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马钢高强汽车大梁钢板的开发与应用
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司www.shailiai.com
更新时间：2015-12-29
基于马钢热连轧线，通过不同的成分设计和控轧控冷工艺，开发出大梁钢系列、冷成形高屈服系列、细晶粒钢系列等三个系列的高强汽车大梁钢板，产品具有良好的力学性能、焊接性能、疲劳性能和冷加工性能，已成功在国内汽车主机厂得到大规模应用。
基于马钢热连轧线，通过不同的成分设计和控轧控冷工艺，开发出大梁钢系列、冷成形高屈服系列、细晶粒钢系列等三个系列的高强汽车大梁钢板，产品具有良好的力学性能、焊接性能、疲劳性能和冷加工性能，已成功在国内汽车主机厂得到大规模应用。
汽车底盘是汽车重要的结构件，汽车底盘上纵梁、横梁、悬置梁、前后桥等零件都采用汽车大梁钢来制造。随着国内重型汽车工业的快速发展，各汽车生产厂对车架的服役要求更加苛刻，不仅要求汽车大梁用钢具有更高的强度，而且还需要良好的塑性、韧性及冷弯性能。
目前，国内各大钢厂都开发了不同强度级别的汽车大梁钢板，并向更高强度方向发展。采用高强汽车梁可以提高安全性，延长产品寿命，降低生产成本，减轻汽车自重，增加汽车的有效载荷，有利于节约资源和环保。
钢铁材料的高强度化是保证汽车轻量化和安全性的有效手段，丰田汽车公司的研究表明，汽车用钢的强度由440MPa提升至590MPa时，部件的重量可减轻约15%；如果进一步提升至780MPa，则部件的重量可减轻约30%，达到减轻汽车重量和节能减排的目标。
近年来，马钢作为较早开发生产汽车板的钢铁企业，根据汽车工业对汽车大梁钢板的技术要求，充分利用产线特点，在碳锰钢基础上，通过Nb、Ti微合金化，结合控轧控冷工艺，利用细晶强化和沉淀析出等强化机制，开发出大梁钢系列、冷成形高屈服系列、细晶粒钢系列等三种系列高强汽车大梁钢板，并成功应用于国内众多汽车生产厂家。
1主要设备及生产工艺
1.1生产设备
马钢生产汽车大梁钢板的主要配套设备有300t转炉3座，LF炉2座，RH炉2座，板坯连铸机（2流）3台，步进梁式加热炉3座，7机架2250精轧机组1条，1580精轧机组1条，以及相应自动化控制设备。总体装备处于国内先进水平，为生产高洁净钢水和高品质汽车板提供了技术保证。
1.2生产工艺
马钢汽车大梁钢板采用以下生产工艺流程：铁水→铁水预处理→转炉冶炼→合金微调站→LF→连铸→热连轧→层流冷却→卷取。
冶炼采用优质废钢和精炼处理，精确控制钢水成分和夹杂物水平；全程保护浇铸并严格控制钢水的过热度，以抑制柱状晶生长，避免形成中心疏松、加重中心偏析及产生带状组织。
在热轧带钢轧制时，加热温度、卷取温度对性能的影响很大，为了获得良好的机械性能，连铸坯冷料加热温度为1200℃左右，控制加热时间，以确保微合金碳、氮化物完全溶解于奥氏体中，以便最大程度地利用碳、氮化物在铁素体中的析出强化作用。
粗轧最后道次的轧制温度应控制在1050℃以上，避免奥氏体发生部分再结晶，导致成品晶粒不均，产生混晶现象，降低钢板性能。由于低温轧制会使钢的带状组织严重，同时温度降低时，MnS比钢更具有可塑性，易延伸成条带状，对冷弯性能不利，因此，为避免过分的低温轧制，将终轧温度控制在850℃左右。轧后采用前段冷却方式，轧件经层流冷却段的强力冷却，很快发生相变，铁素体在奥氏体晶界和晶粒内部大量形核，从而得到非常均匀、细小的组织。
2产品设计和产品性能
2.1产品设计
马钢大梁钢系列、冷成形高屈服系列、细晶粒钢系列等三种系列高强汽车大梁钢板的成分设计思路是在碳锰钢基础上，添加0.02%-0.05%Nb、0.010%-0.030%Ti微合金元素，通过微合金元素与板材控轧控冷技术的结合，控制微合金元素的析出行为，以细化晶粒、提高大梁钢的强韧性和获得良好的成形性及焊接性，并在保证良好综合性能的同时，进一步降低生产成本。
Nb在控制的大梁钢中对细化晶粒有明显效果，其在钢中以置换溶质原子存在，Nb原子比铁原子尺寸大，易在位错线上偏聚，通过在固溶体中的溶质拖拽作用、细小析出物在γ晶界的钉扎作用和在变形晶粒内的位错排列作用来抑制奥氏体再结晶，得到细小的晶粒尺寸， Nb的这种作用高于Ti和V；Nb在钢中形成细小Nb（C,N），在细化晶粒同时具有很强的析出强化作用，通过相间析出效应来控制轧制大梁钢，能够满足此钢的强韧性要求。
Nb在大梁钢中的特点就是提高奥氏体的再结晶温度，从而达到细化奥氏体晶粒的目的。一般钢中Nb的加入量在0.03%-0.06%，过高的Nb对强韧化的贡献将不再明显。微量的Nb可使钢得到极好的综合性能，因为在低Nb浓度下，钢的屈服强度增长较快，并且和浓度成正比，但当Nb含量大于0.03%时，强化效果就开始降低，有研究表明，当Nb含量大于0.06%时，多余的Nb对钢将不再有强化作用。
大量的生产实践及试验结果表明，影响汽车大梁钢板冷成形性能的关键因素在于钢中长条形的MnS夹杂物，这些沿轧制方向排列的MnS夹杂物最影响钢板的横向冷弯性能，使钢板各向性能差异增大，冷弯时容易导致开裂。微合金元素Ti的作用，在于Ti溶于硫化物中，可以部分或全部替代夹杂中的元素Mn，使长条状MnS变成球状复合夹杂物，从而改变了夹杂物本身的塑性，形成具有一定硬度的球形夹杂，即使材料经大变形量加工，MnS依旧保持原有形状，从而改善钢的性能。此外，Ti的添加也控制了夹杂物的大小，细小的夹杂对改善钢的性能起着重要的作用。
另外，Ti 可以与C或N在钢水中形成细小弥散的第二相质点（TiC,Ti（CN）），这些细小弥散的质点在加热阶段充分固溶为奥氏体后，会产生以下现象：
①在精轧阶段的高速变形时，可以应变诱导析出这些细小弥散的质点，并且无论是固溶在奥氏体中的Ti，还是应变诱导析出的TiC和Ti（CN）质点，均能延迟奥氏体再结晶，并且阻止再结晶后奥氏体晶粒的长大，即存在细化晶粒的效果；
②在轧后冷却的相变过程中，TiC和Ti（CN）在晶界上析出，钉扎晶界，阻止位错运动，同时呈现细化晶粒的效果。
从①、②两点分析，细颗粒TiC的弥散析出是提高控轧控冷低合金高强度钢强度的重要因素，钢水中形成细小弥散的第二相质点TiC和Ti（CN）对保证钢的力学性能要求起着积极的作用。表1为典型汽车大梁钢化学成分。
2.2产品组织性能
2.2.1力学性能
三种系列不同强度级别典型汽车大梁钢板的多次力学性能检验结果表明，各项力学性能指标良好，见表2。
2.2.2显微组织
以M 5 1 0 L、S 7 0 0 M C、QSTE420TM为例，剪取厚度分别为8.0mm、7.0mm、4.5mm钢板做显微组织和夹杂物分析。
结果表明，汽车大梁钢组织主要由多边形铁素体和珠光体组成，其中较细的多边形铁素体可以改善钢的强度和韧性，夹杂物控制良好，这种组织与夹杂物控制对改善钢带的冷成形性能，提高钢的横向冲击韧性，降低脆性转变温度都极为有利。
2.2.3 冲击性能
以M510L为例，取5.5mm、7.0mm、10.0mm厚度的大梁钢板进行室温至-40℃的冲击试验，试样尺寸5mm×10mm×55mm，开V型缺口。结果显示，M510L韧脆性转变温度较低，用此材料制造的汽车零件可在较恶劣的环境下安全运行。
2.2.4 焊接性能
为了评价汽车大梁钢板焊接性能的变化情况，进行了焊接性能试验。以8.0mm厚M590L为例。试验结果显示，焊后横、纵向抗拉强度、n值与母材一致，
说明焊接后没有出现软化现象；焊后仍有较高的延伸率，焊接性能良好。
3实际应用状况
近年来，马钢开发的三种系列汽车大梁钢板生产量达到43万吨（见图1）；应用于国内部分汽车制造和汽车配件厂，如江淮、奇瑞、江铃、华菱星马、陕汽、上汽依维柯红岩等，并得到厂家的普遍认同，给企业带来显著经济效益与社会效益。
根据生产工艺特点和产品性能要求，马钢通过不同的成分设计和TMCP工艺，开发了三种系列不同强度级别的汽车大梁钢。产品具有优良的机械性能、成形性能、焊接性能、疲劳性能、低温脆性、冲击性能，可满足各种载重车和轻型汽车对大梁钢板的技术要求。
汽车底盘是汽车重要的结构件，汽车底盘上纵梁、横梁、悬置梁、前后桥等零件都采用汽车大梁钢来制造。随着国内重型汽车工业的快速发展，各汽车生产厂对车架的服役要求更加苛刻，不仅要求汽车大梁用钢具有更高的强度，而且还需要良好的塑性、韧性及冷弯性能。
目前，国内各大钢厂都开发了不同强度级别的汽车大梁钢板，并向更高强度方向发展。采用高强汽车梁可以提高安全性，延长产品寿命，降低生产成本，减轻汽车自重，增加汽车的有效载荷，有利于节约资源和环保。
钢铁材料的高强度化是保证汽车轻量化和安全性的有效手段，丰田汽车公司的研究表明，汽车用钢的强度由440MPa提升至590MPa时，部件的重量可减轻约15%；如果进一步提升至780MPa，则部件的重量可减轻约30%，达到减轻汽车重量和节能减排的目标。
近年来，马钢作为较早开发生产汽车板的钢铁企业，根据汽车工业对汽车大梁钢板的技术要求，充分利用产线特点，在碳锰钢基础上，通过Nb、Ti微合金化，结合控轧控冷工艺，利用细晶强化和沉淀析出等强化机制，开发出大梁钢系列、冷成形高屈服系列、细晶粒钢系列等三种系列高强汽车大梁钢板，并成功应用于国内众多汽车生产厂家。
1主要设备及生产工艺
1.1生产设备
马钢生产汽车大梁钢板的主要配套设备有300t转炉3座，LF炉2座，RH炉2座，板坯连铸机（2流）3台，步进梁式加热炉3座，7机架2250精轧机组1条，1580精轧机组1条，以及相应自动化控制设备。总体装备处于国内先进水平，为生产高洁净钢水和高品质汽车板提供了技术保证。
1.2生产工艺
马钢汽车大梁钢板采用以下生产工艺流程：铁水→铁水预处理→转炉冶炼→合金微调站→LF→连铸→热连轧→层流冷却→卷取。
冶炼采用优质废钢和精炼处理，精确控制钢水成分和夹杂物水平；全程保护浇铸并严格控制钢水的过热度，以抑制柱状晶生长，避免形成中心疏松、加重中心偏析及产生带状组织。
在热轧带钢轧制时，加热温度、卷取温度对性能的影响很大，为了获得良好的机械性能，连铸坯冷料加热温度为1200℃左右，控制加热时间，以确保微合金碳、氮化物完全溶解于奥氏体中，以便最大程度地利用碳、氮化物在铁素体中的析出强化作用。
粗轧最后道次的轧制温度应控制在1050℃以上，避免奥氏体发生部分再结晶，导致成品晶粒不均，产生混晶现象，降低钢板性能。由于低温轧制会使钢的带状组织严重，同时温度降低时，MnS比钢更具有可塑性，易延伸成条带状，对冷弯性能不利，因此，为避免过分的低温轧制，将终轧温度控制在850℃左右。轧后采用前段冷却方式，轧件经层流冷却段的强力冷却，很快发生相变，铁素体在奥氏体晶界和晶粒内部大量形核，从而得到非常均匀、细小的组织。
2产品设计和产品性能
2.1产品设计
马钢大梁钢系列、冷成形高屈服系列、细晶粒钢系列等三种系列高强汽车大梁钢板的成分设计思路是在碳锰钢基础上，添加0.02%-0.05%Nb、0.010%-0.030%Ti微合金元素，通过微合金元素与板材控轧控冷技术的结合，控制微合金元素的析出行为，以细化晶粒、提高大梁钢的强韧性和获得良好的成形性及焊接性，并在保证良好综合性能的同时，进一步降低生产成本。
Nb在控制的大梁钢中对细化晶粒有明显效果，其在钢中以置换溶质原子存在，Nb原子比铁原子尺寸大，易在位错线上偏聚，通过在固溶体中的溶质拖拽作用、细小析出物在γ晶界的钉扎作用和在变形晶粒内的位错排列作用来抑制奥氏体再结晶，得到细小的晶粒尺寸， Nb的这种作用高于Ti和V；Nb在钢中形成细小Nb（C,N），在细化晶粒同时具有很强的析出强化作用，通过相间析出效应来控制轧制大梁钢，能够满足此钢的强韧性要求。
Nb在大梁钢中的特点就是提高奥氏体的再结晶温度，从而达到细化奥氏体晶粒的目的。一般钢中Nb的加入量在0.03%-0.06%，过高的Nb对强韧化的贡献将不再明显。微量的Nb可使钢得到极好的综合性能，因为在低Nb浓度下，钢的屈服强度增长较快，并且和浓度成正比，但当Nb含量大于0.03%时，强化效果就开始降低，有研究表明，当Nb含量大于0.06%时，多余的Nb对钢将不再有强化作用。
大量的生产实践及试验结果表明，影响汽车大梁钢板冷成形性能的关键因素在于钢中长条形的MnS夹杂物，这些沿轧制方向排列的MnS夹杂物最影响钢板的横向冷弯性能，使钢板各向性能差异增大，冷弯时容易导致开裂。微合金元素Ti的作用，在于Ti溶于硫化物中，可以部分或全部替代夹杂中的元素Mn，使长条状MnS变成球状复合夹杂物，从而改变了夹杂物本身的塑性，形成具有一定硬度的球形夹杂，即使材料经大变形量加工，MnS依旧保持原有形状，从而改善钢的性能。此外，Ti的添加也控制了夹杂物的大小，细小的夹杂对改善钢的性能起着重要的作用。
另外，Ti 可以与C或N在钢水中形成细小弥散的第二相质点（TiC,Ti（CN）），这些细小弥散的质点在加热阶段充分固溶为奥氏体后，会产生以下现象：
①在精轧阶段的高速变形时，可以应变诱导析出这些细小弥散的质点，并且无论是固溶在奥氏体中的Ti，还是应变诱导析出的TiC和Ti（CN）质点，均能延迟奥氏体再结晶，并且阻止再结晶后奥氏体晶粒的长大，即存在细化晶粒的效果；
②在轧后冷却的相变过程中，TiC和Ti（CN）在晶界上析出，钉扎晶界，阻止位错运动，同时呈现细化晶粒的效果。
从①、②两点分析，细颗粒TiC的弥散析出是提高控轧控冷低合金高强度钢强度的重要因素，钢水中形成细小弥散的第二相质点TiC和Ti（CN）对保证钢的力学性能要求起着积极的作用。表1为典型汽车大梁钢化学成分。
2.2产品组织性能
2.2.1力学性能
三种系列不同强度级别典型汽车大梁钢板的多次力学性能检验结果表明，各项力学性能指标良好，见表2。
2.2.2显微组织
以M 5 1 0 L、S 7 0 0 M C、QSTE420TM为例，剪取厚度分别为8.0mm、7.0mm、4.5mm钢板做显微组织和夹杂物分析。
结果表明，汽车大梁钢组织主要由多边形铁素体和珠光体组成，其中较细的多边形铁素体可以改善钢的强度和韧性，夹杂物控制良好，这种组织与夹杂物控制对改善钢带的冷成形性能，提高钢的横向冲击韧性，降低脆性转变温度都极为有利。
2.2.3 冲击性能
以M510L为例，取5.5mm、7.0mm、10.0mm厚度的大梁钢板进行室温至-40℃的冲击试验，试样尺寸5mm×10mm×55mm，开V型缺口。结果显示，M510L韧脆性转变温度较低，用此材料制造的汽车零件可在较恶劣的环境下安全运行。
2.2.4 焊接性能
为了评价汽车大梁钢板焊接性能的变化情况，进行了焊接性能试验。以8.0mm厚M590L为例。试验结果显示，焊后横、纵向抗拉强度、n值与母材一致，
说明焊接后没有出现软化现象；焊后仍有较高的延伸率，焊接性能良好。
3实际应用状况
近年来，马钢开发的三种系列汽车大梁钢板生产量达到43万吨（见图1）；应用于国内部分汽车制造和汽车配件厂，如江淮、奇瑞、江铃、华菱星马、陕汽、上汽依维柯红岩等，并得到厂家的普遍认同，给企业带来显著经济效益与社会效益。
根据生产工艺特点和产品性能要求，马钢通过不同的成分设计和TMCP工艺，开发了三种系列不同强度级别的汽车大梁钢。产品具有优良的机械性能、成形性能、焊接性能、疲劳性能、低温脆性、冲击性能，可满足各种载重车和轻型汽车对大梁钢板的技术要求。
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