分享：汽車用冷軋低合金高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)過程能力分析

冷軋低合金高強(qiáng)鋼（HSLA鋼）具有高屈服強(qiáng)度及屈強(qiáng)比、良好的成形及焊接性能等特點，比碳素結(jié)構(gòu)鋼具有更高的屈服強(qiáng)度，而較雙相鋼等先進(jìn)高強(qiáng)鋼具有更低的成本，因此備受市場青睞，廣泛應(yīng)用于汽車、家電、建筑等行業(yè)的結(jié)構(gòu)件中，其中在汽車輕量化應(yīng)用中最為突出，特別是在國產(chǎn)自主品牌汽車和新能源汽車快速發(fā)展下，高性價比（低成本高性能）的冷軋低合金高強(qiáng)鋼發(fā)揮著重要的作用[1]。

汽車用HSLA鋼是在低碳鋼中添加Nb、Ti等微合金元素，利用細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化等強(qiáng)化機(jī)理，提高其屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比，同時兼?zhèn)淞己玫目棺冃文芰?/span>[2]。260~420 MPa級別HSLA鋼的牌號為HC260LA、HC300LA、HC340LA、HC380LA、HC420LA等，其中HC340LA與HC420LA市場最常見，廣泛應(yīng)用于汽車的A柱上部加強(qiáng)件、內(nèi)側(cè)B柱、車門檻加長件、左右縱梁外板和底盤座椅部件等領(lǐng)域，發(fā)展前景廣闊[3]。

1.   工藝流程

結(jié)合HSLA鋼種成分特點，對C、P、S、N等元素的控制與鋼水的潔凈度要求，以及LF與RH精煉設(shè)備能力，同時考慮經(jīng)濟(jì)高效性，對不同強(qiáng)度級別的HSLA鋼采取不同的工藝路線。

（1）對于HC260LA、HC300LA和HC340LA牌號：KR脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→連鑄→板坯檢驗→加熱→粗軋→精軋→層流冷卻→卷取→平整（根據(jù)需要）→熱卷檢驗→酸軋→連退→重卷/拉矯（根據(jù)需要）→冷卷檢驗→包裝→入庫。

（2）對于HC380LA和HC420LA牌號：KR脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→RH精煉→連鑄→板坯檢驗→加熱→粗軋→精軋→層流冷卻→卷取→平整（根據(jù)需要）→熱卷檢驗→酸軋→連退→重卷/拉矯（根據(jù)需要）→冷卷檢驗→包裝→入庫。

2.   成分設(shè)計

成分配比和合金元素的含量是影響其組織性能的關(guān)鍵因素[4]。通過查閱資料，理論研究化學(xué)成分對HSLA鋼生產(chǎn)與性能的影響機(jī)理，并充分借鑒國內(nèi)外同類產(chǎn)線鋼廠的生產(chǎn)實際情況，在保證產(chǎn)品質(zhì)量前提前，綜合考慮低成本高效生產(chǎn)，以低C控制、適當(dāng)加P提Mn、加Nb不加Ti為主要思路，保證各強(qiáng)度級別的性能要求，HSLA主要鋼種成分設(shè)計如表1所示。

3.   生產(chǎn)工藝控制

對冶煉連鑄的HSLA鋼坯，再經(jīng)過熱軋、冷軋與連續(xù)退火生產(chǎn)工序，獲得最終的成品HSLA鋼帶。熱軋卷取溫度對后續(xù)成品性能和組織有一定的影響，熱軋的層流冷卻時存在一段空冷區(qū)，由于Nb元素對溫度的敏感性高，在空冷區(qū)時，含Nb析出物粗大，根據(jù)遺傳效應(yīng)，后續(xù)隨著退火溫度的提高，含Nb析出物粗大化，降低了析出強(qiáng)化效果，對屈服強(qiáng)度效果影響明顯[5]。冷軋過程中產(chǎn)生大量的變形組織，在熱處理過程中，鐵素體經(jīng)過回復(fù)并在形變帶發(fā)生形核再結(jié)晶和晶粒長大[6]。隨著冷軋壓下率增大，晶粒拉長使晶界面增加、晶格畸變程度增大，變形晶格間儲存的能量增大，晶格間及晶界上的變形缺陷增多。軋制過程中材料承受的軋制力越大，要求軋機(jī)的負(fù)荷能力越高。退火是晶粒再結(jié)晶的過程，隨著退火溫度的升高或保溫時間的延長，相同厚度規(guī)格鋼的晶粒尺寸明顯增大，主要是因為隨著溫度升高，晶粒長大速率增大，從而導(dǎo)致強(qiáng)度下降[7]；另外隨著退火速度的提高，γ→P相變過冷度增加，使得奧氏體分解珠光體形核加速且共析反應(yīng)溫度降低，根據(jù)相變動力學(xué)和熱力學(xué)原理，這將導(dǎo)致先共析鐵素體含量減少，珠光體轉(zhuǎn)變量增加[8]。通過對HSLA鋼的熱軋、冷軋及連續(xù)退火工序的關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，形成標(biāo)準(zhǔn)化工藝控制參數(shù)，如表2所示。

4.   生產(chǎn)過程能力分析

通過對工業(yè)化生產(chǎn)的HSLA主要鋼種HC260LA、HC340LA與HC420LA力學(xué)性能實績值進(jìn)行統(tǒng)計，如表3所示。

過程能力指數(shù)Cpk在判定鋼種力學(xué)性能穩(wěn)定性方面是一種有效手段，能夠用量化的數(shù)據(jù)說明其穩(wěn)定程度，對于汽車廠和鋼廠都具有很重要的意義[9]。Cpk是指工序過程能力指數(shù)，其值越高，則產(chǎn)品質(zhì)量特性值的分散就會越小，表明生產(chǎn)越穩(wěn)定。通過對工業(yè)化生產(chǎn)的HSLA主要鋼種HC260LA、HC340LA與HC420LA，隨機(jī)取100組力學(xué)性能實績值，采用Minitab軟件行數(shù)據(jù)分析處理，分別對其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后延伸率A80的進(jìn)行過程能力圖分析，如圖1所示。

圖  1  HSLA鋼的過程能力分析圖：（a，b，c）HC260LA屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率；（d，e，f）HC340LA屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率；（g，h，i）HC420LA屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率

從圖1的生產(chǎn)過程能力圖看，HC260LA、HC340LA與HC420LA的力學(xué)性能過程能力較好，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后延伸率A80的過程能力指數(shù)Cpk值統(tǒng)計如表4所示，其中HC420LA屈服強(qiáng)度由于用戶需求采用偏下限值的控制模式，其Cpk較低，僅為1.11，其余牌號及指標(biāo)的Cpk值均大于1.33，說明過程能力穩(wěn)定，數(shù)據(jù)波動小，可更好滿足汽車主機(jī)廠的加工要求，避免了因性能波動調(diào)節(jié)沖壓模具參數(shù)而造成的廢品率與生產(chǎn)節(jié)奏影響，提高了用戶滿意度。

5.   結(jié)束語

通過對汽車用HSLA鋼的研究開發(fā)，制定了標(biāo)準(zhǔn)化的汽車用HSLA鋼產(chǎn)品控制計劃與工藝方案，形成了完善、穩(wěn)定、高效的生產(chǎn)工藝，已實現(xiàn)屈服強(qiáng)度260~420 MPa級鋼種的批量接單，工藝窗口可控性強(qiáng)，生產(chǎn)過程能力穩(wěn)定，產(chǎn)品已成功應(yīng)用于國內(nèi)外知名汽車廠，對工業(yè)化生產(chǎn)具有重要的借鑒與指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 錢坤華. 冷軋結(jié)構(gòu)用低合金高強(qiáng)鋼工藝研究及產(chǎn)品開發(fā)[學(xué)位論文]. 沈陽: 東北大學(xué), 2018

[2] 康永林. 現(xiàn)代汽車板的質(zhì)量控制與成形性. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1999

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[4] 李霞, 李春誠, 佟鐵印, 等. 低合金高強(qiáng)鋼HC340LA工藝優(yōu)化生產(chǎn)實踐. 金屬世界,2016(2):67doi: 10.3969/j.issn.1000-6826.2016.02.17

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[6] 吳浩, 柴立濤, 許柳. 退火溫度對冷軋低碳鋼再結(jié)晶行為的影響. 金屬熱處理,2020,45(4):181doi: 10.13251/j.issn.0254-6051.2020.04.038

[7] 康華偉. 340 MPa級冷軋低合金高強(qiáng)鋼的罩式退火工藝. 金屬世界,2020(3):45doi: 10.3969/j.issn.1000-6826.2020.03.012

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文章來源——金屬世界