700MPa级高强度汽车大梁用钢研究与开发

莱钢科技

第 3期 (总第 17期 ) 4

7 0MP级高强度汽车大梁用钢研究与开发 0 a赵培林，路峰，王建景，吴会亮 斌，刘

( 1技术研发中心 2型钢公司板带厂 )摘要：根据高强度汽车大梁钢的特点和要求，通过制定合理的化学成分和生产工艺，采用

铌钛微合金化成分设计以及控轧控冷技术，成功开发 70 M a热轧汽车大梁用钢。同时对 0 P级

该钢的组织形态和析出相分布与形貌进行了研究分析。结果表明，产品的力学性能和成型性能良好，均满足制造高强度汽车大梁的要求。 关键词：汽车大梁钢 7 0 M a热轧板带 0 P铌钛微合金化控轧控冷析出相

0前言汽车大梁是载重汽车的主要部件，几乎承载着

l技术要求 莱钢 L 70 G 0 L热轧大梁钢的化学成分及其含量，力学性能要求分别见表 1,表 2。表 1 L 70 G 0 L化学成分C S i Mn ‘ P S Nb

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型和焊接成型工艺，其变形方式以冷弯为主，因此对大梁板的成型性要求较高，即必须有良好的综合性能，要有足够的强韧性，良好的耐疲劳性、冷成型性。 汽车大梁的复杂的使用环境，决定了汽车大粱

%Ti

40 1≤0 5≤20≤00 0≤00 5 N .2 .0 .0 .3 . 1 b+ T适量 i

表 2 L 70 G 0 L力学性能要求

用钢是技术含量较高的钢种之一，同时也是汽车结构钢中需求量大，利润丰厚的钢种。目前市场上使用较多的热轧汽车大梁钢抗拉强度为 5 0 M a和 1 P6 0MP 1 a级别，厚度规格为 4 0~1. m。为了 . 00m

2成分设计根据钢种要求强度高、韧性好、耐疲劳及良好成型性的特点，同时满足低成本的需要，采用低碳

节约能源，满足汽车轻量化技术的需要，各厂家也

在陆续探索试用强度级别较高的大梁板代替目前的1 L 1 6Mn、5 0L和 6 0L,各钢铁企业陆续生产了 1

7 0MP 0 a级别大梁钢，从而达到整车减重的目的。莱钢 1 0 m热连轧机组技术先进，配套设 0m 5施完善

,工艺控制精确，具有生产高强度卷板的巨大优势。从 2 0 0 8年开始，莱钢瞄准飞速发展的汽

高 M成分设计，添加微量合金元素 N、T进行 n b i合金化，以满足控轧控冷技术的实施，利于碳氮化物粒子的析出，增加沉淀强化的效果。如果增加碳含量，尽管可以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型性能，造成回弹过大等问题，为后续工艺的开展造成巨大困难；Mn 含量对钢的强韧性存在一定影响，如果含量偏低， 不能保证低碳成分时钢的强度；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

车行业，通过铌钛微合金化和控轧控冷技术，陆续生产了汽车大梁用钢 L 70。通过不断改进质量， G 0L 稳定产品性能，较好地满足了汽车行业的使用要求。作者简介：赵培林 ( 9 3一),男，2 0 17 0 5年毕业于东北大学冶金工程专业。现为首席研究员，工程师，主要从事板带钢研发工作。 3 6

加大。因此在保证强度前提下，尽量降低 c含量， 并控制在较小的波动范围内，Mn含量控制在合适的范围内。综合上述因素，通过实验室研究，确定

莱钢科技L 70 G 0 L钢的 C控制在小于 0 1%的范围内，Mn .2

21 0 0年 6月表 4 L 70 G 0 L实际力学性能

控制在 14~2 0的范围内比较合适。复合加 .% .%

入合金元素 N b和 r,采用再结晶控制轧制工艺和 r i后期稳定的层冷控制工艺，合理控制温度，通过细

晶强化和沉淀强化机制，获得高强度、高韧性及良好的冷弯性能的材料。另外，P、S的控制也是洁净钢生产的必要条件。由于 S在钢中易形成 Mn S夹杂物与偏析，P易形成严重的偏析带，能够大大提高带状组织的级别，沿轧制方向的硫化物夹杂与

由表 4可见，钢板的屈服强度、拉强度、伸抗延

率等指标均符合技术标准的要求，虑到高强钢的考时效情况，屈服强度有一定的富余量。由表 4还可以发现， G 0 L钢的屈强比为 0 8,足材料使用 L 70 .8满的稳定性和安全性，好的解决了冷弯时钢的高回很 弹性问题。该钢的伸长率达到 2%

,性较好， 2塑这对于材料的成型性很有利。3 2 3硬度 ..

偏析会造成钢板的各向异性增加，因此尽量将钢中P、S含量控制在较低范围。

3试制过程3 1工艺路线选择 .

将试样表面打磨后，硬度计上测定其布氏硬在度。布氏硬度 H B值分别为 2 8 2 0,1平均值为 0, 1 2 6, 22 1。根据硬度强度换算表，当于抗拉强度 7 5相 2MP左右， a与测定的强度 7 0MP相近。 3 a

根据 L 7 0 G 0 L成分设计特点和莱钢 15 0 m 0 m生产线的特点，设计了如下工艺路线：铁水预处理一

转炉冶炼一 L/ H精炼一板坯连铸一板坯加热一 FR粗轧可逆轧制一热卷箱一F 1~F 6精轧一卷取一检

另外，同卷带钢不同部位检测硬度，掉头尾取

部冷却不均匀的部分，测得结果如下：表 5同卷带钢不同部位检测硬度

验入库。3 2试制和分析 .

莱钢于 2 0 0 8年进行了 L 7 0 G 0 L大梁钢的试制，

经过对工艺的系列研究及冶炼、轧制工序的改进，工艺成熟，品满足相关标准要求。通过对产品厚度产规格 6 0mm的带钢卷取样，行了化学成分的分 .进析、伸试验、拉硬度试验、学显微镜和扫描电镜显光微组织的观察，对铁素体晶粒尺寸及微合金元素碳氮化物析出物进行了测定分析。3 2 1化学成分 . .

通过表 5可以看出，该钢硬度值变化不大，性能均匀。在成型时不会出现大的波动，大大有利于

冷弯成型工序的成材率的提高。3 2 4组织及夹杂物观察 ..

通过现场成品取样，利用直读光谱分析，行化进学成分的检测。结果见表 3。表 3 L 70 G 0 L实际化学成分及含量%

试样经研磨和抛光后，用 4硝酸酒精腐蚀，% 在 N ohO epo 2大型反射显微镜观察其金相组织。

根据碳当量公式 ( )算可以得到，用上述 1计采

成分设计的 L T 0 G 0L碳当量约为 0 1,当量低， .9碳完全满足焊接需要。CEfc )=C+Si 0+M n 2+Cu 0+Ni6+ P/3/0/2/0

一一一表面 14厚度/心邵图 1不同部位组织

图

1为试验钢板沿厚度方向在靠近表面、14/厚度和心部的光学显微镜金相照片。可以看出，该

C/ 0+Mo 5+V I r2/1/ O+5………………… ( ) B 1

通过上表 3可以发现，分控制合理， S含量成 P、较低，足洁净钢冶炼的要求。满32 2力学性能 ..

钢显微组织主要由细小的多边形铁素体组成，还有

很小部分的游离碳化物或变异珠光体组织。比较上图可以发现，靠近表面处晶粒最细；在钢板中心部位晶粒尺寸较大，晶粒呈扁平状分布，同时出现个3 7

L 70 G 0 L实际力学性能见表 4。

赵培林。等：70M a高强度汽车大梁用钢研究与开发 0 P级别晶粒尺寸粗大现象，另外有轻微的偏析。如果心部晶粒尺寸差别太大，将影响到钢材的使用性能。 在心部和边部之间的 14厚度处，晶粒较细小且较/为均匀，尺寸介于边部和心部之间，同一界面处， 晶粒尺寸分布此处过渡比较合理。 通过观察对照晶粒度标准可以得出，L T 0 G0L晶粒度平均达到 1. 2 5级，晶粒尺寸 3~5 u细 m。

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图 a中可观察到有许多分散的单个析出物颗粒分布，分布在晶界处和基体组织中。通过能谱分析成分可以看出，大部分为 ( b i ( N,T) c,N)混合析出物。这些粒子的大量存在，证明了 L T0 G 0L钢的沉淀强化效果明显。通过图 b可以发现，组织

中存在极少量的大颗粒 TN粒子，尺寸达到 5 m i 左右。该类粒子一般在连铸过程中液析得到，严重

小的晶粒对于提高钢的冲击韧性效果良好，具有良好的冷弯成型性能。此外组织中没有发现大的夹杂物，仅发现有 D点状夹杂分布，级别为 05级。 s . 表明钢的洁净度较高，这也是 L T0 G 0 L成型性能较好的原因。

影响到钢的性能，生产中应进一步严格控制气体含量，尽量避免出现此类大尺寸析出物 J。利用 T M透射电镜分析了 L 7o E G 0 L钢中析出物的尺寸，见图 4。

夹杂物形貌参见图 2。

图4 T EM显微组织

在透射电镜下制作薄膜试样进行分析，可以看图 2夹杂物形貌

出钢中的析出物尺寸在 4 m以下

,且分布均匀。 0n这部分粒子多数在铁素体内部析出，细小的 N, bT的析出物对于强度的贡献明显，也是检验控轧 i

3 2 5析出物电镜分析。.用扫描电镜 ( E S M)观察钢的组织和析出物情况。S M组织及析出物见图 3 E。

控冷工艺过程中终轧温度和卷取温度设定是否合理的重要依据。3 2 6析出物的物理化学相分析 ..

采用物理化学相分析方法分析 L 70 G 0 L钢中微合金析出相的晶体结构并测量了其体积分数。MC和 m C相中各元素占合金的质量分数见表 6 。表6 M C和 m C相中各元素占合金的质量分数 ( t J w% 相类型 F eM 0 3l C . 6一

N b一

M n

C

N一

∑O 3o .6

00 0 . 2 . 2 0 0 4—

a显微组织MC 一 0 17 . 4 . 0 0 0 7 0 0 0 0 3 O 17 . 3 .0 2 .8

析出相结构分析表明，出相包括 M C, i C析 T(, N) ( iN ) C,三种类型，MC和 M C相中各和 T, b ( N),元素占合金的质量分数在表 5中给出。从表中看

出： M c相以 F3 eC为主，钢中微合金元素 T和 i N绝大部分已析出，固溶 N、T含量很低。 b b ib大颗粒 Ti N

采用 x一线小角度散射方法分析了 MC相中射1~30 n的析出物粒子的尺寸分布，如图 5所 0 m不 n

图 3 S M组织及析出物 E

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测得存活率为 5%时 L 7 0 0 G 0 L的疲劳极限为 73M a 1 P。满足汽车大梁钢的需要。

4结论 1 )根据化学分析、力学性能、硬度、显微组织及析出物的分析，莱钢生产的 L 70 G 0 L热轧汽车大梁钢带成分设计合理，力学性能、成型性和焊接性能良好，符合用户要求，可以实现汽车轻量化。2 G 0 L显微组织主要为多边形铁素体，同 )L 7 0

时还有弥散分布的碳化物和少量的变异珠光体。铁素体平均晶粒尺寸达到晶粒度 l. 25级，晶粒尺寸 3~

图 5实验钢中 MC相析出物的粒度分布

5u m。夹杂物为点状氧化物，控制在 05级以 .3 )通

过对钢中析出物进行 S M和 T M分析， E E

分析表明 4 m以下的粒子占总 MC相质量分 0n数的 3 .%,这些析出物粒子由于尺寸小而能够 05

下，洁净度较高。 析出物多以 N,T复合碳氮化物为主。析出物中 b i M C相以 F ec为主，钢中微合金元素 T和 N i b绝大部分已析出，固溶 N、T含量很低。4 m以 b i 0n下的粒子占总 M C相质量分数的 3 .%,沉淀强化 05效果明显。

起到显著的沉淀强化作用。3 2 7疲劳性能试验 ..

采用升降法测量 L 70 G 0 L在 N=17时的条件 0疲劳极限。在室温下对其中 1试件 (号为 1 1根编号一1 1号 )进行拉拉疲劳实验，疲劳实验在 P G L一

10 0 C高频疲劳试验机上进行，加载方式为轴向

4利用升降法测量条件疲劳极限，测得存活 )率为 5%时 L 70 0 G 0 L的疲劳极限为 73MP,抗疲 1 a劳性能优良。

动载，应力比 R= . 6 0 7。利用升降法测量条件疲劳极限，升降曲线如图 6所示。70 35 l 1

参考文献

重 。i71 0 7 00

NVV

[]美国石油学会.A I pc5 20 1 P e L一 0 0管线钢管规范 ( S第4 2版，中文版 ) . []陈再枝，蓝德年编著 .模具钢手册[ .北京：冶金 2 M]工业出版社，2 0 . 1 0 02 2.

7I I

[]雍岐龙著.钢铁材料中的第二相[ .北京：冶金 3 M]工业出版社 .2 0 0 6. 1 5 6.

图 6升降曲线

特邀编辑：周

平

Re e r h n an De eo s a c o d v l pm e f7 0 M Pa St e r Hi h St e t Au o tv a e nto 0 e lFo g r ng h t mo i e Fr m

Z a e i,L e g,Wa gJ n n h oP in l uF n n i j g,WuH iag,LuBn ai ul n i i i ( h eh i l&D C ne; h h e Sr l t 1T eT c n a R etr 2T eS et tpPa ) c i nAbs r c: Ac o d n o t e c a a trsis a d r q ie e t fh g

te g h se lf ra o tv r me, ta t c r i g t h h rc e it n e u r m n s o i h sr n t te o utmo ie fa c

v a t e d a n p o ai n lc e c lc mp sto s a d ma fc u i g p o e s,i cu i g Nb Ti c o i h r wi g u fr to a h mia o o iin n nu a t rn r c s n l d n — mir a ly n n o to ld r l n n o ln e hn lg lo i g a d c n r l ol g a d c o i g tc oo y,7 0 MP g te g h a tmo ie fa te s e i 0 a hih sr n t uo b l r me se lwa d v lpe u c s f l e eo d s c e su l y.A t ynga ay i ft e sr c u a r hoo y,ditiu in o r c p tt h s sud i n lsso h tu t r lmo p l g srb to fp e i i e p a e a o h te s ma e.wih te r s l s o n ha t fn n me h n c lp o e te n o mi e f r ft e se li d t h e u t h wi g t ti奄 i e i c a ia r p ri s a d f r ng p ro m—a c h tc n alm e tt e r q ie n s i a i g h g te gh a tm oie fa n e t a a l e h e u r me t n m k n ih sr n t u o tv me l

Ke r s: se lfr a tmoi e fa y wo d t e u o tv me; 7 0 MPa; h tr l d s e ti o l 0 o -ol he tsrp; Nb Ti c o l yn e d mir a l ig; c n o o— to ld r li g a d c oi g;p e i t t h s r le o ln n o ln r cpi e p a e a

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