低成本汽车结构钢SAPH400的研发

任振远， 吕苗苗

（唐山不锈钢有限责任公司， 河北 唐山 063100）

当前，我国汽车工业的发展不仅使高强度钢板的用量不断加大，而且对钢板的质量和性能提出了更高的要求。针对不同车型的不同需要。唐钢集团在保证钢板质量和性能的基础上，使汽车车轮结构用钢板进一步向低成本、系列化、高强化方向发展[1]。使用传统SAPH400 成分体系及热轧工艺，其热轧性能虽然优异，满足用户需求，但大量合金元素的加入会导致成本的增加。在这种情况下，如何通过钢的化学成分和工艺条件的匹配来降低SAPH400 的生产成本，成为主要研究课题。

1 SAPH400技术要求

SAPH400 的物理性能要求见表1。

表1 SAPH400 性能要求

历史生产SAPH400 性能见表2。

表2 历史SAPH400 性能

2 历史成分设计

历史SAPH400 成分设计见表3。

表3 SAPH400 历史成分设计 %

应用C-Mn 钢成分体系设计，利用合金元素固溶强化作用，提高强度至目标要求。由于Mn 元素的含量大，生产成本增加。故如何通过钢的化学成分和工艺条件的匹配来降低SAPH400 的生产成本，是本课题主要研究内容。

3 制造流程及关键工艺参数

3.1 制造流程

汽车结构钢的制造流程为：（铁水预处理）—转炉—LF 精炼—连铸—板坯加热—高压水除磷—热连轧—卷取—质量和性能检验—包装标志—入库。

3.2 关键工艺参数

3.2.1 碳含量

冶炼过程中，当含碳量偏低达不到强度要求，增加炼钢成本，需要增加Mn 元素来提高强度。随着碳含量的增加，钢的塑性、韧性下降，而且碳当量的增大，焊接性能下降。综合考虑400 MPa 级的强度级别和成本，采用中碳含量（质量分数）设计0.11%～0.13%。

3.2.2 锰含量

锰元素的固溶强化作用可提高强度，改善韧性。锰与硫结合形成硫化锰，还可降低热脆性。但Mn 元素过高友会在钢表面富集，造成钢表面氧化而降低表面质量[2]。综合考虑400 MPa 级的强度级别和成本，采用低锰含量（质量分数）设计0.44%～0.50%。

3.2.3 硅含量

硅含量较高时，会使热轧过程中氧化铁皮严重，影响表面质量，而且会增加成本。根据实际经验，在生产过程中按低硅控制，硅含量（质量分数）设计≤0.03%。

3.2.4 磷和硫含量

磷和硫时钢种有害元素，随着磷含量的增加，不仅形成冷脆，还会增加合金化产品的粉化敏感性。磷含量的增加，不仅形成热脆，其MnS 夹杂在轧制方向拉长分布，造成钢板的各项异性。实际生产，确定磷含量和硫含量按低值控制，w（S）≤0.012%，w（P）≤0.020%。

3.2.5 铝含量

铝能与氮形成氮化铝抑制氮在铁素体内的固溶，消除应变时效，改善成型性能。但是铝过高形成Al2O3水口结瘤。综合以上因素，确定酸溶铝控制范围为 w（Al）=0.020%～0.060%。

3.3 工艺参数确定

3.3.1 炼钢工艺

按照上述成分要求，冶炼20 炉试验钢，实验钢化学成分见表4。

表4 实验钢化学成分 %

3.3.2 冶炼工艺

试验钢在100 t 氧气底吹转炉上进行的，入炉铁水全部经过脱硫预处理，尽可能降低铁水S 含量；出钢时采用高碳锰铁，采用挡渣出钢技术，降低钢包渣量；炉后吹氩搅拌，以均匀化学成分，使夹杂物上浮，定氧喂铝线，确保钢的纯净度。电加热继续吹氩并补铝线和钙处理，对钢中MnS 夹杂物进行变性，以达到控制钢中夹杂物形态的目的。

3.3.3 热轧工艺

1）板坯加热温度及粗轧温度。板坯加热温度和粗轧温度采用常规汽车结构钢的生产工艺，均热段温度 1 250～1 330 ℃；出炉温度 1 200～1 250 ℃。

2）终轧和卷曲温度。终轧温度和卷曲温度是热轧过程中控轧控冷的主要参数[3]，为获得理想的组织和晶粒度，使材料具有优良的综合性能。终轧温度应略高于Ar3 进行轧制，试验表明卷曲温度一定时，终轧温度越低铁素体晶粒细化，铁素体晶粒尺寸越小。铁素体晶粒度在10～12 级，金相组织为铁素体+少量珠光体，从而钢的强韧性提高；终轧温度一定时，随着卷曲温度的提高，钢卷强度降低，延伸率提高。为使钢板综合性能提高，根据钢的化学成分和轧制规格不同，合理设计终轧和卷曲温度。

3）冷却模式。冷却模式的设定也是决定热轧性能的重要参数，通过层冷优化，可得到适宜比例的铁素体+珠光体组织，钢种综合性能提高。

以往SAPH400 热轧工艺制度设计中，层冷冷却模式用前段冷却。此次新成分体系设计，在原基础上降低了C、Mn 含量。C、Mn 含量降低，导致强度降低，通过调整冷却模式以提高强度，满足标准要求。

此次试验钢冷却模式设计，采用双相钢冷却模式，两段冷却，通过增加前段冷却速率，钢带精轧出来后快速冷却到500 ℃以下，增加中间空冷温度680～730 ℃左右，增加空冷时间。采用此种冷却模式，可有效减少铁素体转化比例，进而提高产品强度[4]，达到SAPH400 性能要求。

4 成品的力学性能

4.1 力学性能

在热轧成品取样，做性能均匀性实验，钢卷号：6810DB2800，规格 1 040 mm×2.75 mm，1-3 为横向拉伸实验，4-8 为纵向拉伸实验，如图1 所示。

图1 试验钢性能均匀性

由图1 可知，抗拉强度最大值455 MPa，最小值437 MPa，平均值447 MPa，较平均值波动范围8～10 MPa；屈服强度最大值391 MPa，最小值355 MPa，平均值372 MPa，较平均值波动范围17～19 MPa；延伸率最大值45%，最小值38%，平均值42%，较平均值波动范围3%～3.5%，整体性能均匀。

由图1 可见，各项力学性能均符合标准要求，性能合格率达到100%。

4.2 成品金相

对试验钢进行金相组织分析，放大倍数为100倍，横、纵向金相组织如下页图2 所示。

对横、纵向组织进行晶粒度评级如下页表5所示。

图2 金相组织分析

表5 横、纵向组织评级

金相组织为铁素体+珠光体，晶粒度10 级，铁素体比例达到85%～86%，满足400 MPa 级汽车结构钢组织要求；晶粒均匀，适合冲压成型。

4.3 冷弯性能

冷弯试验是评价汽车结构用钢的主要性能指标之一。在b=20 mm，d=2a 弯曲条件下，大量取样进行180°冷弯试验，均未出现开裂现象，冷弯合格率100%，表明试验钢具有良好的冷成型性能。

5 试验钢与以往SAPH400对比

5.1 成分对比

试验钢成分与SAPH400 典型成分对比如表6所示。

表6 试验钢与以往SAPH400 成分对比 %

试验钢Mn 含量较以上成分体系SAPH400 低0.5%，Mn 含量对炼钢成本影响大，Mn 含量降低，生产成本随之降低。

5.2 性能对比

试验钢性能与以往SAPH400 典型性能及性能标准对比如表7 所示。

试验钢与以往SAPH400 对比，抗拉强度平均值降低43 MPa，屈服强度平均值降低39 MPa，延伸率平均值提高6%，在满足SAPH400 性能要求的同时，实现了性能窄区间控制。

表7 试验钢与SAPH400 性能对比

5.3 成本对比

试验钢生产成本与SAPH400 对比如表8 所示。

表8 试验钢与以往SAPH400 成本对比 元/t

由表8 可知，试验钢成本比以往SAPH400 成本降低64.78 元/t，明显降低了成本。采用新成分体系设计，配合热轧工艺优化，通过层流冷却工艺优化，采用“水代合金”的方法，不仅达到SAPH400 强度要求，同时降低了生产成本。

6 结语

1）采用新成分设计的SAPH400 汽车结构钢，组织均匀，工艺可行，各项性能指标完全满足技术标准要求。

2）通过重新设计炼钢成分，降低Mn 含量；轧钢过程中利用控轧控冷工艺，合理设计热轧温度制度及冷却策略，提高热卷强度，弥补由于成分降低影响的强度损失，达到SAPH400 标准要求。利用此种“水代合金”技术，在满足汽车结构钢SAPH400 的性能要求的同时，降低生产工艺成本，提高产品效益。