260～420 MPa 级汽车用冷轧低合金高强钢的生产过程能力分析

供稿|康华伟，张卫卫，尹翠兰/ KANG Hua-wei,ZHANG Wei-wei,YIN Cui-lan

内容导读 通过对260～420 MPa 级汽车用冷轧低合金高强钢的生产开发及力学性能的过程能力分析，形成了产品标准化工艺技术路线，实现了产品工业化批量稳定生产，产品已成功应用于国内外知名汽车厂，对工业化生产具有重要的借鉴与指导意义。

冷轧低合金高强钢（HSLA 钢）具有高屈服强度及屈强比、良好的成形及焊接性能等特点，比碳素结构钢具有更高的屈服强度，而较双相钢等先进高强钢具有更低的成本，因此备受市场青睐，广泛应用于汽车、家电、建筑等行业的结构件中，其中在汽车轻量化应用中最为突出，特别是在国产自主品牌汽车和新能源汽车快速发展下，高性价比（低成本高性能）的冷轧低合金高强钢发挥着重要的作用[1]。

汽车用HSLA 钢是在低碳钢中添加Nb、Ti 等微合金元素，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[2]。260～420 MPa 级别HSLA 钢的牌号为HC260LA、HC300LA、HC340LA、HC380LA、HC420LA 等，其中HC340LA 与HC420LA 市场最常见，广泛应用于汽车的A 柱上部加强件、内侧B 柱、车门槛加长件、左右纵梁外板和底盘座椅部件等领域，发展前景广阔[3]。

工艺流程

结合HSLA 钢种成分特点，对C、P、S、N 等元素的控制与钢水的洁净度要求，以及LF 与RH 精炼设备能力，同时考虑经济高效性，对不同强度级别的HSLA 钢采取不同的工艺路线。

（1）对于HC260LA、HC300LA 和HC340LA牌号：KR 脱硫→转炉冶炼→LF 精炼→连铸→板坯检验→加热→粗轧→精轧→层流冷却→卷取→平整（根据需要）→热卷检验→酸轧→连退→重卷/拉矫（根据需要）→冷卷检验→包装→入库。

（2）对于HC380LA 和HC420LA 牌号：KR 脱硫→转炉冶炼→LF 精炼→RH 精炼→连铸→板坯检验→加热→粗轧→精轧→层流冷却→卷取→平整（根据需要）→热卷检验→酸轧→连退→重卷/拉矫（根据需要）→冷卷检验→包装→入库。

成分设计

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[4]。通过查阅资料，理论研究化学成分对HSLA 钢生产与性能的影响机理，并充分借鉴国内外同类产线钢厂的生产实际情况，在保证产品质量前提前，综合考虑低成本高效生产，以低C 控制、适当加P 提Mn、加Nb 不加Ti 为主要思路，保证各强度级别的性能要求，HSLA 主要钢种成分设计如表1 所示。

表1 HSLA 钢的冶炼设计成分（质量分数） %

生产工艺控制

对冶炼连铸的HSLA 钢坯，再经过热轧、冷轧与连续退火生产工序，获得最终的成品HSLA 钢带。热轧卷取温度对后续成品性能和组织有一定的影响，热轧的层流冷却时存在一段空冷区，由于Nb 元素对温度的敏感性高，在空冷区时，含Nb 析出物粗大，根据遗传效应，后续随着退火温度的提高，含Nb 析出物粗大化，降低了析出强化效果，对屈服强度效果影响明显[5]。冷轧过程中产生大量的变形组织，在热处理过程中，铁素体经过回复并在形变带发生形核再结晶和晶粒长大[6]。随着冷轧压下率增大，晶粒拉长使晶界面增加、晶格畸变程度增大，变形晶格间储存的能量增大，晶格间及晶界上的变形缺陷增多。轧制过程中材料承受的轧制力越大，要求轧机的负荷能力越高。退火是晶粒再结晶的过程，随着退火温度的升高或保温时间的延长，相同厚度规格钢的晶粒尺寸明显增大，主要是因为随着温度升高，晶粒长大速率增大，从而导致强度下降[7]；另外随着退火速度的提高，γ→P 相变过冷度增加，使得奥氏体分解珠光体形核加速且共析反应温度降低，根据相变动力学和热力学原理，这将导致先共析铁素体含量减少，珠光体转变量增加[8]。通过对HSLA 钢的热轧、冷轧及连续退火工序的关键工艺参数进行优化，形成标准化工艺控制参数，如表2 所示。

表2 HSLA 钢的生产工艺参数

生产过程能力分析

通过对工业化生产的HSLA 主要钢种HC260LA、HC340LA 与HC420LA 力学性能实绩值进行统计，如表3 所示。

表3 HSLA 钢的力学性能实绩值

过程能力指数Cpk在判定钢种力学性能稳定性方面是一种有效手段，能够用量化的数据说明其稳定程度，对于汽车厂和钢厂都具有很重要的意义[9]。Cpk是指工序过程能力指数，其值越高，则产品质量特性值的分散就会越小，表明生产越稳定。通过对工业化生产的HSLA 主要钢种HC260LA、HC340LA与HC420LA，随机取100 组力学性能实绩值，采用Minitab 软件行数据分析处理，分别对其屈服强度、抗拉强度、断后延伸率A80的进行过程能力图分析，如图1 所示。

图1 HSLA 钢的过程能力分析图：（a，b，c）HC260LA 屈服强度、抗拉强度、延伸率；（d，e，f）HC340LA 屈服强度、抗拉强度、延伸率；（g，h，i）HC420LA 屈服强度、抗拉强度、延伸率

从图1 的生产过程能力图看，HC260LA、HC340LA 与HC420LA 的力学性能过程能力较好，屈服强度、抗拉强度、断后延伸率A80的过程能力指数Cpk值统计如表4 所示，其中HC420LA 屈服强度由于用户需求采用偏下限值的控制模式，其Cpk较低，仅为1.11，其余牌号及指标的Cpk值均大于1.33，说明过程能力稳定，数据波动小，可更好满足汽车主机厂的加工要求，避免了因性能波动调节冲压模具参数而造成的废品率与生产节奏影响，提高了用户满意度。

表4 HSLA 钢的过程能力指数Cpk 值

结束语

通过对汽车用HSLA 钢的研究开发，制定了标准化的汽车用HSLA 钢产品控制计划与工艺方案，形成了完善、稳定、高效的生产工艺，已实现屈服强度260～420 MPa 级钢种的批量接单，工艺窗口可控性强，生产过程能力稳定，产品已成功应用于国内外知名汽车厂，对工业化生产具有重要的借鉴与指导意义。