冷軋低合金高強鋼X410LA產(chǎn)品開發(fā)

楊紅來，黃小山，彭 沖

（新余鋼鐵集團有限公司，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)展趨勢帶動汽車用鋼向高強方向發(fā)展，新一代汽車用高強鋼已經(jīng)得到快速發(fā)展。冷軋低合金高強鋼不僅表面質(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，尤其是高屈強比，能夠更好的發(fā)揮材料使用性能的特點，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，從而減少對駕駛艙內(nèi)人員的沖擊；還如汽車重要的加強部件車門內(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度和較高的屈強比。而冷軋低合金高強鋼則能很好的滿足上述要求，對降低汽車自重、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，同時對地方汽車用鋼生產(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、工藝技術(shù)理論和生產(chǎn)試驗研究，掌握一整套適合新鋼生產(chǎn)設(shè)備特點、經(jīng)濟可行、成熟可靠的高強汽車用鋼冶煉、連鑄、熱軋、冷軋及退火工藝控制技術(shù)。

1 產(chǎn)品研發(fā)機理

汽車用冷軋低合金高強鋼X410LA是冷軋低合金高強鋼中的高強度級別，具有良好的成形性能和較高的強度，其力學(xué)性能要求如表l所示。相對于固溶強化和相變強化來說，沉淀強化和細(xì)晶強化是X410LA主要的強韌化手段[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[4]。在γ→α轉(zhuǎn)變的過程中，如果鐵素體的形核率和形核點增加，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間也能夠明顯縮短[5]，從而可達到細(xì)晶強化的目的。

同時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，阻礙位錯的滑移，起到強化基體的作用，同時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力學(xué)來影響奧氏體轉(zhuǎn)變及長大的，從而起到強化作用的[7]。碳氮化合物析出相在增加了基體強度的同時，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

冷軋低合金高強鋼一般采用Nb、Ti復(fù)合微合金化設(shè)計，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化來提高鋼的強度[9]，另外這些微合金元素還能起到很好的細(xì)晶強化作用。同時添加Si、Mn等元素可進一步細(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了低碳鋼固溶強化不足的問題。但在保證低合金高強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鋼中組織與性能的影響規(guī)律[10]，以及材料強度性能、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→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)施對鐵水進行深脫硫，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)爐冶煉重點是控制鋼水終點[C]、[P]、[S]成分。針對新鋼鐵水[P]較高的特點,吹煉前期采用較強的底吹攪拌強度，快速成渣，提高吹煉前期脫磷效率；出鋼時采用滑板擋渣，并隨鋼流加入石灰300～800 kg、螢石50～150 kg進行渣洗，同時加入適量復(fù)合脫氧劑和合金進行脫氧合金化。

（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，總的白渣保持時間大于20 min；然后加入少量合金進行成分微調(diào)，待成分、溫度達到目標(biāo)后喂鈣線對夾雜物進行變性處理；最后進行軟吹氬使夾雜物上浮，軟吹時間大于8 min。

（4）連鑄工藝采用低過熱度澆注、動態(tài)輕壓下和全程保護澆注等。

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)生的大量位錯得以保留，從而提高最終轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中的位錯密度，增強位錯強化和其他因素，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鋼冷軋工藝研究的重點，這些冷軋工藝對X410LA的組織、性能有重要的影響，能夠進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，金屬冷軋變形儲能越大，則退火過程中再結(jié)晶的驅(qū)動力越大。綜合考慮新鋼冷軋機組的設(shè)備能力和生產(chǎn)試驗情況，控制冷連軋機組軋制生產(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行熱處理。

綜合考慮連退工藝對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、時效溫度、快冷開始溫度及退火溫度，并保證工藝溫度相對穩(wěn)定，降低產(chǎn)品性能的波動。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)品屈服強度、抗拉強度均達到理想要求，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X410LA產(chǎn)品進行了金相顯微組織檢驗，金相組織為鐵素體+貝氏體，鐵素體晶粒度11級，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鋼X410LA經(jīng)多家汽車廠、汽車配廠的沖壓使用試驗，表面質(zhì)量及性能各項指標(biāo)均達到客戶的相關(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，實現(xiàn)批量供貨。

5 結(jié)語

高強汽車用鋼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）在固溶強化元素C、Mn的基礎(chǔ)上，通過添加適量Nb、Ti等強碳化物形成元素，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)晶強化組織，達到了析出強化和細(xì)晶強化目的。

（2）在合理成分設(shè)計基礎(chǔ)上，通過合適的生產(chǎn)工藝控制，進一步保證了X410LA冷軋成品的金相組織和綜合力學(xué)性能。

（3）通過試驗研究，形成了一套適合新鋼生產(chǎn)裝備特點的，經(jīng)濟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鋼X410LA力學(xué)性能和金相組織均符合技術(shù)要求，屈服強度達448 MPa，抗拉強度達624 MPa，斷后延伸率達22.5%，表面質(zhì)量及性能各項指標(biāo)均達到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足了用戶對汽車用鋼的要求。