590MPa级高强度汽车大梁钢的组织与性能研究

赵江涛刘 斌刘永前周祖安邓照军杨海林

（1.武钢研究院 湖北 武汉：430080；2.武钢热轧总厂 湖北 武汉：430081）

590MPa级高强度汽车大梁钢的组织与性能研究

赵江涛1刘 斌1刘永前1周祖安1邓照军1杨海林2

（1.武钢研究院 湖北 武汉：430080；2.武钢热轧总厂 湖北 武汉：430081）

通过在碳锰钢基础上添加铌钛微合金化元素，成功开发出铁素体＋珠光体组织的高强度大梁用钢，该钢钢质纯净、晶粒细小、强度高、耐疲劳性好，已成功应用于重型载重车纵梁制造。

大梁钢；高强度；细晶强化；沉淀强化

为适应汽车工业高强减薄、节能减排的行业趋势和满足国家低碳经济策略下的环保政策，国内众多汽车公司纷纷计划并实践高强化路线。汽车底盘车架减重是一个重点方向。车架是客货车的承重件，由纵梁、横梁、衬梁、加强板等组成。各零部件采用冷冲压或滚压方式成形，采用铆接方式装配。目前市场上广泛使用的强度级别是440MPa、510MPa，各大钢厂也有相应牌号［1－4］。在此形势下，武钢成功开发出590MPa级大梁钢WL590，成功供货于东风、陕汽、柳汽等汽车厂。

车架梁一般采用铌、钒、钛微合金钢制造，在控制轧制过程中，应变诱导析出的碳氮化物及加速冷却工艺使晶粒细化，轧制后在铁素体中析出的碳氮化铌和碳氮化钛起沉淀强化的作用。由于钛有效地改变了硫化物夹杂的形貌［5］，因此含钛钢板冷弯性能特别好，但是，含钛钢板对卷取温度和轧后冷却速度较敏感，所以含钛钢板的强度波动范围大，通过改进生产工艺，控制冷却速度，可稳定钢板的性能。铌的析出强化作用大于钛，通过高温控轧、控冷和低温卷取相结合，能获得最佳的强度和延性的配合［6］。现在用含铌钢制作车架梁，冲压性能良好，因而近年来含铌钢有很大发展。本文系统研究了铌钛复合强化的WL590的微观组织及其各项性能。

1 试验材料及方法

1.1 性能要求与成分设计

590MPa级大梁钢的性能要求如表1所示。

表1 试验钢的性能要求

试验钢的成分设计思路是：在碳锰钢基础上，添加铌钛进行复合强化。试验钢的冶炼成分如表2所示。

表2 试验钢的成分设计（wt%）

试验钢卷的轧制规格是：8mm×1270mm。

1.2 试验项目及设备

力学性能试验在ZWICK公司60吨拉伸试验机上完成。金相组织分析在LEICA DM6000M金相显微镜上完成。透射电镜分析在JEM－2100F型场发射透射电镜上完成。低温冲击性能测试在PSW750仪器化摆锤冲击试验机上完成。扩孔性能测试在通用板材成形试验机上完成。疲劳性能测试在PLG－200高频疲劳试验机上完成。

1.3 工艺流程

试验钢WL590的工艺流程是：铁水脱硫→转炉冶炼→真空处理→连铸→铸坯精整→板坯加热→热连轧机控轧→层流冷却→卷取→取样检验→包装外运。

2 结果与讨论

2.1 组织分析

试验钢的成分设计及轧制和冷却工艺设计决定其组织是铁素体和珠光体。通过控轧控冷工艺使晶粒细化是该试验钢的主要强化手段。

在金相显微镜下放大500倍后观察到的组织特征如图1所示，组织由铁素体和细珠光体组成，晶粒细小均匀，晶粒度是13级，珠光体比例约10%。在透射电镜下进一步观察放大后的珠光体形貌如图2所示，珠光体细小均匀分布在铁素体晶粒间。铁素体和珠光体细小均匀分布将有效保证试验钢力学性能的均匀性。

2.2 析出物分析

试验钢采用铌钛复合强化，在板坯加热时，铌和钛充分溶解，在冷却过程中铌和钛与碳和氮复合析出，形成碳氮化铌钛析出相。析出相在轧制过程中有效阻碍了晶粒长大，起到了细化晶粒的作用。同时复合相在晶粒内部或晶界处起到钉轧位错的作用，提高了试验钢的强度，起到了析出强化的作用。析出相的尺寸及分布对性能影响显著，尺寸细小且均匀分布能有效提高试验钢的强度。

在透射电境下观察析出物的形貌和分布如图3所示。能谱分析表明，析出物是铌和钛的碳氮化物，如图4所示。析出相的尺寸为30nm，细小且弥散分布，表明加热及轧制工艺设计能充分保证碳氮化物充分析出。

2.3 拉伸性能分析

评价一卷钢性能稳定性最好的方向是分析不同部位的力学性能。取试验钢头、中、尾三个部位，按0°、45°、90°三个方向分析力学性能，如表3所示。从表中看出，不同部位、不同方向的力学性能均达到性能目标设计要求，头部强度高于尾部强度，因为尾部保温时间长，晶粒长大时间长于头部，稍微粗大。不同部位间的性能波动在30MPa以内，试验钢性能均匀，表明轧制过程控制良好。

表3 试验钢的力学性能

2.4 冲击性能分析

在钢板的中部取横向试样，将试验钢加工成尺寸为7.5mm×10mm×55mm的V型缺口试样，在常温至－80℃系列温度下进行冲击试验，各温度下的冲击功如图5所示。在图中通过1／2冲击平台（上冲击功平台值166J的一半即83J对应的温度）确定脆性转变温度ITT＜－80℃，表明试验钢的脆性转变温度低，充分保证其在低温条件下的服役能力。

2.5 扩孔性能分析

扩孔性能反映了试验钢的翻边、弯曲性能。将试验钢加工成厚3mm、外径100mm、内径16.5mm的圆片试样进行扩孔试验，测得试验钢的扩孔率如图6所示，扩孔率平均值是92%，表明试验钢扩孔性能优良，翻边、弯曲加工性能好。

2.6 疲劳性能分析

采用拉－拉疲劳测试方法测试试验钢的疲劳性能，应力比设定为0.1，频率为160Hz。试验钢的疲劳性能曲线如图7所示，纵坐标是应力幅，横坐标是循环次数。试验钢的条件疲劳强度是132MPa，即在应力幅为132MPa时循环1千万次，试样未发生断裂，此时对应最大应力293MPa。试验结果还显示，当应力幅为最大值214MPa时，循环次数为31.9万次。

图7 试验钢的疲劳极限

通过对离散的试验点拟合，得到试验钢的的疲劳曲线公式是：LgN＝－1.392146×Lg（σ－132）＋8.2354365，拟合相关度系数是0.951。通过该拟合公式可计算出任意应力幅下试验钢的疲劳循环次数。

3 结 论

（1）通过铌和钛微合金化元素和控轧控冷工艺相结合，奥氏体再结晶被抑制，晶粒细化，获得细晶粒组织和细小的碳氮化铌钛析出物。组织是铁素体和细珠光体，晶粒度13级。析出物尺寸是30nm，均匀分布。

（2）细晶强化和沉淀强化显著提升了试验钢的力学性能。抗拉强度达到670MPa，延伸率达到23.5%。不同部位、不同方向的强度波动不超过30MPa。

（3）试验钢具有良好工艺性能。试验钢的扩孔率达到92%，翻边性能良好。脆性转变温度低于－80℃，低温服役能力好。条件疲劳强度是132MPa，耐疲劳性好。

［1］ 钟定忠.汽车大梁板WL510钢的研制［J］.特殊钢，2002，23（增刊）：56－58.

［2］ 周晓光.FTSR轧制BG510L钢的组织与性能分析［J］.钢铁，2008，43（2）：73－76.

［3］ 王忠东.汽车大梁用钢BG510L连铸工艺实践［J］.连铸，2002，（6）：9－10.

［4］ 石发才.T420L和T510L汽车大梁用热轧带钢的开发［J］.太钢科技.2003，（3）：48－53.

［5］ 王祖滨.美国钢铁工业中钛的应用［J］.国外低合金钢.合金钢，1994（14）：35－38.

［6］ 付俊岩.如何用铌改善钢的性能－含铌钢生产技术［J］.2007：36－37.

Development of Automotive Crossbeam Steel With 590MPa Tensile Strength

ZHAO Jiangtao LIU Bin LIU Yongqian ZHOU Zu＇an DENG Zhaojun YANG Hailin

High strength beam steel with a microstructure of perlite and ferrolite is successfully developed by adding Nb and Ti on the base of carbon manganese steel.Owing to its pure materials，fine grain size，high strength and excellent formability，the steel is applied to the production of truck beam.

beam steel；high strength；fine grain strengthen；precipitation strengthen

TG115

A

1671－3524（2012）02－0008－03

（责任编辑：李文英）

2012－03－23

2012－04－28

赵江涛（1978～），男，硕士，工程师.E－mail：oatt＠yahoo.cn