钛强化510MPa级汽车大梁钢的试制

钛强化510MPa级汽车大梁钢的试制

徐栋

【摘要】通过研究钛对钢材性能的影响,对510MPa级汽车大梁钢进行了成分优化设计,针对装备特点制定了冶炼、精炼、连铸及轧制工艺方案.试验结果显示,钛微合金化生产510MPa级汽车大梁钢的钢材组织主要由铁素体+珠光体组成.与铌钛复合强化相比,钢材的屈强比降低,断后伸长率显著提高,各项性能稳定,完全满足国标和用户协议要求,且具有显著的低成本优势.

【期刊名称】《新疆钢铁》

【年(卷),期】2018(000)002

【总页数】4页(P6-9)

【关键词】大梁钢;钛合金;铌钛合金;析出强化

【作者】徐栋

【作者单位】宝钢集团八钢公司制造管理部

【正文语种】中文

【中图分类】TF762+.1

1 前言

在国内外汽车生产厂普遍追求降低成本、减轻车体自重、减少油耗的同时,保证安全性的背景下,高强度、高质量汽车大梁钢在汽车上得到越来越多的应用。近年来,以降低成本、提高性能、节约资源为目的减量化钢材生产工艺技术越来越引起人们

的重视,低成本高性能结构钢得到越来越广泛的应用。八钢公司生产的抗拉强度

510MPa级汽车大梁钢以Nb、Ti复合微合金强化的材料为主。铌钛强化的该类钢材有时会出现钢板的屈强比高，断后延伸率显著偏低的问题。为了提高钢材的综合力学性能，以钛合金钢为研究对象,在八钢1750热连轧生产线进行抗拉强度

510MPa级汽车梁钢的工业试验,文章分析了钛元素的强化机理以及对钢材组织与

性能的影响。

2 510MPa级汽车大梁钢成分设计分析

2.1 微合金元素在钢中的强化机理

（1）Nb在钢中的强化机理：铌更适用于低碳热轧板带。因为Nb(C,N)比NbC

更易于在奥氏体区析出，氮含量将控制的尽可能低。

（2）V在钢中的强化机理：钒以碳化物、氮化物和碳氮化物形式析出，其中最有

效的是VN。对于给定的微合金化元素，氮化物更稳定，即微粒不易粗化长大，这对钒的强化尤其显著。

(3)Ti在钢中的强化机理：钛析出强化更具有吸引力。但由于钛比较活跃，易于与氧、氮和硫结合，只有剩余的有效Ti才能以TiC析出，显著提高强度。由于钛是

极活泼的金属元素，钛还能与铁和碳生成难溶的碳化物质点，富集于钢的晶界处，阻止钢的晶粒粗化，钛能溶入γ和α相中，形成固溶体，使钢产生强化。在奥氏

体中析出的TiN粒子由于Ostwald熟化而长大，粒子粗化动力学可由Wagner等式来描述[1]

式中：1为时间粒子的半径m；。为初始粒子半径；是粒子与机体界面能，J/m2；为奥氏体基体中控制性元素（钛）的扩散速率；c（n）为集体中钛的浓度；为粒

子的摩尔体积，m3/mol，为气体常数，J/mol.；为绝对温度，K。

式（1）表明钛加入量过多，在钢中容易形成粗大的Ti（C,N）夹杂，降低钢的韧

性。因此，在保证钢材拉伸性能的前提下，尽可能控制钢中钛的加入量。这样既能达到细晶强化或沉淀强化的目的，又能降低钢中的夹杂物含量及尺寸，提高钢材质量，还可以降低制造成本。

2.2 成分设计

C是钢中低成本的性能强化元素，钢的强度随碳含量的增加而提高，降低锰含量后适当提高碳、钛在钢中的含量，钢材的屈强比可显著降低、断后伸长率显著提高，可显著提高板材的塑性和冷加工性能。Mn可以改变钢相变后的微观组织，提高韧性、降低韧脆转变温度，但锰质量分数过高会引起连铸板坯中心偏析过重，影响轧后钢材的带状组织和各向异性。因此，锰质量分数应该较原来铌强化B510L大梁钢设计降低。

Ti是强碳化物形成元素，它与O、N、C都有极强的亲和力。另外，钛与硫的亲和力大于铁与硫的亲和力，在含钛钢中优先生成硫化钛。由于钛在未溶入之前，碳化钛微粒有阻止晶粒长大的作用。钛也是强铁氧体形成元素之一，强烈地提高了钢的A1和A3温度。钛在低合金钢中能提高塑性和韧性。由于钛固定了氮并形成碳化钛或碳氮化钛，提高了钢的强度。为了有效防止钛铁加入钢水中氧化和生成钛的硫化物，提高钛的收得率，确定钛铁加入钢水的时机在LF深脱硫、深脱氧后的LF 精炼末期加入。

Ti与碳形成的碳化物结合力极强、极稳定、不易分解，只有当加热温度达1000℃以上时，才开始缓慢地溶入固溶体中，在未溶入前，TiN微粒有阻止钢晶粒长大的作用。铌、钒、铝、钛的碳氮化物在钢中的溶解及奥氏体晶粒长大见图1和图2。钢中高的氮含量容易生产钛的碳氮化物复合夹杂，影响钢材的各项性能。因此，确定钢水氮含量控制在0.0040%～0.0065%。

图1 铌、钒、铝、钛的碳氮化物在钢中的溶解

图2 不同微合金化元素对晶粒长大的影响随温度的变化

采用碳、锰及铌元素强化汽车大梁钢具有高的强度及耐疲劳性能，但断后延伸率余量不足。为了提高该钢的塑性和低温热性，研究钛强化对性能的影响。不同钛含量对钢材性能的影响见图3。

图3 不同钛含量对钢材性能的影响

综合考虑钢材性能、成本的基础上，试验钢的成分设计锰含量目标值由初始1.20%降低到0.90%以下，钛含量目标值由初始的0.03%提高到0.050%以上，其它元

素与铌、钛复合强化的B510L成分设计相同。

文献显示钛的强化机理 [1]，钢中钛含量小于0.08%时主要是细晶强化，大于0.08%固溶强化起主要作用。轧制中形变诱导析出的碳化钛可通过阻止奥氏体晶粒长大而细化铁素体晶粒，而冷却和卷取过程中析出的碳化钛具有较强的沉淀强化作用。为了保证碳化钛在层冷过程的细小弥散析出，要求高钛钢板坯在加热过程要充分固溶。

2.3 钛强化的工艺路径和关键控制点

工艺路线:高炉铁水脱硫预处理→120t转炉冶炼(炉后脱氧)→LF精炼(钛合金化、吹氩、喂硅钙夹芯线)→连铸220mm板坯→热连轧→卷取→检验。

钢板中的碳和铌含量是提高钢板强度、韧性以及可焊接性的主要因素。因此，在产品设计上，结合八钢的设备状况，确定了510MPa汽车大梁钢开发的控制要点。（1）采用低碳量，提高产品的韧性，使其具备良好的焊接性能。

（2）钛微合金化，细化钢的晶粒，提高产品的强度和韧性。

（3）LF采用造泡沫渣埋弧操作，深脱硫、去除夹杂，精炼结束喂钙线或硅钙夹芯线。

（4）钙处理后对钢包钢水底吹氩弱搅拌，促使夹杂物上浮去除、改变夹杂形态。（5）连铸采用保护浇铸，防止钢水二次氧化，控制TiO2、Al2O3在连铸过程再

生成。

3 试验过程分析