探究汽车用冷轧低合金高强钢（HSLA 钢）的特点与应用

冷轧低合金高强钢（HSLA钢）具有屈服强度及屈强比高、成形性能和焊接性能良好等特点，其屈服强度高于碳素结构钢，成本又低于双相钢等先进高强钢，因此受到市场青睐，广泛应用于汽车、家电、建筑等行业的结构件，其中在汽车轻量化应用方面最为突出。特别是随着国内自主品牌汽车及新能源汽车的快速发展，高性价比（低成本高性能）冷轧低合金高强钢发挥着重要作用[1]。

汽车用低碳高强度低合金钢是在低碳钢中添加Nb、Ti等微合金元素，利用细晶强化、沉淀强化等强化机制，提高其屈服强度和屈强比，同时还具有良好的抗变形能力[2]。260~420 MPa级低碳高强度钢牌号有HC260LA、HC300LA、HC340LA、HC380LA、HC420LA等。其中HC340LA和HC420LA是市场上最常见的，广泛应用于汽车A柱上部加强件、内B柱、门槛延伸件、左右纵梁外板、底盘座椅部件等领域，具有广阔的发展前景[3]。

1. 流程

根据高强度低合金钢种的成分特点、C、P、S、N等元素的控制和钢水洁净度的要求以及LF、RH精炼设备的能力，兼顾经济性，对不同强度级别的高强度低合金钢采用不同的工艺路线。

（1）对于HC260LA、HC300LA、HC340LA钢种：KR脱硫→转炉冶炼→LF精炼→连铸→板坯检查→加热→粗轧→精轧→层流冷却→卷取→平整（按需）→热卷检查→酸洗→连续退火→重卷/拉伸及矫直（按需）→冷卷检查→包装→入库。

（2）对于HC380LA、HC420LA钢种：KR脱硫→转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→连铸→板坯检查→加热→粗轧→精轧→层流冷却→卷取→平整（按需）→热卷检查→酸洗→连续退火→重卷/拉伸（按需）→冷卷检查→包装→入库。

2. 成分设计

成分配比和合金元素含量是影响其组织和性能的关键因素[4]。通过查阅文献，从理论上研究了化学成分对高强度低合金钢生产和性能的影响机理，充分借鉴国内外钢厂同类生产线的实际生产情况。在保证产品质量的前提下，综合考虑低成本高效生产，以控制低C、适量加P增Mn、加Nb不加Ti为主要思路，保证各强度等级的性能要求。主要高强度低合金钢种的成分设计如表1所示。

3.生产过程控制

经冶炼、连铸生产的HSLA钢坯，再经过热轧、冷轧和连续退火生产工序，得到最终的HSLA钢带。热轧卷取温度对成品后续性能和组织有一定的影响，热轧层流冷却过程中存在空冷区，由于Nb元素对温度的敏感性较高，在空冷区含Nb析出相粗大。根据遗传效应，随着退火温度的升高，含Nb析出相发生粗化，降低了析出强化效果，显著影响屈服强度效果[5]。冷轧过程中会产生大量的变形组织，热处理过程中，变形区内铁素体发生回复、形核再结晶和晶粒长大[6]。 随着冷轧压下率的增加，晶粒被拉长，晶界增大，晶格畸变增大，变形晶格间储存的能量增大，晶格间和晶界上的变形缺陷增多。材料在轧制过程中承受的轧制力越大，对轧机的负荷能力要求就越高。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，相同厚度的钢材的晶粒尺寸明显增大，这主要是因为随着温度的升高，晶粒长大速度增大，导致强度下降[7]。另外，随着退火速度的提高，γ→P相变的过冷度增大，加速了珠光体的形核和奥氏体分解的共析反应温度。 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]。通过优化HSLA钢热轧、冷轧、连续退火关键工艺参数，形成标准化工艺控制参数，如表2所示。

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4.生产工序能力分析

对主要工业生产的HSLA钢种HC260LA、HC340LA、HC420LA的实际力学性能进行统计分析，如表3所示。

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工序能力指数Cpk是判定钢种力学性能稳定性的有效手段，可以用量化的数据来说明其稳定性，这对于汽车厂和钢厂都具有重要意义[9]。Cpk是指工序的工序能力指数，其值越高，产品质量特征值的离散度越小，表明生产越稳定。通过随机选取工业生产中主要生产的HSLA钢种HC260LA、HC340LA、HC420LA的100组力学性能性能值，利用Minitab软件对其屈服强度、抗拉强度、断后伸长率A80进行数据分析和工序能力图分析，如图1所示。

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从图1生产工序能力图可知，HC260LA、HC340LA、HC420LA的力学性能均具有良好的工序能力。屈服强度、抗拉强度、断后伸长率A80的工序能力指标Cpk值见表4。其中，HC420LA屈服强度因用户需求采用下限值的控制方式，其Cpk相对较低，仅为1.11。其余牌号及指标的Cpk值均大于1.33，说明工序能力稳定，数据波动较小，能较好地满足汽车主机厂的加工要求，避免因性能波动而调整冲压模具参数带来的废品率及生产节奏，提高用户满意度。

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5. 结论

通过汽车用高强度低合金钢研发，制定了汽车用高强度低合金钢标准化产品控制方案和工艺方案，形成了完整、稳定、高效的生产工艺流程，已实现屈服强度260~420MPa钢种批量订单，工艺窗口可控性强，生产工艺能力稳定，产品已在国内外知名汽车厂成功应用，对工业化生产具有重要的借鉴和指导意义。