徐棟

（寶鋼集團八鋼公司制造管理部）

1 前言

在國內(nèi)外汽車生產(chǎn)廠普遍追求降低成本、減輕車體自重、減少油耗的同時,保證安全性的背景下,高強度、高質(zhì)量汽車大梁鋼在汽車上得到越來越多的應(yīng)用。近年來,以降低成本、提高性能、節(jié)約資源為目的減量化鋼材生產(chǎn)工藝技術(shù)越來越引起人們的重視,低成本高性能結(jié)構(gòu)鋼得到越來越廣泛的應(yīng)用。八鋼公司生產(chǎn)的抗拉強度510MPa級汽車大梁鋼以Nb、Ti復(fù)合微合金強化的材料為主。鈮鈦強化的該類鋼材有時會出現(xiàn)鋼板的屈強比高，斷后延伸率顯著偏低的問題。為了提高鋼材的綜合力學(xué)性能，以鈦合金鋼為研究對象,在八鋼1750熱連軋生產(chǎn)線進行抗拉強度510MPa級汽車梁鋼的工業(yè)試驗,文章分析了鈦元素的強化機理以及對鋼材組織與性能的影響。

2 510MPa級汽車大梁鋼成分設(shè)計分析

2.1 微合金元素在鋼中的強化機理

（1）Nb在鋼中的強化機理：鈮更適用于低碳熱軋板帶。因為Nb(C,N)比NbC更易于在奧氏體區(qū)析出，氮含量將控制的盡可能低。

（2）V在鋼中的強化機理：釩以碳化物、氮化物和碳氮化物形式析出，其中最有效的是VN。對于給定的微合金化元素，氮化物更穩(wěn)定，即微粒不易粗化長大，這對釩的強化尤其顯著。

(3)Ti在鋼中的強化機理：鈦析出強化更具有吸引力。但由于鈦比較活躍，易于與氧、氮和硫結(jié)合，只有剩余的有效Ti才能以TiC析出，顯著提高強度。由于鈦是極活潑的金屬元素，鈦還能與鐵和碳生成難溶的碳化物質(zhì)點，富集于鋼的晶界處，阻止鋼的晶粒粗化，鈦能溶入γ和α相中，形成固溶體，使鋼產(chǎn)生強化。在奧氏體中析出的TiN粒子由于Ostwald熟化而長大，粒子粗化動力學(xué)可由Wagner等式來描述[1]

式（1）表明鈦加入量過多，在鋼中容易形成粗大的Ti（C,N）夾雜，降低鋼的韌性。因此，在保證鋼材拉伸性能的前提下，盡可能控制鋼中鈦的加入量。這樣既能達到細晶強化或沉淀強化的目的，又能降低鋼中的夾雜物含量及尺寸，提高鋼材質(zhì)量，還可以降低制造成本。

2.2 成分設(shè)計

C是鋼中低成本的性能強化元素，鋼的強度隨碳含量的增加而提高，降低錳含量后適當(dāng)提高碳、鈦在鋼中的含量，鋼材的屈強比可顯著降低、斷后伸長率顯著提高，可顯著提高板材的塑性和冷加工性能。Mn可以改變鋼相變后的微觀組織，提高韌性、降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度，但錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高會引起連鑄板坯中心偏析過重，影響軋后鋼材的帶狀組織和各向異性。因此，錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)該較原來鈮強化B510L大梁鋼設(shè)計降低。

Ti是強碳化物形成元素，它與O、N、C都有極強的親和力。另外，鈦與硫的親和力大于鐵與硫的親和力，在含鈦鋼中優(yōu)先生成硫化鈦。由于鈦在未溶入之前，碳化鈦微粒有阻止晶粒長大的作用。鈦也是強鐵氧體形成元素之一，強烈地提高了鋼的A1和A3溫度。鈦在低合金鋼中能提高塑性和韌性。由于鈦固定了氮并形成碳化鈦或碳氮化鈦，提高了鋼的強度。為了有效防止鈦鐵加入鋼水中氧化和生成鈦的硫化物，提高鈦的收得率，確定鈦鐵加入鋼水的時機在LF深脫硫、深脫氧后的LF精煉末期加入。

Ti與碳形成的碳化物結(jié)合力極強、極穩(wěn)定、不易分解，只有當(dāng)加熱溫度達1000℃以上時，才開始緩慢地溶入固溶體中，在未溶入前，TiN微粒有阻止鋼晶粒長大的作用。鈮、釩、鋁、鈦的碳氮化物在鋼中的溶解及奧氏體晶粒長大見圖1和圖2。

鋼中高的氮含量容易生產(chǎn)鈦的碳氮化物復(fù)合夾雜，影響鋼材的各項性能。因此，確定鋼水氮含量控制在0.0040%～0.0065%。

圖1 鈮、釩、鋁、鈦的碳氮化物在鋼中的溶解

圖2 不同微合金化元素對晶粒長大的影響隨溫度的變化

采用碳、錳及鈮元素強化汽車大梁鋼具有高的強度及耐疲勞性能，但斷后延伸率余量不足。為了提高該鋼的塑性和低溫?zé)嵝?，研究鈦強化對性能的影響。不同鈦含量對鋼材性能的影響見圖3。

圖3 不同鈦含量對鋼材性能的影響

綜合考慮鋼材性能、成本的基礎(chǔ)上，試驗鋼的成分設(shè)計錳含量目標(biāo)值由初始1.20%降低到0.90%以下，鈦含量目標(biāo)值由初始的0.03%提高到0.050%以上，其它元素與鈮、鈦復(fù)合強化的B510L成分設(shè)計相同。

文獻顯示鈦的強化機理[1]，鋼中鈦含量小于0.08%時主要是細晶強化，大于0.08%固溶強化起主要作用。軋制中形變誘導(dǎo)析出的碳化鈦可通過阻止奧氏體晶粒長大而細化鐵素體晶粒，而冷卻和卷取過程中析出的碳化鈦具有較強的沉淀強化作用。為了保證碳化鈦在層冷過程的細小彌散析出，要求高鈦鋼板坯在加熱過程要充分固溶。

2.3 鈦強化的工藝路徑和關(guān)鍵控制點

工藝路線:高爐鐵水脫硫預(yù)處理→120t轉(zhuǎn)爐冶煉(爐后脫氧)→LF精煉(鈦合金化、吹氬、喂硅鈣夾芯線)→連鑄220mm板坯→熱連軋→卷取→檢驗。

鋼板中的碳和鈮含量是提高鋼板強度、韌性以及可焊接性的主要因素。因此，在產(chǎn)品設(shè)計上，結(jié)合八鋼的設(shè)備狀況，確定了510MPa汽車大梁鋼開發(fā)的控制要點。

（1）采用低碳量，提高產(chǎn)品的韌性，使其具備良好的焊接性能。

（2）鈦微合金化，細化鋼的晶粒，提高產(chǎn)品的強度和韌性。

（3）LF采用造泡沫渣埋弧操作，深脫硫、去除夾雜，精煉結(jié)束喂鈣線或硅鈣夾芯線。

（4）鈣處理后對鋼包鋼水底吹氬弱攪拌，促使夾雜物上浮去除、改變夾雜形態(tài)。

（5）連鑄采用保護澆鑄，防止鋼水二次氧化，控制TiO2、Al2O3在連鑄過程再生成。

3 試驗過程分析

3.1 冶煉及連鑄工藝

生產(chǎn)5爐試驗鋼，生產(chǎn)工藝鐵水預(yù)脫硫、轉(zhuǎn)爐冶煉、LF精煉處理、板坯連鑄。

采用高爐鐵水需經(jīng)脫硫預(yù)處理，處理后硫含量控制在≤0.005%，磷含量≤0.10%。

120t轉(zhuǎn)爐終點控制目標(biāo)為 [C]≤0.07%、[S]≤0.010%,[P]≤0.012%,出鋼前對爐渣進行稠化,出鋼溫度為1630～1680℃。

LF脫硫、脫氧去夾雜，堿度控制在3.5～4.0,終渣(FeO)≤1.0%。采用低碳錳鐵、鋁鐵、硅鐵、鈦鐵、進行脫氧合金化。LF精煉保持白渣時間在10min以上，精煉末期鈣處理，氬氣軟吹時間在8分鐘以上。

澆鑄方式采用吹氬大包水口＋吹氬塞棒＋浸入式水口＋中包覆蓋劑＋保護渣。

試驗連鑄坯規(guī)格為板坯為:220×1500×長度（mm）

中間包鋼水過熱度10～30℃，拉速控制在1.0～1.20/min。連鑄坯低倍檢驗C類偏析≤0.5級。連鑄中包取樣分析。鈦強化試驗鋼熔煉的成品成分與原鈮鈦復(fù)合強化510MPa級汽車大梁鋼的成分設(shè)計見表1。

表1 鈮鈦復(fù)合強化鈦強化510MPa級汽車大梁鋼熔煉成分對比 %

3.2 軋制工藝

采用1750熱連軋軋機軋制厚度為5.69mm～9.50mm的熱軋卷，加熱溫度1150～1190℃，終軋溫度868～895℃(設(shè)計目標(biāo)終軋溫度860℃)，卷取溫度609～617℃(設(shè)計目標(biāo)卷取溫度610℃)。

4 兩種工藝的510MPa級性能對比

4.1 力學(xué)性能分析

表2 鈦強化試驗材料與原鈮鈦復(fù)合強化材料的力學(xué)性能對比

試驗鋼與鈮鈦復(fù)合強化生產(chǎn)的510L級大梁鋼的性能進行了對比。從表2顯示，試驗材料(鈦強化)鋼材的屈服強度408～520MPa，抗拉強度535～616MPa，屈強比0.75～0.82，鋼材斷后伸長率為28.0%～35.0%；原工藝(鈮鈦復(fù)合強化)鋼材的屈服強度440～580MPa，抗拉強度530～608MPa，屈強比0.82～0.90，鋼材斷后伸長率為25.0%～31.0%，在抗拉強度變化情況不大的情況下，試驗材料的屈服度降低約50MPa，延伸率顯著提高，鋼材的塑性增加，各項力學(xué)性能滿足了國標(biāo)要求以及寶鋼企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

降低屈強比是改善冷成形性能和減少回彈的主要措施之一。微合金化高強度汽車大梁鋼板在冷沖壓成形時的回彈問題具有普遍性。試驗對比顯示，鈦強化與鈮、鈦復(fù)合強化比較，鈦強化鋼材的屈強比顯著降低，抗拉強度變化不大的前提下，降低屈服應(yīng)力，鋼材的塑性增加，利于大梁鋼的冷加工變形。

4.2 鋼材中的組織和非金屬夾雜含量

經(jīng)金相顯微鏡觀察，鈮鈦復(fù)合強化組織為鐵素體和少量珠光體（鈮含量為0.01%，鈦含量為0.03%），晶粒度9級,見圖4中的a；試驗的高鈦強化（鈦含量為0.05～0.07%）組織為鐵素體和少量珠光體，晶粒度10級,見圖4中的b。

兩種工藝生產(chǎn)的鋼材純凈度分析顯示，非金屬夾雜主要以球狀氧化物為主，級別分別為D17.5級和D1.0級(圖4中的c和d)，都達到了較高的潔凈度要求。

圖4 鈦與鈮強化鋼板的金相組織對比

5 結(jié)論

（1）通過鈦微合金化元素和控軋、控冷工藝相結(jié)合，獲得細晶粒組織。

（2）改善了試驗鋼的力學(xué)性能。鋼板的屈強比降低，斷后伸長率提高，塑性提高，試驗鋼具有良好的冷加工成型性能。

（3）鈦強化的試驗鋼與鈮、鈦復(fù)合合強化材料相比，制造成本顯著降低。