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馬鋼高強汽車大梁鋼板的開發與應用
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-12-29
基于馬鋼熱連軋線，通過不同的成分設計和控軋控冷工藝，開發出大梁鋼系列、冷成形高屈服系列、細晶粒鋼系列等三個系列的高強汽車大梁鋼板，產品具有良好的力學性能、焊接性能、疲勞性能和冷加工性能，已成功在國內汽車主機廠得到大規模應用。
基于馬鋼熱連軋線，通過不同的成分設計和控軋控冷工藝，開發出大梁鋼系列、冷成形高屈服系列、細晶粒鋼系列等三個系列的高強汽車大梁鋼板，產品具有良好的力學性能、焊接性能、疲勞性能和冷加工性能，已成功在國內汽車主機廠得到大規模應用。
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汽車底盤是汽車重要的結構件，汽車底盤上縱梁、橫梁、懸置梁、前后橋等零件都采用汽車大梁鋼來制造。隨著國內重型汽車工業的快速發展，各汽車生產廠對車架的服役要求更加苛刻，不僅要求汽車大梁用鋼具有更高的強度，而且還需要良好的塑性、韌性及冷彎性能。
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目前，國內各大鋼廠都開發了不同強度級別的汽車大梁鋼板，并向更高強度方向發展。采用高強汽車梁可以提高安全性，延長產品壽命，降低生產成本，減輕汽車自重，增加汽車的有效載荷，有利于節約資源和環保。
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鋼鐵材料的高強度化是保證汽車輕量化和安全性的有效手段，豐田汽車公司的研究表明，汽車用鋼的強度由440MPa提升至590MPa時，部件的重量可減輕約15%；如果進一步提升至780MPa，則部件的重量可減輕約30%，達到減輕汽車重量和節能減排的目標。
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近年來，馬鋼作為較早開發生產汽車板的鋼鐵企業，根據汽車工業對汽車大梁鋼板的技術要求，充分利用產線特點，在碳錳鋼基礎上，通過Nb、Ti微合金化，結合控軋控冷工藝，利用細晶強化和沉淀析出等強化機制，開發出大梁鋼系列、冷成形高屈服系列、細晶粒鋼系列等三種系列高強汽車大梁鋼板，并成功應用于國內眾多汽車生產廠家。
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1主要設備及生產工藝
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1.1生產設備
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馬鋼生產汽車大梁鋼板的主要配套設備有300t轉爐3座，LF爐2座，RH爐2座，板坯連鑄機（2流）3臺，步進梁式加熱爐3座，7機架2250精軋機組1條，1580精軋機組1條，以及相應自動化控制設備。總體裝備處于國內先進水平，為生產高潔凈鋼水和高品質汽車板提供了技術保證。
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1.2生產工藝
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馬鋼汽車大梁鋼板采用以下生產工藝流程：鐵水→鐵水預處理→轉爐冶煉→合金微調站→LF→連鑄→熱連軋→層流冷卻→卷取。
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冶煉采用優質廢鋼和精煉處理，精確控制鋼水成分和夾雜物水平；全程保護澆鑄并嚴格控制鋼水的過熱度，以抑制柱狀晶生長，避免形成中心疏松、加重中心偏析及產生帶狀組織。
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在熱軋帶鋼軋制時，加熱溫度、卷取溫度對性能的影響很大，為了獲得良好的機械性能，連鑄坯冷料加熱溫度為1200℃左右，控制加熱時間，以確保微合金碳、氮化物完全溶解于奧氏體中，以便最大程度地利用碳、氮化物在鐵素體中的析出強化作用。
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粗軋最后道次的軋制溫度應控制在1050℃以上，避免奧氏體發生部分再結晶，導致成品晶粒不均，產生混晶現象，降低鋼板性能。由于低溫軋制會使鋼的帶狀組織嚴重，同時溫度降低時，MnS比鋼更具有可塑性，易延伸成條帶狀，對冷彎性能不利，因此，為避免過分的低溫軋制，將終軋溫度控制在850℃左右。軋后采用前段冷卻方式，軋件經層流冷卻段的強力冷卻，很快發生相變，鐵素體在奧氏體晶界和晶粒內部大量形核，從而得到非常均勻、細小的組織。
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2產品設計和產品性能
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2.1產品設計
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馬鋼大梁鋼系列、冷成形高屈服系列、細晶粒鋼系列等三種系列高強汽車大梁鋼板的成分設計思路是在碳錳鋼基礎上，添加0.02%-0.05%Nb、0.010%-0.030%Ti微合金元素，通過微合金元素與板材控軋控冷技術的結合，控制微合金元素的析出行為，以細化晶粒、提高大梁鋼的強韌性和獲得良好的成形性及焊接性，并在保證良好綜合性能的同時，進一步降低生產成本。
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Nb在控制的大梁鋼中對細化晶粒有明顯效果，其在鋼中以置換溶質原子存在，Nb原子比鐵原子尺寸大，易在位錯線上偏聚，通過在固溶體中的溶質拖拽作用、細小析出物在γ晶界的釘扎作用和在變形晶粒內的位錯排列作用來抑制奧氏體再結晶，得到細小的晶粒尺寸， Nb的這種作用高于Ti和V；Nb在鋼中形成細小Nb（C,N），在細化晶粒同時具有很強的析出強化作用，通過相間析出效應來控制軋制大梁鋼，能夠滿足此鋼的強韌性要求。
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Nb在大梁鋼中的特點就是提高奧氏體的再結晶溫度，從而達到細化奧氏體晶粒的目的。一般鋼中Nb的加入量在0.03%-0.06%，過高的Nb對強韌化的貢獻將不再明顯。微量的Nb可使鋼得到極好的綜合性能，因為在低Nb濃度下，鋼的屈服強度增長較快，并且和濃度成正比，但當Nb含量大于0.03%時，強化效果就開始降低，有研究表明，當Nb含量大于0.06%時，多余的Nb對鋼將不再有強化作用。
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大量的生產實踐及試驗結果表明，影響汽車大梁鋼板冷成形性能的關鍵因素在于鋼中長條形的MnS夾雜物，這些沿軋制方向排列的MnS夾雜物最影響鋼板的橫向冷彎性能，使鋼板各向性能差異增大，冷彎時容易導致開裂。微合金元素Ti的作用，在于Ti溶于硫化物中，可以部分或全部替代夾雜中的元素Mn，使長條狀MnS變成球狀復合夾雜物，從而改變了夾雜物本身的塑性，形成具有一定硬度的球形夾雜，即使材料經大變形量加工，MnS依舊保持原有形狀，從而改善鋼的性能。此外，Ti的添加也控制了夾雜物的大小，細小的夾雜對改善鋼的性能起著重要的作用。
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另外，Ti 可以與C或N在鋼水中形成細小彌散的第二相質點（TiC,Ti（CN）），這些細小彌散的質點在加熱階段充分固溶為奧氏體后，會產生以下現象：
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①在精軋階段的高速變形時，可以應變誘導析出這些細小彌散的質點，并且無論是固溶在奧氏體中的Ti，還是應變誘導析出的TiC和Ti（CN）質點，均能延遲奧氏體再結晶，并且阻止再結晶后奧氏體晶粒的長大，即存在細化晶粒的效果；
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②在軋后冷卻的相變過程中，TiC和Ti（CN）在晶界上析出，釘扎晶界，阻止位錯運動，同時呈現細化晶粒的效果。
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從①、②兩點分析，細顆粒TiC的彌散析出是提高控軋控冷低合金高強度鋼強度的重要因素，鋼水中形成細小彌散的第二相質點TiC和Ti（CN）對保證鋼的力學性能要求起著積極的作用。表1為典型汽車大梁鋼化學成分。
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2.2產品組織性能
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2.2.1力學性能
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三種系列不同強度級別典型汽車大梁鋼板的多次力學性能檢驗結果表明，各項力學性能指標良好，見表2。
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2.2.2顯微組織
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以M 5 1 0 L、S 7 0 0 M C、QSTE420TM為例，剪取厚度分別為8.0mm、7.0mm、4.5mm鋼板做顯微組織和夾雜物分析。
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結果表明，汽車大梁鋼組織主要由多邊形鐵素體和珠光體組成，其中較細的多邊形鐵素體可以改善鋼的強度和韌性，夾雜物控制良好，這種組織與夾雜物控制對改善鋼帶的冷成形性能，提高鋼的橫向沖擊韌性，降低脆性轉變溫度都極為有利。
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2.2.3 沖擊性能
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以M510L為例，取5.5mm、7.0mm、10.0mm厚度的大梁鋼板進行室溫至-40℃的沖擊試驗，試樣尺寸5mm×10mm×55mm，開V型缺口。結果顯示，M510L韌脆性轉變溫度較低，用此材料制造的汽車零件可在較惡劣的環境下安全運行。
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2.2.4 焊接性能
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為了評價汽車大梁鋼板焊接性能的變化情況，進行了焊接性能試驗。以8.0mm厚M590L為例。試驗結果顯示，焊后橫、縱向抗拉強度、n值與母材一致，
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說明焊接后沒有出現軟化現象；焊后仍有較高的延伸率，焊接性能良好。
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3實際應用狀況
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近年來，馬鋼開發的三種系列汽車大梁鋼板生產量達到43萬噸（見圖1）；應用于國內部分汽車制造和汽車配件廠，如江淮、奇瑞、江鈴、華菱星馬、陜汽、上汽依維柯紅巖等，并得到廠家的普遍認同，給企業帶來顯著經濟效益與社會效益。
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根據生產工藝特點和產品性能要求，馬鋼通過不同的成分設計和TMCP工藝，開發了三種系列不同強度級別的汽車大梁鋼。產品具有優良的機械性能、成形性能、焊接性能、疲勞性能、低溫脆性、沖擊性能，可滿足各種載重車和輕型汽車對大梁鋼板的技術要求。
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汽車底盤是汽車重要的結構件，汽車底盤上縱梁、橫梁、懸置梁、前后橋等零件都采用汽車大梁鋼來制造。隨著國內重型汽車工業的快速發展，各汽車生產廠對車架的服役要求更加苛刻，不僅要求汽車大梁用鋼具有更高的強度，而且還需要良好的塑性、韌性及冷彎性能。
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目前，國內各大鋼廠都開發了不同強度級別的汽車大梁鋼板，并向更高強度方向發展。采用高強汽車梁可以提高安全性，延長產品壽命，降低生產成本，減輕汽車自重，增加汽車的有效載荷，有利于節約資源和環保。
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鋼鐵材料的高強度化是保證汽車輕量化和安全性的有效手段，豐田汽車公司的研究表明，汽車用鋼的強度由440MPa提升至590MPa時，部件的重量可減輕約15%；如果進一步提升至780MPa，則部件的重量可減輕約30%，達到減輕汽車重量和節能減排的目標。
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近年來，馬鋼作為較早開發生產汽車板的鋼鐵企業，根據汽車工業對汽車大梁鋼板的技術要求，充分利用產線特點，在碳錳鋼基礎上，通過Nb、Ti微合金化，結合控軋控冷工藝，利用細晶強化和沉淀析出等強化機制，開發出大梁鋼系列、冷成形高屈服系列、細晶粒鋼系列等三種系列高強汽車大梁鋼板，并成功應用于國內眾多汽車生產廠家。
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1.1生產設備
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馬鋼生產汽車大梁鋼板的主要配套設備有300t轉爐3座，LF爐2座，RH爐2座，板坯連鑄機（2流）3臺，步進梁式加熱爐3座，7機架2250精軋機組1條，1580精軋機組1條，以及相應自動化控制設備。總體裝備處于國內先進水平，為生產高潔凈鋼水和高品質汽車板提供了技術保證。
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1.2生產工藝
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馬鋼汽車大梁鋼板采用以下生產工藝流程：鐵水→鐵水預處理→轉爐冶煉→合金微調站→LF→連鑄→熱連軋→層流冷卻→卷取。
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冶煉采用優質廢鋼和精煉處理，精確控制鋼水成分和夾雜物水平；全程保護澆鑄并嚴格控制鋼水的過熱度，以抑制柱狀晶生長，避免形成中心疏松、加重中心偏析及產生帶狀組織。
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在熱軋帶鋼軋制時，加熱溫度、卷取溫度對性能的影響很大，為了獲得良好的機械性能，連鑄坯冷料加熱溫度為1200℃左右，控制加熱時間，以確保微合金碳、氮化物完全溶解于奧氏體中，以便最大程度地利用碳、氮化物在鐵素體中的析出強化作用。
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粗軋最后道次的軋制溫度應控制在1050℃以上，避免奧氏體發生部分再結晶，導致成品晶粒不均，產生混晶現象，降低鋼板性能。由于低溫軋制會使鋼的帶狀組織嚴重，同時溫度降低時，MnS比鋼更具有可塑性，易延伸成條帶狀，對冷彎性能不利，因此，為避免過分的低溫軋制，將終軋溫度控制在850℃左右。軋后采用前段冷卻方式，軋件經層流冷卻段的強力冷卻，很快發生相變，鐵素體在奧氏體晶界和晶粒內部大量形核，從而得到非常均勻、細小的組織。
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馬鋼大梁鋼系列、冷成形高屈服系列、細晶粒鋼系列等三種系列高強汽車大梁鋼板的成分設計思路是在碳錳鋼基礎上，添加0.02%-0.05%Nb、0.010%-0.030%Ti微合金元素，通過微合金元素與板材控軋控冷技術的結合，控制微合金元素的析出行為，以細化晶粒、提高大梁鋼的強韌性和獲得良好的成形性及焊接性，并在保證良好綜合性能的同時，進一步降低生產成本。
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Nb在控制的大梁鋼中對細化晶粒有明顯效果，其在鋼中以置換溶質原子存在，Nb原子比鐵原子尺寸大，易在位錯線上偏聚，通過在固溶體中的溶質拖拽作用、細小析出物在γ晶界的釘扎作用和在變形晶粒內的位錯排列作用來抑制奧氏體再結晶，得到細小的晶粒尺寸， Nb的這種作用高于Ti和V；Nb在鋼中形成細小Nb（C,N），在細化晶粒同時具有很強的析出強化作用，通過相間析出效應來控制軋制大梁鋼，能夠滿足此鋼的強韌性要求。
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Nb在大梁鋼中的特點就是提高奧氏體的再結晶溫度，從而達到細化奧氏體晶粒的目的。一般鋼中Nb的加入量在0.03%-0.06%，過高的Nb對強韌化的貢獻將不再明顯。微量的Nb可使鋼得到極好的綜合性能，因為在低Nb濃度下，鋼的屈服強度增長較快，并且和濃度成正比，但當Nb含量大于0.03%時，強化效果就開始降低，有研究表明，當Nb含量大于0.06%時，多余的Nb對鋼將不再有強化作用。
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大量的生產實踐及試驗結果表明，影響汽車大梁鋼板冷成形性能的關鍵因素在于鋼中長條形的MnS夾雜物，這些沿軋制方向排列的MnS夾雜物最影響鋼板的橫向冷彎性能，使鋼板各向性能差異增大，冷彎時容易導致開裂。微合金元素Ti的作用，在于Ti溶于硫化物中，可以部分或全部替代夾雜中的元素Mn，使長條狀MnS變成球狀復合夾雜物，從而改變了夾雜物本身的塑性，形成具有一定硬度的球形夾雜，即使材料經大變形量加工，MnS依舊保持原有形狀，從而改善鋼的性能。此外，Ti的添加也控制了夾雜物的大小，細小的夾雜對改善鋼的性能起著重要的作用。
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另外，Ti 可以與C或N在鋼水中形成細小彌散的第二相質點（TiC,Ti（CN）），這些細小彌散的質點在加熱階段充分固溶為奧氏體后，會產生以下現象：
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①在精軋階段的高速變形時，可以應變誘導析出這些細小彌散的質點，并且無論是固溶在奧氏體中的Ti，還是應變誘導析出的TiC和Ti（CN）質點，均能延遲奧氏體再結晶，并且阻止再結晶后奧氏體晶粒的長大，即存在細化晶粒的效果；
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②在軋后冷卻的相變過程中，TiC和Ti（CN）在晶界上析出，釘扎晶界，阻止位錯運動，同時呈現細化晶粒的效果。
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2.2產品組織性能
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2.2.1力學性能
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三種系列不同強度級別典型汽車大梁鋼板的多次力學性能檢驗結果表明，各項力學性能指標良好，見表2。
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2.2.2顯微組織
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以M 5 1 0 L、S 7 0 0 M C、QSTE420TM為例，剪取厚度分別為8.0mm、7.0mm、4.5mm鋼板做顯微組織和夾雜物分析。
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結果表明，汽車大梁鋼組織主要由多邊形鐵素體和珠光體組成，其中較細的多邊形鐵素體可以改善鋼的強度和韌性，夾雜物控制良好，這種組織與夾雜物控制對改善鋼帶的冷成形性能，提高鋼的橫向沖擊韌性，降低脆性轉變溫度都極為有利。
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2.2.3 沖擊性能
??
以M510L為例，取5.5mm、7.0mm、10.0mm厚度的大梁鋼板進行室溫至-40℃的沖擊試驗，試樣尺寸5mm×10mm×55mm，開V型缺口。結果顯示，M510L韌脆性轉變溫度較低，用此材料制造的汽車零件可在較惡劣的環境下安全運行。
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2.2.4 焊接性能
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為了評價汽車大梁鋼板焊接性能的變化情況，進行了焊接性能試驗。以8.0mm厚M590L為例。試驗結果顯示，焊后橫、縱向抗拉強度、n值與母材一致，
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說明焊接后沒有出現軟化現象；焊后仍有較高的延伸率，焊接性能良好。
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3實際應用狀況
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近年來，馬鋼開發的三種系列汽車大梁鋼板生產量達到43萬噸（見圖1）；應用于國內部分汽車制造和汽車配件廠，如江淮、奇瑞、江鈴、華菱星馬、陜汽、上汽依維柯紅巖等，并得到廠家的普遍認同，給企業帶來顯著經濟效益與社會效益。
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根據生產工藝特點和產品性能要求，馬鋼通過不同的成分設計和TMCP工藝，開發了三種系列不同強度級別的汽車大梁鋼。產品具有優良的機械性能、成形性能、焊接性能、疲勞性能、低溫脆性、沖擊性能，可滿足各種載重車和輕型汽車對大梁鋼板的技術要求。
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