胡洪林，馬孝娟，盧鵬程

(新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部)

1 概述

傳統(tǒng)的低合金高強(qiáng)鋼由于具有良好的焊接性能，同時(shí)也能滿足某些零部件對(duì)成形性能的要求，能夠做到在厚度減薄而且抗拉強(qiáng)度提高的同時(shí)，吸收撞擊能量的能力無(wú)明顯變化，因而在某些汽車零部件制造中仍被采用，這類鋼種歐洲標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度從260～420MPa，例如HC340LA是指屈服強(qiáng)度最低值為340MPa。為了滿足強(qiáng)度要求，生產(chǎn)這類鋼通常通過(guò)添加Nb、V和Ti等微合金化元素，利用細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化等強(qiáng)化機(jī)理，提高其屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比，同時(shí)兼?zhèn)淞己玫目棺冃文芰1]，成分配比和合金元素的含量是影響其組織性能的關(guān)鍵因素。HC340LA牌號(hào)高強(qiáng)鋼汽車板是一種低合金高強(qiáng)冷軋結(jié)構(gòu)鋼板，冷加工成形性好，抵抗變形能力強(qiáng)，用做車身承載骨架結(jié)構(gòu)具有良好的抗凹陷性，主要制作輕型汽車的結(jié)構(gòu)主梁、立柱、左/右側(cè)圍門檻加強(qiáng)板、左/右后門檻連接板加強(qiáng)板等內(nèi)部加強(qiáng)件，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。八鋼冷軋產(chǎn)線開(kāi)發(fā)了低合金高強(qiáng)度鋼HC340LA冷軋薄板。

2 HC340LA的成分設(shè)計(jì)及工藝控制

2.1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

汽車用冷軋低合金高強(qiáng)鋼HC340LA成分設(shè)計(jì)參照寶鋼2018年的Q/BQB419標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)思路是在C、Mn的基礎(chǔ)上添加Nb微合金元素，利用細(xì)化晶粒等強(qiáng)化機(jī)制，配合后續(xù)熱軋、冷軋工序以及罩式退火工藝，達(dá)到強(qiáng)度要求。通過(guò)添加適量的C、Mn固溶元素可保證冷軋高強(qiáng)度鋼板的強(qiáng)度，但過(guò)度的添加會(huì)降低鋼板的沖壓成型性能；Si元素的添加可以提高鋼的強(qiáng)度，但會(huì)導(dǎo)致碳當(dāng)量過(guò)高而影響焊接效果，以及強(qiáng)度上升的同時(shí)塑韌性下降過(guò)快，因此鋼中Si含量不宜過(guò)高；Nb可部分溶入固溶體，起到固溶強(qiáng)化作用，并起到細(xì)晶強(qiáng)化和NbC的沉淀強(qiáng)化，提高強(qiáng)度[2]。P、S元素會(huì)造成冷脆和熱脆，對(duì)鋼的性能不利，應(yīng)嚴(yán)格控制其含量。因此HC340LA試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)如表1所示。

2.2 試驗(yàn)鋼生產(chǎn)工藝流程

鐵水脫硫處理—120t轉(zhuǎn)爐—LF爐—板坯連鑄—加熱—1750mm軋制—層流冷卻—冷軋酸聯(lián)軋—冷軋罩退—冷軋平整—冷軋重卷

表1 HC340LA的設(shè)計(jì)化學(xué)成分

2.3 煉鋼及連鑄工藝控制

根據(jù)鐵水條件和生產(chǎn)需要鐵水可脫硫預(yù)處理。直上入爐鐵水[S]≤0.01%。轉(zhuǎn)爐出鋼控制終點(diǎn)成分［:C］≤0.04%,［P］≤0.012%,［S］≤0.012%。出鋼要求：脫氧合金化，維護(hù)好出鋼口，擋渣出鋼，出鋼時(shí)間≥3.5分鐘。要求出鋼回磷不大于0.003%。精煉途徑LF采用本處理，實(shí)現(xiàn)提溫、脫氧脫硫合金化。全程氬氣保護(hù)并且重點(diǎn)控制連澆爐中包鋼水過(guò)熱度不大于25℃，為防止邊裂發(fā)生，連鑄板坯最大拉速小于1.5m/min。

連鑄坯下線冷檢，主要檢查表面缺陷，缺陷坯清理并檢驗(yàn)合格后放行。板坯不得有角橫裂、橫裂、縱裂、嚴(yán)重的結(jié)疤、毛刺或其它影響軋制質(zhì)量的缺陷；要求板坯偏析≤2.5（曼內(nèi)斯曼標(biāo)準(zhǔn)）。

2.4 熱軋工藝控制

HC340LA鋼熱軋后的強(qiáng)度普遍較高，而冷軋軋制這個(gè)產(chǎn)品時(shí)的負(fù)荷達(dá)到軋機(jī)設(shè)計(jì)能力的上限，因此在熱軋加熱爐采取較高的加熱溫度以保證析出Nb的化合物粒子完全固溶。作為冷軋基板，在熱軋工序采取了較高的卷取溫度，以獲得相對(duì)較低的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度來(lái)滿足冷軋軋制的順行，熱軋溫度執(zhí)行表2；低合金高強(qiáng)度鋼HC340LA熱軋基板力學(xué)性能見(jiàn)表3。其金相組織為鐵素體+珠光體,晶粒度平均為11級(jí)（見(jiàn)圖1）,在鐵素體晶界有一定數(shù)量的碳化物析出，主要強(qiáng)化機(jī)理為細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化。

表2 熱軋工序溫度制度

卷取溫度封鎖按高精度判定，鋼卷如有連續(xù)50m卷取溫度超過(guò)±30℃進(jìn)行質(zhì)量封鎖。

表3 熱軋基板力學(xué)性能

圖1 HC340LA鋼熱軋態(tài)金相組織

2.5 冷連軋工藝控制

冷軋的總體壓下量控制在適度偏小的范圍（50%～68%，見(jiàn)表4）以適應(yīng)冷軋機(jī)的負(fù)荷水平，同時(shí)又能夠保證冷軋后的變形晶體中，以位錯(cuò)的形式存儲(chǔ)足夠的變形能。罩式退火爐通過(guò)加熱增大原子的擴(kuò)散能力，加熱到650℃以后，在變形組織的晶界處重新生長(zhǎng)出沒(méi)有畸變的晶粒，這時(shí)候變形帶明顯，其中分布著新晶粒；隨著溫度升高，在670～700℃晶粒長(zhǎng)大且均勻，晶界清晰，組織粒狀化，此時(shí)發(fā)生充分的退火再結(jié)晶[3]，罩退工藝參數(shù)見(jiàn)表5。低合金高強(qiáng)度鋼在常規(guī)延伸率工藝平整后容易出現(xiàn)屈服平臺(tái)不能消除的情況，這是由于普通低碳鋼的屈服平臺(tái)有碳氮原子氣團(tuán)阻止位錯(cuò)移動(dòng)所致，而低合金高強(qiáng)度鋼中添加的Nb與C形成NbC與原有的碳氮原子氣團(tuán)一同釘扎位錯(cuò)，需要更多的屈服應(yīng)力才能產(chǎn)生塑性變形[4]，制定的平整延伸率要求見(jiàn)表6。

表4 冷軋工序壓下量

表5 冷軋工序罩退工藝參數(shù)

罩退爐臺(tái)溫度680℃±10℃,退火曲線代碼113，加熱溫度升至430℃以后,加熱速率應(yīng)為30～50℃/h。

表6 冷軋工序平整及延伸率要求

3 產(chǎn)品的力學(xué)性能的提升

3.1 開(kāi)發(fā)初期產(chǎn)品的性能情況

對(duì)HC340LA冷軋卷產(chǎn)品取樣按照80mm標(biāo)距進(jìn)行力學(xué)性能和金相組織檢驗(yàn)，力學(xué)性能結(jié)果見(jiàn)表7，金相組織為餅狀鐵素體，在鐵素體內(nèi)部彌散分布滲碳體顆粒，鐵素體晶粒度10.5級(jí)，見(jiàn)圖2。用戶試用后認(rèn)為產(chǎn)品基本滿足生產(chǎn)要求，但使用的800片有約20片沖裂。

根據(jù)用戶反饋信息，分析認(rèn)為產(chǎn)品力學(xué)性能中屈服強(qiáng)度和斷后延伸率偏下限，產(chǎn)品的性能富裕量較小，為了提高產(chǎn)品的性能指標(biāo)，對(duì)成分及工藝參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。

表7 HC340LA冷軋卷冷軋力學(xué)性能

圖2 開(kāi)發(fā)初期產(chǎn)品的金相組織

3.2 工藝控制參數(shù)的優(yōu)化

3.2.1 改進(jìn)的主要工藝參數(shù)

針對(duì)樣件試用過(guò)程發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的強(qiáng)度余量較小，斷后延伸率偏低的問(wèn)題，在批量試制時(shí)收窄[C]的化學(xué)成分波動(dòng)范圍，控制在0.065%～0.095%，適當(dāng)提高[Nb]的化學(xué)成分，控制在0.022%～0.030%；提高罩退爐臺(tái)溫度，由680℃提高到690℃，在提高和穩(wěn)定產(chǎn)品強(qiáng)度的同時(shí)保證良好的延伸率。

3.2.2 工藝改進(jìn)后的產(chǎn)品組織性能

對(duì)HC340LA冷軋卷產(chǎn)品取樣按照80mm標(biāo)距進(jìn)行橫向抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后延伸率和N90測(cè)量，結(jié)合縱向和橫向金相組織檢驗(yàn)，力學(xué)性能結(jié)果見(jiàn)表8，金相組織為餅狀鐵素體，在鐵素體內(nèi)部彌散分布滲碳體顆粒，鐵素體晶粒度12級(jí)，見(jiàn)圖3。從表8可以看到生產(chǎn)工藝改進(jìn)后，HC340LA鋼種冷軋板屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定提升，斷后延伸率也穩(wěn)定在一個(gè)較高的水平，金相觀察到的晶粒度達(dá)到了預(yù)期的效果。HC340LA鋼種冷軋生產(chǎn)實(shí)踐表明，通過(guò)提高其罩退爐臺(tái)溫度可以起到提高延伸率的作用。在670℃以后隨著再結(jié)晶趨于完成，HC340LA鋼種的強(qiáng)度下降趨緩，斷后延伸率有進(jìn)步上升的空間，這也驗(yàn)證了力學(xué)性能隨退火溫度變化關(guān)系[5]（見(jiàn)圖4）。

表8 改進(jìn)工藝后的HC340LA冷軋卷力學(xué)性能

圖3 工藝改進(jìn)后的冷軋金相組織

圖4 力學(xué)性能隨退火溫度變化關(guān)系

3.3 討論

低合金高強(qiáng)度鋼通過(guò)在鋼中加入的Nb微合金元素與鋼中的碳和氮元素形成NbC、NbN，這些碳氮化物質(zhì)點(diǎn)通過(guò)釘扎與阻擋位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，以沉淀強(qiáng)化的方式提升鋼材的強(qiáng)度[6]。同時(shí)這些微量元素通過(guò)阻止晶粒的再結(jié)晶和長(zhǎng)大，最終該鋼最終獲得細(xì)小的鐵素體和球粒狀滲碳體晶粒，由于晶粒細(xì)小因此單位體積內(nèi)具有較大的晶界面積，導(dǎo)致塑性形變和微裂紋穿過(guò)晶界時(shí)受到晶界阻力較大，從而消耗很大的能量，使鋼材的強(qiáng)度和韌性都得到提高。因此冷軋高強(qiáng)低合金鋼采用晶粒細(xì)化、沉淀強(qiáng)化相結(jié)合的性能強(qiáng)化方式提高鋼的強(qiáng)韌性。通過(guò)工藝的優(yōu)化改進(jìn)，產(chǎn)品的力學(xué)性能提升表明，高強(qiáng)低合金鋼可以達(dá)到較高的屈服強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度比，具備良好的成形性能。

生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果表明，HC340LA的性能符合該零件的沖壓成形要求，經(jīng)汽車配件廠沖壓試用，其性能指標(biāo)和表面質(zhì)量完全滿足汽車廠使用要求。圖5為某汽車廠使用八鋼產(chǎn)品HC340LA沖壓成某車型頂蓋前/中/后橫梁及加強(qiáng)板的實(shí)物照片。

圖5 車身頂蓋橫梁

4 結(jié)語(yǔ)

八鋼冷軋產(chǎn)線成功開(kāi)發(fā)低合金高強(qiáng)度鋼HC340LA冷軋薄板，產(chǎn)品性能檢測(cè)結(jié)果及用戶反饋表明：

（1）低合金高強(qiáng)度鋼HC340LA的微觀組織主要由餅狀鐵素體和在鐵素體內(nèi)部彌散分布的滲碳體顆粒組成，晶粒度約為10～13級(jí)。

（2）冷軋高強(qiáng)低合金鋼HC340LA采用晶粒細(xì)化、沉淀強(qiáng)化相結(jié)合的性能強(qiáng)化方式提高鋼的強(qiáng)韌性。通過(guò)工藝的優(yōu)化改進(jìn)，產(chǎn)品的力學(xué)性能提升表明，高強(qiáng)低合金鋼可以達(dá)到較高的屈服強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度比。

（3）開(kāi)發(fā)的汽車用低合金高強(qiáng)度鋼HC340LA的力學(xué)性能滿足寶鋼標(biāo)準(zhǔn)；成形性能良好。汽車配件客戶用于汽車車身頂蓋沖壓，其性能指標(biāo)和表面質(zhì)量完全滿足使用要求。