邯鋼微合金化汽車廂體用鋼700XT的研制

李強(qiáng)  王文錄  李斌

（河鋼集團(tuán)邯鋼公司 技術(shù)中心，河北 邯鄲 056015）

摘  要：研究了含Nb-Ti微合金汽車用鋼高溫變形及晶粒析出，通過成分設(shè)計(jì)、冶煉、熱軋工藝的控制，開發(fā)出微合金化700XT汽車車廂用鋼，并微觀分析了此鋼種的力學(xué)性能、金相組織等，通過生產(chǎn)跟蹤，性能滿足用戶輕量化需求。

關(guān)鍵詞：700XT 汽車廂體、輕量化

1 前言

隨著國(guó)內(nèi)以節(jié)約資源和環(huán)保意識(shí)的新政下，汽車工業(yè)需對(duì)減輕汽車重量、降低油耗、提高汽車結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度以及安全性能等提出了更高的要求，汽車用鋼逐步呈現(xiàn)輕量化、高強(qiáng)化的發(fā)展趨勢(shì)。有研究表明，當(dāng)鋼板厚度分別減小0.05m、0.10mm和0.15mm，車身減重分別為6%、12%和18%，可見增加鋼板強(qiáng)度是減小厚度、減輕車重的主要途徑。根據(jù)市場(chǎng)發(fā)展的需要，邯鋼立足自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過合理的控軋控冷工藝[1]，在2250產(chǎn)線上成功開發(fā)了700 MPa 級(jí)汽車廂體鋼熱軋卷板700XT，產(chǎn)品板形控制良好，力學(xué)性能及加工性能指標(biāo)良好，滿足汽車用鋼輕量化設(shè)計(jì)和使用需求。

2 成分設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)要求

汽車廂體鋼主要用來制造汽車的車廂，包括貨車車廂、自卸車的翻斗、環(huán)衛(wèi)廂式貨車的車廂等。廂體鋼的制造過程及服役條件不僅要求其具有較高的強(qiáng)度，還需具有良好的塑韌性、冷成型性及優(yōu)良的焊接性能。為此，700XT 汽車廂體鋼的力學(xué)性能及工藝性能指標(biāo)，見表 1、表2。同時(shí)為保證焊接性能，要求按公式 CEV = C + Mn/6 + (Cr+ Mo + V) /5 + (Ni + Cu) /15 計(jì)算的碳當(dāng)量 CEV≤0.35。

表 1  700XT 汽車廂體鋼化學(xué)成分

表 2  700XT 汽車廂體鋼力學(xué)性能要求

備注：1、當(dāng)厚度＞8.0mm時(shí)，規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度允許下降20MPa；2、說明：b為試樣寬度，a 為試樣試樣厚度；

2.2 成分設(shè)計(jì)

成分設(shè)計(jì)充分考慮微合金元素Nb、Ti，采用低C + Mn + Nb +Ti 成分設(shè)計(jì)，發(fā)揮 C、

Mn 元素的固溶強(qiáng)化作用，添加微合金Ti 、Nb元素[2]，一方面利用沉淀析出，發(fā)揮其細(xì)化奧氏體晶粒作用，另一方面Ti與Nb的結(jié)合，由于Ti與N在液態(tài)鋼水中結(jié)合析出，為后續(xù)NbC析出提供形核質(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)NbC析出更加彌散，有效阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，擴(kuò)大奧氏體未結(jié)晶區(qū)，為鐵素體相變提供更多的形核點(diǎn)，從而使氮化物粒子能有效的析出，發(fā)揮沉淀析出作用，以便獲得高強(qiáng)度和良好的韌性。汽車廂體用鋼對(duì)成型性及焊接性較高，必須降低鋼水中粗大的氧化物和硫化物，同時(shí)嚴(yán)格控制鋼中P、S 元素的含量，改善鋼材的冷彎和沖擊性能，化學(xué)成分設(shè)計(jì)見表 3。

表 3  700XT設(shè)計(jì)化學(xué)成分/%

表 3  700XT設(shè)計(jì)化學(xué)成分/%

2.3化學(xué)成分對(duì)700XT車廂用鋼的影響

（1）C、N含量的影響

C：≤0.09%，較低的碳含量可使板卷具有良好的焊接性能和成型性能，強(qiáng)度的不足可以通過加入微合金元素和控軋控冷工藝來彌補(bǔ)。鋼中加入微合金元素Ti與C、N原子結(jié)合，形成第二相就是固碳、氮的過程，析出的Ti（C、N）、TiC顆粒尺寸與析出（卷�。�溫度有關(guān)，適宜的卷取溫度既可確保Ti（C、N）、TiC充分析出，又可保證析出物彌散細(xì)��；卷取溫度過高將使得Ti（C、N）、TiC顆粒尺寸粗大，對(duì)提高鋼的強(qiáng)度、低溫沖擊韌性和成型性不利；另外，鋼中N含量的提高增加了Ti的消耗量，使成本提高。因此，應(yīng)該降低鋼中的N含量，就能減少TiN的析出量，就能降低Ti消耗量。

（2）碳當(dāng)量的影響

微合金鋼的碳當(dāng)量一般要比普通鋼及高強(qiáng)度合金鋼要低一些，碳含量的降低不僅能保證微合金鋼的良好的塑性、焊接性能和低溫沖擊韌性，而且能有效地提高鋼材的冷、熱變形能力。

（3）Mn含量的影響

Mn：1.55~1.75%，通過固溶強(qiáng)化和細(xì)晶細(xì)化提高鋼的強(qiáng)度。在以再結(jié)晶控軋工藝生產(chǎn)的微合金鋼中，過高的Mn含量將加重鑄坯偏析、造成沖擊韌性降低。

（4）Nb含量的影響

Nb在控制軋制和熱機(jī)械處理時(shí)，會(huì)產(chǎn)生顯著的晶粒細(xì)化和中等的沉淀強(qiáng)化，Nb提高了誘導(dǎo)相變的臨界溫度，降低誘導(dǎo)相變臨界變形量，并對(duì)誘導(dǎo)相變細(xì)晶鐵素體的長(zhǎng)大有抑制作用。Nb提高了奧氏體再結(jié)晶溫度，從而擴(kuò)大奧氏體的非再結(jié)晶區(qū)，擴(kuò)展了誘導(dǎo)相變控軋的工藝窗口。

（5）Ti含量的影響

Ti：0.095~0.14%，通過析出強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化提高鋼的強(qiáng)度。Ti是主要強(qiáng)化元素，它主要是通過在鐵素體區(qū)析出幼小的TiC來阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)從而提高屈服強(qiáng)度。其強(qiáng)化作用的大小取決于TiC顆粒分?jǐn)?shù)、分布和大小等。在一定條件下，Ti含量直接決定了TiC顆粒分?jǐn)?shù)，因此，Ti含量的提高有利于提高材料的強(qiáng)度；另外，分布、大小和鐵素體的共格性等也對(duì)強(qiáng)度有重要影響。因而，Ti含量對(duì)強(qiáng)度的提高幅度也即TiC顆粒的強(qiáng)化效率是與冷卻溫度有關(guān)的。

（6）P含量的影響

控制P含量在0.016%以下，低的磷含量可以保證鋼具有良好的韌性、冷成型性能和焊接性能。

（7）Ca：15~50PPm，改善夾雜物形態(tài)，從而改善鋼的橫向沖擊韌性。

3 生產(chǎn)工藝

3.1 工藝流程

700XT汽車廂體鋼生產(chǎn)工藝流程如下：高爐鐵水→采用復(fù)合噴吹脫硫工藝→ 300 t煉鋼轉(zhuǎn)爐冶煉→ LF精煉→兩機(jī)兩流板坯連鑄機(jī)拉坯→ 2250生產(chǎn)線板坯加熱→高壓水除鱗→ 4輥萬能粗軋機(jī)可逆軋制→ 7架熱連軋機(jī)精軋→層流控制冷卻→ 3臺(tái)地下卷取機(jī)卷取→離線檢驗(yàn)→平整→打捆包裝標(biāo)識(shí)入庫(kù)。

3.2冶煉與軋制工藝

冶煉和連鑄：采用潔凈鋼模式冶煉和窄成分終點(diǎn)控制，通過鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→連鑄全流程夾雜物、氧、氮、雜質(zhì)元素控制技術(shù)，形成了潔凈鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)，使鈦強(qiáng)化高強(qiáng)鋼S≤0.004%；P≤0.014%；T.O≤0.0015%，鋼中[H]≤0.00015%，[N]穩(wěn)定在≤0.0045%的范圍之內(nèi)。同時(shí)采用倒角結(jié)晶器對(duì)鑄坯邊部質(zhì)量的改善及大壓下量的動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)，降低鑄坯中心偏析、疏松，為后續(xù)生產(chǎn)提供優(yōu)良的坯料。

控制軋制和控制冷卻工藝：采用了TMCP工藝，通過控制軋制和控制冷卻使得材料的晶粒細(xì)化、析出強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和組織強(qiáng)化作用，提高強(qiáng)韌性能，滿足開發(fā)鈦強(qiáng)化高強(qiáng)度鋼。

加熱：加熱溫度1250℃，加熱時(shí)間180～240 min；精軋入口溫度控制≤980℃；比較高的加熱溫度保證了連鑄過程中形成的碳氮化鈮能夠充分回溶，以保證析出粒子充分溶解以起到細(xì)化晶粒作用。

終軋和卷取：終軋溫度控制886-914℃，卷取溫度600～620℃，以保證碳化鈮、鈦能夠充分細(xì)小彌散析出，起到析出強(qiáng)化作用，保證具有高的強(qiáng)度和良好韌性。

通過調(diào)整加熱溫度和卷取溫度，保證了微合金元素的回溶，從而有利地提高了屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，使性能合格率大提高，合格率由開發(fā)初期的70%左右提高到近100% 。

3.3車廂用鋼低溫韌性的影響因素

低的C當(dāng)量和低氣體O含量控制保證了鋼具有良好的韌性。當(dāng)T[O]含量越高，對(duì)鋼水的潔凈度越差，需對(duì)精煉加強(qiáng)對(duì)O含量的控制，當(dāng)O含量低于0.0020%及Mn/C比低于5.0時(shí)，對(duì)車廂用鋼的低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度較好[3]，具體變化情況見圖1、圖2、圖3、圖4 。

4 試制結(jié)果及分析

邯鋼已按上述工藝進(jìn)行了700XT 汽車廂體鋼的工業(yè)試生產(chǎn)，至目前累計(jì)生產(chǎn) 3000 余噸，軋制規(guī)格為 (2.5～4.0) × (1500-1515)mm，通過對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行系統(tǒng)跟蹤，產(chǎn)品成分性能滿足用戶要求。

4.1 熔煉成分

邯鋼700XT汽車車廂用鋼冶煉都按窄成分控制，可見P、S雜質(zhì)元素控制的較低，實(shí)際控制滿足潔凈鋼的要求，具體見表4 。

表 4  700XT 汽車廂體鋼化學(xué)成分

4.2氣體成分

氣體成分控制良好，具體見表5 。

表5 成分情況%

4.3鑄坯低倍情況

實(shí)際生產(chǎn)過程中，通過澆鋼過程中在線對(duì)鑄坯的凝固末端進(jìn)行一定的機(jī)械壓下，補(bǔ)償鑄坯凝固末端兩相區(qū)的凝固收縮，從而減輕乃至消除中心偏析、疏松，提高鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量，經(jīng)過鑄坯低倍檢驗(yàn)，結(jié)果顯示良好，C類0.5級(jí)，見圖5-圖6。

4.4 軋制工藝

通過控制軋制的各道次壓下率及提高卷取溫度（600～620℃）的命中率，確保Nb、Ti細(xì)小彌散析出，通過析出強(qiáng)化大幅度提高了鋼的強(qiáng)度；但為了保證700XT車廂用鋼的低溫韌性，經(jīng)過大量試驗(yàn)研究，奧氏體再結(jié)晶軋制壓下制度對(duì)車廂用鋼低溫韌性性能有十分重要的影響。

對(duì)于軋制厚度為（2.5-4.0）mm的車廂用鋼700XT，鑄坯原料相同，中間坯厚度為60mm，奧氏體再結(jié)晶區(qū)末道次采用不同的壓下率，見表6、圖7，軋制溫度控制情況良好，見表7、圖8，保障了車廂用鋼的低溫韌性性能及力學(xué)性能。

表6 各道次壓下率情況%

表8  700XT性能檢驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

本論文研究了高強(qiáng)度700XT汽車微合金鋼的強(qiáng)化機(jī)理及工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用。

研究了添加微合金元素Nb、Ti，與C、N結(jié)合生產(chǎn)Nb、Ti（C、N）的析出溫度及析出量隨溫度變化逐漸提高。

研究了微合金元素Nb、Ti作為重要強(qiáng)化元素，通過析出強(qiáng)化有效提高鋼的強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

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