CN112981234B

CN112981234B - 一种方坯连铸连轧微合金化汽车安全气囊管用钢及其制造方法

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Publication number: CN112981234B
Application number: CN202110080357.5A
Authority: CN
Inventors: 谭亮; 葛龙贵; 李国忠; 许晓红; 白云; 吴小林; 曹红福; 李正中; 李伟; 彭继承; 黄二新; 沈刚; 孙复程; 李亮亮; 王东; 狄梦龙; 孟羽; 廖书全; 芦莎; 张丽娜
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2021-01-21
Filing date: 2021-01-21
Publication date: 2022-09-23
Anticipated expiration: 2041-01-21
Also published as: CN112981234A

Abstract

本发明涉及一种微合金化汽车安全气囊管用钢，其化学成分为C：0.08～0.15%，Si：0.15～0.40%，Mn：1.00～1.50%，Cr：0.25～0.65%，Ni：0.10～0.50%，Mo：0.10～0.30%，V：0.05～0.15%，Al：0.10～0.50%，P≤0.015%，S：0.008%，Cu≤0.15%，Ti：≤0.06%，Nb≤0.03%，Ca：0.0005～0.005%，As≤0.04%，Sn≤0.03%，Sb≤0.005%，Pb≤0.002%，且Ca/S≥1；余量为Fe及不可避免的杂质。本发明的产品形式为热轧圆管坯，保证了本发明微合金化汽车安全气囊管用钢的机械性能、轧材疏松度与偏析以及表面质量。

Description

一种方坯连铸连轧微合金化汽车安全气囊管用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种方坯连铸连轧微合金化汽车安全气囊管用钢及其制造方法。属于冶金行业技术领域。

背景技术

现代工业文明给人类社会带来效率、财富、舒适、便利，同时迅速蔓延的机械技术对人类生命***的伤害却一直没有停止过，因而汽车安全性一直随着科学技术与材料工艺的提升而提高。虽然人类一次次用技术手段来减轻在发生危险后的损失，但在现阶段，人依然作为操控车辆的主体时，人身安全的保障仍然至关重要。在汽车保有量快速增长的同时，伴随着越来越多的交通事故。据统计，在所有可能致命的车祸中，如果使用安全带，可挽救约45％的生命，如果同时使用安全气囊，这一比例可上升到60％。

汽车安全气囊(气帘)是汽车安全装置中比较重要的一环，使用部位也比较多，包括前后排正向气囊，膝部气囊，腰部气囊，侧向气帘等，由于需要长期的安全有效性和可靠性，其对材料的要求非常高。汽车安全气囊管用钢是安全气囊组件中非常重要的钢铁原材料，其主要作用是在发生碰撞触发安全气囊工作时，承担预置***点火产生的***气流压力并沿规定方向导向气囊使之及时膨胀弹出，从而产生保护作用。由于安全性和稳定性要求太高，目前国内合资品牌汽车及国产中高档汽车生产厂商所使用的气囊管及其关键组件基本都是国外进口，日系汽车企业和欧美汽车企业垄断了其技术与市场，国内钢厂生产气囊管用钢基本还处于空白阶段，即使有试验开发生产了样品但也很难以通过以欧美及日系厂商的产品认证，难以应用到欧美、日资或合资汽车上。所以，汽车安全气囊管用钢的国产化进程迫在眉睫。

汽车安全气囊(气帘)装车后除非发生事故，一般是永久性的，不会更换，所以需要长期的安全性和可靠性，其对材料的要求非常高。汽车安全气囊管其主要作用是在发生碰撞触发安全气囊工作时，承担预置***点火产生的***气流压力并沿规定方向导向气囊使之及时膨胀弹出，从而产生保护作用。同时由于车辆复杂的使用环境，要求钢管既要适应正常的气温，还要能适应零下几十度的极端天气且在气囊弹出的***过程中不能将气囊管炸裂，以防止对驾乘员产生二次伤害。因此要求所用的材料需要满足足够的强度、韧性及冲击耐受性。

根据汽车安全气囊管的使用条件，汽车安全气囊管用钢必须具备下列特性：较高的抗拉强度、屈服强度和韧性，高的耐冲击性能；同时要有好的延展性及良好的表面质量，以利于穿管加工。

因汽车安全气囊管需经过穿管及调质工艺，其对钢材疏松及偏析是十分敏感的，它会导致钢管组织的不均匀，造成管材的各项异性，严重影响最终产品安全气囊管的性能，降低其使用寿命。因此需要保证钢材的组织致密及均匀性，降低钢材的疏松及偏析。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种方坯连铸连轧微合金化汽车安全气囊管用钢及其制造方法，保证钢材的组织致密及均匀性，降低钢材的疏松及偏析，满足汽车安全气囊管的强度、韧性、耐冲击性及表面质量的要求。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种微合金化汽车安全气囊管用钢，化学成分按质量百分比计为C：0.08～0.15％，Si：0.15～0.40％，Mn：1.00～1.50％，Cr：0.25～0.65％，Ni：0.10～0.50％，Mo：0.10～0.30％，V：0.05～0.15％，Al：0.10～0.50％，P≤0.015％，S：≤0.008％，Cu≤0.15％，Ti：≤0.06％，Nb≤0.03％，Ca：0.0005～0.005％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，且Ca/S≥1，余量为Fe及不可避免的杂质；在满足以上成分范围前提下，为使材料达到设计的力学性能及满足焊接性能要求，本发明控制碳当量值应符合0.45～0.55％，碳当量计算式为CEV(＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15)。

本发明汽车安全气囊管用钢的化学成分设计依据如下：

1)C含量的确定

C是钢中最基本的元素，也是最经济的强化元素，通过固溶强化并配合碳化物形成元素的析出强化，提高钢的强度，但C含碳量越高，钢的硬度就越高，会对钢的塑、韧性带来不利影响，同时C含量高会降低钢的焊接性能，降低钢的耐大气腐蚀能力，并增加钢的冷脆性和时效敏感性。本项目C含量的范围确定为0.08～0.15％，其属于低碳钢范畴。

2)Si含量的确定

Si可以作为脱氧元素，也是基本的固溶强化元素、提高淬透性。但是Si含量过高增加了铁素体的脆性，使钢中的过热敏感性、裂纹敏感性增大。一般来说，镇静钢中的含硅量不超过0.5％，对钢性能影响不大。本项目Si含量的范围确定为0.10-0.40％。

3)Mn含量的确定

Mn是钢的固溶强化元素，能显著提高钢的淬透性，且改善钢的热处理性能，强化钢的基体和细化珠光体，从而提高钢的强度和硬度，且锰合金又较价廉易取，是高强度级别钢设计中的优选元素。但钢中Mn含量过高，会产生较明显的回火脆性现象，且Mn促进晶粒长大，导致钢的过热敏感性和裂纹倾向性增强。本项目Mn含量范围确定为1.00～1.50％。

4)Cr含量的确定

Cr是中等碳化物形成元素，能够提高钢的淬透性、耐磨性，但Cr含量过高会提高钢的脆性转变温度，促进钢的回火脆性，本项目将Cr含量的范围确定为0.25～0.65％。

5)Ni含量的确定

Ni能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性，含Ni钢一般不易过热，所以它可阻止高温时晶粒的增长，仍可保持细晶粒组织。同时Cr、Ni配合添加的钢其焊接性能和低温性能也不错。但由于Ni是较稀缺的资源，故本项目钢种将Cr含量的范围确定为0.10～0.50％。

6)Mo含量的确定

Mo是碳化物形成元素，与Cr结合可以提高淬透性，细化晶粒、提高韧性。对热处理的合金结构钢，能够大大降低回火脆性，提高钢的韧性，本项目的钢种其Mo含量的范围为0.10～0.30％。

7)V含量的确定

V与O、N都有很大的亲和力，亦是强碳化物元素。一般VC的弥散度很高，且极稳定，所以它既利脱氧、脱气得到致密细晶组织，提高塑性、韧性及高强度，其冲击性能和疲劳强度都较无V钢高，在高温及低温(＜0℃)均有高强度、韧性。同时由于碳化钒的高度分散阻止焊缝晶粒粗大，所以可改善钢的可焊性能。本项目钢种中的V含量的范围为0.05～0.15％。

8)S、P含量的确定

S、P为钢中不可避免的杂质元素，易形成偏析、夹杂等缺陷。P溶于铁素体使晶粒扭粗大，且增加冷脆性。S使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性。本项目为保证钢的高强韧性能，控制P≤0.015％，S≤0.008％。

9)Al含量的确定

Al作为钢中脱氧元素加入，除为了降低钢水中的溶解氧之外，Al与N形成弥散细小的氮化铝颗粒可以细化晶粒，但Al含量大，钢水熔炼过程中易形成Al2O3等脆性夹杂物，降低钢水纯净度，因此本项目中Al含量的范围确定为0.010～0.050％。

10)Nb含量的确定

是一种轧制过程中对晶粒细化起显著作用的元素。在再结晶轧制阶段，Nb通过应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶从而细化晶粒，这就为管坯在淬火、回火处理后仍然具有细小的组织提供了基础，有利于提高其韧性。但受C含量的限制及加热温度的影响，过高的Nb无法固溶，同样发挥不了作用而且增加成本。此外，过高的Nb含量对焊接性能有不利的影响。本发明控制其含量≤0.03％。

11)Cu含量的确定

Cu可提高钢材的淬透性和耐大气腐蚀性能，降低钢的氢致裂纹敏感性。但过高的Cu含量不利于钢板的焊接性能，而且也易产生铜脆现象，恶化钢材的表面性能。本发明控制Cu含量为≤0.15％。

12)Ti含量的确定

低碳之Ti钢，往往因其钢液粘度较大，而使其中非金属加杂，不易分离浮出，同时钛与N、O有很大的亲和力而极易成形TiN和TiO2，钢坯在较低温度时，就形成了较多的非金属夹杂和皮下多孔等缺陷。本发明控制Ti含量为≤0.06％。

13)As、Sn、Sb、Pb含量的确定

As、Sn、Sb、Pb等微量元素，均属低熔点有色金属，其在钢中的存在，会引起零件表面出现软点，硬度不均，因此将它们视为钢中的有害元素，本发明这些元素含量的范围确定为As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％。

14)Ca含量及Ca、S的配比的确定

Ca对钢中夹杂物的变质具有显著作用，使夹杂物球化、分布均匀从而减少对韧性的不利影响，同时还改善钢水的流动性改善水口堵塞问题。本发明中控制Ca含量为0.0005～0.005，且Ca/S≥1。

15)碳当量的确定

碳当量是评价钢材焊接性能的一个重要指标。CEV低有利于钢材的焊接性能但不利于在淬火时形成高强度的马氏体组织，CEV高虽有利于马氏体组织的形成，但却会恶化钢材的焊接性能，因此，本发明控制CEV为0.45～0.55％。碳当量计算式为CEV(＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15)。

上述微合金化汽车安全气囊管用钢的制造流程为：铁水+废钢→EAF电炉→LF精炼炉→VD真空脱气→CCM方坯连铸(铸坯规格300*340mm)→温送/缓冷→加热轧制→锯切→表面银亮处理→表面+内部探伤→成品检验→包装。

进一步讲，上述炼钢、连铸流程工艺为：首先经电炉冶炼，然后LF精炼，LF精炼过程中要加强脱氧，保持脱氧良好的炉渣时间大于15分钟且有好的流动性。精炼结束后钢包转入VD炉进行高真空脱气处理，在高真空压力下(1.33mbar)保持时间15分钟以上。VD破空后必须先喂铝线等进行调整。全部合金加完后再进行钢包软吹氩10分钟以上以保证脱气效果及夹杂物能充分上浮。连铸时钢水的目标过热度控制在20～30℃，且尽可能缩短铸坯在高温区的停留时间。连铸全程防氧化保护，来减少钢中的夹杂物数量，配备合适的拉速及二冷段冷却强度，同时连铸采用M-EMS和F-EMS双联措施，有效地改善和降低连铸坯的成分偏析。制得的连铸坯为300mm×340mm的矩形连铸坯，考虑铸坯断面大及低碳包晶钢裂纹敏感的特性，连铸拉速控制≤0.8m/min，匹配二冷强度≤0.50l/kg，以改善铸坯缩孔及中心疏松，保证铸坯的内部质量良好。

铸坯加热、轧制阶段的具体工艺为：将连铸坯在中性气氛的加热炉内加热至1150℃-1250℃保温2小时，总在炉时间3-3.5小时，出炉后经高压水除鳞处理后直接进入17架连轧机组进行单相轧制，开轧温度1020℃-1050℃，终轧温度900℃-930℃，热轧后最终组织是铁素体和珠光体，轧制过程中轧钢通过合理设计轧制变形工艺，粗轧采用菱方孔型系列，平立轧机交替布置，粗轧前两道采用大压下量，使变形渗透到轧件心部，同时根据坯料规格与轧制道次科学计算分配压下量，使粗轧在原始坯料宽面与窄面的压下量比例为反比，最终控制轧件的框形偏析长宽之比≤1.05。轧制完成后在冷床上进行吹风冷却，冷却速度≥5℃/s，以细化晶粒，并使轧材硬度控制在≥180HBW，便于后续银亮加工及减少表面质量缺陷，最终制得直径为60mm的圆管坯产品。例如但不限于：若采用300*340mm的铸坯，其粗轧在窄面(300mm面)各道次的压下量分别为A1、A2……An，在宽面(340mm面)各道次的压下量分别为B1、B2……Bn；那么首先保证前两道粗轧压下量应≥50％，次两道的压下量应≥30％，其次通过合理计算分配，在窄面与宽面总的压下量之比应满足A1*A2*An/B1*B2*Bn＝340/300。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、采用优质生铁、废钢及原辅料，降低钢水中有害元素含量。

2、加强精炼过程的脱氧，利用钢水中的良好的动力学条件，进行集中提前脱氧和VD真空脱气处理，使非金属夹杂物充分上浮并控制较低的气体含量。

3、控制钢中夹杂物含量及尺寸和组成形态，采用电炉控制下渣技术、精炼渣组成及控制、脱氧剂的选择和加入工艺优化、真空处理工艺优化、中间包冶金，大包下渣检测等技术，连铸全程防氧化保护来减少钢中的夹杂物数量，另外选用优质耐材减少外来夹杂对钢水污染的控制技术，强化对生产过程的控制，从而控制夹杂物形态和组成。

4、连铸过程中浇注过热度不超过35℃，并配备合适的拉速及二冷段冷却强度，保障连铸坯的组织生长。

5、连铸过程采用M-EMS和F-EMS双联，有效改善和降低连铸坯的成分偏析，尤其地，在增加凝固末端电磁搅拌后，铸坯凝固组织的致密度得到了提高，铸坯中心疏松和缩孔得到了有效控制，而二次枝晶臂间距得到明显改善，中心等轴晶率明显提高，晶粒得到细化，从而显著地改善了铸坯的质量，降低成分偏析。

6、合理设计轧制工艺，减少钢材框形偏析的长宽比，框形偏析长宽之比≤1.05，改善了钢材的疏松及偏析，减少穿管后钢管的各向异性。

7、通过轧后特殊控冷方法，提升低碳钢本体硬度，有利于后续银亮车削加工及运输使用过程中对表面的伤害。

附图说明

图1为本发明实施例中微合金化汽车安全气囊管用热轧圆钢宏观偏析图片；

图2为本发明实施例中微合金化汽车安全气囊管用热轧圆钢纵剖面的原位分析疏松二维图。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的用一种高强高韧低碳齿轮钢及其性能检测作进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

本发明各实施例汽车安全气囊管用钢和(作为对比的)目前国际市场上所用的汽车安全气囊管用钢的化学成分(wt％)见表1、表2，

表1

实施例	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni	Al	V
											1	0.1	0.25	1.27	0.012	0.004	0.55	0.15	0.32	0.027	0.097
2	0.11	0.25	1.3	0.012	0.002	0.55	0.15	0.32	0.036	0.096
											3	0.12	0.26	1.3	0.011	0.002	0.55	0.15	0.32	0.033	0.096
对比例1	0.11	0.33	1.39			0.12	0.08	0.39	0.033	0.008
											对比例2	0.12	0.29	1.35			0.16	0.06	0.30	0.042	0.003

表2

实施例	Cu	As	Sn	Sb	Pb	Ca	Ti	O	CEV
										1	0.08	0.0095	0.0058	0.0007	0.001	0.0008	0.0013	0.00058	0.498
2	0.05	0.0084	0.0045	0.0012	0.001	0.0006	0.0019	0.00059	0.511
										3	0.06	0.0088	0.005	0.0008	0.001	0.0007	0.0017	0.00058	0.521
对比例1	0.30					0.0052	0.0224
										对比例2	0.15					0.0025	0.0035

各实施例钢材的机械性能对比见表3

表3

*实施例1-3中的力学性能取样按照ISO 377标准的要求在轧制成品圆钢上取力学性能试样，按照ISO 6892标准的要求使用

热处理毛坯制成的试样，测定钢材的纵向力学性能；其热处理制度为：淬火温度930±30℃油冷，回火500±50℃水冷。

**实施例1-3中的夏比冲击性能测试采用了7.5mm×10mm×55mm的V型缺口冲击试样，表中所列冲击功值为转换到10mm×10mm×55mm的标准V型缺口冲击试样的冲击功值。

由表3可知，本发明以上各实施例中的汽车安全气囊管用钢在抗拉强度、屈服强度、延伸率、低温冲击功等指标上均优于现有国际上同类应用的钢材。

另外，经检测，本发明各实施例中的汽车安全气囊管用钢检验轧材框形偏析长宽之比≤1.05，改善了钢材的疏松及偏析，从而保证了钢材的组织均匀性，减少穿管后钢管的各向异性。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种方坯连铸连轧微合金化汽车安全气囊管用钢的制造方法，其特征在于：钢材的化学成分按质量百分比计为C：0.08～0.15％，Si：0.15～0.40％，Mn：1.00～1.50％，Cr：0.25～0.65％，Ni：0.10～0.50％，Mo：0.10～0.30％，V：0.05～0.15％，Al：0.010～0.050％，P≤0.015％，S：0.008％，Cu≤0.15％，Ti：≤0.06％，Nb≤0.03％，Ca：0.0005～0.005％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，且Ca/S≥1；余量为Fe及不可避免的杂质；所述方法包括以下步骤：

炼钢过程首先经电炉冶炼，然后LF精炼，LF精炼过程中要加强脱氧，保持脱氧良好的炉渣时间大于15分钟且有好的流动性，精炼结束后钢包转入VD炉进行高真空脱气处理，在高真空压力1.33mbar下保持时间15分钟以上，VD破空后先喂铝线进行调整，全部合金加完后再进行钢包软吹氩10分钟以上以保证脱气效果及夹杂物能充分上浮；

连铸时钢水的目标过热度控制在20～30℃，且尽可能缩短铸坯在高温区的停留时间，连铸全程防氧化保护，来减少钢中的夹杂物数量，配备合适的拉速及二冷段冷却强度，同时连铸采用M-EMS和F-EMS双联措施，制得的合格规格的矩形连铸坯，连铸拉速控制≤0.8m/min，匹配二冷强度≤0.50l/kg，以改善铸坯缩孔及中心疏松，保证铸坯的内部质量良好；

铸坯加热时将连铸坯在中性气氛的加热炉内加热至1150℃-1250℃保温2小时，总在炉时间3-3.5小时；

加热后铸坯轧制过程为出炉后经高压水除鳞处理后直接进入连轧机组进行单相轧制，开轧温度1020℃-1050℃，终轧温度900℃-930℃，热轧后最终组织是铁素体和珠光体；

轧制过程中轧钢通过合理设计轧制变形工艺，粗轧采用菱方孔型系列，平立轧机交替布置，粗轧前两道采用大压下量，使变形渗透到轧件心部，同时根据坯料规格与轧制道次科学计算分配压下量，使粗轧在原始坯料宽面与窄面的压下量比例为反比，最终控制轧件的框形偏析长宽之比≤1.05，轧制完成后在冷床上进行吹风冷却，冷却速度≥5℃/s，以细化晶粒，并使轧材硬度控制在≥180HBW，便于后续银亮加工及减少表面质量缺陷，最终制得直径为60mm的圆管坯产品。

2.根据权利要求1所述的一种方坯连铸连轧微合金化汽车安全气囊管用钢的制造方法，其特征在于：为使其保证力学性能并具有良好的焊接性能，其特征在于：所述钢材的碳当量CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15值为0.45～0.55％。

3.根据权利要求1所述的一种方坯连铸连轧微合金化汽车安全气囊管用钢的制造方法，其特征在于：所述钢材的屈服强度≥640MPa，抗拉强度≥750MPa，延伸率≥20％，-40℃下夏比冲击功＞50J。

4.根据权利要求1所述的一种方坯连铸连轧微合金化汽车安全气囊管用钢的制造方法，其特征在于：所述钢材的金相组织为铁素体和珠光体，细化晶粒度7级以上。