汽車大梁用熱軋黑皮表面鋼的生產工藝探討*

韋 弦 劉社牛 張振申

(安陽鋼鐵集團有限責任公司)

汽車大梁用熱軋黑皮表面鋼的生產工藝探討*

韋 弦 劉社牛 張振申

(安陽鋼鐵集團有限責任公司)

在分析熱軋鋼板表面氧化鐵皮結構及影響因素的基礎上，探討了汽車大梁用黑皮表面鋼的生產工藝技術。對510 MPa級的黑皮鋼，可以通過較低硅含量的成分設計和適當的軋制工藝控制來實現;而對于高強度的610L，由于FeO的共析轉變溫度較低，還需要嚴格的鋼卷冷卻控制才能實現。

汽車大梁鋼 氧化鐵皮 共析轉變 熱軋工藝

0 前言

汽車大梁用黑皮表面鋼，是近年來發展的一種以控制熱軋鋼板表面結構的技術產品。普通的汽車大梁鋼在不經過酸洗進行沖壓加工時，就會出現嚴重的氧化鐵皮脫落，使得表面出現凹凸不平，產品質量將影響下道工序的生產，因此必須經過表面酸洗處理。而黑皮鋼的表面氧化鐵皮以十分穩定的Fe3O4為主，呈藍黑色，厚度較薄，并具有一定韌性，在沖壓過程中不易脫落，因而不需要酸洗或清理噴砂，可以直接進行漆前處理和涂裝，也稱免酸洗鋼。由于符合環保及節能的需要，使得黑皮鋼成為未來汽車大梁鋼生產的方向。下面筆者就黑皮表面鋼的生產工藝技術做一探討。

1 黑皮表面的形成機理

1.1 熱軋表面的氧化鐵皮結構

熱軋前一般采用高壓除磷的方式將加熱過程形成的氧化鐵皮去除干凈，但是由于軋制和終軋得溫度較高，軋制過程及隨后的冷卻，還是會在表面形成一層氧化鐵皮。一般氧化鐵皮由三層結構組成:最下層的富氏體(FeO和Fe3O4固溶體)、中間層的Fe3O4和最上層的Fe2O3［1］。典型的氧化鐵皮結構如圖1所示。

圖1 氧化鐵皮結構示意圖

1.2 黑皮表面的形成機理

鐵的三種氧化產物由于結構的不同，與鋼板基體的結合力也有很大的區別。FeO是氯化鈉型離子晶體，具有天然的最大空隙率，易腐蝕;Fe304是具磁性的黑色晶體，是由 Fe2+、Fe3+、O2－通過離子鍵而組成的復雜離子晶體，離子間的排列方式與尖晶石構型相仿，較致密，難腐蝕;Fe2O3晶體結構為剛玉型(密排六方)，難溶于酸中［2］。因此在酸洗去除氧化鐵皮過程中，Fe0最容易被還原分解，Fe3O4次之，Fe203最難被酸還原分解。三種氧化鐵皮在鋼板表面的附著力也是不同的，附著力越大，破壞應力越大。FeO、Fe3O4、Fe2O3的破壞應力分別約為 0.4 MPa、40 MPa、10 MPa。氧化鐵皮與基體鐵的附著力越大，氧化鐵皮越難從基體鐵上脫落［1］。獲得黑皮表面的機理，就是要使鋼表面形成以黑色的Fe3O4為主要組分的氧化鐵皮結構，提高其附著力和韌性，并嚴格控制其厚度，從而在沖壓過程不致于脫落，達到免酸洗的目的。

根據Fe－O平衡相圖，在570℃～137l℃時，FeO處于穩定狀態;在570℃以下時，FeO發生共析反應，生成α－Fe和Fe3O4的混合物，化學反應方程式為:

對要獲得免酸洗的黑皮鋼來說，應促進高溫形成的FeO，充分發生共析反應，從而獲得以Fe3O4為主氧化鐵皮結構;而對于需要酸洗的SPHC等鋼種，應抑制共析反應的進行，獲得以FeO為主要組分的易酸洗的氧化鐵皮結構。

2 熱軋氧化鐵皮的影響因素

2.1 硅元素含量的影響

當鋼中的硅含量較高時，在加熱過程中，硅元素易于向氧化亞鐵和鋼之間的界面擴散，在氧化鐵皮和基體之間容易生成Fe2SiO4，在1173℃以下與FeO產生共晶反應，形成強度很高的鐵橄欖石(FeO/Fe2SiO4)。鐵橄欖石容易與奧氏體形成錨式鏈接，并與FeO層形成良好的界面匹配，將FeO牢固粘黏在基體上，使得粗除磷時氧化鐵皮不易去除，在后續熱軋過程中容易被壓入和破碎，從而形成紅色鐵皮。圖2顯示的是紅色氧化鐵皮形成過程的示意圖。

圖2 紅色氧化鐵皮形成過程

為了防止紅色氧化鐵皮，必須在加熱過程防止鐵橄欖石的產生。可以采取兩種措施，一是提高出爐溫度，將除磷時鋼的溫度控制在1173℃以上;二是控制鋼的化學成分，降低硅含量。

2.2 微合金元素的影響

微合金元素對鋼板表面FeO的共析反應有較大的影響。劉振宇等對510L和610L熱軋鋼板表面的FeO共析轉變行為進行了詳細的研究［3］，結果如圖3所示。

圖3 510L和610L鋼板表面的FeO共析轉變曲線

由圖3可以看出，610L共析轉變鼻尖溫度比510L低了120℃左右。因此，隨著微合金Nb、V等元素含量的增加，FeO的轉變溫度有降低的趨勢。

2.3 鉻合金元素的影響

含有微量Cr元素的鋼，氧化鐵皮結構也由三部分構成，即外層為薄的Fe2O3、中間層為Fe3O4、內層為FeO，但是內層含有 FeCr2O4彌散相［4］，可明顯改善鋼基體的抗氧化性，并可增加氧化層的附著能力。

3 黑皮表面鋼生產工藝探討

3.1 化學成分設計

根據汽車大梁鋼的使用要求，鋼應具有較高的強度和韌性，一般均設計為較低碳含量和微合金化的成分體系，汽車大梁鋼的化學成分要求見表1。

表1 汽車大梁鋼的化學成分 wt%

對于黑皮表面的汽車大梁鋼，紅色氧化鐵皮是極其有害的。而硅含量對紅色氧化鐵皮的形成有著很重要的影響，因此需要特別的重視。采用較高硅含量的化學成分體系，為了防止紅色氧化鐵皮的形成，需要鋼的加熱溫度超過1200℃，粗除磷溫度達到1173℃以上。但是由于加熱溫度較高，軋制溫度高，并且會降低軋制節奏，因此表面形成的氧化鐵皮較厚，這對黑皮表面鋼的質量是不利的。采用較低硅含量，加熱過程不易形成Fe2SiO4，從而有效防止了鐵橄欖石的形成，因而不需要高的加熱溫度，也可以防止紅色氧化鐵皮的產生，表面的氧化層也較薄。楊峰等對寶鋼的歷史數據做了統計分析，發現Si含量在0.165%以下時，紅色氧化鐵皮發生的幾率很小［5］。因此，為獲得黑皮表面的汽車大梁鋼，應采用較低硅含量的化學成分設計，硅含量應控制在0.16%以下，最好在0.10%以下。為了增加氧化鐵皮的附著能力，也可添加少量的鉻。

3.2 熱軋工藝

熱軋氧化鐵皮厚度與帶鋼表面溫度和軋制時間有關，采用低溫加熱和較高的 終軋溫度，可以降低軋制時的表面溫度，并提高軋制速度，縮短軋制時間，從而獲得較薄的氧化鐵皮厚度。但對于微合金化的汽車大梁鋼，加熱溫度還應考慮微合金元素的充分固溶，以避免造成強度的降低［6］。

卷取溫度對氧化鐵皮的結構及組分也有很大影響。如圖3所示的510L氧化鐵皮共析轉變CCT曲線，當卷取溫度低于570℃時，卷取前產生的Fe3O4結構處于穩定狀態;卷取后，原始FeO組織就會發生向α－Fe和Fe3O4轉變的分解反應，這個分解反應在480℃達到最大速度，而低于300℃時分解速度接近于0［7］。而當卷取溫度高于570℃時，Fe離子持續由鋼基體擴散進入氧化層，在Fe3O4與FeO界面處會重新形成FeO，消耗掉部分卷取前已形成的Fe3O4。因此，對于510L鋼種，可以將卷取溫度控制在550℃左右的范圍，獲得足夠組分的Fe3O4，同時保持了鐵素體和珠光體的微觀組織，具有較好的使用性能。

對于610L來說，由于其共析轉變溫度降低了120℃左右，低溫卷取將會使組織出現貝氏體組織，嚴重惡化鋼的韌性。所以，610L的黑皮表面，通過控制卷取溫度是不可能實現的。610L卷取溫度的制定應以實現鐵素體+珠光體的組織為目標，應通過隨后鋼卷冷卻過程的控制，來獲得較大組分的Fe3O4氧化鐵皮結構。

3.3 軋后冷卻控制

510L氧化鐵皮的共析反應在550℃到300℃的范圍都可以實現，一般的冷卻方式下即可獲得很高比例組分的Fe3O4氧化鐵皮結構。而對于610L，其卷取后到430℃的很寬的溫度范圍內，是FeO結構穩定狀態，層流冷卻時形成的Fe3O4將向FeO發生逆共析轉變，所以在此溫度范圍內，應采用較快速度的冷卻方式，以減少Fe3O4向FeO轉變的比例，最大限度的保留Fe3O4組分;在430℃以下到300℃的溫度范圍，是FeO向Fe3O4轉變的主要溫度區間，應采取適當的保溫措施，降低冷卻速度，促進FeO共析轉變，從而形成更多組分的Fe3O4氧化鐵皮結構。

4 結束語

合理的化學成分設計和軋制工藝控制，是獲得高Fe3O4組分氧化鐵皮的關鍵。相對于510L，微合金含量更高的610L，由于其FeO共析轉變溫度降低，使得控制難度極其困難，最終熱軋表面氧化鐵皮的Fe3O4組分也會相對較少，應有必要采用一定含量的Cr合金化，來增加氧化層的附著能力。

［1］吳祝民.熱軋帶鋼氧化鐵皮的成因及對策［J］.軋鋼，2007，24(3):56－58.

［2］王銀軍，蕾漢君，穆海玲等.卷取后的熱軋帶鋼氧化鐵皮顯微分析［J］.中國冶金，2007，17(10):40 －44.

［3］劉振宇，王國棟.熱軋鋼材氧化鐵皮控制技術的最新進展.鞍鋼技術，2011(2):1－5.

［4］李鐵藩編著.金屬高溫氧化和熱腐蝕.北京:化學工業出版社，2003:189－235.

［5］楊峰，歐鵬.熱軋產品紅色氧化鐵皮成因及消除方法的研究.鋼鐵，2006，41(增刊2):380 －385.

［6］劉社牛，張振申，黃重，等.加熱工藝對AG610L性能影響的研究.河南冶金，2010，18(3):12 －13.

［7］孟憲堂，于洋，徐海衛，等.免酸洗汽車大梁用S510L熱軋黑皮帶鋼的研發.北京:第八屆中國鋼鐵年會會議論文.2011.

INVESTIGATION ON PRODUCTION PROCESS OF HOT ROLLED BLACK SURFACE PLATES FOR AUTOMOBILE BEAM

Wei Xian Liu Sheniu Zhang Zhenshen
(Anyang Iron and Steel Group Co.，Ltd)

Production process of hot rolled black surface plates for automobile beam is discussed by analyzing iron oxide structure on the hot rolled steel and its influence factors.510 MPa steel can be produced through low －silicon composition design and appropriate rolling process，but for higher strength 610L steel，it also needs strict cooling control because of FeO lower eutectoid transformation temperature.

automobile beam iron oxide eutectoid transformation hot rolling

*聯系人:韋弦，副主任，高級工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵集團有限責任公司技術中心;

2011—10—20