高强度复相钢HR680/800CP开发：汽车轻量化底盘结构件的新选择

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18156085929（张女士）

顺应汽车轻量化发展的需求，在对汽车底盘结构件成型工艺特点进行综合考量之后，运用低 C-Si-Mn-Nb-Ti-Mo 复合成分体系进行设计，从而实现了良好的焊接性能、第二相析出强化效果，并且促进了中温贝氏体相变。通过理论计算来制定热轧控轧控冷工艺。按照精轧终轧温度为 890℃，卷取温度为 570℃，以及前段采用 3/4 层流冷却模式。这样实现了奥氏体区轧制的稳定性，主要发生贝氏体相变。成功开发了高强度复相钢 HR680/800CP，其以铁素体/贝氏体为主，屈服强度达到 769MPa，抗拉强度为 840MPa，延伸率是 17.92%，扩孔率高达 110%，具有良好的凸缘翻边性能和扩孔性能。并且该高强度复相钢成功应用于某车型底盘控制臂和新能源电池包支架。

关键词：复相钢；控轧控冷工艺；贝氏体；晶粒取向；扩孔性能

0 引言

国家提出双碳战略目标后，汽车工业必须进行节能减排，而汽车轻量化设计是实现双碳目标的重要行动[1-8]。底盘零件在汽车结构中占比较大，其安全性能要求高且成型复杂，像摆臂类零件这样的，就需要开发酸洗高强钢产品，这种产品要具有更高强度和优异成形性能，为轻量化设计提供基础。复相钢简称 CP 钢[9]。其显微组织包含铁素体或贝氏体。在基体之上分布着少量的马氏体、残余奥氏体或珠光体。通过微合金元素进行细晶强化或析出强化。与同等抗拉强度的双相钢相比，它具有较高的屈服强度以及良好的翻边扩孔性能。因此，它成为扩孔、凸缘、翻边类底盘零件的首选。此类钢种的开发难点在于保证高强度的前提下进行组织类型控制。目前，在国内，只有宝钢、首钢等少数企业具备高强度 CP 钢产品的供货能力。

河钢集团邯钢公司是国内重要的汽车家电板生产基地。它顺应主机厂轻量化设计的需求，凭借自身产线装备能力。在 GB/T 20887.6-2017《汽车用高强度热连轧钢板及钢带 第 6 部分：复相钢》的基础之上。通过校企合作，成功研发出了酸洗复相钢 HR680/800CP。此钢主要用于汽车底盘结构零件以及新能源电池包支架材料领域。

1 成分设计

邯钢产线上采用“260t 顶底复吹转炉→LF+RH 双联精炼→板坯连铸→2250mm 热连轧→2250mm 平整机组→1650mm 推拉式酸洗”的工艺流程来生产汽车底盘用高强度复相钢 HR680/800CP，其具体化学成分如表格 1 所示。低碳成分设计能确保良好的焊接性能。少量的 Si 可以促使铁素体发生相变，并且能提高铁素体的强度。Mn 既能发挥固溶强化的作用，又能提高奥氏体的稳定性。Nb 和 Ti 能够起到第二相析出强化的作用，同时 Nb 还具有非常显著的细化晶粒的作用。在贝氏体等温过程中，Nb 可以抑制渗碳体的析出，能够提高残余奥氏体的含量以及残余奥氏体中的碳含量，还可以抑制珠光体的相变。Mo 元素能够提升碳在奥氏体里的溶解度，还能降低碳化物的析出速率，并且可以抑制析出产物的粗化。[11] 与此同时，Mo 元素能够抑制多边形铁素体的形成，同时促进针状铁素体的形成。

表1 HR680/800CP 典型化学成分

表 1 HR680/800CP 的典型化学成分（%）

2 工业试制开发

2.1 炼钢工艺开发

1）BOF+LF+RH 冶炼工艺

转炉冶炼具备氧化脱硅的功能，也具备脱磷的功能，还具备脱碳的功能以及调整温度的功能[12]。在冶炼终点时，C 含量要控制在≤0.04%，P 含量要控制在≤0.015%。在转炉炉后出钢过程中，会进行铝脱氧及合金化操作。出钢过程要保证出钢口状态良好，以防钢流散流而增氮。采用滑板来挡渣，将下渣量控制在 80mm 以下。出钢后，会对钢包顶渣添加 CaO 来进行改质，以避免下渣回磷。LF 精炼的主要目的在于造白渣（还原渣），以此来实现深脱硫，确保成品硫含量能够≤0.005%，并且还会进行合金成分的粗调。RH 精炼主要是进行脱氮以及去除氢气的操作，将 N 含量控制在≤0.005%，把 H 含量控制在≤0.0003%，这样可以避免材料因氢而导致延迟开裂的风险，同时也会进行合金成分的精调。

2）连铸工艺

采用中间包覆盖剂，以此防止二次氧化形成 Al2O3；采用浸入式水口氩封，防止大包下渣，避免下渣与钢液中[Al]发生反应生成 Al2O3；采用低碳高强钢专用保护渣。杜绝敞开浇注，以保证稳定浇铸，将结晶器液面波动控制在±5mm，避免因液面波动而导致卷渣缺陷。必要时需采取人工火焰清理措施。HR680/800CP 含有较多的合金元素 Si、Mn、Nb、Ti 和 Mo，其淬透性比较高。在铸坯冷却的时候，需要把它放在挡风墙内集中堆垛进行缓冷，这样可以避免因为相变内应力而产生断坯的风险，就像图 1 所展示的那样。

图1 铸坯挡风墙集中堆垛缓冷

图 1 中挡风墙处板坯的集中堆垛和缓慢冷却

2.2 热轧工艺开发

1）相变规律研究

汽车底盘用高强度复相钢常用于有凸缘翻边、扩孔等成形工艺的零件，像摆臂、控制臂等。这类零件在成形过程中，落料剪切面会受到较大的扩孔张力。如果材料基体组织中各相强度差异较大，比如马氏体 M 和铁素体 F 组织，那么软相组织 F 会受力变形，而硬相组织 M 不会发生塑性变形。两相组织的变形差异会使得 F/M 相界面处形成组织内应力，最终在 F/M 相界面处出现裂纹萌生和扩展的情况。开发此类钢种的关键在于降低各相组织的强度差异，提高组织间协调变形的能力，以及降低扩孔张力作用下相界面处的应力。基于上述分析，所设计的复相钢 HR680/800CP 的显微组织主要由铁素体和贝氏体组成，并且其中还含有少量的珠光体和细小的碳化物。

利用热力学计算软件 JMat Pro7.0 来计算 CCT 曲线和 TTT 曲线，其结果呈现为图 2 。从图 2（a）能看出，Ac1 温度是 674.2℃，Ac3 温度是 845.8℃。在连续冷却转变过程中，当冷速小于 1℃/s 时，主要会发生铁素体相变和珠光体相变。随着冷速的提升，贝氏体相变的比例会增大。冷却到 650℃时，珠光体相变开始发生。冷却到 600℃时，贝氏体相变开始发生。等温转变曲线能表征热轧带钢卷取后在接近等温转变的极其缓慢冷却过程中过冷奥氏体的固态相变类型。从图 2（b）可以看出，当卷取温度设定在 650～700℃时，主要会发生铁素体相变；而在 610～650℃卷取时，主要发生的是铁素体相变和珠光体相变；在 500～600℃卷取时，主要发生的是贝氏体相变和少量的铁素体相变。

图2 CCT 和TTT 曲线

Fig.2 CCT&TTT curves

2）热轧工艺

复相钢 HR680/800CP 含有较多的微合金元素 Nb 和 Ti 。通过控轧控冷工艺，能让第二相粒子充分弥散析出，从而保证析出强化效果。需要把铸坯中已析出的粗大第二相粒子，经高温加热使其充分回溶。这样就能得到具有高固溶度微合金元素 Nb 和 Ti 的奥氏体组织，为控轧控冷工艺奠定基础。设定板坯加热温度为 1260℃±20℃。根据相变点温度，将精轧终轧温度设定为 890℃，以此来实现奥氏体区轧制的稳定性；基于 JMat Pro7.0 的计算结果，同时考虑微合金化元素 Nb、Ti 的第二相析出强化作用，把卷取温度设定为 570℃，以保证卷取后主要发生贝氏体相变以及有充分的第二相析出效果；综合多方面因素，包括精轧后形变奥氏体晶粒长大对相变组织晶粒大小的影响、三次氧化铁皮厚度控制对酸洗效果的影响以及冷却速率对板形的影响等，将层流冷却方式设定为前段 3/4 冷却模式，从而实现相变组织的细晶强化、三次氧化铁皮的减薄以及降低冷却强度过大而产生较大相变应力导致板形不良的不利影响。表 2 展示了具体的控轧控冷实例。其中轧制规格为 4.0mm×1015mm，其精轧终轧温度和卷取温度的控制情况如图 3 所示。

图3 热轧终轧温度（FDT）和卷取温度（CT）控制情况

图 3 展示了热轧过程的 FDT 和 CT 控制

表2 热轧工艺典型关键参数

表 2 热轧工艺的关键参数

3）热卷下线冷却方式

合金及微合金元素含量较高，这使得钢种的温度敏感性较强。在冷却过程中，由于钢卷处于不同的温度场条件下，其显微组织及性能存在较大差异。并且，钢种的强度越高，这种差异性就越显著[15]。为避免客户在使用过程中因组织和性能的差异而出现冲压质量问题，采取了将下线热卷放置在挡风墙内集中堆垛并进行缓冷的方式，以此促进外圈以及芯轴部位板带基体的第二相析出，进而提高通卷性能的稳定性。

3 产品组织性能及应用

3.1 产品组织性能

图 4 展示的是 HR680/800CP 产品的显微组织形貌，其主要构成部分是贝氏体以及少量的多边形铁素体。通过截距法对其平均晶粒尺寸进行了测定，结果为 4.8μm。同时，晶粒度被评级为 12.0 级。国标 GB/T 20887.6-2017 规定的力学性能测试方法表明，HR680/800CP 试验卷的力学性能如表格 3 所呈现。该试验卷经过挡风墙缓冷处理后，通卷性能较为良好，其强度的波动范围被控制在 30MPa 以内，并且都满足了标准的要求。依据 GB/T 24524-2009《金属材料 薄板和薄带 扩孔试验方法》，对新开发的 HR680/800CP 进行扩孔率测定，其扩孔率达到了 110%，这是一个良好的指标。在新产品试制方面，共试制了 1500t，产品的板形良好，表面质量也良好，力学性能指标同样良好，总体合格率达到了 96%。

图4 HR680/800CP 显微组织

Fig.4 展示了开发的 HR680/800CP 的微观结构。

表3 HR680/800CP 力学性能

表 3 为所研发的 HR680/800CP 的力学性能。

注：轧向L0=80 mm，b0=20 mm标样。

将热轧板厚度的 1/4 位置进行机械抛光，使其达到 1000 目（0.013mm）。然后在-30℃的环境下，使用 4%HClO4 酒精溶液进行电解抛光，电压为 30～40V，时间为 15s，以去除表面的内应力。接着采用 Ultra55 场发射扫描电镜配备的电子背散射衍射分析（EBSD）系统进行晶粒取向测量，加速电压为 20kV，样品倾斜角度为 70°，采集速度为 79.48Hz，解析率为 90.97%。经测量发现，其中 BCC 占比 90.50%，FCC 占比 0.05%，Fe3C 占比 0.42%，这说明基体组织主要为 BCC 结构的铁素体、贝氏体组织。图 5 展示了试验钢不同方向的 IPF 图。其中，X 表示轧向，Y 表示板法向，Z 表示横向。从图 5 能够看出，热轧板的轧制方向与横向存在明显的晶粒取向差异。横向的晶粒取向主要是（此处未给出具体晶粒取向内容），而轧制方向具有更高比例的（此处未给出具体晶粒取向内容）和（此处未给出具体晶粒取向内容）。并且，在厚度方向与轧向具有相似的晶粒取向，具备更为优良的成形性能。

图 5 中 HR680/800CP 试验钢在 Z 方向、Y 方向、Z 方向的 IPF 图

图 5 为 HR680/800CP 在 Z/Y/Z 方向的 IPF 图

(a) IPF-Z;(b) IPF-Y;(c) IPF-X

图 6 展示了 BCC 晶粒取向误差的分布状况。固溶的 Nb 元素在奥氏体晶界发生偏聚，这种偏聚对奥氏体晶界起到拖曳作用。通过这种方式实现了奥氏体晶粒的细化，进而细化了相变组织。在其中，小于 10°的小角度晶界的占比达到 50.10%，大于 10°的大角度晶界占比为 49.90%。相邻晶粒取向差小于 2°的亚晶界占比达到 30.43%。整体来看，晶粒细小，且较高比例的亚晶界和小角度晶界发挥了细晶强化的效果。

图6 晶粒取向误差的分布

图 6 为晶界取向差的分布情况

3.2 产品应用

高强度复相钢 HR680/800CP 具备铁素体和贝氏体组织。其抗拉强度为 840MPa，延伸率达到 17.92%，扩孔率高达 110%，性能良好。该钢成功应用于国内某车型的底盘控制臂和新能源电池包支架，如图 7 所示。控制臂冲压时，凸缘翻边部位状况良好，没有出现开裂的情况；新能源电池包支架经辊压成型后，其尺寸精度和抗折弯性能都能满足客户的需求。后续会开展客户成型技术服务以及焊接技术的研究工作，并且会在底盘结构件和新能源汽车领域加大推广应用的力度。

图7 HR680/800CP 应用零件

图 7 HR680/800CP 的应用部分：（a）控制臂；（b）电池组支架

4 结论

采用低 C-Si-Mn-Nb-Ti-Mo 复合成分体系进行设计，依据理论计算制定热轧控轧控冷工艺，同时采用下线热卷挡风墙集中堆垛缓冷等措施，从而获得显微组织为 F/B 组织，屈服强度达到 769 MPa，抗拉强度为 840 MPa，延伸率为 17.92%，扩孔率高达 110%的高强度复相钢 HR680/800CP 产品。

热轧酸洗板 HR680/800CP 的 EBSD 分析结果表明，板料的晶粒取向存在显著差异，其中轧制方向的晶粒取向比例更高，且具有更为优异的成形性能。

热轧酸洗板 HR680/800CP 具备良好的凸缘翻边性能，同时也具备良好的折弯性能。它在控制臂和新能源电池包支架的应用中取得了成功。