CW510L汽車大梁用熱軋帶鋼軋制工藝研究

羅 洪

(四川省川威釩鈦冶金科技開發(fā)有限公司，四川成都 610095)

1 引言

汽車大梁用熱軋帶鋼要求材料具有良好的綜合性能:高強(qiáng)度、高韌性、屈強(qiáng)比適中、冷成型性能好［1］，主要用于汽車縱橫梁及其他機(jī)械配件。隨著汽車工業(yè)及機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，對大梁鋼的需求將越來越大，汽車大梁鋼的開發(fā)具有廣闊的市場前景。但由于汽車大梁鋼對綜合性能要求較高，且高強(qiáng)度與良好的冷彎性能之間存在著嚴(yán)重的矛盾。因此為實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品的生產(chǎn)，經(jīng)過多次試制，不斷摸索經(jīng)驗(yàn)，并對開發(fā)過程中的問題進(jìn)行深入的研究，提出解決措施，最終開發(fā)成功CW510L汽車大梁用熱軋帶鋼。

2 成分設(shè)計(jì)及冶煉工藝

2．1 成分設(shè)計(jì)

在成分設(shè)計(jì)過程中，充分借鑒了開發(fā)Q345B熱軋帶鋼的經(jīng)驗(yàn)，對連續(xù)兩個月生產(chǎn)的Q345B熱軋帶鋼的成分、性能進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，其中力學(xué)性能見表1。

表1 Q345B力學(xué)性能

從表1可看出Q345B熱軋帶鋼的力學(xué)性能滿足國標(biāo)510級汽車大梁用熱軋鋼板機(jī)械性能要求。但是考慮到汽車大梁用熱軋鋼板對冷彎性能要求嚴(yán)格，需做橫向?qū)捓鋸澰囼?yàn)(彎芯直徑d=1 a，試樣寬度B=35 mm)，因此取了Q345B熱軋帶鋼寬冷彎試樣進(jìn)行冷彎試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)冷彎試驗(yàn)全部不合格。分析表明鋼中的C、Si、Mn含量高是寬冷彎試驗(yàn)不合格的主要原因，尤其是C影響最為嚴(yán)重。

通過對Q345B熱軋帶鋼的分析研究確定了CW510L的成分設(shè)計(jì)思路:在Q345B基礎(chǔ)上通過降C來改善冷彎性能，C含量降低帶來的強(qiáng)度損失采用微合金化來補(bǔ)償。目前廣泛使用的微合金化元素主要有釩、鈦、鈮。它們的主要作用是:①加熱時(shí)抑制奧氏體晶粒長大，由于微合金化元素形成高度彌散的碳氮化物小顆粒，可以對奧氏體晶界起固定作用，從而阻止奧氏體晶界遷移，阻止奧氏體晶粒長大;②抑制奧氏體再結(jié)晶，加熱時(shí)固溶于奧氏體中的微合金元素與奧氏體中的缺陷交互作用，使奧氏體更穩(wěn)定，再結(jié)晶核心形成困難，使奧氏體再結(jié)晶困難，從而抑制奧氏體再結(jié)晶;③細(xì)化鐵素體(F)晶粒;④沉淀強(qiáng)化，當(dāng)鋼在加熱時(shí)，它們的碳、氮化物固溶于奧氏體中，在隨后的軋制冷卻過程中又以碳、氮化物的形態(tài)沿奧氏體晶界或奧氏體晶內(nèi)變形帶處以彌散細(xì)小均勻地分布在基體中，產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化效應(yīng)［2］。對于微合金化元素的應(yīng)用，在Ш級螺紋鋼筋中使用V進(jìn)行微合金化已經(jīng)具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，并借鑒相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定成分見表2。

表2 CW510L成分設(shè)計(jì)

2．2 冶煉工藝

2．2．1 工藝路線

KR脫硫→LD→氬站→板坯連鑄機(jī)保護(hù)澆注

2．2．2 轉(zhuǎn)爐控制

為了穩(wěn)定、準(zhǔn)確地控制化學(xué)成分，轉(zhuǎn)爐裝爐基本實(shí)行定量加入，盡量減小波動，并根據(jù)鐵水溫度及碳、硅含量對廢鋼比進(jìn)行微調(diào)。穩(wěn)定控制吹煉過程，盡量避免后吹造成鋼水過氧化。強(qiáng)化擋渣操作，保證擋渣效果。

2．2．3 氬站控制

氬站處理對吹氬強(qiáng)度進(jìn)行了有效控制:前期大流量，促使合金快速熔化，強(qiáng)化脫氧進(jìn)程;中期中等流量，繼續(xù)合金均勻化過程，同時(shí)保持鋼液面不大翻，防止因卷渣、吸氣等現(xiàn)象發(fā)生惡化鋼質(zhì);后期小流量，鋼液面微微涌動，保持5 min以上，保證鋼水中夾雜物充分上浮。

2．2．4 連鑄控制

連鑄對連鑄二次冷卻強(qiáng)度進(jìn)行了重點(diǎn)控制，同時(shí)確保過熱度、拉速與冷卻強(qiáng)度的匹配，對結(jié)晶器寬、窄面足輥、彎曲一段、二段冷卻水量進(jìn)行穩(wěn)定控制。并且澆注過程中作好全程保護(hù)，避免二次氧化。

3 軋制工藝

3．1 工藝流程

3．2 工藝制度

工藝制度主要包括:加熱制度、變形制度、速度制度、除鱗制度、輥型制度、冷卻制度、卷取制度。

3．3 主要工藝制度介紹

3．3．1 溫度制度

出爐溫度:1150～1250℃

粗軋出口溫度:970～1060℃

精軋入口溫度:920～1030℃

終軋溫度:840～910℃

3．3．2 變形制度

變形制度的制定遵循以下原則:在設(shè)備能力允許的情況下盡量提高壓下率、縮減軋制道次、縮短軋制周期、提高作業(yè)率。

粗軋采用可逆式軋制方式，經(jīng)過5道次水平壓下和3道次立軋給精軋?zhí)峁┖细竦闹虚g板坯。為了保證中間板坯的板形，粗軋最后道次的壓下率取得較小，同時(shí)為了保證帶鋼的邊部質(zhì)量，3道次立軋給予了10～20 mm的側(cè)壓。精軋采用連軋方式經(jīng)過7道次水平壓下和1道次立軋。

3．3．3 除鱗制度

氧化鐵皮分為爐生氧化鐵皮和次生氧化鐵皮。板坯表面氧化鐵皮的清除程度直接影響到熱軋帶鋼的表面質(zhì)量。如果氧化鐵皮未除凈在軋制過程中被壓入帶鋼表面，將影響帶鋼的表面質(zhì)量，給用戶的使用造成困難，嚴(yán)重的將導(dǎo)致廢品。因此，必須制定合理的除鱗制度。對氧化鐵皮的特點(diǎn)進(jìn)行研究后制定了以下除鱗制度:初除鱗除去爐生氧化鐵皮，軋制時(shí)制常開狀態(tài);粗軋除鱗根據(jù)精軋溫度調(diào)節(jié)開啟道次，終軋溫度高時(shí)粗軋開3道除鱗水，終軋溫度低時(shí)粗軋開2道除鱗水，粗軋除鱗不得少于2道;精軋除鱗除去次生氧化鐵皮，軋制時(shí)制常開狀態(tài)。

3．3．4 冷卻制度

熱軋帶鋼出精軋后的冷卻制度很大程度上決定了帶鋼的金相組織，對帶鋼最終的力學(xué)性能、工藝性能產(chǎn)生非常大的影響。根據(jù)該鋼種特性并借鑒同類鋼種的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)制定:卷取溫度580～660℃，層流冷卻采用冷卻水全開弱冷方式并且根據(jù)帶鋼厚度對冷卻水量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。帶鋼出精軋后經(jīng)層流冷卻到目標(biāo)卷取溫度，卷取后堆冷。

4 試生產(chǎn)結(jié)果

4．1 力學(xué)性能及冷彎性能

試生產(chǎn)過程中，CW510L汽車大梁用熱軋帶鋼各批次力學(xué)性能、冷彎性能(見表3)及性能指標(biāo)對比見圖1、圖2、圖3，冷彎實(shí)物樣見圖4、圖5。

表3 各批次力學(xué)性能、冷彎性能

4．2 金相組織

試樣經(jīng)機(jī)械拋光后用4%硝酸酒精浸蝕，在顯微鏡下觀察 (500X)，基體組織主要為鐵素體+珠光體，晶粒度10．0～12．0級，組織照片見圖6(10．0 級)、圖7(12．0 級)。

圖5 冷彎合格樣

圖6 基體組織(10．0級)

圖7 基體組織(12．0級)

5 試生產(chǎn)結(jié)果分析

5．1 力學(xué)性能分析

從表3及性能指標(biāo)對比圖1～圖3可看出，各批次的屈服強(qiáng)度、伸長率完全滿足用戶的使用要求。抗拉強(qiáng)度除第2、第5批次偏低外其余均能滿足使用要求，尤其是第8、第9次各項(xiàng)指標(biāo)完全能夠滿足用戶要求，并具有較大富余量。

5．2 冷彎性能分析

試驗(yàn)結(jié)果表明:寬冷彎在線合格率低，12小時(shí)后冷彎合格率明顯提高。對冷彎不合格試樣進(jìn)行金相檢測發(fā)現(xiàn):①非金屬夾雜嚴(yán)重，硫化物夾雜(A)最高達(dá)3．0B級(見圖8)，硅金相檢測結(jié)果，分別對其形成機(jī)理及其對鋼材性能的影響作了研究。

5．2．1 非金屬夾雜物

非金屬夾雜物主要是由脫氧產(chǎn)物和鋼液凝固時(shí)由一系列反應(yīng)形成的。非金屬夾雜物作為獨(dú)立相存在于鋼中，破壞了鋼基體的連續(xù)性，使鋼的組織不均勻性增大。當(dāng)金屬材料承受載荷特別是動載荷時(shí)，易造成應(yīng)力集中，使金屬材料的力學(xué)性能、工藝性能、耐疲勞性能降低。因此鋼中非金屬夾雜物的存在對鋼的性能產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。

非金屬夾雜物往往被視為顯微裂紋的發(fā)源地，它與裂紋的形成有密切的關(guān)系。如果鋼中非金屬夾雜物嚴(yán)重，在受到外力作用時(shí)，比較容易變形的鋼基體在難以變形的夾雜物周圍塑性流動，產(chǎn)生很大的張力而使鋼基體和夾雜物界面的聯(lián)結(jié)斷裂，形成空隙;或是由于夾雜物周圍的應(yīng)力而使夾雜物破碎形成空隙，由此產(chǎn)生裂紋源并加速擴(kuò)展。因此，在進(jìn)行冷彎試驗(yàn)受到動載荷作用時(shí)很可能在夾雜物處產(chǎn)生裂紋源并得到擴(kuò)展，最終形成裂紋，導(dǎo)致冷彎不合格。

5．2．2 帶狀組織

帶狀組織的形成是相變的結(jié)果，使鋼的力學(xué)性能、工藝性能產(chǎn)生各向異性。寬冷彎試驗(yàn)要求試樣垂直于軋制方向進(jìn)行橫向彎曲。彎曲時(shí)，由于鐵素體與珠光體的塑韌性不同，當(dāng)帶狀組織嚴(yán)重時(shí)，極有可能在冷彎處開裂甚至斷裂。

帶狀組織的形成與鋼的化學(xué)成分的不均勻性有密切的關(guān)系。由于化學(xué)成分決定了相變溫度Ar3(先共析鐵素體析出溫度)，所以帶狀組織的形成與鋼中由于各區(qū)域內(nèi)各元素含量的不同導(dǎo)致各區(qū)域內(nèi)的Ar3點(diǎn)溫度不同有著密切關(guān)系。但是Ar3點(diǎn)溫度不同并不一定就產(chǎn)生帶狀組織，還與軋制條件和冷卻速度有關(guān)。

5．2．2．1 化學(xué)成分不均勻性(Ar3點(diǎn)溫度不同)對帶狀組織的影響

CW510L為亞共析鋼，在奧氏體冷卻時(shí)發(fā)生奧氏體到“鐵素體+珠光體”的轉(zhuǎn)變。如果在軋后冷卻過程中，鋼帶內(nèi)部各個部分同時(shí)形成先共析鐵素體，就不會產(chǎn)生帶狀組織，也就是說各個區(qū)域的Ar3點(diǎn)溫度相同時(shí)就不會形成帶狀組織。但是鋼水在實(shí)際冷卻過程中，結(jié)晶時(shí)往往形成枝晶偏析，在連鑄板酸鹽夾雜(C)最高達(dá)4．0級(見圖9);②帶狀組織嚴(yán)重最高達(dá)3.5B級(見圖10)。根據(jù)坯的截面部分，由于枝間部分與枝干部分各個元素的含量不同，兩者之間的Ar3點(diǎn)溫度也就不同。這就導(dǎo)致先共析鐵素體析出的不同時(shí)性，即Ar3點(diǎn)溫度較高的偏析帶內(nèi)優(yōu)先形成先共析鐵素體，而Ar3點(diǎn)溫度較低的偏析帶內(nèi)后轉(zhuǎn)變，由于富碳而形成珠光體。

在連鑄板坯加熱過程中，由于碳的擴(kuò)散速度快，奧氏體化時(shí)碳能優(yōu)先達(dá)到相對均勻，但是Mn、Si等元素不容易均勻化，并且在一定程度上仍保持著枝晶偏析引起的帶狀偏析。鋼在軋制冷卻時(shí)，伴隨先共析鐵素體的析出碳將不斷向Ar3點(diǎn)溫度較低的條帶擴(kuò)散，并在其中富集，最后在到達(dá)共析溫度時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。這樣就形成了“鐵素體—珠光體”帶狀組織。

5．2．2．2 軋制條件對帶狀組織的影響

軋制條件對帶狀組織的形成也具有較大的影響。當(dāng)終軋溫度處于兩相區(qū)(鐵素體+奧氏體)軋制時(shí)，鐵素體被拉長形成鐵素體條帶，在隨后的冷卻過程中，鐵素體條帶被保留下來，奧氏體發(fā)生相變，沿鐵素體條帶析出先共析鐵素體，到達(dá)共析轉(zhuǎn)變溫度(A1)時(shí)，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變生成珠光體，最終形成“鐵素體—珠光體”帶狀組織。因此，為了減少帶狀組織的形成應(yīng)避免在兩相區(qū)進(jìn)行軋制。

5．2．2．3 冷卻條件對帶狀組織的影響

冷卻條件即冷卻速度也是形成帶狀組織的重要影響因素。由前述可知，鋼在軋制冷卻過程中，伴隨先共析鐵素體的析出碳將不斷向Ar3點(diǎn)溫度較低的條帶擴(kuò)散，并在其中富集，最后在到達(dá)共析溫度時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。如果改變冷卻速度，即可改變冷卻的時(shí)間。冷卻速度增加，相變結(jié)束的時(shí)間縮短，導(dǎo)致C的擴(kuò)散時(shí)間縮短，帶狀組織的形成受到抑制，即帶狀組織的程度減輕。

5．3 金相分析

金相檢測結(jié)果表明:帶鋼的基體組織為F+P，晶粒細(xì)小。細(xì)晶粒對提高金屬材料的塑韌性非常有利，所以細(xì)晶粒對提高帶鋼的冷彎性能是有利的。

5．4 堆冷對冷彎性能的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣在線冷卻時(shí)的寬冷彎試驗(yàn)合格率較低，12小時(shí)后的寬冷彎合格率明顯上升。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是:由于CW510L鋼中含有較高的Mn和V，鋼的裂紋敏感性較強(qiáng)，加上軋后進(jìn)行了層流冷卻，在局部區(qū)域產(chǎn)生了熱應(yīng)力裂紋。由于軋后采用堆冷，使鋼在緩冷過程中產(chǎn)生自回火現(xiàn)象，從而使熱應(yīng)力裂紋合并、修復(fù)，因此，12小時(shí)后鋼的冷彎合格率明顯上升。

6 結(jié)論

(1)軋制工藝的有效控制可明顯改善汽車大梁用鋼的綜合性能。

(2)CW510L汽車大梁用熱軋帶鋼粗軋出口溫度為970～1060℃、終軋溫度為840～910℃、卷取溫度為580～660℃，可較好地控制鋼的力學(xué)性能。

(3)軋后采用弱水全開層流冷卻方式可減少冷卻時(shí)的熱應(yīng)力裂紋。

(4)軋后采用堆冷方式，可明顯改善鋼的冷彎性能。