熱軋鋼板高強汽車鋼的工藝研究

葉明明

摘要：研究了薄板坯連鑄連軋（CSP）工藝生產高強度汽車用大梁板的工藝控制參數以及力學性能和顯微組織之間的關系.根據柔性工藝控制的指導思想，在珠鋼電爐CSP流程下已經實現了生產不同級別高強度鋼板的柔性軋制工藝.利用掃描電鏡和透射電鏡研究了其組織和強度差異產生的原因.研究表明，鋼板最終組織成為多邊形鐵素體和少量珠光體組成，它們平均鐵素體晶粒尺寸約為3.7～5.6pm；當降低卷取溫度，存在部分滲碳體已破碎成細小的碳化物粒子分布于鐵素體基體上，鋼板中有及其少量貝氏體出現.

關鍵詞：化學成分；薄板坯連鑄連軋（CSP）；性能；工藝生產高強度

1.1薄板坯連鑄連軋CSP（ compact strip production）工藝是20世紀末開發成功的生產熱軋板卷的一項短流程工藝，是繼氧氣頂吹轉爐煉鋼、連續鑄鋼之后鋼鐵工業最重要的革命性技術之一.該技術具有投資少、生產成本低、流程緊湊、自動化控制水平高、節省能源、運行可靠等優點，從而得到了迅速發展.目前，全球已投產的薄板坯連鑄連軋生產線有39條，鑄機54流[1]；到2005年底，我國薄板坯連鑄連軋生，產線達到11條，連鑄線21流，產能達到3100萬單位。

1.2由于薄板坯連鑄連軋工藝與傳統工藝在鋼鐵冶金過程中的熱歷史不同，加上在連鑄、均熱、連軋及層流冷卻過程中采取了液芯壓下、電磁制動、充分長，且靈活的隧道式加熱、均熱、高壓除鱗、高精度連軋控制及靈活的層流冷卻等一系列新的工藝控 制技術，因此應充分認識到這些新的工藝特點，在新產品開發、擴大品種規格范圍等方面充分發揮其技術優勢.薄板坯連鑄連軋的研究及產品開發實踐表明，熱軋薄板最終產品的組織性能不僅取決于冶金成分，而且與各工藝過程環節的控制方法及參數密切相關，需要在各工藝過程中對其組織性能進行綜合的優化控制才能達到最佳效果[2].同時，在冶金成分一定的條件下，根據產品訂貨要求，可以在一定范圍內采取靈活的柔性軋制工藝控制方法得到不同程度性能級別的板帶產品.本文根據柔性工藝控制的指導思想，在珠鋼電爐CSP流程下實現了生產低碳高強度汽車板的柔性化生產技術，研究了鋼板組織與性能之間的關系，并初步探討了其強化機制.

2.1金屬塑性變形的物理實質基本上是位錯運動，在塑性變形中，位錯之間、位錯與溶質原子、間隙原子以及空位之間、位錯與第二相質點之間都會發生相互作用，引起位錯數量、分布和組態的變化.在CSP工藝連軋過程中，隨著累積變形量的增加，位錯密度明顯增加，對于1#鋼板，其卷取溫度較高，變形后的冷卻速率較低，金屬變形過程中產生的位錯能夠在變形過程中通過交滑移等方式運動，使部分位錯消失，部分重新排列，造成奧氏體的回復，使得其位錯密度降低.而3#鋼板，由于其卷取溫度較低，因此應充分認識到這些新的工藝特點，在新產品開發、擴大品種規格范圍等方面充分發揮其技術優勢.薄板坯連鑄連軋的研究及產品開發實踐表明，熱軋薄板最終產品的組織性能不僅取決于冶金成分，而且與各工藝過程環節的控制方法及參數密切相關，需要在各工藝過程中對其組織性能進行綜合的優化控制才能達到最佳效果[2].同時，在冶金成分一定的條件下，根據產品訂貨要求，可以在一定變形后的冷卻速率較高，并且出現了部分粒狀貝 氏體，導致其位錯密度升高，出現位錯發團和位錯纏結，甚至形成位錯墻.位錯密度的提高有助于提高鋼材的強度

2.2位錯相當于一條線性畸變區，原子沿著位錯線進行遷移要比晶內容易，所以位錯往往是晶體內部進行擴散的方便渠道，溫度越低，位錯對擴散的作用越大.文獻研究表明：對于CSP工藝，整個帶鋼基體上的碳平衡濃度是不均勻的.在軋制和保溫過程中，碳原子更易于向位錯或位錯纏結堆積的區域擴散.位錯密度越高，碳平衡濃度也越高，這樣就使得位錯周圍不斷富碳.相變后由于濃度梯度和化學位梯度，具有較高位錯密度的珠光體島，上的過飽和碳原子向貧碳區擴散.滲碳體的形核驅動力是最低的（～0.5eV），因此由于動力學優勢使過飽和的碳原子不斷形核，并長大形成碳化物粒子.較高的位錯密度增加了碳原子與位錯的結合程度，當碳原子和位錯的界面能高于滲碳體碳中原子和鐵原子的結合能時，使得位錯不斷從滲碳體中拖曳碳原子，由于Gibbs-Thompson效應，使得短棒狀的滲碳體不斷溶解、收縮變短，形成細小的球形碳化物粒子分布于珠光體島上，控制軋制后，加速冷卻所引起鋼板力學性能變化是鐵素體晶粒細化和珠光體組織變化綜合影響的結果.

圖2為利用化學相分析以及X射線小角散射對CSP工藝生產的高強度汽車大梁板的電解粉末組成及粒度進行分析研究結果.

2.3實驗結果表明，兩種汽車大梁板中納米級碳化物總量幾乎相同，其碳化物粒子平均尺寸在幾十至100多rnm之間.但是，兩種鋼板中碳化物尺寸有差別，強度較高的3#鋼板中納米級碳化物粒子平均尺寸小于強度較低的1#鋼板.3#鋼板中尺寸<181nm和< 36 nm的納米級碳化物的質量分數均比1#鋼板中納米級碳化物的質量分數大，其中尺寸<18nm粒子的質量分數大1倍.這些不同尺寸的碳化物粒子應能對鋼板起到沉淀強化作用[11].其粒子尺寸上的差別，可能與鋼的組織細化和析出形態有關，關于CSP低碳鋼中彌散沉淀相的結構、析出規律及強化機理有待更深入的研究.

結論

（1）以C-Mn鋼成分做為基礎，在珠鋼電爐CSP流程下通過采取不同控制工藝，獲得了不同強度級別強韌性能較為良好的低碳高強度汽車板.鋼板板面的平均鐵素體晶粒尺寸約為3.7～5.6μm，且鋼板表面和心部晶粒尺寸相差并不大.

（2）推薦熱軋終軋溫度為870C，卷取溫度為660C。

（3）在焊接熱影響粗晶區（HAZ）試驗鋼組織為針狀鐵素體+少量珠光體，韌性得到了改善，焊接性良好。

（4）汽車大梁板成品板組織為多邊形鐵素體和少量珠光體組成.當卷取溫度較低，軋后冷卻速度增大時，鋼板鐵素體晶粒明顯細化，呈不規則的多變形狀。