先進水平，為生產(chǎn)高潔凈鋼水和高品質(zhì)汽車板提供了技術(shù)保證。
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1.2生產(chǎn)工藝
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馬鋼汽車大梁鋼板采用以下生產(chǎn)工藝流程：鐵水→鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→合金微調(diào)站→LF→連鑄→熱連軋→層流冷卻→卷取。
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冶煉采用優(yōu)質(zhì)廢鋼和精煉處理，精確控制鋼水成分和夾雜物水平；全程保護澆鑄并嚴(yán)格控制鋼水的過熱度，以抑制柱狀晶生長，避免形成中心疏松、加重中心偏析及產(chǎn)生帶狀組織。
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在熱軋帶鋼軋制時，加熱溫度、卷取溫度對性能的影響很大，為了獲得良好的機械性能，連鑄坯冷料加熱溫度為1200℃左右，控制加熱時間，以確保微合金碳、氮化物完全溶解于奧氏體中，以便最大程度地利用碳、氮化物在鐵素體中的析出強化作用。
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粗軋最后道次的軋制溫度應(yīng)控制在1050℃以上，避免奧氏體發(fā)生部分再結(jié)晶，導(dǎo)致成品晶粒不均，產(chǎn)生混晶現(xiàn)象，降低鋼板性能。由于低溫軋制會使鋼的帶狀組織嚴(yán)重，同時溫度降低時，MnS比鋼更具有可塑性，易延伸成條帶狀，對冷彎性能不利，因此，為避免過分的低溫軋制，將終軋溫度控制在850℃左右。軋后采用前段冷卻方式，軋件經(jīng)層流冷卻段的強力冷卻，很快發(fā)生相變，鐵素體在奧氏體晶界和晶粒內(nèi)部大量形核，從而得到非常均勻、細(xì)小的組織。
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2產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品性能
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2.1產(chǎn)品設(shè)計
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馬鋼大梁鋼系列、冷成形高屈服系列、細(xì)晶粒鋼系列等三種系列高強汽車大梁鋼板的成分設(shè)計思路是在碳錳鋼基礎(chǔ)上，添加0.02%-0.05%Nb、0.010%-0.030%Ti微合金元素，通過微合金元素與板材控軋控冷技術(shù)的結(jié)合，控制微合金元素的析出行為，以細(xì)化晶粒、提高大梁鋼的強韌性和獲得良好的成形性及焊接性，并在保證良好綜合性能的同時，進一步降低生產(chǎn)成本。
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Nb在控制的大梁鋼中對細(xì)化晶粒有明顯效果，其在鋼中以置換溶質(zhì)原子存在，Nb原子比鐵原子尺寸大，易在位錯線上偏聚，通過在固溶體中的溶質(zhì)拖拽作用、細(xì)小析出物在γ晶界的釘扎作用和在變形晶粒內(nèi)的位錯排列作用來抑制奧氏體再結(jié)晶，得到細(xì)小的晶粒尺寸， Nb的這種作用高于Ti和V；Nb在鋼中形成細(xì)小Nb（C,N），在細(xì)化晶粒同時具有很強的析出強化作用，通過相間析出效應(yīng)來控制軋制大梁鋼，能夠滿足此鋼的強韌性要求。
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Nb在大梁鋼中的特點就是提高奧氏體的再結(jié)晶溫度，從而達(dá)到細(xì)化奧氏體晶粒的目的。一般鋼中Nb的加入量在0.03%-0.06%，過高的Nb對強韌化的貢獻將不再明顯。微量的Nb可使鋼得到極好的綜合性能，因為在低Nb濃度下，鋼的屈服強度增長較快，并且和濃度成正比，但當(dāng)Nb含量大于0.03%時，強化效果就開始降低，有研究表明，當(dāng)Nb含量大于0.06%時，多余的Nb對鋼將不再有強化作用。
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大量的生產(chǎn)實踐及試驗結(jié)果表明，影響汽車大梁鋼板冷成形性能的關(guān)鍵因素在于鋼中長條形的MnS夾雜物，這些沿軋制方向排列的MnS夾雜物最影響鋼板的橫向冷彎性能，使鋼板各向性能差異增大，冷彎時容易導(dǎo)致開裂。微合金元素Ti的作用，在于Ti溶于硫化物中，可以部分或全部替代夾雜中的元素Mn，使長條狀MnS變成球狀復(fù)合夾雜物，從而改變了夾雜物本身的塑性，形成具有一定硬度的球形夾雜，即使材料經(jīng)大變形量加工，MnS依舊保持原有形狀，從而改善鋼的性能。此外，Ti的添加也控制了夾雜物的大小，細(xì)小的夾雜對改善鋼的性能起著重要的作用。
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另外，Ti 可以與C或N在鋼水中形成細(xì)小彌散的第二相質(zhì)點（TiC,Ti（CN）），這些細(xì)小彌散的質(zhì)點在加熱階段充分固溶為奧氏體后，會產(chǎn)生以下現(xiàn)象：
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①在精軋階段的高速變形時，可以應(yīng)變誘導(dǎo)析出這些細(xì)小彌散的質(zhì)點，并且無論是固溶在奧氏體中的Ti，還是應(yīng)變誘導(dǎo)析出的TiC和Ti（CN）質(zhì)點，均能延遲奧氏體再結(jié)晶，并且阻止再結(jié)晶后奧氏體晶粒的長大，即存在細(xì)化晶粒的效果；
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②在軋后冷卻的相變過程中，TiC和Ti（CN）在晶界上析出，釘扎晶界，阻止位錯運動，同時呈現(xiàn)細(xì)化晶粒的效果。
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從①、②兩點分析，細(xì)顆粒TiC的彌散析出是提高控軋控冷低合金高強度鋼強度的重要因素，鋼水中形成細(xì)小彌散的第二相質(zhì)點TiC和Ti（CN）對保證鋼的力學(xué)性能要求起著積極的作用。表1為典型汽車大梁鋼化學(xué)成分。
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2.2產(chǎn)品組織性能
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2.2.1力學(xué)性能
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三種系列不同強度級別典型汽車大梁鋼板的多次力學(xué)性能檢驗結(jié)果表明，各項力學(xué)性能指標(biāo)良好，見表2。
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2.2.2顯微組織
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以M 5 1 0 L、S 7 0 0 M C、QSTE420TM為例，剪取厚度分別為8.0mm、7.0mm、4.5mm鋼板做顯微組織和夾雜物分析。
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結(jié)果表明，汽車大梁鋼組織主要由多邊形鐵素體和珠光體組成，其中較細(xì)的多邊形鐵素體可以改善鋼的強度和韌性，夾雜物控制良好，這種組織與夾雜物控制對改善鋼帶的冷成形性能，提高鋼的橫向沖擊韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度都極為有利。
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2.2.3 沖擊性能
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以M510L為例，取5.5mm、7.0mm、10.0mm厚度的大梁鋼板進行室溫至-40℃的沖擊試驗，試樣尺寸5mm×10mm×55mm，開V型缺口。結(jié)果顯示，M510L韌脆性轉(zhuǎn)變溫度較低，用此材料制造的汽車零件可在較惡劣的環(huán)境下安全運行。
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2.2.4 焊接性能
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為了評價汽車大梁鋼板焊接性能的變化情況，進行了焊接性能試驗。以8.0mm厚M590L為例。試驗結(jié)果顯示，焊后橫、縱向抗拉強度、n值與母材一致，
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說明焊接后沒有出現(xiàn)軟化現(xiàn)象；焊后仍有較高的延伸率，焊接性能良好。
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3實際應(yīng)用狀況
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近年來，馬鋼開發(fā)的三種系列汽車大梁鋼板生產(chǎn)量達(dá)到43萬噸（見圖1）；應(yīng)用于國內(nèi)部分汽車制造和汽車配件廠，如江淮、奇瑞、江鈴、華菱星馬、陜汽、上汽依維柯紅巖等，并得到廠家的普遍認(rèn)同，給企業(yè)帶來顯著經(jīng)濟效益與社會效益。
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根據(jù)生產(chǎn)工藝特點和產(chǎn)品性能要求，馬鋼通過不同的成分設(shè)計和TMCP工藝，開發(fā)了三種系列不同強度級別的汽車大梁鋼。產(chǎn)品具有優(yōu)良的機械性能、成形性能、焊接性能、疲勞性能、低溫脆性、沖擊性能，可滿足各種載重車和輕型汽車對大梁鋼板的技術(shù)要求。
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汽車底盤是汽車重要的結(jié)構(gòu)件，汽車底盤上縱梁、橫梁、懸置梁、前后橋等零件都采用汽車大梁鋼來制造。隨著國內(nèi)重型汽車工業(yè)的快速發(fā)展，各汽車生產(chǎn)廠對車架的服役要求更加苛刻，不僅要求汽車大梁用鋼具有更高的強度，而且還需要良好的塑性、韌性及冷彎性能。
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目前，國內(nèi)各大鋼廠都開發(fā)了不同強度級別的汽車大梁鋼板，并向更高強度方向發(fā)展。采用高強汽車梁可以提高安全性，延長產(chǎn)品壽命，降低生產(chǎn)成本，減輕汽車自重，增加汽車的有效載荷，有利于節(jié)約資源和環(huán)保。
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鋼鐵材料的高強度化是保證汽車輕量化和安全性的有效手段，豐田汽車公司的研究表明，汽車用鋼的強度由440MPa提升至590MPa時，部件的重量可減輕約15%；如果進一步提升至780MPa，則部件的重量可減輕約30%，達(dá)到減輕汽車重量和節(jié)能減排的目標(biāo)。
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近年來，馬鋼作為較早開發(fā)生產(chǎn)汽車板的鋼鐵企業(yè)，根據(jù)汽車工業(yè)對汽車大梁鋼板的技術(shù)要求，充分利用產(chǎn)線特點，在碳錳鋼基礎(chǔ)上，通過Nb、Ti微合金化，結(jié)合控軋控冷工藝，利用細(xì)晶強化和沉淀析出等強化機制，開發(fā)出大梁鋼系列、冷成形高屈服系列、細(xì)晶粒鋼系列等三種系列高強汽車大梁鋼板，并成功應(yīng)用于國內(nèi)眾多汽車生產(chǎn)廠家。
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1.1生產(chǎn)設(shè)備
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馬鋼生產(chǎn)汽車大梁鋼板的主要配套設(shè)備有300t轉(zhuǎn)爐3座，LF爐2座，RH爐2座，板坯連鑄機（2流）3臺，步進梁式加熱爐3座，7機架2250精軋機組1條，1580精軋機組1條，以及相應(yīng)自動化控制設(shè)備?？傮w裝備處于國內(nèi)先進水平，為生產(chǎn)高潔凈鋼水和高品質(zhì)汽車板提供了技術(shù)保證。
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1.2生產(chǎn)工藝
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馬鋼汽車大梁鋼板采用以下生產(chǎn)工藝流程：鐵水→鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→合金微調(diào)站→LF→連鑄→熱連軋→層流冷卻→卷取。
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冶煉采用優(yōu)質(zhì)廢鋼和精煉處理，精確控制鋼水成分和夾雜物水平；全程保護澆鑄并嚴(yán)格控制鋼水的過熱度，以抑制柱狀晶生長，避免形成中心疏松、加重中心偏析及產(chǎn)生帶狀組織。
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在熱軋帶鋼軋制時，加熱溫度、卷取溫度對性能的影響很大，為了獲得良好的機械性能，連鑄坯冷料加熱溫度為1200℃左右，控制加熱時間，以確保微合金碳、氮化物完全溶解于奧氏體中，以便最大程度地利用碳、氮化物在鐵素體中的析出強化作用。
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粗軋最后道次的軋制溫度應(yīng)控制在1050℃以上，避免奧氏體發(fā)生部分再結(jié)晶，導(dǎo)致成品晶粒不均，產(chǎn)生混晶現(xiàn)象，降低鋼板性能。由于低溫軋制會使鋼的帶狀組織嚴(yán)重，同時溫度降低時，MnS比鋼更具有可塑性，易延伸成條帶狀，對冷彎性能不利，因此，為避免過分的低溫軋制，將終軋溫度控制在850℃左右。軋后采用前段冷卻方式，軋件經(jīng)層流冷卻段的強力冷卻，很快發(fā)生相變，鐵素體在奧氏體晶界和晶粒內(nèi)部大量形核，從而得到非常均勻、細(xì)小的組織。
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馬鋼大梁鋼系列、冷成形高屈服系列、細(xì)晶粒鋼系列等三種系列高強汽車大梁鋼板的成分設(shè)計思路是在碳錳鋼基礎(chǔ)上，添加0.02%-0.05%Nb、0.010%-0.030%Ti微合金元素，通過微合金元素與板材控軋控冷技術(shù)的結(jié)合，控制微合金元素的析出行為，以細(xì)化晶粒、提高大梁鋼的強韌性和獲得良好的成形性及焊接性，并在保證良好綜合性能的同時，進一步降低生產(chǎn)成本。
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Nb在控制的大梁鋼中對細(xì)化晶粒有明顯效果，其在鋼中以置換溶質(zhì)原子存在，Nb原子比鐵原子尺寸大，易在位錯線上偏聚，通過在固溶體中的溶質(zhì)拖拽作用、細(xì)小析出物在γ晶界的釘扎作用和在變形晶粒內(nèi)的位錯排列作用來抑制奧氏體再結(jié)晶，得到細(xì)小的晶粒尺寸， Nb的這種作用高于Ti和V；Nb在鋼中形成細(xì)小Nb（C,N），在細(xì)化晶粒同時具有很強的析出強化作用，通過相間析出效應(yīng)來控制軋制大梁鋼，能夠滿足此鋼的強韌性要求。
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Nb在大梁鋼中的特點就是提高奧氏體的再結(jié)晶溫度，從而達(dá)到細(xì)化奧氏體晶粒的目的。一般鋼中Nb的加入量在0.03%-0.06%，過高的Nb對強韌化的貢獻將不再明顯。微量的Nb可使鋼得到極好的綜合性能，因為在低Nb濃度下，鋼的屈服強度增長較快，并且和濃度成正比，但當(dāng)Nb含量大于0.03%時，強化效果就開始降低，有研究表明，當(dāng)Nb含量大于0.06%時，多余的Nb對鋼將不再有強化作用。
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大量的生產(chǎn)實踐及試驗結(jié)果表明，影響汽車大梁鋼板冷成形性能的關(guān)鍵因素在于鋼中長條形的MnS夾雜物，這些沿軋制方向排列的MnS夾雜物最影響鋼板的橫向冷彎性能，使鋼板各向性能差異增大，冷彎時容易導(dǎo)致開裂。微合金元素Ti的作用，在于Ti溶于硫化物中，可以部分或全部替代夾雜中的元素Mn，使長條狀MnS變成球狀復(fù)合夾雜物，從而改變了夾雜物本身的塑性，形成具有一定硬度的球形夾雜，即使材料經(jīng)大變形量加工，MnS依舊保持原有形狀，從而改善鋼的性能。此外，Ti的添加也控制了夾雜物的大小，細(xì)小的夾雜對改善鋼的性能起著重要的作用。
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另外，Ti 可以與C或N在鋼水中形成細(xì)小彌散的第二相質(zhì)點（TiC,Ti（CN）），這些細(xì)小彌散的質(zhì)點在加熱階段充分固溶為奧氏體后，會產(chǎn)生以下現(xiàn)象：
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①在精軋階段的高速變形時，可以應(yīng)變誘導(dǎo)析出這些細(xì)小彌散的質(zhì)點，并且無論是固溶在奧氏體中的Ti，還是應(yīng)變誘導(dǎo)析出的TiC和Ti（CN）質(zhì)點，均能延遲奧氏體再結(jié)晶，并且阻止再結(jié)晶后奧氏體晶粒的長大，即存在細(xì)化晶粒的效果；
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②在軋后冷卻的相變過程中，TiC和Ti（CN）在晶界上析出，釘扎晶界，阻止位錯運動，同時呈現(xiàn)細(xì)化晶粒的效果。
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三種系列不同強度級別典型汽車大梁鋼板的多次力學(xué)性能檢驗結(jié)果表明，各項力學(xué)性能指標(biāo)良好，見表2。
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結(jié)果表明，汽車大梁鋼組織主要由多邊形鐵素體和珠光體組成，其中較細(xì)的多邊形鐵素體可以改善鋼的強度和韌性，夾雜物控制良好，這種組織與夾雜物控制對改善鋼帶的冷成形性能，提高鋼的橫向沖擊韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度都極為有利。
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2.2.3 沖擊性能
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以M510L為例，取5.5mm、7.0mm、10.0mm厚度的大梁鋼板進行室溫至-40℃的沖擊試驗，試樣尺寸5mm×10mm×55mm，開V型缺口。結(jié)果顯示，M510L韌脆性轉(zhuǎn)變溫度較低，用此材料制造的汽車零件可在較惡劣的環(huán)境下安全運行。
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2.2.4 焊接性能
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為了評價汽車大梁鋼板焊接性能的變化情況，進行了焊接性能試驗。以8.0mm厚M590L為例。試驗結(jié)果顯示，焊后橫、縱向抗拉強度、n值與母材一致，
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說明焊接后沒有出現(xiàn)軟化現(xiàn)象；焊后仍有較高的延伸率，焊接性能良好。
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3實際應(yīng)用狀況
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近年來，馬鋼開發(fā)的三種系列汽車大梁鋼板生產(chǎn)量達(dá)到43萬噸（見圖1）；應(yīng)用于國內(nèi)部分汽車制造和汽車配件廠，如江淮、奇瑞、江鈴、華菱星馬、陜汽、上汽依維柯紅巖等，并得到廠家的普遍認(rèn)同，給企業(yè)帶來顯著經(jīng)濟效益與社會效益。
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根據(jù)生產(chǎn)工藝特點和產(chǎn)品性能要求，馬鋼通過不同的成分設(shè)計和TMCP工藝，開發(fā)了三種系列不同強度級別的汽車大梁鋼。產(chǎn)品具有優(yōu)良的機械性能、成形性能、焊接性能、疲勞性能、低溫脆性、沖擊性能，可滿足各種載重車和輕型汽車對大梁鋼板的技術(shù)要求。
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