供稿|康海軍，宋濤，楊得草，于立偉 /

作者單位：1. 本鋼板材技術(shù)研究院，遼寧 本溪 117000；2. 本鋼板材股份有限公司制造部，遼寧 本溪 117000

內(nèi)容導(dǎo)讀

文章介紹了采用Nb、Cr微合金化并結(jié)合熱軋控軋控冷工藝生產(chǎn)抗拉強(qiáng)度大于590 MPa顯微組織為鐵素體+貝氏體的高擴(kuò)孔熱軋酸洗板的生產(chǎn)實(shí)踐，并從化學(xué)元素、熱軋工藝等方面分析了影響擴(kuò)孔性能的因素。研究結(jié)果表明，通過(guò)合理控制化學(xué)成分、高溫加熱以及設(shè)定合理的終軋溫度和卷取溫度可以保證成品的拉伸性能和擴(kuò)孔性能，其中Si、Nb、Cr三種元素對(duì)獲得高擴(kuò)孔率具有重要作用。該研究對(duì)于590 MPa級(jí)別高擴(kuò)孔鋼種的進(jìn)一步推廣應(yīng)用具有重要意義。

以熱代冷已成為汽車行業(yè)降低生產(chǎn)成本的主要手段，因此熱軋酸洗板擁有廣闊的市場(chǎng)。本鋼已成功研制出普通590 MPa級(jí)熱軋酸洗板，但通過(guò)進(jìn)一步的市場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)普通590 MPa級(jí)熱軋酸洗板無(wú)法滿足一些形狀復(fù)雜的汽車底盤件進(jìn)行擴(kuò)孔加工的工藝要求。

研究高擴(kuò)孔鋼是從鐵素體(F)+馬氏體(M)雙相鋼開(kāi)始的。FM雙相鋼的組織中既具有軟相的鐵素體又有硬相的馬氏體，因此FM雙相鋼屈強(qiáng)比較低，具有良好的抵抗塑性變形的能力，被廣泛應(yīng)用于汽車零部件。但FM雙相鋼應(yīng)用于需要有較大擴(kuò)孔量和翻邊量的零部件時(shí)容易出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)M雙相鋼中的鐵素體與馬氏體的硬度差別較大，形變的匹配性較差，從而導(dǎo)致擴(kuò)孔率較低。解決該問(wèn)題的主要途徑是降低兩相的硬度差。因?yàn)樨愂象w(B)強(qiáng)度高于鐵素體和珠光體，韌性高于馬氏體，所以用貝氏體取代馬氏體可以很好地消除兩相硬度差，也是目前最常用的方法之一[1]。

同傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的熱軋酸洗低合金高強(qiáng)鋼及鐵素體馬氏體雙相鋼相比，高擴(kuò)孔鋼不但具有較高的強(qiáng)度，還具有高的擴(kuò)孔率、成形性，同時(shí)疲勞性能和焊接性能表現(xiàn)優(yōu)異[2]。本文主要介紹了本鋼采用Nb、Cr微合金化結(jié)合熱軋控軋控冷工藝來(lái)獲得590 MPa級(jí)高擴(kuò)孔熱軋酸洗板的生產(chǎn)實(shí)踐，分析了微合金元素及熱軋工藝對(duì)該鋼種組織和性能的影響，對(duì)于該級(jí)別鋼種的進(jìn)一步推廣應(yīng)用具有重要意義。

技術(shù)要求

成分要求

化學(xué)成分的標(biāo)準(zhǔn)要求見(jiàn)表1。從表1可見(jiàn)化學(xué)成分的標(biāo)準(zhǔn)要求比較寬泛，但要想獲得較高的強(qiáng)度和優(yōu)良的成形性能必須制定嚴(yán)格的內(nèi)控及放行標(biāo)準(zhǔn)。

性能要求

力學(xué)性能要求見(jiàn)表2。為滿足對(duì)成形性能要求很高的復(fù)雜形狀的汽車零部件的要求，其擴(kuò)孔率必須達(dá)到75%以上。

表1 化學(xué)成分要求 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 拉伸及成形性能要求

成分與工藝

化學(xué)成分

鐵素體+貝氏體雙相鋼中，合金元素種類較多，且不同產(chǎn)品成分設(shè)計(jì)各有不同，但其主要成分通常為：C、Si、Mn、P、S、Al及少量的Nb、V、Ti、Mo等，這些合金元素對(duì)FB鋼有著不同的影響。

碳用于形成足夠的碳化物強(qiáng)化相，以保證鋼的強(qiáng)度級(jí)別，但從成形性和焊接性能方面考慮，F(xiàn)B鋼中碳含量不應(yīng)太高，最好采用低的碳含量，同時(shí)根據(jù)不同的強(qiáng)度級(jí)別來(lái)相應(yīng)的調(diào)整Si和Mn含量，在一些高強(qiáng)鋼中，還需要輔助添加Nb、Ti等微合金元素[3，4]。硅在碳錳鋼中起固溶強(qiáng)化作用，還可抑制滲碳體的形成，提高鋼板的延伸率，改善鋼板的成形性。Mn在鋼中部分與鐵互溶形成固溶體，對(duì)提高強(qiáng)度有明顯作用。但是Mn含量的增加會(huì)使鋼板中帶狀組織增多，導(dǎo)致鋼板的脆性增加、塑性降低、力學(xué)性能下降。為了得到良好的成形性能，并具有一定的強(qiáng)度，應(yīng)合理控制Mn含量。P、S是鋼中的雜質(zhì)元素，含量應(yīng)越低越好。S在鋼中易形成MnS，鋼中硫化物數(shù)量和形態(tài)直接影響鋼板的擴(kuò)孔率，特別是條狀硫化物夾雜在變形中容易導(dǎo)致裂紋發(fā)生。Nb在鋼中主要起細(xì)化晶粒的作用，還可以降低熱軋工藝的要求，使熱軋工藝變得相對(duì)容易控制。

590 MPa級(jí)高擴(kuò)孔熱軋酸洗板成分設(shè)計(jì)理念充分考慮了各種元素在形成FB組織的重要作用，其實(shí)際熔煉化學(xué)成分如表3所示。

表3 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

板材翻邊性能是與極限變形能力有關(guān)的特性。當(dāng)鋼板承受極限變形時(shí)，產(chǎn)生塑性斷裂的微觀孔洞生成及傳播越難，則翻邊性能越好。鋼中存在的MnS為代表的線形硫化物等非金屬夾雜物以及珠光體一類的塑性差的碳化物對(duì)翻邊性能有不良影響，采取脫硫處理和添加控制硫化物形態(tài)的元素可提高翻邊性能[5]。因此，鐵水經(jīng)過(guò)預(yù)處理，保證了S含量較低；同時(shí)在精煉階段鋼水進(jìn)行了Ca質(zhì)處理，以控制夾雜物形態(tài)。

熱軋工藝

因該鋼種Si含量稍高，故選取加熱溫度時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)紅色氧化鐵皮缺陷；終軋溫度應(yīng)略高于Ar3；卷取溫度對(duì)于獲得需要的組織非常關(guān)鍵。根據(jù)590 MPa級(jí)高擴(kuò)孔熱軋酸洗帶鋼的使用特點(diǎn)來(lái)看，此類產(chǎn)品主要經(jīng)復(fù)雜沖壓成形后用于汽車結(jié)構(gòu)件，故產(chǎn)品需要有較高的成形性。根據(jù)試驗(yàn)鋼成分通過(guò)模擬軟件計(jì)算可得，試驗(yàn)鋼相變主要發(fā)生在430～760℃之間，且隨著冷卻速度的增加，相變開(kāi)始溫度和終止溫度均逐漸降低。想要得到的理想組織為鐵素體和貝氏體，理論上要控制冷速大于2℃/s。

結(jié)合本鋼實(shí)際情況，制定了適宜的熱軋工藝參數(shù)。軋制目標(biāo)厚度1.6 mm，經(jīng)軋制后的鋼卷需經(jīng)過(guò)熱軋平整。熱軋平整可改善帶鋼板型及表面粗糙度，平整后的鋼卷在本鋼酸洗機(jī)組進(jìn)行酸洗。

組織與性能

顯微組織

在鋼卷長(zhǎng)度方向頭、中、尾分別取金相樣，顯微組織為F+B，晶粒度13.5～14級(jí)，貝氏體含量7%～8%，見(jiàn)表4及圖1。

拉伸性能

對(duì)編號(hào)0921361P、厚度1.6 mm的帶鋼頭、中、尾及對(duì)不同方向的拉伸性能進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表5。

可見(jiàn)，帶鋼頭、中、尾樣品力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)(橫向)要求，且各個(gè)方向性能差異較小。頭、中、尾樣品平均屈服強(qiáng)度為537 MPa、抗拉強(qiáng)度604 MPa、延伸率23.0%。

表4 晶粒度等級(jí)

圖1 顯微組織

表5 帶鋼力學(xué)性能

分析與討論

擴(kuò)孔實(shí)驗(yàn)時(shí)，在變形區(qū)中，最大主應(yīng)力是切向拉應(yīng)力，此外還有徑向拉應(yīng)力。在切向拉應(yīng)力和徑向拉應(yīng)力的作用下，應(yīng)力不斷增大，基體金屬產(chǎn)生塑性變形后，在基體和非金屬夾雜物、析出相粒子周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，使界面拉開(kāi)或使異相顆粒折斷形成微孔。當(dāng)微孔擴(kuò)大到一定的程度，相鄰微孔間的金屬產(chǎn)生較大的塑性變形后就發(fā)生微觀塑性失穩(wěn)，即裂紋發(fā)生不穩(wěn)定擴(kuò)展。當(dāng)裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中遇到硬質(zhì)的第二相(貝氏體)時(shí)，由于貝氏體的強(qiáng)度足以抵抗在裂紋尖端的局部應(yīng)力，使裂紋擴(kuò)展受到阻礙，只能繞過(guò)貝氏體并通過(guò)剪斷鐵素體片條擴(kuò)展[6]。

Si元素對(duì)提高擴(kuò)孔率有重要作用，首先Si可以穩(wěn)定鐵素體，在高溫下可以增加碳在奧氏體中的活度，有利于碳從鐵素體中向奧氏體擴(kuò)散，使鐵素體相變獲得促進(jìn)。而且，一定的Si含量，還可獲得強(qiáng)度和成形性能的良好組合。這主要是因?yàn)镾i在低碳鋼中有顯著的固溶強(qiáng)化作用，通過(guò)提高鐵素體基體強(qiáng)度，使得鐵素體與貝氏體兩相之間的硬度差縮小。因此，兩相在塑性變形階段表現(xiàn)出一定的相互協(xié)調(diào)，在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，鐵素體產(chǎn)生較大塑性變形的同時(shí)，貝氏體也有可能產(chǎn)生屈服，使鋼的塑性和韌性獲得改善[7]。

Nb元素的作用主要是加熱時(shí)Nb元素可夠抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大，而且Nb可提高鋼的未再結(jié)晶溫度，增加精軋機(jī)組后部機(jī)架的應(yīng)變積累，奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力獲得提高，有利于細(xì)化帶鋼組織[8]；同時(shí)Nb元素可在鐵素體基體中大量彌散析出Nb的C、N化合物，具有較好的析出強(qiáng)化作用[9]。

Cr能提高貝氏體鋼的淬透性，使高溫轉(zhuǎn)變曲線和貝氏體轉(zhuǎn)變曲線明顯分離，能夠延緩珠光體和貝氏體的形成[10]，有利于獲得貝氏體組織。

在化學(xué)元素及熱軋工藝的綜合作用下，獲得了比較細(xì)的晶粒，晶粒度達(dá)到13.5～14級(jí)，也獲得了7%～8%的貝氏體含量。

結(jié)束語(yǔ)

(1) 采用碳、硅、錳成分設(shè)計(jì)，同時(shí)添加鈮、鉻微合金，通過(guò)控軋控冷工藝充分發(fā)揮合金元素的強(qiáng)化效果，獲得590 MPa級(jí)鐵素體+貝氏體高擴(kuò)孔鋼，其屈服強(qiáng)度約537 MPa、抗拉強(qiáng)度604 MPa、延伸率23.0%。

(2) 通過(guò)合理的化學(xué)成分控制，采用高溫加熱，以及設(shè)定合理的終軋溫度和卷取溫度，保證了成品的拉伸性能和擴(kuò)孔性能，其擴(kuò)孔率達(dá)到了80%。

攝影 賈大庸