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        汽車底盤用500 MPa級(jí)熱軋酸洗鋼板的開發(fā)

        2021-07-28 12:33:16孫成錢時(shí)曉光劉仁東韓楚菲王俊雄徐榮杰
        上海金屬 2021年4期
        關(guān)鍵詞:汽車底盤酸洗鐵素體

        孫成錢 時(shí)曉光 董 毅 劉仁東 韓楚菲 王俊雄 徐榮杰

        (鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院,遼寧 鞍山 114009)

        汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)鋼鐵材料的安全性、綠色環(huán)保、低成本、高表面質(zhì)量等方面提出了更高的技術(shù)要求。熱軋酸洗鋼板是在熱軋廠熱軋,隨后經(jīng)冷軋廠酸洗機(jī)組酸洗去除氧化鐵皮,其表面質(zhì)量和性能介于熱軋鋼板和冷軋鋼板之間,可部分替代熱軋鋼板和冷軋鋼板;與熱軋鋼板和冷軋鋼板相比,在經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、表面質(zhì)量等方面具有顯著優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域,市場(chǎng)需求量日益增加[1- 6]。目前,國(guó)內(nèi)外大部分鋼廠均具備汽車用熱軋酸洗鋼板的生產(chǎn)能力,如韓國(guó)浦項(xiàng)、日本新日鐵、中國(guó)寶武等,并形成了汽車底盤、座椅、安全構(gòu)件等系列產(chǎn)品。

        本文通過熱軋廠熱軋和冷軋廠鹽酸酸洗,試制了含鈦和不含鈦兩種成分的鋼板,研究了加入鈦元素對(duì)熱軋酸洗鋼板組織和性能的影響,并進(jìn)行了汽車底盤零件的樣件試制。

        1 試驗(yàn)材料及方法

        兩種試制鋼板的化學(xué)成分見表1。Si是鐵素體形成元素,固溶強(qiáng)化效果顯著。但Si含量過高會(huì)導(dǎo)致熱軋鋼板表面出現(xiàn)紅色氧化鐵皮,表面質(zhì)量惡化。因此將Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)定為0.06%~0.16%。加入微量Ti可以細(xì)化原始奧氏體晶粒,Ti還以第二相粒子的形式存在,強(qiáng)化鐵素體,起到沉淀強(qiáng)化的作用,因此在2號(hào)鋼中添加適量的Ti元素;此外,由于Ti易與N結(jié)合形成TiN,惡化產(chǎn)品性能,因此適當(dāng)提高了Al含量。Al脫氧后多余的部分可以與鋼中N形成AlN析出物,避免形成TiN顆粒。因此將Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.015%~0.045%。

        表1 試制鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

        試制鋼板在熱軋廠熱軋和冷軋廠鹽酸酸洗。具體工藝路線為:鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉→連鑄→加熱→軋制→層流冷卻→卷取→開卷→平整→開卷→酸洗→卷取。工藝參數(shù)為:將230 mm×1 550 mm連鑄坯直接熱送熱裝到步進(jìn)式加熱爐中加熱至(1 250±20) ℃,保溫約2.5 h后熱軋,終軋溫度為(890±20) ℃,終軋后采用前段快速連續(xù)層流冷卻,將鋼板以大于50 ℃/s的速率冷卻至(620±20) ℃后卷取,然后進(jìn)行鹽酸酸洗,酸洗拉矯延伸率為1.0%,酸洗槽溫度控制在80 ℃,成品鋼板厚度為2.5 mm。

        由于鋼中含有Nb、Ti微合金元素,在熱軋工藝中,如果加熱溫度低于1 200 ℃,Nb、Ti溶解不充分,則不能充分利用其微合金化作用,導(dǎo)致鋼板強(qiáng)度降低;若加熱溫度高于1 280 ℃,晶粒急劇長(zhǎng)大粗化,不利于提高鋼板韌性。因此將熱軋加熱溫度控制為(1 250±20) ℃,保溫約2.5 h。連鑄坯在奧氏體再結(jié)晶區(qū)粗軋,通過軋制變形后的再結(jié)晶細(xì)化奧氏體晶粒,終軋溫度略高于Ar3,通過奧氏體低溫區(qū)的軋制變形,使奧氏體晶粒內(nèi)形成變形帶,并應(yīng)變誘導(dǎo)微合金元素的碳氮化物沉淀,細(xì)化奧氏體的相變產(chǎn)物,提高鋼板的韌性,還可以通過沉淀強(qiáng)化提高鋼的強(qiáng)度。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn),將終軋溫度設(shè)定為(890±20) ℃。從熱力學(xué)角度考慮,在Nb、Ti的析出溫度范圍內(nèi),隨著溫度的下降,第二相質(zhì)點(diǎn)析出逐漸充分。但從動(dòng)力學(xué)角度考慮,由于Ti的擴(kuò)散激活能高,需要充分的時(shí)間才能析出。綜合考慮兩方面影響因素,終軋后冷卻到(620±20) ℃卷取有利于大量第二相粒子的析出。同時(shí)由于生產(chǎn)微合金鋼時(shí)鋼卷頭尾部的冷速快,溫降大,減緩了Ti元素的擴(kuò)散速度,抑制了第二相粒子析出,因此需要提高鋼卷頭尾部的卷取溫度,避免產(chǎn)生通卷性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象。將頭尾20 m的卷取溫度提高20 ℃,冷卻到(640±20) ℃卷取。

        在試制鋼板上切取金相試樣。金相試樣經(jīng)磨、拋后,用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕,然后在光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織。制備碳膜萃取復(fù)型試樣,在Tecnai G2 20型透射電子顯微鏡(TEM,transmission electron microscope)上觀察其精細(xì)結(jié)構(gòu)。沿鋼板橫向制取拉伸試樣,在Z100型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 顯微組織

        兩種成分熱軋酸洗鋼板的顯微組織如圖1所示,均由鐵素體和珠光體組成。2號(hào)鋼板比1號(hào)鋼板的晶粒細(xì)小。這是由于2號(hào)鋼板添加了Ti元素,在高溫時(shí)Ti固溶于奧氏體中,能抑制奧氏體晶粒的長(zhǎng)大,起析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的作用[7- 10]。

        圖1 試制鋼板的顯微組織

        從圖2可以看出,2號(hào)鋼板的鐵素體晶界清晰可見,存在一定量的位錯(cuò),鐵素體中有彌散析出物,析出強(qiáng)化使得2號(hào)鋼板的屈服強(qiáng)度提高。

        圖2 2號(hào)鋼板的精細(xì)結(jié)構(gòu)

        2號(hào)鋼板中析出物的形貌如圖3(a)所示,其形狀規(guī)則,大體呈圓形和橢圓形,尺寸10~50 nm,主要分布于鐵素體中。圖3(b)能譜分析顯示其為Nb和Ti的碳化物(Nb,Ti)C,這些(Nb,Ti)C第二相析出強(qiáng)化鐵素體,有利于提高鋼板的屈服強(qiáng)度。能譜分析中Cu來自支撐碳膜的銅網(wǎng)架。

        圖3 2號(hào)鋼板中析出物的TEM形貌及能譜分析

        2.2 力學(xué)性能

        工業(yè)試制鋼板的力學(xué)性能見表2。

        表2 試制鋼板的力學(xué)性能

        從表2可知,兩種工業(yè)試制鋼板的力學(xué)性能良好,屈服強(qiáng)度達(dá)到400 MPa以上,抗拉強(qiáng)度高于500 MPa,斷后伸長(zhǎng)率高于30%。2號(hào)鋼板的屈服強(qiáng)度比1號(hào)鋼板高約70 MPa,根據(jù)霍爾- 佩奇公式,晶粒細(xì)化可以提高屈服強(qiáng)度,由于2號(hào)鋼板比1號(hào)鋼板的晶粒更加細(xì)小,所以2號(hào)鋼板的屈服強(qiáng)度比1號(hào)鋼板高,這也是由于Ti的加入起到了細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用。另外,2號(hào)鋼板的抗拉強(qiáng)度比1號(hào)鋼板高約60 MPa,斷后伸長(zhǎng)率低約4%。

        3 應(yīng)用

        工業(yè)試制的兩種成分鋼板在某汽車廠成功沖壓成汽車底盤零件,如圖4所示。

        圖4 兩種成分鋼板沖壓成的汽車底盤

        4 結(jié)論

        (1)通過熱軋廠熱軋和冷軋廠鹽酸酸洗,工業(yè)試制的兩種成分鋼板的顯微組織主要由鐵素體和珠光體組成,屈服強(qiáng)度達(dá)到400 MPa以上,抗拉強(qiáng)度高于500 MPa,斷后伸長(zhǎng)率高于30%。

        (2)Ti元素的添加,除細(xì)化鋼板的組織外,還能以第二相粒子的形式存在,強(qiáng)化鐵素體,起沉淀強(qiáng)化作用;與不含Ti的鋼相比,含Ti鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高了70、60 MPa,屈強(qiáng)比提高了0.05,斷后伸長(zhǎng)率降低了4%。

        (3)根據(jù)客戶需求,可生產(chǎn)低屈強(qiáng)比和高屈強(qiáng)比的500 MPa級(jí)熱軋酸洗鋼板。

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