低合金高强度钢HC340LA冷轧薄板的开发

胡洪林，马孝娟，卢鹏程

(新疆八一钢铁股份有限公司制造管理部)

1 概述

传统的低合金高强钢由于具有良好的焊接性能，同时也能满足某些零部件对成形性能的要求，能够做到在厚度减薄而且抗拉强度提高的同时，吸收撞击能量的能力无明显变化，因而在某些汽车零部件制造中仍被采用，这类钢种欧洲标准屈服强度从260～420MPa，例如HC340LA是指屈服强度最低值为340MPa。为了满足强度要求，生产这类钢通常通过添加Nb、V和Ti等微合金化元素，利用细晶强化、析出强化等强化机理，提高其屈服强度、屈强比，同时兼备良好的抗变形能力[1]，成分配比和合金元素的含量是影响其组织性能的关键因素。HC340LA牌号高强钢汽车板是一种低合金高强冷轧结构钢板，冷加工成形性好，抵抗变形能力强，用做车身承载骨架结构具有良好的抗凹陷性，主要制作轻型汽车的结构主梁、立柱、左/右侧围门槛加强板、左/右后门槛连接板加强板等内部加强件，具有广阔的市场应用前景。八钢冷轧产线开发了低合金高强度钢HC340LA冷轧薄板。

2 HC340LA的成分设计及工艺控制

2.1 化学成分设计

汽车用冷轧低合金高强钢HC340LA成分设计参照宝钢2018年的Q/BQB419标准，设计思路是在C、Mn的基础上添加Nb微合金元素，利用细化晶粒等强化机制，配合后续热轧、冷轧工序以及罩式退火工艺，达到强度要求。通过添加适量的C、Mn固溶元素可保证冷轧高强度钢板的强度，但过度的添加会降低钢板的冲压成型性能；Si元素的添加可以提高钢的强度，但会导致碳当量过高而影响焊接效果，以及强度上升的同时塑韧性下降过快，因此钢中Si含量不宜过高；Nb可部分溶入固溶体，起到固溶强化作用，并起到细晶强化和NbC的沉淀强化，提高强度[2]。P、S元素会造成冷脆和热脆，对钢的性能不利，应严格控制其含量。因此HC340LA试验钢的化学成分设计如表1所示。

2.2 试验钢生产工艺流程

铁水脱硫处理—120t转炉—LF炉—板坯连铸—加热—1750mm轧制—层流冷却—冷轧酸联轧—冷轧罩退—冷轧平整—冷轧重卷

表1 HC340LA的设计化学成分

2.3 炼钢及连铸工艺控制

根据铁水条件和生产需要铁水可脱硫预处理。直上入炉铁水[S]≤0.01%。转炉出钢控制终点成分［:C］≤0.04%,［P］≤0.012%,［S］≤0.012%。出钢要求：脱氧合金化，维护好出钢口，挡渣出钢，出钢时间≥3.5分钟。要求出钢回磷不大于0.003%。精炼途径LF采用本处理，实现提温、脱氧脱硫合金化。全程氩气保护并且重点控制连浇炉中包钢水过热度不大于25℃，为防止边裂发生，连铸板坯最大拉速小于1.5m/min。

连铸坯下线冷检，主要检查表面缺陷，缺陷坯清理并检验合格后放行。板坯不得有角横裂、横裂、纵裂、严重的结疤、毛刺或其它影响轧制质量的缺陷；要求板坯偏析≤2.5（曼内斯曼标准）。

2.4 热轧工艺控制

HC340LA钢热轧后的强度普遍较高，而冷轧轧制这个产品时的负荷达到轧机设计能力的上限，因此在热轧加热炉采取较高的加热温度以保证析出Nb的化合物粒子完全固溶。作为冷轧基板，在热轧工序采取了较高的卷取温度，以获得相对较低的屈服强度和抗拉强度来满足冷轧轧制的顺行，热轧温度执行表2；低合金高强度钢HC340LA热轧基板力学性能见表3。其金相组织为铁素体+珠光体,晶粒度平均为11级（见图1）,在铁素体晶界有一定数量的碳化物析出，主要强化机理为细晶强化和析出强化。

表2 热轧工序温度制度

卷取温度封锁按高精度判定，钢卷如有连续50m卷取温度超过±30℃进行质量封锁。

表3 热轧基板力学性能

图1 HC340LA钢热轧态金相组织

2.5 冷连轧工艺控制

冷轧的总体压下量控制在适度偏小的范围（50%～68%，见表4）以适应冷轧机的负荷水平，同时又能够保证冷轧后的变形晶体中，以位错的形式存储足够的变形能。罩式退火炉通过加热增大原子的扩散能力，加热到650℃以后，在变形组织的晶界处重新生长出没有畸变的晶粒，这时候变形带明显，其中分布着新晶粒；随着温度升高，在670～700℃晶粒长大且均匀，晶界清晰，组织粒状化，此时发生充分的退火再结晶[3]，罩退工艺参数见表5。低合金高强度钢在常规延伸率工艺平整后容易出现屈服平台不能消除的情况，这是由于普通低碳钢的屈服平台有碳氮原子气团阻止位错移动所致，而低合金高强度钢中添加的Nb与C形成NbC与原有的碳氮原子气团一同钉扎位错，需要更多的屈服应力才能产生塑性变形[4]，制定的平整延伸率要求见表6。

表4 冷轧工序压下量

表5 冷轧工序罩退工艺参数

罩退炉台温度680℃±10℃,退火曲线代码113，加热温度升至430℃以后,加热速率应为30～50℃/h。

表6 冷轧工序平整及延伸率要求

3 产品的力学性能的提升

3.1 开发初期产品的性能情况

对HC340LA冷轧卷产品取样按照80mm标距进行力学性能和金相组织检验，力学性能结果见表7，金相组织为饼状铁素体，在铁素体内部弥散分布渗碳体颗粒，铁素体晶粒度10.5级，见图2。用户试用后认为产品基本满足生产要求，但使用的800片有约20片冲裂。

根据用户反馈信息，分析认为产品力学性能中屈服强度和断后延伸率偏下限，产品的性能富裕量较小，为了提高产品的性能指标，对成分及工艺参数进行了调整。

表7 HC340LA冷轧卷冷轧力学性能

图2 开发初期产品的金相组织

3.2 工艺控制参数的优化

3.2.1 改进的主要工艺参数

针对样件试用过程发现产品的强度余量较小，断后延伸率偏低的问题，在批量试制时收窄[C]的化学成分波动范围，控制在0.065%～0.095%，适当提高[Nb]的化学成分，控制在0.022%～0.030%；提高罩退炉台温度，由680℃提高到690℃，在提高和稳定产品强度的同时保证良好的延伸率。

3.2.2 工艺改进后的产品组织性能

对HC340LA冷轧卷产品取样按照80mm标距进行横向抗拉强度、屈服强度、断后延伸率和N90测量，结合纵向和横向金相组织检验，力学性能结果见表8，金相组织为饼状铁素体，在铁素体内部弥散分布渗碳体颗粒，铁素体晶粒度12级，见图3。从表8可以看到生产工艺改进后，HC340LA钢种冷轧板屈服强度和抗拉强度稳定提升，断后延伸率也稳定在一个较高的水平，金相观察到的晶粒度达到了预期的效果。HC340LA钢种冷轧生产实践表明，通过提高其罩退炉台温度可以起到提高延伸率的作用。在670℃以后随着再结晶趋于完成，HC340LA钢种的强度下降趋缓，断后延伸率有进步上升的空间，这也验证了力学性能随退火温度变化关系[5]（见图4）。

表8 改进工艺后的HC340LA冷轧卷力学性能

图3 工艺改进后的冷轧金相组织

图4 力学性能随退火温度变化关系

3.3 讨论

低合金高强度钢通过在钢中加入的Nb微合金元素与钢中的碳和氮元素形成NbC、NbN，这些碳氮化物质点通过钉扎与阻挡位错运动，以沉淀强化的方式提升钢材的强度[6]。同时这些微量元素通过阻止晶粒的再结晶和长大，最终该钢最终获得细小的铁素体和球粒状渗碳体晶粒，由于晶粒细小因此单位体积内具有较大的晶界面积，导致塑性形变和微裂纹穿过晶界时受到晶界阻力较大，从而消耗很大的能量，使钢材的强度和韧性都得到提高。因此冷轧高强低合金钢采用晶粒细化、沉淀强化相结合的性能强化方式提高钢的强韧性。通过工艺的优化改进，产品的力学性能提升表明，高强低合金钢可以达到较高的屈服强度和屈服强度比，具备良好的成形性能。

生产试验结果表明，HC340LA的性能符合该零件的冲压成形要求，经汽车配件厂冲压试用，其性能指标和表面质量完全满足汽车厂使用要求。图5为某汽车厂使用八钢产品HC340LA冲压成某车型顶盖前/中/后横梁及加强板的实物照片。

图5 车身顶盖横梁

4 结语

八钢冷轧产线成功开发低合金高强度钢HC340LA冷轧薄板，产品性能检测结果及用户反馈表明：

（1）低合金高强度钢HC340LA的微观组织主要由饼状铁素体和在铁素体内部弥散分布的渗碳体颗粒组成，晶粒度约为10～13级。

（2）冷轧高强低合金钢HC340LA采用晶粒细化、沉淀强化相结合的性能强化方式提高钢的强韧性。通过工艺的优化改进，产品的力学性能提升表明，高强低合金钢可以达到较高的屈服强度和屈服强度比。

（3）开发的汽车用低合金高强度钢HC340LA的力学性能满足宝钢标准；成形性能良好。汽车配件客户用于汽车车身顶盖冲压，其性能指标和表面质量完全满足使用要求。