热轧高强度低合金带钢在汽车和建筑领域的应用

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1、热轧高强度低合金带钢在汽车和建筑领域的应用热轧高强度低合金带钢在汽车和建筑领域的应用 Jitendra Patel，Christan Klinkergerg，Klaus Hulka （铌制品公司 德国-40210，杜塞尔多夫，SteinStr.28） 摘要：摘要：高强度低合金钢（HSLA）与低碳钢相比在降低重量和节约成本方面具有优越性。因此，它们被广泛地应用于汽车和建筑领域。热轧带钢轧机典型的热轧厚度规格约为 210mm。在热带钢轧机上进行热机械轧制特别有利于材料强度的最大化。在精轧机组典型轧制温度下，铌微合金钢中会自然出现引起晶粒细化的再结晶延迟。高的变形速度和短的道次时间间隔，允许残存在固

2、溶体中的总铌含量约为 50%，因此除了在加速冷却过程中会延迟转变之外，还有助于晶粒细化，并允许带卷存在额外的沉淀强化。因为最终成品通常要进行冷加工成型，所需的延展性要通过生产低碳（小于0.08%）和低硫(小于 0.005%)钢来获得，包括硫化物的形状控制。通过添加微合金和其它合金元素，最小屈服强度可达到 690MPa（钢级 100）的 HSLA 带钢已被广泛应用，甚至替代了传统的淬火和回火钢。所有这些当代钢种都是以铌作为首选的微合金元素。在热带钢轧机上进行（半）连续轧制需要特定的努力确保热轧板卷在整个宽度和长度上高的性能均匀性要求。因此，下面将对工艺参数及其对最终性能的影响进行详细的分析。 1

3、 引言 1 引言 从 20 年前的铌81 会议以来，热带钢轧机（HSM）和其相关产品已得到了显著提高。特别是高强度低合金钢（HSLA 钢）在汽车和建筑领域的增长和应用十分显著。这一点更突出体现在现代汽车所采用的近十年来所开发的钢种上。 表 1 给出了二十世纪 70 年代以来所采用的典型工业用 HSLA带钢的品种。 微合金化 HSLA 钢目前已成功地应用在汽车和建筑领域。在这二者之中，不容置疑地是汽车领域，它已经是最高效益的增长。然而，必须注意到这两个领域对钢材及其生产商提供的产品在质量和材料性能方面持续不断的高需求。而现在与那时相比，热轧高强度钢的应用一方面允许降低大型部件的厚度，但另一方面不

4、允许损害材料的性能。此外，考虑降低成本不仅要考虑到降低重量，而且要从材料的来料到最终成品部件生产的整个工艺路线来考虑。这点可见图 11，为汽车和建筑领域应用的例子。 本论文目的是概括一些用于汽车和建筑领域的热轧带钢的主要阶段并列举它们的一些应用实例。尤其是给出在热带钢轧机（HSM）上的轧制条件与钢的化学成分，物理冶金性能及主要加工工序之间存在的相关关系。尽管现代热带钢轧机能轧制和卷取厚度规格可达到 25mm，而在本论文中将只讨论 210 mm 厚的带钢，这个范围是正在探讨的典型应用。然而值得注意的是，虽然许多热带钢轧机也能轧比 1.8 mm 更薄的厚度规格，但更厚的规格（10mm）最好用厚板轧

5、机生产。 1表 1 HSLA 带钢的典型化学成分（%） 最小屈服强度 （MPa） C Mn Si S Nb Ti V MoB 备注 380 0.07 0.60 0.25 0.005- 0.10- - - 二十世纪 70 年代 380 0.07 0.60 0.25 0.0050.03- - - - 二十世纪 80 年代 以来的典型 500 0.07 1.10 0.25 0.005- 0.15- - - 二十世纪 70 年代 500 0.07 1.10 0.25 0.0050.020.08- - - 二十世纪 80 年代 500 0.07 1.10 0.25 0.0050.04- 0.04- -

6、二十世纪 90 年代 以来的典型 500 0.07 1.10 0.25 0.0050.07- - - - 可选择方案 690 0.07 1.30 0.25 0.0050.050.12- - 0.0025 二十世纪 80 年代 以来的典型 690 0.04 1.80 0.25 0.0050.060.12- 0.300.0020 可选择方案 (f)(b)(c)(e)(d) (a) 图 1 热带钢应用于汽车和建筑领域 （a）客车车轮； （b）高标准框架； （c）各种断面形状的汽车部件； （d）半牵引臂； （e）卡车底盘框架； （f）风力发电机桅杆 2对于汽车和重载运输领域，这类钢主要用于车身底板，它

7、们需要良好的冲压成型性能和延展性以及令人满意的表面外观，尽管在大多数情况下被隐藏起来了。另外，为了开发满足用户需求的钢种，当今带钢生产厂面临的另一个挑战是生产具有最佳机械性能的热轧带卷来满足最终用途的要求（如适应用途） ，同时要使轧制作业中断或成本增长最小化。热轧带钢是一紧凑型工艺，而轧制普碳钢是一个简单的任务，成功地轧制高强度微合金钢种多少有点不同的挑战。因此，对于开发和引入像激光焊接和管液压成形这样的当代生产技术时，这就有一个明显的需求，即要求带钢生产厂提供具有均匀性能的热轧带卷。该均匀性能要求不仅针对带卷长度方向，同时对整个带卷的宽度方向以及卷与卷之间也应全部如此。 2 应用、性能要求及

8、合金概念 2 应用、性能要求及合金概念 图 2 显微组织与性能之间的关系 F=铁素体；P=珠光体；B=贝氏体；M=马氏体；R=残余奥氏体；Ppt=析出 如前文所述，任何材料都是在适合用途的基础上选用的。钢种选用的主要因素有：屈服强度，3抗拉强度， （均匀）延伸率，低温冲击韧性，加工硬化，扩孔率，疲劳性能和可焊性。现在依赖于各种显微组织的结合，可以进行不同钢种的选择，典型的 HSLA 带钢呈现出细晶铁素体加珠光体，同时伴有铁素体基体沉淀强化。 图 22概括了所选用的高强度带钢显微组织相与机械性能之间的一些关系，可以看出，对于每个性能组合都有一个最佳的方案，而且特别是考虑其具有的更简易的加工路线时

9、，传统的 HSLA 带钢仍然保持其相应的地位。 与低碳钢相比，将主要驱动力施加给更高强度钢具有节约重量的可能性，这样不仅降低了制造成本，而且如果用于汽车还节约燃料。图 33示出了当屈服强度成倍增加时，在拉应力下可以减重高达 50%。当施加拉应力或弯曲力时，重量节省稍有下降，但仍值得关注。 图 3 当取代屈服强度为 200MPa 的钢时潜在的重量节省 对于汽车制造厂来说，将大量的冷成型高强度钢主要用于像悬臂，十字型横梁管及纵梁等底盘零部件。此外，还有一些钢种广泛应用于车轮，因而使得扩孔率和疲劳性能成为一个重要因素4，而具有最小屈服强度为 690MPa 的 HSLA 带钢一般广泛地应用于汽车吊，取

10、代了传统的淬火和回火钢。尽管韧性要求对于厚的 HSLA 板（即梁，厚板和管线板）来说是一个先决条件，但对于薄板产品来说通常它不是一个主要条件。但是不容忽视的是，在一些寒冷气候的国家中，汽车及卡车可能会长期在零度以下环境下工作，平均气温在零下 30也是正常的。 良好的韧性可以通过晶粒细化（Hall-Petch 关系式）来获得，并减少第二相的显微要素。此外，在随后的压下也改善了冷成型性。图 45示出了硫含量的降低明显改善了均匀延伸，而良好的均匀延伸直接等同于良好的冷成型性能。硫的存在将导致 MnS 夹杂的形成，在热轧时它也将一同延伸。大量的 MnS 夹杂（也包括铝颗粒-Al2O3）存在将导致部件在

11、加工成型时出现裂纹或裂缝，特别是当弯曲轴平行于轧制方向时由于在颗粒-基体界面处产生的空穴。为了在最终成品中保持夹杂物的原始球状形状，可以添加如 Ca 这类元素，这有助于在高温下形成降低了塑性的硫化物并允许球状夹杂，这样明显不易于空穴成核。 4图 4：硫化物对均匀延伸率的影响 图 5：HSLA 带钢在过去几十年中硫的控制原理 无论如何，炼钢生产应进行低硫操作，通过采用包括铁水脱硫和钢包精炼在内的现代化炼钢设备，图 56示出的是低硫钢正常生产的情况。采用这样的钢水脱硫工艺方法，通过 Ca 来控制硫化物的形状控制也是自然的：因此历史上添加 Ti 的方法是起微合金元素的作用并确保一定的硫化物形状控制，

12、一直以来实际上并无明显作用。 然而，如图 65所示，不仅是对延展性有害的非金属夹杂物的数量，而且有较高比例的珠光体存在也会限制韧性。因此，低硫低碳钢是当代 HSLA 带钢开发的先决条件。 当今，大多数 HSLA 带钢是由连铸坯经热轧而成的。表 1 所列的是可以生产类似最终强度产品的化学成分范围（7-12）及钢种只是可能的例子。这个变化的部分原因是由于客户的专门需求，而另一部分原因是与相应的热带钢轧机的能力有关。但是实际应用的所有钢种是根据低 C-Mn-Al 原理设计的。相对低的碳含量可以获得良好的延展性和焊接性。锰作为固溶强化元素同时还可降低奥氏体-铁素体相变温度（ Ar3） 。然而，锰含量作

13、为固溶元素通常限制在小于 1.80(重量)%的水平上。在5这类钢中主要采用的微合金元素是 Nb。 Nb 添加 0.06-0.07(重量)%时将使钢的屈服强度达到 500MPa。尽管如此，必须注意到的是对于大于 6mm 的较厚带钢为保证其 500MPa 的屈服强度，Nb 通常是作为 V 元素的辅助元素添加。然而，采用 Nb 作为第一选择的添加元素是由于它能起到细化晶粒的作用，即众所周知的既可以增加强度又可以提高韧性。这是由于在奥氏体再结晶时，Nb 对有效地提高其终止温度的作用远远大于其它微合金元素13。此外，下文将论述 Nb 通过二次沉淀强化来进一步提高其强度。 图 6：碳化物对均延伸率的影响

14、图 7：添加合金元素对低碳热带钢的影响 对于 420MPa 以上的强度，辅助添加 V 并通过在铁素体基体中增加二次沉淀强化也能满足强度要求。 可供选择的办法， 也可以选择添加 Ti 形成 TiC 颗粒析出。 然而， 通常添加少量的小于 0.020(重量)%的 Ti，其目的是析出有利于焊接热影响区（HAZ）的细 TiC 颗粒。其次，钛与氮结合通过避免6Nb（CN）的形成增加并促进 NbC 的形成，会使得 Nb 作用更大，这样进一步增加了钢的强度。图714概述了三种通用微合金元素 Nb、Ti、V 在不同的脆性转变温度下对强度及延展性的影响。可以看到，Nb 呈现出最强的效果。为了将低碳钢的屈服强度提

15、高 150MPa，可以只添加一种合金元素，比如需要添加 0.03%Nb，或 0.08%V，或 0.10Ti%。 每种合金元素的作用不同，因此它们的应用取决于适宜的工艺路线和最终产品，这点是很重要的。对于常规的热带钢轧制，Nb 主要起晶粒细化作用，V 主要是作为沉淀强化剂，而 Ti 的作用介于二者之间。因此，Nb 在开发高强度以及提高韧性方面具有双重作用。 从历史上看，HSLA 带钢中占很大比例的生产大量采用 Ti，这主要是因为 Ti 在高温下形成硫化物并通过硫化物形状控制来改善延性。然而，随着改善炼钢生产操作而使硫含量进一步降低，Ti 的作用降为其次了。另外，当采用 Ti 作为主要合金元素时，

16、对其机械性能进行了大量的观察。图 815，16示出了 Ti 微合金化 70 钢级（500MPa 屈服强度）的生产数据，确认早期数据17显示终轧温度与910目标值的偏差为30，而在卷取温度下（目标值 700）所产生的屈服强度波动范围为500700MPa。当严格限制加工温度在15偏差范围内，屈服强度波动范围为 100MPa。因此，Ti具有很强与 O、N 和 S 形成化合物的能力，在形成钛的碳化合物之前，它对奥氏体化和沉淀强化的影响是有限的。 图 8 生产 70 钢级（Re min=500MPa）的 HSLA 热带钢的不同微合金设计及相关屈服 强度范围的最终性能和热影响区韧性。基本化学成分：0.07%C，1.10%Mn。 图 9 示出了在精轧机组上进行奥氏体加工时需添加约 0.20%的 Ti18。因此，对典型的 Ti 标准应在 0.02%0.15%范围内，奥氏体的状态及 Ti 固溶的数量不能确定并且很大程度上取决于变形速率7和变形温度。所以，通过沉淀强化来增加钢的强度的潜力很难确定，并在很大程度上取决于