分享：汽車用冷軋低合金高強鋼的生產過程能力分析

冷軋低合金高強鋼（HSLA鋼）具有高屈服強度及屈強比、良好的成形及焊接性能等特點，比碳素結構鋼具有更高的屈服強度，而較雙相鋼等先進高強鋼具有更低的成本，因此備受市場青睞，廣泛應用于汽車、家電、建筑等行業的結構件中，其中在汽車輕量化應用中最為突出，特別是在國產自主品牌汽車和新能源汽車快速發展下，高性價比（低成本高性能）的冷軋低合金高強鋼發揮著重要的作用[1]。

汽車用HSLA鋼是在低碳鋼中添加Nb、Ti等微合金元素，利用細晶強化、析出強化等強化機理，提高其屈服強度、屈強比，同時兼備良好的抗變形能力[2]。260~420 MPa級別HSLA鋼的牌號為HC260LA、HC300LA、HC340LA、HC380LA、HC420LA等，其中HC340LA與HC420LA市場最常見，廣泛應用于汽車的A柱上部加強件、內側B柱、車門檻加長件、左右縱梁外板和底盤座椅部件等領域，發展前景廣闊[3]。

1.   工藝流程

結合HSLA鋼種成分特點，對C、P、S、N等元素的控制與鋼水的潔凈度要求，以及LF與RH精煉設備能力，同時考慮經濟高效性，對不同強度級別的HSLA鋼采取不同的工藝路線。

（1）對于HC260LA、HC300LA和HC340LA牌號：KR脫硫→轉爐冶煉→LF精煉→連鑄→板坯檢驗→加熱→粗軋→精軋→層流冷卻→卷取→平整（根據需要）→熱卷檢驗→酸軋→連退→重卷/拉矯（根據需要）→冷卷檢驗→包裝→入庫。

（2）對于HC380LA和HC420LA牌號：KR脫硫→轉爐冶煉→LF精煉→RH精煉→連鑄→板坯檢驗→加熱→粗軋→精軋→層流冷卻→卷取→平整（根據需要）→熱卷檢驗→酸軋→連退→重卷/拉矯（根據需要）→冷卷檢驗→包裝→入庫。

2.   成分設計

成分配比和合金元素的含量是影響其組織性能的關鍵因素[4]。通過查閱資料，理論研究化學成分對HSLA鋼生產與性能的影響機理，并充分借鑒國內外同類產線鋼廠的生產實際情況，在保證產品質量前提前，綜合考慮低成本高效生產，以低C控制、適當加P提Mn、加Nb不加Ti為主要思路，保證各強度級別的性能要求，HSLA主要鋼種成分設計如表1所示。

3.   生產工藝控制

對冶煉連鑄的HSLA鋼坯，再經過熱軋、冷軋與連續退火生產工序，獲得最終的成品HSLA鋼帶。熱軋卷取溫度對后續成品性能和組織有一定的影響，熱軋的層流冷卻時存在一段空冷區，由于Nb元素對溫度的敏感性高，在空冷區時，含Nb析出物粗大，根據遺傳效應，后續隨著退火溫度的提高，含Nb析出物粗大化，降低了析出強化效果，對屈服強度效果影響明顯[5]。冷軋過程中產生大量的變形組織，在熱處理過程中，鐵素體經過回復并在形變帶發生形核再結晶和晶粒長大[6]。隨著冷軋壓下率增大，晶粒拉長使晶界面增加、晶格畸變程度增大，變形晶格間儲存的能量增大，晶格間及晶界上的變形缺陷增多。軋制過程中材料承受的軋制力越大，要求軋機的負荷能力越高。退火是晶粒再結晶的過程，隨著退火溫度的升高或保溫時間的延長，相同厚度規格鋼的晶粒尺寸明顯增大，主要是因為隨著溫度升高，晶粒長大速率增大，從而導致強度下降[7]；另外隨著退火速度的提高，γ→P相變過冷度增加，使得奧氏體分解珠光體形核加速且共析反應溫度降低，根據相變動力學和熱力學原理，這將導致先共析鐵素體含量減少，珠光體轉變量增加[8]。通過對HSLA鋼的熱軋、冷軋及連續退火工序的關鍵工藝參數進行優化，形成標準化工藝控制參數，如表2所示。

4.   生產過程能力分析

通過對工業化生產的HSLA主要鋼種HC260LA、HC340LA與HC420LA力學性能實績值進行統計，如表3所示。

過程能力指數Cpk在判定鋼種力學性能穩定性方面是一種有效手段，能夠用量化的數據說明其穩定程度，對于汽車廠和鋼廠都具有很重要的意義[9]。Cpk是指工序過程能力指數，其值越高，則產品質量特性值的分散就會越小，表明生產越穩定。通過對工業化生產的HSLA主要鋼種HC260LA、HC340LA與HC420LA，隨機取100組力學性能實績值，采用Minitab軟件行數據分析處理，分別對其屈服強度、抗拉強度、斷后延伸率A80的進行過程能力圖分析，如圖1所示。

圖  1  HSLA鋼的過程能力分析圖：（a，b，c）HC260LA屈服強度、抗拉強度、延伸率；（d，e，f）HC340LA屈服強度、抗拉強度、延伸率；（g，h，i）HC420LA屈服強度、抗拉強度、延伸率

從圖1的生產過程能力圖看，HC260LA、HC340LA與HC420LA的力學性能過程能力較好，屈服強度、抗拉強度、斷后延伸率A80的過程能力指數Cpk值統計如表4所示，其中HC420LA屈服強度由于用戶需求采用偏下限值的控制模式，其Cpk較低，僅為1.11，其余牌號及指標的Cpk值均大于1.33，說明過程能力穩定，數據波動小，可更好滿足汽車主機廠的加工要求，避免了因性能波動調節沖壓模具參數而造成的廢品率與生產節奏影響，提高了用戶滿意度。

5.   結束語

通過對汽車用HSLA鋼的研究開發，制定了標準化的汽車用HSLA鋼產品控制計劃與工藝方案，形成了完善、穩定、高效的生產工藝，已實現屈服強度260~420 MPa級鋼種的批量接單，工藝窗口可控性強，生產過程能力穩定，產品已成功應用于國內外知名汽車廠，對工業化生產具有重要的借鑒與指導意義。

參考文獻

[1] 錢坤華. 冷軋結構用低合金高強鋼工藝研究及產品開發[學位論文]. 沈陽: 東北大學, 2018

[2] 康永林. 現代汽車板的質量控制與成形性. 北京: 冶金工業出版社, 1999

[3] 尹翠蘭. 汽車用冷軋低合金高強鋼HC340LA的研發應用. 山東冶金,2012(8):47

[4] 李霞, 李春誠, 佟鐵印, 等. 低合金高強鋼HC340LA工藝優化生產實踐. 金屬世界,2016(2):67doi: 10.3969/j.issn.1000-6826.2016.02.17

[5] 于慶波, 孫瑩, 劉相華, 等. 熱軋后停留時間對帶鋼屈強比影響的研究. 鋼鐵,2006,41(1):66doi: 10.3321/j.issn:0449-749X.2006.01.016

[6] 吳浩, 柴立濤, 許柳. 退火溫度對冷軋低碳鋼再結晶行為的影響. 金屬熱處理,2020,45(4):181doi: 10.13251/j.issn.0254-6051.2020.04.038

[7] 康華偉. 340 MPa級冷軋低合金高強鋼的罩式退火工藝. 金屬世界,2020(3):45doi: 10.3969/j.issn.1000-6826.2020.03.012

[8] 王蕾. 410 MPa級低合金高強鋼性能穩定性分析及解決方案. 安徽冶金,2017(3):53

[9] 郭晶, 趙廣東, 李志偉. 質量統計在汽車板性能波動控制中的應用. 金屬世界,2017,193(5):39doi: 10.3969/j.issn.1000-6826.2017.05.10

文章來源——金屬世界