經濟型高強雙相鋼開發試驗及強化機制分析

王業勤

（山東鋼鐵集團日照有限公司生產指揮中心，山東日照　276827）

經濟型高強雙相鋼開發試驗及強化機制分析

王業勤

（山東鋼鐵集團日照有限公司生產指揮中心，山東日照276827）

為降低成本，開發了經濟型高強雙相鋼生產工藝，即通過改變精軋后冷卻方式、增加冷軋壓下量（≥80%），輔以退火快速加熱（80℃/s）及縮短退火時間，并將新工藝生產的雙相鋼與常規方法生產的雙相鋼性能進行了對比。結果表明，新工藝生產的雙相鋼馬氏體細小均勻，彌散分布于鐵素體基體組織中，體積分數達到19.6%～22.1%，較常規工藝增加3.7%～6.2%；綜合力學性能提高，抗拉強度增加35～77 MPa，伸長率增加2.7%～3.3%。

雙相鋼；經濟型；控軋控冷；快速加熱；細晶強化

1　前言

鋼鐵工業迅猛發展的同時帶來能源的巨大消耗，降低鋼材生產成本，減少微合金元素的使用量，通過設計合理的工藝制度來改造生產同等級別的鋼材，實現節能、環保，是當今世界實現可持續發展所面臨的巨大挑戰。本研究探討一種經濟型高強雙相鋼的工藝制備方法，以期為進一步提高雙相鋼綜合性能及發展高強冷軋雙相鋼的生產工藝提供新思路。

2　試驗材料和方法

試驗鋼為低成本低碳硅錳系冷軋雙相鋼，鋼的Ac1為759℃，Ac3為890℃，化學成分見表1。

表1　試驗鋼的化學成分（質量分數）%

工藝制度設計如下:

工藝1按照常規制備方法；工藝Ⅱ和工藝Ⅲ采用下述新工藝制度。

將試驗鋼坯鍛造成70 mm厚板坯，加熱至1 100℃，保溫1 h，進行兩階段軋制。粗軋過程為4道次，開軋溫度1 050℃，獲得20 mm厚中間坯；精軋過程為5道次，開軋溫度980℃，終軋溫度840℃，精軋后熱軋板的厚度為6 mm。熱軋終軋后工藝I按照常規制備方法直接空冷至室溫；工藝Ⅱ和Ⅲ以～20℃/s的冷速層流冷卻至～620℃，然后空冷至室溫得到熱軋板。3種工藝快冷開始溫度均為700℃。

酸洗熱軋板以去除氧化物，得到冷軋用鋼板。將冷軋用鋼板分別采用不同的冷軋壓下量進行冷軋，冷軋后的退火工藝流程如圖1所示，具體的冷軋和退火工藝參數見表2。

圖1　試驗鋼連續退火工藝流程

表2　試驗鋼冷軋和退火工藝參數

由于工藝Ⅱ和工藝Ⅲ采用的快速加熱使連續退火加熱過程中的再結晶溫度范圍擴大，同時再結晶溫度被推遲到相對高的溫度，因此設定的退火溫度相對于常規生產工藝要高［1-2］。而為適當地保留通過增大冷軋壓下量以及快速加熱而產生的大量缺陷，以充當馬氏體的形核位置，新工藝Ⅱ和Ⅲ將退火時間縮短為10 s。

金相試樣采用4%硝酸酒精溶液和Lepera試劑（1%Na2S2O5水溶液與質量分數4%的苦味酸酒精溶液按體積比1∶1混合）進行腐蝕，經Lepera試劑腐蝕可以區分組織中呈白色的組織為馬氏體，呈灰色的組織為鐵素體。對其顯微組織在LEICA DMIRM多功能光學顯微鏡下進行觀察；馬氏體體積分數用Leica圖像分析軟件計算；晶粒尺寸采用割線法測定。

3　試驗結果及討論

3.1微觀組織分析

工藝I熱軋初始組織的平均晶粒尺寸為～17.8 μm，金相組織如圖2a所示。

工藝Ⅱ和Ⅲ由于改變軋后冷卻方式，使熱軋初始組織的平均晶粒尺寸顯著減小至＜6 μm。工藝Ⅱ熱軋初始組織的平均晶粒尺寸減小至～5.5 μm，金相組織如圖2b所示。

圖2　試驗鋼熱軋初始金相組織

圖3為工藝Ⅱ雙相鋼成品板材經過Lepera試劑腐蝕后觀察到的金相組織，塊狀馬氏體細小均勻，彌散分布于鐵素體基體組織中。新工藝將加熱速率增加至80℃/s，同時將退火時間縮短為10 s，再結晶晶粒來不及長大。通過改變精軋后冷卻方式、增大冷軋壓下量及快速加熱而產生的大量缺陷的回復能力有限。通常情況下，奧氏體晶界比晶內位錯具有更多的熱力學形核位置，因而室溫組織中存在相對多體積分數的馬氏體組織（19.6%～22.1%）。

圖3　工藝Ⅱ成品板Lepera試劑腐蝕后的金相組織

3.2強化機制分析

冷軋雙相鋼的力學性能見表3。與常規工藝I制備的雙相鋼相比，采用新工藝Ⅱ和工藝Ⅲ獲得的冷軋雙相鋼的顯微組織中，馬氏體分數增加3.7%～6.2%，同時力學性能顯著提高，屈服強度增加29～53 MPa，抗拉強度增加35～77 MPa，伸長率提高2.7%～3.3%。

表3　試驗鋼的力學性能與馬氏體體積分數

可見，采用新工藝能夠獲得力學性能優異的冷軋雙相鋼，其強度、斷后總伸長率和加工硬化指數得以提高，尤其是強度顯著增加。主要原因:

1）改變了熱軋初始組織。通過改變精軋后的冷卻方式，進行兩階段控冷即層流冷卻+空冷，使得熱軋初始組織的平均晶粒尺寸顯著減小至＜6 μm，增大了晶界面積，同時界面能升高，有益于促進退火過程中奧氏體在初始細晶組織中的形核和長大，因而退火保溫后的奧氏體體積分數增多。由于雙相鋼組織中的馬氏體是由兩相區生成的奧氏體相變而來，因而增加兩相區形成的奧氏體量可直接提高最終成品鋼中的馬氏體體積分數，進而提高其強度。此外，熱軋初始組織的平均晶粒尺寸顯著減小，同時導致成品雙相鋼鐵素體晶粒減小。細化晶粒是唯一既能提高強度，同時又增加其塑性性能的措施，因而成品雙相鋼的強度和塑性同步增加。

2）增加了冷軋壓下量（≥80%）。增大冷軋變形量所具有的細化晶粒的現象，是由于大量變形所造成組織的破碎，再結晶時產生的均勻分布的晶核所引起的。而再結晶奧氏體晶粒的細化直接帶來退火雙相鋼組織的細化，從而使綜合力學性能增加。

3）退火過程快速加熱。退火過程加熱速率增至80℃/s，同時將退火時間縮短為10 s，則在形核初期沒有足夠的時間發生回復，因而再結晶前回復所消耗的形變儲能相對于加熱速率較低時來說少得多。同時，由于改變軋后冷卻工藝和增加冷軋壓下量所累積的大量缺陷的回復能力有限［3］，如退火后基體組織中仍能觀察到大量位錯等缺陷（見圖4），提高了基體強度。再者，快速加熱時因為要在有限的時間內要求達到可觀的形核量，所以在較高的再結晶溫度下增加形核率，結果使得晶粒尺寸更為細小，因而成品雙相鋼的強度和塑性同步增加。

圖4　工藝Ⅱ試樣基體中位錯的TEM形貌

4　結論

4.1采用新工藝得到的雙相鋼顯微組織中馬氏體細小均勻，彌散分布于鐵素體基體中，體積分數達19.6%～22.1%，較常規工藝增加3.7%～6.2%。

4.2通過改變精軋后冷卻方式、增加冷軋壓下量，輔以增加退火加熱速率及縮短退火時間，可提高雙相鋼的綜合力學性能，其中抗拉強度增加35～77 MPa，伸長率提高2.7%～3.3%。

［1］Xu D C，Liu Y D，Li J，et al.Microstructure Characterization and Mechanical Properties of TRIP-aided Steel under Rapid Heating for Different Holding Time［J］.Journal of Iron and Steel Research，2016，23（2）:138-144.

［2］Li P，Li J，Meng Q G，et al.Influence of Rapid Heating Process on the Microstructure and Tensile Properties of High-strength Ferrite-martensite Dual-phase Steel［J］.International Journal of Minerals，Metallurgy and Materials，2015，22（9）:933-941.

［3］許云波，侯曉英，王業勤，等.快速加熱連續退火對超高強TRIP鋼顯微組織與力學性能的影響［J］.金屬學報，2012，48（2）:176-182.

Abstrraacctt::In order to reduce cost，the production process of economical high-strength dual phase steel was developed.That is，changing the cooling method after finishing rolling，increasing cold rolling reduction（≥80%），combined with rapid heating（80℃/s）and shorten the annealing time，also the mechanical properties of conventional production method for dual phase steel were compared.The results showed that the fine and uniform martensite was dispersed in the ferrite matrix structure by using new technology.And the volume fraction was reached 19.6%-22.1%，it was increased 3.7%-6.2%comparing with the conventional process.The comprehensive performance was improved，the tensile strength was increased 35-77 MPa and the elongation was increased 2.7%-3.3%.

Key worrddss::dual phase steel；economical type；controlled rolling and controlled cooling；rapid heating；fine grain strengthening

Development of Economical High Strength Dual Phase Steel and the Strengthening Mechanism Analysis

WANG Yeqin
（The Production Command Center of Shandong Iron and Steel Group Rizhao Co.，Ltd.，Rizhao 276827，China）

TG142.1

A

1004-4620（2016）05-0031-02

2016-06-12

王業勤，男，1984年生，2007年畢業于東北大學材料成型與控制工程專業。現為山東鋼鐵集團日照有限公司生產指揮中心工程師，從事生產管理工作。