屈服强度级汽车大梁钢的研制与开发

屈服强度700MPa级汽车大梁钢的研制与开发
韩斌时晓光董毅徐鑫刘仁东
(鞍钢股份有限公司技术中心，鞍山114009)
摘要本文介绍了鞍钢通过采用铌钛微合金化的成分设计以及合理的控轧控冷技术，成功开发屈服强度700MPa级热轧汽车大梁用钢的情况。

文中对该钢的组织形态和析出相进行了研究分析，并进行了辊压成形试验。

结果表明，产品的力学性能和成形性能优良，辊压成形良好，满足制造高强度汽车大梁的要求。

关键词汽车大梁钢；屈服强度；700MPa；铌钛微合金化
引言
汽车大梁是载重汽车的主要部件，几乎承载着货物全部的重量，大梁的质量影响整车的使用寿命与行车安全。

目前汽车制造行业中，汽车大梁一般采用冲压成形和辊压成形工艺，其变形方式以冷弯为主，因此对大梁板的成形性要求较高，必须拥有良好的综合性能，决定了汽车大梁用钢是技术含量较高的钢种之一。

目前市场上使用较多的热轧汽车大梁钢抗拉强度多为510MPa和610MPa级别，而近年来，受世界贸易量增加、石油价格暴涨、运输成本猛增等因素的影响，为了降低成本，运输行业迫切需要采用超高强大梁钢制造运输工具。

针对市场对超高强大梁钢需求的不断增加，屈服强度700MPa级大梁钢的研制与开发已成为各大钢厂的研究重点。

1成分设计
为使开发钢板的屈服强度达到700MPa级别，同时满足韧性、焊接性及成形性的良好匹配，成分采用低碳高锰设计，并在钢中加入微合金化元素Nb、Ti。

如果钢中碳含量过高，尽管可大幅提高大梁钢的强度，但钢的塑性下降，严重影响到钢的冷成形性能和焊接性，造成回弹过大等问题，为后续的加工造成巨大困难；Mn含量对钢的强韧性也有影响，如果含量偏低，不能保证低碳成分设计时钢的强度，如果含量过高，则影响钢板的冷冲压和焊接性能，同时造成轧制负荷加大。

另外，P、S的控制也十分重要，由于采用高Mn的成分设计，则S在钢中易形成MnS夹杂物与偏析，P易形成严重的偏析带，会大大提高带状组织的级别，沿轧制方向的硫化物夹杂与偏析造成钢板的各向异性增加，因此尽量将钢中的P、S含量控制在较低的范围。

在钢中加入Nb、Ti微合金化元素可提高钢的再结晶温度，使得700L可在较高的温度下完成轧制同时得到储存大变形能的变形奥氏体组织，进而得到细小的相变组织。

而且利用Nb、Ti碳氮化物粒子的析出，还可起到析出强化作用[1]。

最终使钢板在细晶强化、相变强化和析出强化的综合作用下，获得优异性能。

综合各种因素，通过实验室的研究，最终确定了700L的成分范围，见表1。

表1700L化学成分（质量分数，%）
C Si Mn P S Nb Ti
≤0.1≤0.15 1.5~2.0≤0.025≤0.005Nb+Ti适量
2工业试制与分析
经过实验室对工艺的系列研究和生产工序的改进，生产的产品性能达到设计要求。

通过对产品厚度规格为9.0mm的带钢取样，分别对其化学成分、力学性能、低温冲击韧性、金相组织和二相粒子析出进行了检验和分析。

2.1化学成分
对工业冶炼铸坯进行化学成分检验，成分见表2。

表2700L实际化学成分及含量（质量分数，%）
C Si Mn P S Nb Ti
0.070.12 1.80.0150.003Nb+Ti适量
通过上表可看出，成分控制准确，P、S含量较低，达到设计要求。

2.2力学性能
700L与瑞典SSAB钢厂[2]同级别钢种的力学性能见表3。

表3700L实际力学性能及对比
钢厂牌号Rel/MPa Rm/MPa A/%180°冷弯，B=35mm 鞍钢700L77084520.5
d=a和d=2a合格瑞典SSAB DOMEX700MC76082517.5
由表3可见，700L的力学性能均达到设计要求，考虑到高强钢的时效情况，屈服强度有一定的富余量。

另外，700L钢的屈强比为0.9，满足材料使用的稳定性和安全性，很好的解决了冷弯时钢的高回弹问题。

该钢的断后延伸率达到了21%左右，塑性较好，有利于材料的成形。

与瑞典SSAB的DOMEX700MC相比，700L不仅强度更高，而且延伸率更好，成形性更佳。

2.3低温冲击性能
对700L大梁板取样进行系列低温冲击性能测试，其加工试样规格为2.5×10×55mm，选取横向试样进行对比，与DOMEX700MC冲击性能[2]对比如表4。

表4700L低温冲击性能及对比（KV
2
/J）
牌号
试验温度，℃
0-20-40
700L 26.421.617.4
28.223.019.8
29.624.619.8
平均值28.123.119.0
DOMEX700MC 17.018.815.8 20.018.217.6 19.017.817.5
平均值18.718.316.9从以上数据可以看出，鞍钢700L的低温冲击韧性更佳。

2.4组织观察与分析
试样经研磨和抛光后，用4%硝酸酒精腐蚀，在显微镜下观察其金相组织。

如图1。

(a)(b)
(a)1/4厚度；(b)心部
图1钢板不同部位的显微组织（500×）
从图1可以看出，距表面1/4处与心部的组织基本一致，均为超细准多边形铁素体(QF)和少量贝氏体复合组织，组织细小。

比较上图可以发现，1/4处晶粒要比心部更加细小。

对照晶粒度标准可以得出，700L晶粒度平均达到12级，晶粒尺寸约4μm。

细小的组织对于提高钢的冲击韧性效果良好，具有良好的冷弯成形性能。

由于该钢中含有强碳、氮化物的形成元素Nb和Ti，更易形成以界面控制长大方式生长的准多边形铁素体，在空冷条件下准多边形铁素体大部分从原奥氏体晶界形成，其边界呈现界面控制的不规则生长的锯齿状特征[3,4]，并且准多边形铁
素体组织晶粒内的位错密度高，也加强了铁素体晶粒内位错上析出强化效果。

使得析出强化和位错强化发挥最大效果。

这也是700L钢具有高强韧性且冷成形性能优异的原因。

2.5析出相的观察与分析
试样磨光、抛光后复制碳复型，然后采用Tecnai G220型透射电镜进行析出相分析，析出物的形貌及能谱分析见图2。

(a)
(b)(c)
(d)
图2700L钢中二相粒子析出
从图2可以看出，700L的析出物形貌以圆形为主，还有少量不规则方形，
尺寸大小不均，大的尺寸约为200nm，小的尺寸约为50nm，经对不同析出物能谱分析，确定尺寸较大的为(NbTi)CN复合析出物，主要是由于Nb或Ti的碳化物、氮化物及碳氮化物的晶格类型、晶格常数相差不大，都是面心立方，所以它们之间很容易相互溶解，形成Nb和Ti的复合碳化物；尺寸较小的为Nb的碳氮化合物，由于析出物对位错运动的阻碍作用，从而起到了有效地析出强化作用，对于强度的贡献明显。

3辊压成形试验
在辊压厂对规格为9.0mm的700L钢卷进行了U型梁的辊压成形试验，成形性能良好，满足客户装车要求。

如图3。

(a)(b)
(a)辊压；(b)成品
图3鞍钢700L辊压成形试验
4结论
1）采用铌钛微合金化成分设计以及合理的控轧控冷技术，得到屈服强度达到770MPa，延伸率为20.5%的高强度汽车大梁钢板，达到设计要求；
2）700L显微组织为超细准多边形铁素体(QF)和少量贝氏体复合组织。

平均晶粒尺寸约4μm，晶粒度达12级；
3）采用TEM对钢中析出物进行观察，析出物以Nb、Ti复合碳氮化物为主，分布弥散，析出强化效果显著；
4）对700L进行辊压成形，成形性能良好，满足用户装车要求。

参考文献
[1]王有铭、李曼云，钢材的控制轧制和控制冷却.北京.冶金工业出版社，1995,67-68；
[2]陆匠心，700MPa级高强度微合金钢生产技术研究，博士论文，东北大学，2005，77-81；
[3]赵运棠、尚成嘉、贺信莱等，低碳Mo-Cu-Nb-B系微合金钢的中温转变组织类型，金属学报，2006，42(1):54-58；
[4]李维娟、李胜利，加热温度对低碳微合金相变的影响.热加工工艺，2005，(7):8-10。