低合金冷轧高强钢HC420LA 生产工艺优化

李 堃 厚健龙 向 华 成晓举 于 萌 尚继芳

（安阳钢铁集团有限责任公司）

0 引言

公安部公布的数据显示，2020 年上半年中国的汽车保有量大约2.7 亿辆[1]。庞大的汽车保有量将会带来更加突出的能源安全和环境污染问题，因此车辆轻量化成为汽车节能减排的主要发力方向之一，汽车用高强钢的研发正顺应其潮流。低合金冷轧高强钢不仅强度高而且兼顾一定的加工成形性，被广泛加工为汽车前后纵梁、门内加强梁、底板横梁等零件[2]。低合金冷轧高强钢HC420LA是目前应用最广泛的汽车用高强钢之一。钢铁企业为了增强竞争力，在研发时一方面需要考虑用户对性能的要求，另一方面需要考虑尽量降低合金成本，因此在前期试验时经常会发生性能偏低的问题。笔者结合安钢在小批量生产中遇到了HC420LA 屈服强度低于标准下限的问题，通过对HC420LA 的化学成分、冷轧压下率和连续退火温度采取优化措施，使得性能达到了标准要求且富余量充足。

1 存在问题及分析

安钢生产的HC420LA，采用的是DIN EN 10268标准,具体见表1。在小批量生产时，HC420LA 出现屈服强度偏低问题，厚度1.0～1.5 mm 的产品的屈服强度在410 ～420 MPa，而厚度2.0 mm 的产品的屈服强度在400 MPa 以下。屈服强度的均值为402 MPa，抗拉强度的均值为540 MPa，伸长率的均值为24%，其中屈服强度明显低于标准中420 ～520 MPa 的要求，合格率仅为70%。

表1 HC420LA 性能标准

安钢生产的HC420LA 与国内其他钢厂生产的同类产品成分相近[3]，为了提高屈服强度，在原成分基础上，已采取调整热轧卷取温度、退火温度和平整延伸率等措施，但均未达到理想效果。这表明在原成分下，不能通过工艺调整达到屈服强度大于420 MPa 的要求。因此，需要在优化成分的基础上，进一步调整工艺参数。

2 优化措施

为了提高HC420LA 的屈服强度，主要采取以下优化措施：（1）优化成分。低合金高强钢主要利用置换固溶元素Si、Mn 和间隙固溶元素C 来提供固溶强化，同时利用Nb 元素在基体中析出细微碳化物和氮化物形成弥散质点，发挥析出强化和细晶强化作用[4]，因此，需要通过提高强化元素C、Si、Mn 和Nb 的含量来提高其强度，但需要综合考虑成本和强化效果。（2）优化冷轧压下率。随着压下率的增大，金属内部的晶粒纤维状越明显，加工硬化现象也越明显；同时，压下率越大，晶粒被破碎的程度就越大，这样会促使再结晶原始晶粒变小，从而产生一定的细晶强化作用，提高金属的强度。因此，可以在综合考虑轧机能力的情况下，适当提高冷轧压下率[5]。（3）优化退火温度。带钢经过冷轧后，钢中晶粒会发生畸变，被挤压成纤维状组织。在退火过程中，由于钢中的晶粒相互吞并、长大，所以纤维状组织会逐渐恢复为无畸变的等轴晶粒。如果退火的温度过高，钢中的原子会迅速扩散，导致晶界迁移过快，使晶粒粗大，析出渗C 体[6]。因此，可以适当考虑降低退火温度来提高强度。

2.1 成分优化

资料显示[7]，C、Si、Mn 元素的质量分数每增加0.1%，钢的屈服强度分别提高了28 MPa、5.6 MPa、8.4 MPa。根据资料[8]，在0.03 %固溶质量分数的条件下，Nb 的析出对钢的屈服强度的强化效果最高可以达到150 MPa。因此，考虑适当增加C、Mn、Si、Nb 元素的质量分数来提高钢的强度。

考虑到成本和强化效果，C 元素是最为经济、有效的强化方式，增加C 元素的质量分数可提高钢的屈服强度和抗拉强度，但钢的塑性会较低，因此将C 的质量分数提高0.02%。Si 元素也具有较好的强化效果，但会降低钢的塑性，同时对钢的焊接性能也不利，因此将Si 的质量分数提高0.1%。Mn 元素既可使钢的屈服强度升高，也有利于钢的韧性的提高，因此将其质量分数提高0.1%。Nb 元素可明显提高钢的强度和韧性，但成本较高，因此将其质量分数提高0.010%。成分优化前后的对比见表2。

表2 成分优化前后对比

成分优化后，热轧屈服强度和抗拉强度的均值比优化前增加了27 MPa，伸长率降低了5%，具体热轧性能对比见表3。

表3 成分优化前后热轧性能对比

2.2 冷轧压下率优化

冷轧压下率对力学性能和再结晶温度有着重要影响。随着压下率的增大，金属内部的晶粒纤维状越明显，加工硬化现象越明显；压下率大，晶粒被破碎的程度越大，再结晶原始晶粒越小，从而产生一定的细晶强化作用，提高金属强度。同时，压下率越大，金属晶粒形变越大，产生畸变能越大，内部存储的能力越大，再结晶驱动力越大[9]，也越有利于再结晶的进行。因此，为了提高钢的强度，结合冷轧轧机的轧制能力，将厚度1.5 mm 钢板的冷轧压下率从56%提高到62%，厚度2.0 mm 钢板的冷轧压下率由56%提高到60%，具体见表4。

表4 冷轧压下率优化

2.3 连续退火温度优化

带钢在连续退火炉主要在加热和均热段完成再结晶过程。带钢通过炉区加热段时，一方面带钢中的冷轧应力会得到释放，缺陷会得到部分消除，另一方面冷轧后纤维状组织会重新形核和长大[10]。在炉区均热段时，钢中的渗C 体发生溶解，铁素体晶粒得到充分长大和均匀化。如果加热、均热温度过高，会使铁素体过分长大，导致性能下降[11]。如果加热、均热温度过低，则会造成纤维状组织未能充分还原为等轴晶粒，导致加工性能恶化。因此，综合考虑将加热、均热温度由820 ℃调整为780 ℃。不同退火温度下HC420LA 的组织如图1 所示。

从图1 可以看出，当退火温度为820 ℃时，钢中晶粒已经完全再结晶，但部分晶粒较大，造成钢板强度的降低，对应的屈服强度在400～420 MPa，低于标准下限值；当火温度为790 ℃时，钢中的组织比820 ℃时的晶粒略小，对应的性能屈服强度在420～430 MPa，在标准下限附近，富余量不充足；当退火温度为780 ℃时，铁素体晶粒完成了再结晶，晶粒度较均匀，对应的屈服强度在430～460 MPa，性能适中，富余量充足。

图1 不同退火温度下HC420LA 的组织

3 优化效果

对HC420LA 的化学成分、冷轧压下率以及退火温度优化后，统计了将近1 000 t HC420LA 的生产数据，结果显示其化学成分控制稳定，轧机生产过程顺利，退火后的金相组织正常的铁素体组织，性能合格率由原来的70%提升到98%，厚度1.0～2.0 mm 的HC420LA 的整体屈服强度的均值提高了44 MPa，达到450 MPa,抗拉强度均值为564 MPa,伸长率均值为22 %，具体性能分布见表5，性能均达到标准要求，而且富余量充足，下游用户使用后反馈良好。

表5 HC420LA 优化后的性能

4 结论

（1）针对HC420LA 屈服强度低于标准的问题，通过对成分、冷轧压下率以及退火温度优化，性能最终达到了标准要求，合格率达到98%。

（2）C 的质量分数提高0.02%，Mn 的质量分数提高0.1%，Nb 的质量分数提高0.01%，热轧板的屈服强度和抗拉强度提高了27 MPa，伸长率降低了5%。

（3）适当提高冷轧压下率可产生细晶强化作用，从而提高钢的强度。厚度1.5 mm 的HC420LA 压下率由56%提高到62%，厚度2.0 mm 的HC420LA压下率由56%提高到60%。

（4）适当降低退火温度可以提高钢的屈服强度。HC420LA 的退火温度在820 ℃时，组织晶粒变粗大，性能随之降低，退火温度降至780 ℃，铁素体晶粒完成了再结晶，晶粒度较均匀，屈服强度为430～460 MPa。