低成本汽車結構鋼SAPH400的研發

任振遠， 呂苗苗

（唐山不銹鋼有限責任公司， 河北 唐山 063100）

當前，我國汽車工業的發展不僅使高強度鋼板的用量不斷加大，而且對鋼板的質量和性能提出了更高的要求。針對不同車型的不同需要。唐鋼集團在保證鋼板質量和性能的基礎上，使汽車車輪結構用鋼板進一步向低成本、系列化、高強化方向發展[1]。使用傳統SAPH400 成分體系及熱軋工藝，其熱軋性能雖然優異，滿足用戶需求，但大量合金元素的加入會導致成本的增加。在這種情況下，如何通過鋼的化學成分和工藝條件的匹配來降低SAPH400 的生產成本，成為主要研究課題。

1 SAPH400技術要求

SAPH400 的物理性能要求見表1。

表1 SAPH400 性能要求

歷史生產SAPH400 性能見表2。

表2 歷史SAPH400 性能

2 歷史成分設計

歷史SAPH400 成分設計見表3。

表3 SAPH400 歷史成分設計 %

應用C-Mn 鋼成分體系設計，利用合金元素固溶強化作用，提高強度至目標要求。由于Mn 元素的含量大，生產成本增加。故如何通過鋼的化學成分和工藝條件的匹配來降低SAPH400 的生產成本，是本課題主要研究內容。

3 制造流程及關鍵工藝參數

3.1 制造流程

汽車結構鋼的制造流程為：（鐵水預處理）—轉爐—LF 精煉—連鑄—板坯加熱—高壓水除磷—熱連軋—卷取—質量和性能檢驗—包裝標志—入庫。

3.2 關鍵工藝參數

3.2.1 碳含量

冶煉過程中，當含碳量偏低達不到強度要求，增加煉鋼成本，需要增加Mn 元素來提高強度。隨著碳含量的增加，鋼的塑性、韌性下降，而且碳當量的增大，焊接性能下降。綜合考慮400 MPa 級的強度級別和成本，采用中碳含量（質量分數）設計0.11%～0.13%。

3.2.2 錳含量

錳元素的固溶強化作用可提高強度，改善韌性。錳與硫結合形成硫化錳，還可降低熱脆性。但Mn 元素過高友會在鋼表面富集，造成鋼表面氧化而降低表面質量[2]。綜合考慮400 MPa 級的強度級別和成本，采用低錳含量（質量分數）設計0.44%～0.50%。

3.2.3 硅含量

硅含量較高時，會使熱軋過程中氧化鐵皮嚴重，影響表面質量，而且會增加成本。根據實際經驗，在生產過程中按低硅控制，硅含量（質量分數）設計≤0.03%。

3.2.4 磷和硫含量

磷和硫時鋼種有害元素，隨著磷含量的增加，不僅形成冷脆，還會增加合金化產品的粉化敏感性。磷含量的增加，不僅形成熱脆，其MnS 夾雜在軋制方向拉長分布，造成鋼板的各項異性。實際生產，確定磷含量和硫含量按低值控制，w（S）≤0.012%，w（P）≤0.020%。

3.2.5 鋁含量

鋁能與氮形成氮化鋁抑制氮在鐵素體內的固溶，消除應變時效，改善成型性能。但是鋁過高形成Al2O3水口結瘤。綜合以上因素，確定酸溶鋁控制范圍為 w（Al）=0.020%～0.060%。

3.3 工藝參數確定

3.3.1 煉鋼工藝

按照上述成分要求，冶煉20 爐試驗鋼，實驗鋼化學成分見表4。

表4 實驗鋼化學成分 %

3.3.2 冶煉工藝

試驗鋼在100 t 氧氣底吹轉爐上進行的，入爐鐵水全部經過脫硫預處理，盡可能降低鐵水S 含量；出鋼時采用高碳錳鐵，采用擋渣出鋼技術，降低鋼包渣量；爐后吹氬攪拌，以均勻化學成分，使夾雜物上浮，定氧喂鋁線，確保鋼的純凈度。電加熱繼續吹氬并補鋁線和鈣處理，對鋼中MnS 夾雜物進行變性，以達到控制鋼中夾雜物形態的目的。

3.3.3 熱軋工藝

1）板坯加熱溫度及粗軋溫度。板坯加熱溫度和粗軋溫度采用常規汽車結構鋼的生產工藝，均熱段溫度 1 250～1 330 ℃；出爐溫度 1 200～1 250 ℃。

2）終軋和卷曲溫度。終軋溫度和卷曲溫度是熱軋過程中控軋控冷的主要參數[3]，為獲得理想的組織和晶粒度，使材料具有優良的綜合性能。終軋溫度應略高于Ar3 進行軋制，試驗表明卷曲溫度一定時，終軋溫度越低鐵素體晶粒細化，鐵素體晶粒尺寸越小。鐵素體晶粒度在10～12 級，金相組織為鐵素體+少量珠光體，從而鋼的強韌性提高；終軋溫度一定時，隨著卷曲溫度的提高，鋼卷強度降低，延伸率提高。為使鋼板綜合性能提高，根據鋼的化學成分和軋制規格不同，合理設計終軋和卷曲溫度。

3）冷卻模式。冷卻模式的設定也是決定熱軋性能的重要參數，通過層冷優化，可得到適宜比例的鐵素體+珠光體組織，鋼種綜合性能提高。

以往SAPH400 熱軋工藝制度設計中，層冷冷卻模式用前段冷卻。此次新成分體系設計，在原基礎上降低了C、Mn 含量。C、Mn 含量降低，導致強度降低，通過調整冷卻模式以提高強度，滿足標準要求。

此次試驗鋼冷卻模式設計，采用雙相鋼冷卻模式，兩段冷卻，通過增加前段冷卻速率，鋼帶精軋出來后快速冷卻到500 ℃以下，增加中間空冷溫度680～730 ℃左右，增加空冷時間。采用此種冷卻模式，可有效減少鐵素體轉化比例，進而提高產品強度[4]，達到SAPH400 性能要求。

4 成品的力學性能

4.1 力學性能

在熱軋成品取樣，做性能均勻性實驗，鋼卷號：6810DB2800，規格 1 040 mm×2.75 mm，1-3 為橫向拉伸實驗，4-8 為縱向拉伸實驗，如圖1 所示。

圖1 試驗鋼性能均勻性

由圖1 可知，抗拉強度最大值455 MPa，最小值437 MPa，平均值447 MPa，較平均值波動范圍8～10 MPa；屈服強度最大值391 MPa，最小值355 MPa，平均值372 MPa，較平均值波動范圍17～19 MPa；延伸率最大值45%，最小值38%，平均值42%，較平均值波動范圍3%～3.5%，整體性能均勻。

由圖1 可見，各項力學性能均符合標準要求，性能合格率達到100%。

4.2 成品金相

對試驗鋼進行金相組織分析，放大倍數為100倍，橫、縱向金相組織如下頁圖2 所示。

對橫、縱向組織進行晶粒度評級如下頁表5所示。

圖2 金相組織分析

表5 橫、縱向組織評級

金相組織為鐵素體+珠光體，晶粒度10 級，鐵素體比例達到85%～86%，滿足400 MPa 級汽車結構鋼組織要求；晶粒均勻，適合沖壓成型。

4.3 冷彎性能

冷彎試驗是評價汽車結構用鋼的主要性能指標之一。在b=20 mm，d=2a 彎曲條件下，大量取樣進行180°冷彎試驗，均未出現開裂現象，冷彎合格率100%，表明試驗鋼具有良好的冷成型性能。

5 試驗鋼與以往SAPH400對比

5.1 成分對比

試驗鋼成分與SAPH400 典型成分對比如表6所示。

表6 試驗鋼與以往SAPH400 成分對比 %

試驗鋼Mn 含量較以上成分體系SAPH400 低0.5%，Mn 含量對煉鋼成本影響大，Mn 含量降低，生產成本隨之降低。

5.2 性能對比

試驗鋼性能與以往SAPH400 典型性能及性能標準對比如表7 所示。

試驗鋼與以往SAPH400 對比，抗拉強度平均值降低43 MPa，屈服強度平均值降低39 MPa，延伸率平均值提高6%，在滿足SAPH400 性能要求的同時，實現了性能窄區間控制。

表7 試驗鋼與SAPH400 性能對比

5.3 成本對比

試驗鋼生產成本與SAPH400 對比如表8 所示。

表8 試驗鋼與以往SAPH400 成本對比 元/t

由表8 可知，試驗鋼成本比以往SAPH400 成本降低64.78 元/t，明顯降低了成本。采用新成分體系設計，配合熱軋工藝優化，通過層流冷卻工藝優化，采用“水代合金”的方法，不僅達到SAPH400 強度要求，同時降低了生產成本。

6 結語

1）采用新成分設計的SAPH400 汽車結構鋼，組織均勻，工藝可行，各項性能指標完全滿足技術標準要求。

2）通過重新設計煉鋼成分，降低Mn 含量；軋鋼過程中利用控軋控冷工藝，合理設計熱軋溫度制度及冷卻策略，提高熱卷強度，彌補由于成分降低影響的強度損失，達到SAPH400 標準要求。利用此種“水代合金”技術，在滿足汽車結構鋼SAPH400 的性能要求的同時，降低生產工藝成本，提高產品效益。