低成本510L汽车大梁钢生产实践

供稿|吴刚，荆涛，金世铨/WU Gang， JING Tao， JIN Shi-quan

低成本510L汽车大梁钢生产实践

供稿|吴刚1，荆涛2，金世铨1/
WU Gang1， JING Tao2， JIN Shi-quan1

内容导读

为达到汽车的轻量化发展，在传统生产工艺的基础上，利用廉价的Ti-Fe替代昂贵的Nb-Fe，突出钛的析出强化，实现了轻量低成本汽车大梁钢510L生产。生产实践表明，当钢中Ti≥0.04%，汽车大梁钢510L对轧制工艺的波动较为敏感，钢板存在强度波动较大的问题。通过化学成分和轧制工艺的不断优化，轻量低成本汽车大梁钢510L生产逐步稳定。

随着人们对生活品质与环境质量要求的不断提升，节能与安全越来越成为国内外汽车制造业追求的主要发展方向。在降低油耗、减少排放、节能环保的诸多措施中，降低车重效果最为明显。据统计，汽车车重每减轻10%，可以节省原油3%～7%［1］。作为汽车重要零件之一的汽车大梁，特别是汽车承重梁，更是有效减轻汽车重量的主要零部件。

随着冶金工业生产设备和工艺技术的长足进步，应用微合金技术开发高强钢，使品种钢的结构和用量发生了深刻的变化，微合金元素的开发与应用充实了低合金钢的物理冶金内容和强韧化原理［2］。近年来，国内外先进汽车厂正逐步增加高强钢的使用量，而且随着钢铁冶金技术和TMCP技术的逐渐成熟，以及含钛钢强化原理的逐渐完善，钛微合金元素在钢中的应用逐步增加。与铌铁、钒铁等微合金元素相比，钛铁更具有成本优势。

钛在钢中的作用主要有：1）钛能与钢中氮、碳原子结合，形成稳定碳氮化钛、氮化钛及碳化钛等，能有效地阻止奥氏体晶粒长大，从而改善材料的焊接性能；2）w（Ti）≥0.04%［3］，配合合理的控轧控冷工艺，在钢中形成弥散细小的碳化钛，起到沉淀强化和细晶强化作用；3）钛能球化钢中的夹杂物，从而改善材料的低温冲击性能、各项异性及冷弯性能等。

由于钛在钢中非常活泼，使得含钛钢性能波动较大［4］，对化学成分和轧制工艺非常敏感。当钢中钛含量较高（w（Ti）≥0.04%）时，利用钛的析出强化机理，目前国内各钢铁厂都逐步进行了新产品开发。宝钢、鞍钢、本钢、武钢［3］等企业先后完成系列化钢种的研发和生产。

在本钢原有汽车大梁钢510L采用碳锰铌系，工艺性能稳定，易于大批量生产。但由于铌铁合金价格较高，造成制造成本偏高，从2011年开始，逐渐采用钛铁替代铌铁，严格控制钢中钛含量（w（Ti）≥0.04%），同时降低钢中锰含量，大幅度降低生产成本，实现了低成本汽车大梁钢的生产。

实验原理

目前，按国标GB/T3273—2015生产的510L采用在碳锰钢基础上加入钛铁。为实现减重并降低成本的生产目的，与原有工艺相比，采用钛铁代替铌铁，同时减少钢中锰含量，突出了钛的沉淀强化和析出强化。510L要求屈服强度≥355 MPa，抗拉强度510～650 MPa，断后伸长率≥24%（厚度≥3.0 mm）。

一般来说，当钢中气体氮较高时，首先形成氮化钛，氮化钛粒子大小与其析出过程有关。当氮化钛粒子＞0.5 μm时，生成液态或钢液凝固过程中析出相，不起强化作用。当钢液凝固后生成氮化钛，这些细小弥散的氮化钛非常稳定，能够有效地阻止奥氏体晶粒长大，从而细化组织，随着钢中钛含量增加，氮化钛粒子将发生粗化。只有当钢中钛含量达到一定值（w（Ti）≥0.04%）时，钛在粗轧机、精轧机及层冷区析出弥散细小的碳化钛粒子，才能起到析出强化作用。

钢材轧制后在冷却和卷取过程中，多余钛将形成碳化钛，形成细小弥散的碳化钛析出物（溶于酸），导致钢的强度随钛含量增加而明显提高，起沉淀析出强化作用。而随着变形速率的提高，钢水蓄积的瞬时能量急剧增加，使得钢水势能平衡遭到破坏，析出粒子的形核部位增多，发生变形后的粒子临界尺寸急剧变小。

随着终轧温度的降低，含钛钢的屈服强度也会随之下降。一方面，当终轧温度降低时，加入钛微合金化使钢板晶粒细化，细化晶粒有利于提高强度和塑性。通过降低终轧温度改变了钢板的奥氏体晶粒尺寸，细化了铁素体组织，导致细晶强化占主导地位。另一方面，通过调整终轧温度，在奥氏体区将会生成更多的碳化钛。而且，碳化钛晶粒尺寸越大，对屈服、抗拉强度的贡献越小，使溶解在奥氏体中的碳化钛数量减少，随终轧温度降低，沉淀强化的作用减弱。

此外，通过调整终轧温度，使得发生形核所需的形变能提高。而作为形核的驱动力，形变能将会驱使奥氏体向铁素体转变温度逐步升高，沉淀质点所需的能量增加，进一步降低了沉淀强化的作用，

从对比结果来看，当终轧温度降低时晶粒细化对屈服强度的提高远小于沉淀强化造成的强度减弱的作用。因此使钢板的屈服强度降低。在钛微合金钢中，当钢板在600℃左右卷取时，可以起到明显的沉淀强化和析出强化作用，使钢板组织中的晶粒最为细小、均匀。

综上所述，炼钢生产中，应严格控制钛含量，按照纯净钢冶炼，着重控制钢中的N、O、S含量和夹杂物含量。轧钢生产中，在控轧控冷基础上，强化开轧、终轧、卷取以及轧后冷却各点温度控制的准确性和稳定性。

生产实验

工艺路径

根据汽车大梁钢的特点和用户的使用要求，确定510L钢生产工艺路径为：铁水预处理（DS）→转炉冶炼（LD）→炉外精炼（LF）→连铸（CC）→加热→2300 mm→层流冷却→卷取→取样→检验→包装出厂。

实验要求

510L钢的实际成品成分控制较为理想，已经达到实验要求，而且钢中气体氧、氮含量较低，见表1。

表1　510L钢的化学成分（质量分数） %

连铸坯尺寸：230 mm×1550 mm×8800 mm，在步进式加热炉中，连铸坯加热至1220℃［5］。为了避免原始奥氏体晶粒的过分长大，采用高温短时快速加热，加热时间为2 h 20 min。粗轧R1、R2各轧制3道次，轧成中间坯厚度为45 mm，精轧开轧温度≥1130℃，成品厚度6.5 mm，终轧温度为860℃，层流冷却采用前段冷却模式，卷取温度为600℃。

结果分析

卷板冷却后，在板宽1/4处，切取横向拉伸试样尺寸：6.5 mm×25 mm×300 mm，横向冷弯试样尺寸：6.5 mm×35 mm×260 mm，纵向冲击试样尺寸：5.0 mm×10 mm×55 mm。其工艺性能检验结果见表2。

在钢板宽度中心部位切取金相试样，研磨、抛光后用体积分数为4%的硝酸酒精溶液浸蚀，在光学显微镜下观看金相组织，见图1。

实验结果表明，510L的金相组织为铁素体和珠光体，工艺性能和冷弯性能满足技术标准的要求。强度富余量较大，实际值达到80 MPa以上。510L的系列冲击功结果表明：温度在-40℃时，冲击功达到70 J以上，表明510L具有良好的冲击韧性，总体强韧指标富裕量较大。

表2　510L工艺性能实验结果

图1　510L钢金相组织

510L在化学成分设计上采用钛铁替代铌铁，降低钢中Mn含量，每吨钢可节省成本70元以上，其实物质量已达到了550 MPa级别的要求，强度和韧性指标富余量较大，各项指标满足技术规范的要求。

优化后的产品质量

在研制510L钢过程中，需重视成品中钛含量的精准控制、热连轧机组各控制点温度的稳定性。根据钛在钢中强韧化机理，参考小批量实验结果，对低成本510L成分、工艺进行了进一步优化，调整钛含量，降低锰含量，炼钢采用洁净钢冶炼控制技术，轧钢降低进精轧温度，优化冷却模式及卷取温度，所获得的510L钢板的表面质量和力学性能优异，见表3。其力学性能和断后伸长率有一定富余量，使得510L工艺波动造成的影响较小。

表3　优化后的510L力学性能

性能稳定性控制

众所周知，由于钛在钢中非常活泼，为了获得稳定的性能，如何控制化学成分、轧制工艺的稳定性是产品性能稳定的前提，同时取样位置、试样加工精度和检验设备的精确度对反馈真实性能也非常重要。

研究表明：钛含量对强度的影响可分为三个阶段，添加微量钛（＜0.04%）条件下强度变化较小；钛含量增加至0.04%～0.08%时，随钛含量增加，强度显著提高；当钛含量增加到0.09%～0.15%时，强度随钛含量增加趋于平缓，见图2。

图2　相同工艺条件下钛对强度的影响

结束语

在传统生产工艺的基础上，利用钛铁替代铌铁，突出钛的析出强化效果，实现了轻量低成本汽车大梁钢510L生产。生产实践表明：当钢中钛质量分数≥0.04%，汽车大梁钢510L对轧制工艺的波动较为敏感，钢板存在强度波动较大的问题。通过成分、工艺的不断优化，逐步实现了低成本汽车大梁钢510L的稳定生产。

1） 510L在化学成分设计上采用钛铁替代铌铁，同时还可以节省锰用量，每吨钢节省成本70元，利用钛铁的强韧化机理，实现低成本汽车大梁用510L热轧钢带（板）的稳定生产。

2） 生产实验表明：低成本汽车大梁钢510L金相组织为铁素体和珠光体，屈服强度和抗拉强度有较大富余量，-40℃冲击功达到70 J以上，表明510L具有良好的冲击韧性，总体强韧指标富裕量较大，达到了550 MPa级别的要求，各项性能指标均达到技术规范的要求。

3） 510L的生产，需注重冶炼过程钛的精准控制，热连轧机组各点温度控制的准确性和稳定性。根据碳化钛在钢中沉淀强化和析出强化的特点，参考小批量实验结果，对510L进行了优化，调整钛、锰含量，炼钢采用洁净钢冶炼控制技术，轧钢降低进精轧温度，优化冷却模式及卷取温度，所获得的510L钢板的表面质量和力学性能优异。

［1］ 王利，杨雄飞，陆匠心. 汽车轻量化用高强度钢板的发展. 钢铁，2006，41（9）：1

［2］ 林滋泉，敖列哥，郝森. 鞍钢钒、钛、铌微合金钢的应用与开发.钢铁钒钛，2001，22（1）：1

［3］ 东涛，曹铁柱. 中国铌微合金化钢发展方向. 钢铁，2002，37（7）：68

［4］ 杨才福，张永权，王宇杰. 钛含量对热轧带钢力学性能的影响. 钢铁，1995，30 （8）：48

［5］ 杨颖，侯华兴，马玉璞，等. 再加热温度对高Ti含Nb钢第二相粒子溶解及晶粒长大的影响. 钢铁研究学报，2008，20（7）：38

Practice of Low Cost 510L Automobile Beam Steel

10.3969/j.issn.1000-6826.2016.05.10

吴刚（1968—），男，高级工程师，毕业于东北大学钢铁冶金专业，在本钢产品研究院热轧高强钢研究所从事新产品研发工作，通信地址：117000 辽宁省本溪市明山区唐家路锦程公寓17号楼，E-mail：wg04140414@ sohu.com。

1. 本钢集团产品研究院，辽宁 本溪 117000；2. 本钢集团热连轧厂，辽宁 本溪 117000