汽车用低合金冷轧高强钢HC420LA的开发生产

白玉静 厚健龙 李 堃 田海涛

（安阳钢铁集团有限责任公司）

0 前言

近年来，国内各大汽车厂商对轻量化概念越发重视，尤其是新能源汽车的减重成为各大车企及钢厂所共同关注的焦点问题，其中通过使用低合金冷轧高强度钢就是解决此类问题的一个重要途径。低合金冷轧高强钢通过在成分中添加Nb、Ti元素，保证析出强化和细晶强化效果，并通过退火温度的合理设定，在时效过程中，将回溶的Nb、Ti与C、N原子结合在铁素体内部析出，从而降低间隙固溶强化程度，提高了材料延伸率[1]。笔者通过分析Nb、Ti等元素在低合金高强钢中的相关强化机理，设计出合理的化学成分体系，并结合材料设计成本，制定炼钢连铸、热连轧、酸洗冷连轧、连续退火等工序段的生产工艺，在安阳钢铁股份有限公司冷轧厂成功生产了低合金冷轧高强钢HC420LA，其产品实物质量良好，生产工艺稳定，成本较低，具有优良的浅冲压成型能力。

1 技术要求及工艺路线

1.1 化学成分设计

安钢低合金冷轧高强钢HC420LA的化学成分设计思路是在 C、Mn 钢的基础上，通过添加Nb、Ti元素进行微合金化处理。通常C是较强的固溶强化元素，能显著提高钢板的强度，但会降低钢板的韧性和塑形，也会恶化钢板的焊接性能和成形性能，为了使钢板具有良好的成形性能，将C含量控制在0.06%～0.09%。Mn元素相比C元素而言，对铁素体有较强的置换固溶强化效应，在保证冶炼和轧制过程中不出现带状组织以及不影响后续焊接的情况下，将Mn含量控制在1.00%～1.50%。Nb在钢中形成的[NbCN]、[NbC]等化合物会延迟奥氏体转变，起到细晶强化的作用，Ti弥散形成的TiN细小粒子，能够有效抑制晶粒长大，产生沉淀强化作用，不仅可以提高材料的强度也能有效提高材料的成形性能，同时还能兼顾合金成本与轧制生产成本，因此选择Nb、Ti复合成分体系。添加的Nb、Ti微量合金在热轧及随后的冷轧退火过程中溶解和析出，形成的碳化物或碳氮化物等第二相粒子对微观组织有强烈的影响，从而决定了钢板的力学性能[2]。安钢低合金冷轧高强钢HC420LA成分控制范围见表1。

表1 安钢低合金高强钢HC420LA化学成分

1.2 性能要求

HC420LA的力学性能见表2。标准EN10268要求其屈服强度为420～520 MPa，抗拉强度为470～590 MPa，断后延伸率A80不小于17%。为确保性能稳定，且满足用户微冲压使用要求，特制定产品实物性能的内控要求，即屈服强度为430～500 MPa，抗拉强度500～560 MPa，断后延伸率A80大于19%，从而保证材料的加工成形性能。

表2 安钢低合金高强钢HC420LA性能要求

1.3 工艺流程

安钢低合金高强钢HC420LA工艺流程：铁水预处理-150 t转炉冶炼-LF精炼-230 mm双流板坯连铸-1780 mm热连轧-1550 mm酸轧联合机组-1550 mm连续退火。

2 关键工艺及控制

2.1 炼钢连铸工艺控制

为减轻LF炉脱硫压力，铁水经预处理脱硫后，终点硫含量控制在0.005%以下，并保证扒渣干净。转炉采用低碳模式冶炼，采用优质冶金石灰、轻烧白云石，出钢采用滑板挡渣，顶渣加入石灰和改质剂。在LF精炼过程中，采用全程控铝，进站[Alt]≥0.020%后快速造白渣，并保证白渣保持时间不小于15 min，要求整个精炼过程不能裸露钢液面，且软搅拌时间大于8 min 后可出站。连铸采用全程保护浇注，钢水过热度在15～30 ℃之间，使用低碳中包覆盖剂和结晶器保护渣，结晶器采用液面自动控制系统，以保证液面稳定。采用“恒”速浇注，保证铸坯表面质量，结晶器和二次冷却均采用弱冷，采用7#冷却水表生产230 mm规格铸坯。

2.2 热轧工艺控制

加热温度对Nb、Ti的固溶量以及后续轧制冷却过程中的奥氏体晶粒尺寸都有影响，合适的加热温度能够保证Nb[CN]在热轧过程中充分析出，阻止奥氏体再结晶转变，从而细化铁素体。为此板坯采用直热装，并将加热温度控制在1 210～1 250 ℃，总在炉时间大于130 min。考虑到热轧晶粒大小直接影响退火后晶粒大小，为了获得细小的析出物和均匀的铁素体晶粒，并保证退火后冷轧板晶粒和强度，将终轧温度控制在870～910 ℃，层流采用前段集中冷却，卷取温度在580～620 ℃。

2.3 酸连轧工艺控制

为保证酸洗质量，将酸洗拉矫机延伸率设定到0.5%以上，酸洗时关注酸洗槽中游离的Cl-含量及温度，确保酸洗质量，正常生产时酸洗速度控制在150～200 mpm。在保证冷轧机组稳定顺行的前提下，采用较大压下率，可以增加形变储能，使材料在退火过程中具有更强的再结晶驱动力。3.0 mm热轧原料生产1.2 mm退火卷时，轧机各道次的压下量分别为S1=18%、S2=18%、S3=17%、S4=14%、S5=13%，轧制力稳定控制在12 000～13 000 kN，综合考虑设备能力的限定范围及轧辊使用周期长短的情况，将低合金冷轧高强钢HC420LA的压下率控制在55%～65%。

2.4 连续退火工艺控制

在冷轧退火过程中热轧时固溶的铌的析出物以第二相粒子弥散析出形成沉淀强化，同时由于第二相析出物粒子在晶界沉淀析出而抑制铁素体晶粒长大，引起细晶强化，沉淀强化和细晶强化两种强化机制复合，从而确保成品力学性能[3]。将带钢在加热段和均热段的退火温度控制在（810±10） ℃，目标带速控制在150～200 mpm，并设计最高带速和最低带速以防止部分极限规格在炉内跑偏。同时较快的冷却速率也能够细化晶粒，从而增加强度，现场采用加大快冷段风机开口度，提高带钢冷却速率。平整是以较小的变形量对退火后的冷轧带钢进行轧制，以消除屈服平台、改善力学性能、获得良好板形及所要求的表面结构，由于平整是决定成品带钢板形的最后一道工序，因此提高平整机的板形控制能力对于改善冷轧带钢的板形质量具有重要意义[4]。考虑到低合金冷轧高强钢的强度、中间工序的成形以及后续电泳或喷漆时表面效果，将平整机延伸率设定为0.9%～1.2%。

3 分析与讨论

3.1 力学性能

经过各工序的精心组织和严格控制，最终安钢低合金冷轧高强钢HC420LA的力学性能完全符合内控标准要求，且波动较小，其屈服强度在452～472 MPa，抗拉强度在557～576 MPa，断后延伸率A80在22.7%～25.5%，具体力学性能见表3。

表3 安钢低合金高强钢1.2 mmHC420LA退火后力学性能

3.2 金相检验

热轧产品的组织性能对冷轧产品的组织性能具有较大的遗传性,良好的热轧产品组织性能可为冷轧产品的组织性能奠定良好基础。安钢低合金冷轧高强钢HC420LA热轧产品和冷轧产品的金相组织对比如图1所示。其热轧板组织为铁素体+珠光体，B类非金属夹杂物1.0级，D类非金属夹杂物1.0～1.5级，铁素体晶粒度为9.5～10级，且未发现混晶。冷轧板组织为铁素体+珠光体，铁素体晶粒度为10.5～11级，组织较为均匀，晶粒经析出强化和细晶强化作用整体尺寸细小。

图1 低合金高强钢HC420LA热轧组织和冷轧组织对比

3.3 使用效果

安钢冷轧低合金高强钢HC420LA目前主要应用于汽车加强零部件的冲制，产品使用效果良好，成形及表面质量得到了用户的肯定。同时表面也完全满足对后续电泳、喷涂工艺的相应需求。

4 结论

（1）安钢低合金冷轧高强钢HC420LA采用Nb、Ti复合微合金强化，性能余量及成本适合，满足汽车用钢轻冲压和折弯要求。

（2）通过加强炼钢和连铸过程控制，钢中B类非金属夹杂物1.0级，D类非金属夹杂物1.0～1.5级，确保了低合金冷轧高强钢HC420LA的表面质量及力学性能良好，满足批量生产要求。

（3）热轧采用合理的加热工艺、轧制工艺和冷却工艺，获得稳定的性能和均匀的组织。冷轧采用55%～65%压下率。连退采用（810±10） ℃高温退火工艺及较大的冷却速度，平整采用0.9%～1.2%延伸率，最终成功研发出板形良好和性能稳定的汽车用低合金冷轧高强钢HC420LA，满足用户使用要求。