CN101701316B - 抗拉强度590MPa级汽车大梁用钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗拉强度590MPa级汽车大梁用钢及其制造方法。该钢各成分的重量百分比为：C：0.07～0.13、Si：0.10～0.30、Mn：1.30～1.60、P≤0.025、S≤0.008、Al：0.015～0.070、Nb：0.025～0.050、Ti：0.020～0.040，余量为Fe及不可避免的杂质。其制造方法包括：铁水脱硫、转炉冶炼、合金化处理、真空处理、连铸、热连轧、层流冷却、卷取、精整的工艺步骤。经实践证明，本发明汽车大梁用钢的化学成分和机械性能稳定，冷成形性能和表面质量好，完全满足载重汽车和大型客货车新型车架结构的制造要求。
Description
技术领域
本发明涉及汽车用钢材，具体地指一种抗拉强度590MPa级汽车大梁用钢及其制造方法。
背景技术
载重汽车和大型客货车底盘的车架是采用汽车大梁用钢来制作，其车架组成分为大梁(即纵梁)、衬梁、横梁、加强件以及加强板等，各零部件是采用冷冲压成形或滚压成形方式，且其装配主要采用铆接方式。汽车大梁是汽车的承重件，也是汽车行驶过程中的安全件。载重汽车和大型客货车大梁一般采用6～12mm的热轧钢板制造。随着我国汽车工业以及交通、运输业的飞速发展，大吨位载重汽车和大型豪华客车需求量不断增加，为了减轻汽车自重，达到节约能源、减轻环境污染并提高运载效率的目的，提高钢板强度是实现汽车轻量化的重要手段和方法。在国内外，现阶段多是采用添加一定量的微合金化元素(Nb、V、Ti)来提高钢板的强度。大梁钢作为大型客货车的安全承载件，对其强度和成形性等方面有很高的要求，国内各大钢厂均已开展了相关的技术研究工作。但是，各大钢厂在开发生产大梁钢时，其采用的合金元素、添加量及生产工艺都不尽相同，这也和各大钢厂的生产装备、工艺技术和原材料等有关。目前，抗拉强度510MPa级大梁钢的生产技术已相当成熟，应用非常广泛，相关的研究报道也很多，但是，抗拉强度590MPa级大梁钢的研究报道相对较少。
在大型载重车车架设计中，为了提高车架总成的承载能力，在采用抗拉强度为510MPa级的大梁钢设计制作时，车架纵梁除采用内加强板外(衬梁)，还增加了外上和外下加强板的加强结构。而现在，当采用抗拉强度为590MPa级的大梁钢后，在车架总成设计中取消了外上和外下加强板，进一步减轻了车架总成的重量，提高了大型货车的承载能力。
国内各汽车制造企业对590MPa级汽车大梁用钢的性能要求是：下屈服强度ReL≥450MPa；抗拉强度Rm≥590MPa；伸长率A≥20％；宽冷弯(b＝35mm)性能良好(d＝1a)。为了达到该性能要求，钢材生产企业面临急需解决的技术问题是：(1)在钢种的化学成分设计中，既要保证热轧钢板的高强度，又要保证钢板具有较高的拉延性能和良好的低温韧性；(2)在冶炼工艺设计上，从保证钢质和提高钢的纯净度入手，并进一步降低钢中硫含量，确定出合理的脱氧合金化顺序及炉外精炼工艺；(3)在热连轧工艺设计上，要充分发挥出所加入微合金化元素的作用，确定出合理的控制轧制和控制冷却工艺，确保成品钢板的优异综合机械性能匹配；(4)要确保冲压件的装配性能，钢板要具有高的尺寸精度和表面质量，以及制造过程中零件的形状保持性良好。
发明内容
本发明的目的是针对我国汽车大梁用钢的性能要求，开发出一种抗拉强度590MPa级汽车大梁用钢及其制造方法。该钢具有很高的强度、良好的塑性和低温韧性、优良的冷冲压和滚压成型以及疲劳性能、高的尺寸精度和表面质量。
为实现上述目的，本发明所设计的抗拉强度590MPa级汽车大梁用钢，其化学成分按重量百分数计为：C：0.07～0.13、Si：0.10～0.30、Mn：1.30～1.60、P≤0.025、S≤0.008、Al：0.015～0.070、Nb：0.025～0.050、Ti：0.020～0.040，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明的抗拉强度590MPa级汽车大梁用钢制造工艺流程包括：铁水脱硫、转炉冶炼、合金化处理、真空处理、连铸、热连轧、层流冷却、卷取、精整的步骤，其中：
所述合金化处理时依次加入硅钡钙铝铁、硅铁、锰铁、铌铁，使钢中相应的成分达到本发明钢的要求；
所述真空处理时加入钛铁，使Ti的成分达到本发明钢的要求；
所述热连轧时，板坯加热温度控制在1180～1220℃，粗轧结束温度控制在1040～1080℃，精轧终轧温度控制在840～880℃；
所述层流冷却是采用前段层流冷却的方式；
所述卷取温度为580～620℃。
进一步的，所述层流冷却时冷却水的水温控制为10～35℃，控制冷却速度为20～50℃/s。
下面对本发明的热轧钢板的化学成分和制备工艺进行说明。
(1)化学成分
碳是廉价的固溶强化元素。如果其含量超过0.20％，则冲压成形性会降低；如果其含量小于0.07％，则不能满足材料对强度的要求，所以，本发明将其含量限定在0.07～0.13％范围。
硅是廉价而有效的钢液脱氧元素。是为了维持母材强度、进行预脱氧而添加的，如果其含量小于0.10％，则不能发挥其效果；如果其含量超过0.60％，则会恶化热轧钢板的表面质量，所以，将其含量限定在0.10～0.30％范围。
锰是提高强度和韧性最有效的元素，可改善钢的强度和延伸平衡性。但是添加多量的锰，会导致增加钢的淬透性，鉴于此，将其上限定为1.60％，所以，将其含量限定在1.30～1.60％范围。
磷是钢中的有害元素，易引起铸坯中心偏析，为了避免冷弯成形性能、韧性发生恶化，设定其含量上限为0.025％。
硫是非常有害的元素。钢中的硫常以锰的硫化物形态存在，这种硫化物夹杂对钢的冲击韧性是十分不利的，并造成性能的各向异性，因此，需将钢中硫含量控制得越低越好。基于对钢板冷弯成形工艺和制造成本的考虑，拟将钢中硫含量控制在0.008％以下。
铝是为了脱氧而添加的，当Als含量不足0.010％时，不能发挥其效果；另一方面，由于添加多量的铝容易形成氧化铝团块，所以，规定Als上限为0.070％。因此，Als含量限定在0.015～0.070％范围。
铌能在热机械加工中细化晶粒、降低奥氏体向铁素体的转变温度和析出强化，因此钢中添加微量合金元素铌能够便于控制轧制的进行，并提高钢板的强度和韧性。所以，综合钢板力学性能及成本等方面的考虑，将其含量限定在0.025～0.050％范围。
钛可细化晶粒和提高钢的强度与韧性，因为影响大梁钢冷弯性能的主要因素是硫化锰夹杂的形态和数量，对钢进行微钛处理，可以改变硫化物的形貌，显著提升钢板冷弯性能。当其含量不足0.005％时，不能发挥其效果；另一方面，加入的钛过多时，则会由于生成过剩的碳化钛而导致韧性恶化，所以规定其上限为0.040％。所以，将其含量限定在0.020～0.040％范围。
(2)制备工艺
按照铁水经脱硫、转炉冶炼后进行合金化处理，所述合金化处理是在转炉出钢1/3时依次加入硅钡钙铝铁、硅铁、锰铁、铌铁，出钢2/3时，加入完毕，真空处理时或钢包炉硅钙处理时加入钛铁。
采用连铸方法进行浇铸时，其板坯可采用冷送或热送的方式送到热轧厂，采用在线直接控制轧制和控制冷却工艺进行轧制。所述控制轧制和控制冷却是控制本发明钢的奥氏体晶粒长大与微合金碳(氮)化铌和碳(氮)化钛固溶；高温奥氏体临界变形与再结晶晶粒细化；形变诱导碳(氮)铌和碳(氮)化钛析出与提高再结晶温度；低温奥氏体变形叠加并使铁素体富化生核；动态Ar3变迁与双相区变形时亚晶及织构形成；微合金碳(氮)化合物弥散沉淀，最终使具有本发明化学成份的钢达到抗拉强度≥590MPa级汽车大梁用钢的要求，并获得优良的综合性能。采用控制轧制和控制冷却的优点是：大幅提高了钢板的性能合格率；简化生产工艺(取消常化处理)并节省了热能；充分发挥铌、钛元素在钢中的作用，合理利用了合金资源。
所述热连轧时，板坯加热温度控制在1180～1220℃，能使钢的奥氏体晶粒不明显长大，又保证钢中合金化合物的充分固溶。板坯出炉后，经SP除鳞、多道次粗轧，通过反复变形和再结晶，使奥氏体晶粒不断得到细化，这一过程中的温度消耗(过程温度)又必须要保证下一阶段(精轧阶段)的轧制温度，因此粗轧结束温度控制在1040～1080℃。进入精轧，随变形量的增加，铁素体晶粒变细，这时的变形温度对显微组织和机械性能的影响是比较轻微的，所提升的强度和优良的综合性能取决于铁素体晶粒大小和包括等轴晶粒及由铁素体晶粒变形而产生的亚结构，由此将终轧温度控制在840～880℃。
层流冷却除了影响相变温度和铁素体晶粒大小外，还能阻止相变前的奥氏体晶粒长大，因而对铁素体晶粒细化是有利的，同时也能控制沉淀强化的程度并产生轻度的位错强化。如果沉淀强化在快速冷却下完全被控制，那么，强化几乎是由超细的铁素体晶粒产生，这样强度和韧性能得到最好地结合。本发明钢层流冷却采用前段冷却方式，冷却水水温控制为10～35℃，冷却速度控制为20～50℃/s除了考虑上述因素外，还与卷取温度为580～620℃紧密联系，控制冷却方式、水温和速度必须考虑带钢的卷取温度。卷取温度直接影响钢的性能，卷取温度太高会使铁素体晶粒长大。加入微合金化元素能防止晶粒长大，但卷取温度也不应高得使沉淀过失效。卷取温度太低，会由于快速冷却而产生马氏体或其它不希望的针状转变产物。为了得到抗拉强度≥590Mpa和优良综合性能，将卷取温度控制为580～620℃。
本发明的抗拉强度590MPa级汽车大梁用钢设计了一种低碳、低硅、以锰固溶强化元素为主、辅以铌和钛元素复合微合金化的低合金钢。实际应用结果表明，本发明生产的钢板的化学成分和机械性能稳定，具有高的强度、良好的塑性和低温韧性、优良的冷冲压和滚压成型以及疲劳性能，完全满足载重汽车和大型客货车新型车架结构的制造要求。对车架总成进行了台架试验，其垂直弯曲疲劳寿命、垂直弯曲刚性、垂直弯曲静强度的检测结果均符合国家标准要求。本发明方法生产的薄规格产品(厚度≤4.0mm)还应用于载重汽车车箱的纵梁、横梁、边框和中直柱等高强度零件的制造。
附图说明
图1为本发明抗拉强度590MPa级汽车大梁用钢的金相组织图。
具体实施方式
以下结合附图和几个具体实施例对本发明的抗拉强度590MPa级汽车大梁用钢及其制造方法作详细说明。
表1列出了本发明用于生产抗拉强度590MPa级汽车大梁钢的具体实例1～8的化学成分重量百分比(余量为Fe及不可避免的杂质)。
表1本发明具体实施例钢的化学成分重量百分比
| 实施例 | C | Si | Mn | P | S | Als | Nb | Ti |
| 1 | 0.102 | 0.247 | 1.424 | 0.021 | 0.005 | 0.040 | 0.032 | 0.023 |
| 2 | 0.103 | 0.209 | 1.445 | 0.015 | 0.006 | 0.070 | 0.032 | 0.032 |
| 3 | 0.091 | 0.10 | 1.60 | 0.017 | 0.007 | 0.032 | 0.050 | 0.021 |
| 4 | 0.099 | 0.199 | 1.466 | 0.023 | 0.006 | 0.048 | 0.036 | 0.020 |
| 5 | 0.07 | 0.131 | 1.30 | 0.017 | 0.008 | 0.035 | 0.034 | 0.025 |
| 6 | 0.13 | 0.30 | 1.450 | 0.025 | 0.006 | 0.015 | 0.025 | 0.035 |
| 7 | 0.077 | 0.231 | 1.522 | 0.017 | 0.004 | 0.035 | 0.034 | 0.040 |
| 8 | 0.096 | 0.239 | 1.452 | 0.017 | 0.006 | 0.040 | 0.047 | 0.025 |
这八种实施例抗拉强度590MPa级汽车大梁用钢制备方法如下：在炼钢厂90吨和250吨转炉上进行顶底复合吹炼，采用铁水脱硫技术，使铁水中的S≤0.008％；炉后出钢1/3时开始加铁合金，出钢2/3时加入完毕，合金化顺序：硅钡钙铝铁、硅铁、锰铁、铌铁，使用加铝机加铝线进行终脱氧，在真空处理时加入钛铁，使钢中的化学成分满足表1的要求，余量为Fe及不可避免的夹杂；再将表1所示成分的钢水浇注成230～250mm×1050～2150mm断面的板坯。然后将板坯送至热轧厂，在1700mm和2250mm轧机上进行热连轧，将其轧制成热轧板卷，再进行精整；先将连铸板坯加热到1180～1220℃进行粗轧，结束温度为1040～1080℃，再进行精轧，终轧温度为840～880℃，带钢轧后的控制冷却是采用前段层流冷却的方式，冷却水的水温控制为10～35℃，控制冷却速度控制为20～50℃/s，卷取温度为580～620℃。轧制钢卷在精整时切板，并进一步控制好板形，最终得到2.75～14mm的热连轧钢板。
对上述实施例1～8产品进行下屈服强度、抗拉强度、伸长率、180°宽冷弯等力学性能采用国标方法进行测试，对应测试结果见表2。
表2本发明实施例钢材产品力学性能检测结果：
| 实施例 | 厚度mm | 下屈服强度ReL | 抗拉强度Rm | 伸长率A％ | 180°宽冷弯d＝1a |
| 1 | 2.75 | 635 | 720 | 20 | 合格 |
| 2 | 3.5 | 595 | 690 | 26 | 合格 |
| 3 | 5.0 | 570 | 645 | 24 | 合格 |
| 4 | 6.5 | 535 | 590 | 26 | 合格 |
| 5 | 8.0 | 550 | 640 | 24 | 合格 |
| 6 | 3.2 | 610 | 620 | 23 | 合格 |
| 7 | 10 | 562 | 705 | 24 | 合格 |
| 8 | 14 | 530 | 635 | 21 | 合格 |
通过表2数据可以看出本发明的实施例钢材产品的下屈服强度在480～635MPa之间，抗拉强度在590～720MPa，伸长率在20～30％，宽冷弯(d＝1a)检验为合格，表明钢板具有良好的综合机械性能。本发明厚度为2.75～14mm各成分的热轧板都能满足大型载重车和豪华客车车架的制造要求。
对上述实施例钢材进行拉伸和冷弯试验结果表明，实施例钢材具有高的强度和较高的延伸率，并具有良好的冷成形性能，即使在弯心直径为d＝0.5a和d＝0a时(交货标准为d＝1a)，其结果均为合格。采用5.0×10×55mm的非标试样，开V型缺口，试验温度分别为常温、-20℃、-40℃、-60℃和-80℃，其所测得的对应温度下的纵向冲击功Akv分别为93.7J、79.3J、63J、58J和49J。从该系列温度冲击的试验结果可看出，WL590钢的脆性转变温度在-80℃以下，表明该钢具有优良的低温韧性。
采用光学显微镜对本发明的实施例钢板的显微组织进行观察，其500倍金相组织结构如图1所示。可以发现其组织为典型铁素体+细珠光体组织，组织晶粒度更均匀，晶粒度为13级。
Claims (3)
1.一种抗拉强度590MPa级汽车大梁用钢，其特征在于：该钢中各化学成分按重量百分数计为：C：0.103、Si：0.209、Mn：1.445、P：0.015、S：0.006、Al：0.070、Nb：0.032、Ti：0.032，余量为Fe及不可避免的杂质；其制造方法包括：铁水脱硫、转炉冶炼、合金化处理、真空处理、连铸、热连轧、层流冷却、卷取、精整的工艺步骤，其中，
所述合金化处理步骤中，依次加入硅钡钙铝铁、硅铁、锰铁、铌铁，使钢中相应的成分达到所述的含量；
所述真空处理步骤中，加入钛铁，使钢中Ti的成分达到所述的含量；
所述热连轧步骤中，板坯加热温度控制在1180～1220℃，粗轧结束温度控制在1040～1080℃，精轧终轧温度控制在840～880℃；
所述层流冷却步骤中，采用前段层流冷却的方式；
所述卷取步骤中，卷取温度为580～620℃。
2.一种权利要求1所述抗拉强度590MPa级汽车大梁用钢的制造方法，包括铁水脱硫、转炉冶炼、合金化处理、真空处理、连铸、热连轧、层流冷却、卷取、精整的工艺步骤，其特征在于：
所述合金化处理步骤中，依次加入硅钡钙铝铁、硅铁、锰铁、铌铁，使钢中相应的成分达到所述的含量；
所述真空处理步骤中，加入钛铁，使钢中Ti的成分达到所述的含量；
所述热连轧步骤中，板坯加热温度控制在1180～1220℃，粗轧结束温度控制在1040～1080℃，精轧终轧温度控制在840～880℃；
所述层流冷却步骤中，采用前段层流冷却的方式；
所述卷取步骤中，卷取温度为580～620℃。
3.根据权利要求2所述的抗拉强度590MPa级汽车大梁用钢的制造方法，其特征在于：所述层流冷却步骤中，冷却水的水温控制为10～35℃，冷却速度为20～50℃/s。
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