CN112176256A

CN112176256A - 一种高冲击韧性汽车大梁钢带及其生产方法

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Publication number: CN112176256A
Application number: CN202011032528.9A
Authority: CN
Inventors: 韩健; 张继永; 李俊生; 贾改风; 李红俊; 申震; 李爱民
Original assignee: Handan Iron and Steel Group Co Ltd; HBIS Co Ltd Handan Branch
Current assignee: Handan Iron and Steel Group Co Ltd; HBIS Group Hansteel Co; HBIS Co Ltd Handan Branch
Priority date: 2020-09-27
Filing date: 2020-09-27
Publication date: 2021-01-05

Abstract

本发明一种高冲击韧性汽车大梁钢带及其生产方法，其化学成分及其重量百分比为：C:0.03%‑0.08%，Si:0.10%‑0.20%，Mn:1.50%‑1.80%，P≤0.017%，S≤0.005%，Als:0.010%‑0.050%，Ti:0.020%‑0.040%，Nb:0.020%‑0.050%，Cr:0.30%‑0.60%，N≤0.0055%，其它为Fe和不可避免的残余元素。在轧制工序轧后冷却中选择分段冷却工艺，通过温度、冷速和空冷时间的精确控制，获得均匀、细小的铁素体+贝氏体的双相组织，使钢材在具备高强度的同时还具有良好的低温冲击韧性。

Description

一种高冲击韧性汽车大梁钢带及其生产方法

技术领域

本发明属于带钢技术领域，尤其涉及一种高冲击韧性汽车大梁钢带及其生产方法。

背景技术

汽车大梁钢主要用于轻卡、重卡牵引车、挂车、自卸车的纵梁、横梁、衬梁及连接板等承重部件，在服役中不仅要承担垂直方向整车重量，还要承受低温、转弯、制动、坑洼颠簸路面行驶等各种工况下复杂应力的冲击，对大梁钢的低温冲击性能和耐疲劳性能提出了更高的要求。当前在国家环保政策日趋严格的大背景下，汽车轻量化设计逐渐成为主流，900MPa级以上高强度大梁钢在轻量化减重和节能降耗方面的优势愈发明显，但传统高强大梁钢普遍采用加Mo、V等昂贵合金设计，增加了合金成本、不利于市场推广。此外，传统大梁钢随着合金含量的增多，钢材的强度增加、塑性和韧性下降，可焊接性和冷成型性能变差，在后续服役中出现冲击或疲劳断裂的风险增大。

授权公告号为CN 104988398B的专利公开了“610MPa级汽车大梁用钢及其制造方法”，其化学成分按重量百分比为：碳：0.07%-0.09%，硅：＜0.10%，锰：1.50%-1.65%，磷≤0.015%，硫≤0.010%，固溶铝：0.020%-0.070%，铌：0.045%-0.065%，钛：0.003%-0.01%；氮≤0.004%，余量为铁、铜、镍和不可避免的杂质。该专利采用常规工艺生产大梁钢，塑性、延伸性较好，不足之处是材料抗拉强度仅有610-710MPa，不适合制作大载荷重卡承重梁，产品应用范围有限。

授权公告号为CN105316578B的专利公开了“低碳当量易焊接屈服强度750MPa以上的汽车大梁钢及其制造方法”，其化学成份按重量百分比为：C：0.03%-0.05%，Si：0.06%-0.15%，Mn：1.80%-1.85%，0.010%≤P≤0.015%，0.001≤S≤0.003%，Nb：0.065%-0.085%，Mo：0.12%-0.18%，Ti：0.15%-0.16%，Ca：0.0015%-0.0045%，Alt：0.02%-0.05%，其余为Fe和不可避免的杂质。该发明采用低碳设计，碳当量控制在0.41%以下，具有较好的焊接性能，但合金中Mn含量过高，容易在钢材中心形成Mn带状偏析，Ti含量高达0.15%-0.16%，实际冶炼中若N含量控制不好，容易形成大尺寸TiN夹杂，破坏基体的连续性，增加了疲劳开裂源。另外，钢中添加了含量不低的Nb、Mo等昂贵合金元素，增加了合金成本。

授权公告号为CN101914728B的专利公开了“铌钛复合轻型卡车汽车大梁钢及其制备方法”，其化学成份按重量百分比为：C：0.09%-0.15%，Si：0.30%-0.60%，Mn：1.25%-1.50%，P≤0.030%，S≤0.030%，Nb：0.015%-0.030%，Ti：0.010-0.030%，其余为Fe和不可避免的杂质。该发明合金设计成本低廉，能够在低端双机架可逆炉卷轧机上轧制生产，不足之处在于C、Si含量偏高，材料的焊接性能和表面质量受影响，由于采用炉卷轧机生产组织和性能均匀性不易保证，根据该发明生产的大梁钢强度在510MPa左右，仅适于在小吨位的轻卡上使用，强度有限满足不了当前汽车轻量化减重设计需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高冲击韧性汽车大梁钢带及其生产方法，不使用Mo、V等昂贵合金元素，使得所生产的大梁钢在具备高强度的同时还兼备良好的塑性及低温冲击韧性。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种高冲击韧性汽车大梁钢带，其化学成分及其重量百分比为：C:0.03%-0.08%，Si:0.10%-0.20%，Mn:1.50%-1.80%，P≤0.017%，S≤0.005%，Als:0.010%-0.050%，Ti:0.020%-0.040%，Nb:0.020%-0.050%，Cr:0.30%-0.60%，N≤0.0055%，其它为Fe和不可避免的残余元素。

本发明在成分上采用低碳设计，添加适量的Cr，同时避免使用Mo、Ni等昂贵合金元素，通过各合金元素之间的合理调配获得良好的焊接性能和强韧性匹配，合金成本控制低廉高效。

各元素的作用及配比依据如下：

C：碳在本发明中起到间隙固溶强化作用，为保证钢的强度和合适的金相组成需含有一定量的碳，但碳含量过高会导致钢的塑性和焊接性能变差。因此，本发明中C含量控制在0.03%-0.08%

Si和Mn：本发明采用低Si中Mn设计，主要原因有三方面：一是Si对钢水进行脱氧，并和钙、铝一起形成硅酸盐，改善钢质；二是锰可以降低钢的临界冷却速度，一定比例的Mn可以提高钢的淬透性；三是Mn是奥氏体稳定元素，推迟奥氏体向珠光体转变，扩大了工艺窗口，有利于相变过程组织调控。但Si过高会使钢的脆性增大，冲击韧性下降，过高的Si在高温下易生成铁橄榄石Fe₂SiO₄，钉扎氧化铁皮，通过高压除鳞较难去除，影响表面质量。同时过量的Mn易形成严重的中心偏析，破坏组织均匀性，影响钢的冲击韧性。因此，本发明Si控制在0.10%-0.20％，Mn控制在1.50%-1.80%。

Al：铝在钢水冶炼中起到脱氧作用，但过高的Al会形成大尺寸的Al₂O₃夹杂，降低钢板的低温冲击性能。因此，本发明中Al含量控制在0.010%-0.050％。

Ti：在本发明中起到析出强化和细化晶粒的作用，Ti是强碳和氮化合物形成元素，在轧制过程和轧后冷却过程析出，起到强化的作用。钢中加入适量的Ti，形成细小钛的碳氮化物能有效抑制加热时晶粒的长大，起到细化晶粒的作用。但过高的Ti会与N结合形成的粗大的TiN夹杂，降低钢板的低温韧性和疲劳性能。因此，本发明中Ti的加入量控制在0.020%-0.040％。

Nb：铌在本发明中起到细化晶粒和析出强化作用，钢中加入适量的Nb，可以防止加热过程中奥氏体晶粒的粗大，在轧制过程可以抑制奥氏体再结晶，从而细化了晶粒。但Nb含量过高会造成组织混晶，恶化钢的力学性能，同时也增加了合金成本。因此，本发明中Nb含量控制在0.020%-0.050%。

Cr：铬可以降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性，在相同冷速下更易获得贝氏体等硬相组织，扩大了工艺窗口，但Cr含量过高会增加了合金成本。因此，本发明中Cr含量控制在0.30%-0.60%。

S：硫是容易引起热脆的化学元素，含量越低越好，因此，将S的含量进一步控制在0.005%以下，本发明中S的重量百分比为≤0.005%。

所述的一种高冲击韧性汽车大梁钢带的生产方法，包括连铸、板坯加热、轧制、冷却生产工序，其特征在于，所述冷却工序，采用层流冷却，冷却过程分为两段，即一段冷却和二段冷却，一段和二段之间进行空冷，一段冷却速率25-45℃/s，中冷温度630-680℃，空冷保温时间5-10s，然后进入二段冷却，二段冷却速率30-55℃/s，冷却至300-450℃进行卷取。

本发明冷却工序中采用分段冷却技术在线获得铁素体+贝氏体双相组织，使得所生产的大梁钢在具有高强度的同时，还兼备优异的低温冲击韧性，其主要依据在于：

分段冷却技术主要涉及两段冷却，在一段冷却中通过冷速、中冷温度和空冷时间的合理调配获得一定比例的先共析铁素体，然后在二段冷却通过快速集中冷却，使剩余的奥氏体转变为贝氏体组织，最终获得铁素体+贝氏体双相组织。在冷却工序中，一段冷却速率、中冷温度和空冷时间的控制是关键，一段冷速过慢、中冷温度太高、空冷时间过短，形成先共析铁素体少，贝氏体比例过高，强度有余而韧性不够；反之，则形成的贝氏体偏少，钢的强度不足，达不到规定的大梁钢强度级别。因此，本发明冷却工序中一段冷却速率控制在25-45℃/s，中冷温度630-680℃，空冷保温时间5-10s，二段冷却速率30-55℃/s，冷却到300-450℃卷取，即卷取温度300-450℃，最终获得70%-80%的铁素体+20%-30%的贝氏体双相组织。

所述连铸工序，铸坯凝固末端采用动态轻压下，在凝固末端施加足够的动态轻压下量以破碎柱状晶，使再结晶过程晶粒细化，改善钢坯内质和成分偏析，优选的，压下总量≥6mm。

所述板坯加热工序，加热炉空燃比1.00-1.15，板坯总加热时间160-300min，在加热炉均热段停留时间30-60min，出炉温度控制在1210-1270℃。

本发明在加热炉均热段停留时间控制在30-60min，出炉温度按1210-1270℃控制，以保证微合金充分回溶。

所述轧制工序，精轧累计压下率60%-80%，终轧温度840-900℃。粗轧采用3＋5道次轧制，最后2道次压下率控制在20%-30%之间，粗轧累计压下率控制在65%-85%。在粗轧和精轧之间的中间辊道投用保温罩，以减少中间坯输送过程中的边部温降。

整个轧制过程分为两个阶段，第一阶段轧制为粗轧，为完全再结晶轧制，粗轧采用3+5道次轧制，本发明采用的轧机有2台粗轧机（即R1轧机和R2轧机），R1轧制3道次＋R2轧制5道次，利用粗轧高温大压下的有利条件进行大压下轧制，并保证粗轧R2最后两道次的压下率。优选的，本发明最后两道压下率按20%-30%控制，粗轧累计压下率控制在65%-85%之间，使奥氏体晶粒在反复变形、再结晶和回复过程中细化。

轧制过程第二阶段为精轧，钢带在精轧完成未再结晶轧制，在此阶段主要任务是通过轧机负荷的合理分配，使晶粒累积足够的形变带和位错，为后续相变提供形核点做准备，并保证良好板形。考虑精轧板形控制和设备能力，优选的，精轧累计压下率控制在60%-80%之间，终轧温度按840-900℃控制。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

（1）现有技术生产的同强度级别大梁钢延伸率普遍在15%以下，-20℃冲击功在60J以内，冷成型过程困难且容易开裂，本发明一种高冲击韧性汽车大梁钢带抗拉强度高达950MPa以上，延伸率在20.0%以上，-20℃冲击功在120J以上。

（2）本发明冷却工序中采用分段冷却技术，在轧后冷却过程中通过温度、冷速和空冷时间的精确控制，在线获得细小、均匀的铁素体+贝氏体的双相组织，使钢材在具备高强度的同时还具有很好的低温冲击韧性。

（3)本发明生产的大梁钢金相组织由铁素体+贝氏体组成，软硬相比例适中，力学性能优异，完全满足汽车轻量化设计要求，能够在低温、大载荷、复杂应力环境下安全服役。

具体实施方式

本发明一种高冲击韧性汽车大梁钢带，其化学成分及其重量百分比为：C:0.03%-0.08%，Si:0.10%-0.20%，Mn:1.50%-1.80%，P≤0.017%，S≤0.005%，Als:0.010%-0.050%，Ti:0.020%-0.040%，Nb:0.020%-0.050%，Cr:0.30%-0.60%，N≤0.0055%，其它为Fe和不可避免的残余元素。其生产方法包括连铸、板坯加热、轧制、冷却生产工序。

连铸工序，钢水进中包温度控制在1510-1535℃，过热度ΔT=10-30℃，铸坯采用0.8-1.4m/min恒定拉速，液面波动控制在±5mm之间。在铸坯凝固末端采用动态轻压下，压下总量≥6mm。浇注过程中全程氩气保护浇铸，防止外界空气进入。浇铸期间保持恒定拉速，减少液面波动造成的卷渣。

板坯加热工序，加热炉空燃比1.00-1.15，板坯总加热时间160-300min，在加热炉均热段停留时间30-60min，出炉温度控制在1210-1270℃。轧制采用的轧机包括2台粗轧机和7台精轧机，粗轧采用3＋5道次轧制，最后2道次压下率控制在20%-30%，粗轧累计压下率控制在65%-85%，在粗轧和精轧之间的中间辊道投用保温罩。精轧累计压下率60%-80%，终轧温度840-900℃。

冷却工序，采用层流冷却，层流冷却分为两段，即一段冷却和二段冷却，一段和二段之间进行空冷，一段冷却速率25-45℃/s，中冷温度630-680℃，空冷保温时间5-10s，然后进入二段冷却，二段冷却速率30-55℃/s，冷却至300-450℃进行卷取。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细地说明。

实施例1－6按照上述实施方式进行生产，钢带化学成分重量百分含量见表1，生产的成品钢带厚度、生产过程连铸轻压下压下总量、加热工序加热炉空燃比、总加热时间（即在炉时间）、在加热炉均热段停留时间（即均热时间）、出炉温度见表2，粗轧最后2道次压下率、粗轧累计压下率、精轧累计压下率、终轧温度、冷却工序一段冷却速率、中冷温度、空冷保温时间、层流冷却二段冷却速率、卷取温度见表3，表3中粗轧最后2道次压下率所列数据如“20/28”其中“/”前为倒数第二道次压下率，“/”后为最后一道次压下率。

表1

表2

表3

对实施例1－6生产的钢带力学性能进行检测，检测所用拉伸试样采用横向试样，屈服强度R_p0.2、抗拉强度R_m、延伸率检验结果见表4。

对实施例1－6生产的钢带进行冷弯试验，试验所用弯曲试样采用横向试样，试样D=2.5a，D为弯曲压头直径，a为弯曲试样厚度，试验结果见表4。

对实施例1－6生产的钢带进行-20℃全尺寸冲击功（A_KV）检验，冲击试验取纵向试样，试样尽可能按标准尺寸制备，当试样尺寸不够时可按7.5mm、5mm小尺寸试样代替，相应冲击功标准按75%和50%折算，6mm以下厚度可不做冲击试验。试验结果见表4。

对实施例1－6生产的钢带显微组织中贝氏体比例进行检测，检测结果列于表4。

表4

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种高冲击韧性汽车大梁钢带，其化学成分及其重量百分比为：C:0.03%-0.08%，Si:0.10%-0.20%，Mn:1.50%-1.80%，P≤0.017%，S≤0.005%，Als:0.010%-0.050%，Ti:0.020%-0.040%，Nb:0.020%-0.050%，Cr:0.30%-0.60%，N≤0.0055%，其它为Fe和不可避免的残余元素。

2.根据权利要求1所述的一种高冲击韧性汽车大梁钢带，其特征在于，所述钢带显微组织为铁素体+贝氏体。

3.根据权利要求1-2所述的一种高冲击韧性汽车大梁钢带的生产方法，包括连铸、板坯加热、轧制及冷却生产工序，其特征在于，所述冷却工序，采用层流冷却，冷却过程分为两段，即一段冷却和二段冷却，一段和二段之间进行空冷，一段冷却速率25-45℃/s，中冷温度630-680℃，空冷保温时间5-10s，然后进入二段冷却，二段冷却速率30-55℃/s，冷却至300-450℃进行卷取。

4.根据权利要求3所述的一种高冲击韧性汽车大梁钢带的生产方法，其特征在于，所述连铸工序，铸坯凝固末端采用动态轻压下，压下总量≥6mm。

5.根据权利要求3所述的一种高冲击韧性汽车大梁钢带的生产方法，其特征在于，所述板坯加热工序，加热炉空燃比1.00-1.15，板坯总加热时间160-300min，在加热炉均热段停留时间30-60min，出炉温度控制在1210-1270℃。

6.根据权利要求3所述的一种高冲击韧性汽车大梁钢带的生产方法，其特征在于，所述轧制工序，精轧累计压下率60%-80%，终轧温度840-900℃。

7.根据权利要求6所述的一种高冲击韧性汽车大梁钢带的生产方法，其特征在于，所述轧制工序，粗轧采用3＋5道次轧制，最后2道次压下率控制在20%-30%，粗轧累计压下率控制在65%-85%。

8.根据权利要求7所述的一种高冲击韧性汽车大梁钢带的生产方法，其特征在于，所述轧制工序，粗轧和精轧之间的中间辊道投用保温罩。