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馬鋼高強(qiáng)汽車大梁鋼板的開發(fā)與應(yīng)用

發(fā)布人:上海艾荔艾金屬材料有限公司www.85978597.cn 更新時(shí)間:2015-12-29
基于馬鋼熱連軋線,通過不同的成分設(shè)計(jì)和控軋控冷工藝,開發(fā)出大梁鋼系列、冷成形高屈服系列、細(xì)晶粒鋼系列等三個(gè)系列的高強(qiáng)汽車大梁鋼板,產(chǎn)品具有良好的力學(xué)性能、焊接性能、疲勞性能和冷加工性能,已成功在國(guó)內(nèi)汽車主機(jī)廠得到大規(guī)模應(yīng)用。
基于馬鋼熱連軋線,通過不同的成分設(shè)計(jì)和控軋控冷工藝,開發(fā)出大梁鋼系列、冷成形高屈服系列、細(xì)晶粒鋼系列等三個(gè)系列的高強(qiáng)汽車大梁鋼板,產(chǎn)品具有良好的力學(xué)性能、焊接性能、疲勞性能和冷加工性能,已成功在國(guó)內(nèi)汽車主機(jī)廠得到大規(guī)模應(yīng)用。
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汽車底盤是汽車重要的結(jié)構(gòu)件,汽車底盤上縱梁、橫梁、懸置梁、前后橋等零件都采用汽車大梁鋼來制造。隨著國(guó)內(nèi)重型汽車工業(yè)的快速發(fā)展,各汽車生產(chǎn)廠對(duì)車架的服役要求更加苛刻,不僅要求汽車大梁用鋼具有更高的強(qiáng)度,而且還需要良好的塑性、韌性及冷彎性能。
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目前,國(guó)內(nèi)各大鋼廠都開發(fā)了不同強(qiáng)度級(jí)別的汽車大梁鋼板,并向更高強(qiáng)度方向發(fā)展。采用高強(qiáng)汽車梁可以提高安全性,延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命,降低生產(chǎn)成本,減輕汽車自重,增加汽車的有效載荷,有利于節(jié)約資源和環(huán)保。
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鋼鐵材料的高強(qiáng)度化是保證汽車輕量化和安全性的有效手段,豐田汽車公司的研究表明,汽車用鋼的強(qiáng)度由440MPa提升至590MPa時(shí),部件的重量可減輕約15%;如果進(jìn)一步提升至780MPa,則部件的重量可減輕約30%,達(dá)到減輕汽車重量和節(jié)能減排的目標(biāo)。
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近年來,馬鋼作為較早開發(fā)生產(chǎn)汽車板的鋼鐵企業(yè),根據(jù)汽車工業(yè)對(duì)汽車大梁鋼板的技術(shù)要求,充分利用產(chǎn)線特點(diǎn),在碳錳鋼基礎(chǔ)上,通過Nb、Ti微合金化,結(jié)合控軋控冷工藝,利用細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀析出等強(qiáng)化機(jī)制,開發(fā)出大梁鋼系列、冷成形高屈服系列、細(xì)晶粒鋼系列等三種系列高強(qiáng)汽車大梁鋼板,并成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)眾多汽車生產(chǎn)廠家。
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1主要設(shè)備及生產(chǎn)工藝
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1.1生產(chǎn)設(shè)備
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馬鋼生產(chǎn)汽車大梁鋼板的主要配套設(shè)備有300t轉(zhuǎn)爐3座,LF爐2座,RH爐2座,板坯連鑄機(jī)(2流)3臺(tái),步進(jìn)梁式加熱爐3座,7機(jī)架2250精軋機(jī)組1條,1580精軋機(jī)組1條,以及相應(yīng)自動(dòng)化控制設(shè)備??傮w裝備處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平,為生產(chǎn)高潔凈鋼水和高品質(zhì)汽車板提供了技術(shù)保證。
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1.2生產(chǎn)工藝
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馬鋼汽車大梁鋼板采用以下生產(chǎn)工藝流程:鐵水→鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→合金微調(diào)站→LF→連鑄→熱連軋→層流冷卻→卷取。
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冶煉采用優(yōu)質(zhì)廢鋼和精煉處理,精確控制鋼水成分和夾雜物水平;全程保護(hù)澆鑄并嚴(yán)格控制鋼水的過熱度,以抑制柱狀晶生長(zhǎng),避免形成中心疏松、加重中心偏析及產(chǎn)生帶狀組織。
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在熱軋帶鋼軋制時(shí),加熱溫度、卷取溫度對(duì)性能的影響很大,為了獲得良好的機(jī)械性能,連鑄坯冷料加熱溫度為1200℃左右,控制加熱時(shí)間,以確保微合金碳、氮化物完全溶解于奧氏體中,以便最大程度地利用碳、氮化物在鐵素體中的析出強(qiáng)化作用。
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粗軋最后道次的軋制溫度應(yīng)控制在1050℃以上,避免奧氏體發(fā)生部分再結(jié)晶,導(dǎo)致成品晶粒不均,產(chǎn)生混晶現(xiàn)象,降低鋼板性能。由于低溫軋制會(huì)使鋼的帶狀組織嚴(yán)重,同時(shí)溫度降低時(shí),MnS比鋼更具有可塑性,易延伸成條帶狀,對(duì)冷彎性能不利,因此,為避免過分的低溫軋制,將終軋溫度控制在850℃左右。軋后采用前段冷卻方式,軋件經(jīng)層流冷卻段的強(qiáng)力冷卻,很快發(fā)生相變,鐵素體在奧氏體晶界和晶粒內(nèi)部大量形核,從而得到非常均勻、細(xì)小的組織。
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2產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品性能
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2.1產(chǎn)品設(shè)計(jì)
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馬鋼大梁鋼系列、冷成形高屈服系列、細(xì)晶粒鋼系列等三種系列高強(qiáng)汽車大梁鋼板的成分設(shè)計(jì)思路是在碳錳鋼基礎(chǔ)上,添加0.02%-0.05%Nb、0.010%-0.030%Ti微合金元素,通過微合金元素與板材控軋控冷技術(shù)的結(jié)合,控制微合金元素的析出行為,以細(xì)化晶粒、提高大梁鋼的強(qiáng)韌性和獲得良好的成形性及焊接性,并在保證良好綜合性能的同時(shí),進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。
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Nb在控制的大梁鋼中對(duì)細(xì)化晶粒有明顯效果,其在鋼中以置換溶質(zhì)原子存在,Nb原子比鐵原子尺寸大,易在位錯(cuò)線上偏聚,通過在固溶體中的溶質(zhì)拖拽作用、細(xì)小析出物在γ晶界的釘扎作用和在變形晶粒內(nèi)的位錯(cuò)排列作用來抑制奧氏體再結(jié)晶,得到細(xì)小的晶粒尺寸, Nb的這種作用高于Ti和V;Nb在鋼中形成細(xì)小Nb(C,N),在細(xì)化晶粒同時(shí)具有很強(qiáng)的析出強(qiáng)化作用,通過相間析出效應(yīng)來控制軋制大梁鋼,能夠滿足此鋼的強(qiáng)韌性要求。
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Nb在大梁鋼中的特點(diǎn)就是提高奧氏體的再結(jié)晶溫度,從而達(dá)到細(xì)化奧氏體晶粒的目的。一般鋼中Nb的加入量在0.03%-0.06%,過高的Nb對(duì)強(qiáng)韌化的貢獻(xiàn)將不再明顯。微量的Nb可使鋼得到極好的綜合性能,因?yàn)樵诘蚇b濃度下,鋼的屈服強(qiáng)度增長(zhǎng)較快,并且和濃度成正比,但當(dāng)Nb含量大于0.03%時(shí),強(qiáng)化效果就開始降低,有研究表明,當(dāng)Nb含量大于0.06%時(shí),多余的Nb對(duì)鋼將不再有強(qiáng)化作用。
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大量的生產(chǎn)實(shí)踐及試驗(yàn)結(jié)果表明,影響汽車大梁鋼板冷成形性能的關(guān)鍵因素在于鋼中長(zhǎng)條形的MnS夾雜物,這些沿軋制方向排列的MnS夾雜物最影響鋼板的橫向冷彎性能,使鋼板各向性能差異增大,冷彎時(shí)容易導(dǎo)致開裂。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夾雜中的元素Mn,使長(zhǎng)條狀MnS變成球狀復(fù)合夾雜物,從而改變了夾雜物本身的塑性,形成具有一定硬度的球形夾雜,即使材料經(jīng)大變形量加工,MnS依舊保持原有形狀,從而改善鋼的性能。此外,Ti的添加也控制了夾雜物的大小,細(xì)小的夾雜對(duì)改善鋼的性能起著重要的作用。
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另外,Ti 可以與C或N在鋼水中形成細(xì)小彌散的第二相質(zhì)點(diǎn)(TiC,Ti(CN)),這些細(xì)小彌散的質(zhì)點(diǎn)在加熱階段充分固溶為奧氏體后,會(huì)產(chǎn)生以下現(xiàn)象:
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①在精軋階段的高速變形時(shí),可以應(yīng)變誘導(dǎo)析出這些細(xì)小彌散的質(zhì)點(diǎn),并且無論是固溶在奧氏體中的Ti,還是應(yīng)變誘導(dǎo)析出的TiC和Ti(CN)質(zhì)點(diǎn),均能延遲奧氏體再結(jié)晶,并且阻止再結(jié)晶后奧氏體晶粒的長(zhǎng)大,即存在細(xì)化晶粒的效果;
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②在軋后冷卻的相變過程中,TiC和Ti(CN)在晶界上析出,釘扎晶界,阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),同時(shí)呈現(xiàn)細(xì)化晶粒的效果。
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從①、②兩點(diǎn)分析,細(xì)顆粒TiC的彌散析出是提高控軋控冷低合金高強(qiáng)度鋼強(qiáng)度的重要因素,鋼水中形成細(xì)小彌散的第二相質(zhì)點(diǎn)TiC和Ti(CN)對(duì)保證鋼的力學(xué)性能要求起著積極的作用。表1為典型汽車大梁鋼化學(xué)成分。
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2.2產(chǎn)品組織性能
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2.2.1力學(xué)性能
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三種系列不同強(qiáng)度級(jí)別典型汽車大梁鋼板的多次力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果表明,各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)良好,見表2。
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2.2.2顯微組織
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以M 5 1 0 L、S 7 0 0 M C、QSTE420TM為例,剪取厚度分別為8.0mm、7.0mm、4.5mm鋼板做顯微組織和夾雜物分析。
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結(jié)果表明,汽車大梁鋼組織主要由多邊形鐵素體和珠光體組成,其中較細(xì)的多邊形鐵素體可以改善鋼的強(qiáng)度和韌性,夾雜物控制良好,這種組織與夾雜物控制對(duì)改善鋼帶的冷成形性能,提高鋼的橫向沖擊韌性,降低脆性轉(zhuǎn)變溫度都極為有利。
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2.2.3 沖擊性能
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以M510L為例,取5.5mm、7.0mm、10.0mm厚度的大梁鋼板進(jìn)行室溫至-40℃的沖擊試驗(yàn),試樣尺寸5mm×10mm×55mm,開V型缺口。結(jié)果顯示,M510L韌脆性轉(zhuǎn)變溫度較低,用此材料制造的汽車零件可在較惡劣的環(huán)境下安全運(yùn)行。
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2.2.4 焊接性能
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為了評(píng)價(jià)汽車大梁鋼板焊接性能的變化情況,進(jìn)行了焊接性能試驗(yàn)。以8.0mm厚M590L為例。試驗(yàn)結(jié)果顯示,焊后橫、縱向抗拉強(qiáng)度、n值與母材一致,
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說明焊接后沒有出現(xiàn)軟化現(xiàn)象;焊后仍有較高的延伸率,焊接性能良好。
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3實(shí)際應(yīng)用狀況
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近年來,馬鋼開發(fā)的三種系列汽車大梁鋼板生產(chǎn)量達(dá)到43萬噸(見圖1);應(yīng)用于國(guó)內(nèi)部分汽車制造和汽車配件廠,如江淮、奇瑞、江鈴、華菱星馬、陜汽、上汽依維柯紅巖等,并得到廠家的普遍認(rèn)同,給企業(yè)帶來顯著經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。
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根據(jù)生產(chǎn)工藝特點(diǎn)和產(chǎn)品性能要求,馬鋼通過不同的成分設(shè)計(jì)和TMCP工藝,開發(fā)了三種系列不同強(qiáng)度級(jí)別的汽車大梁鋼。產(chǎn)品具有優(yōu)良的機(jī)械性能、成形性能、焊接性能、疲勞性能、低溫脆性、沖擊性能,可滿足各種載重車和輕型汽車對(duì)大梁鋼板的技術(shù)要求。
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