卷取溫度對熱軋高擴(kuò)孔540HE鋼組織和性能的影響

李秋寒 郭子峰 張 ? 郭 佳 馮 軍 李玉鵬

(1.首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院薄板研究所，北京 100043；2.北京首鋼股份有限公司，河北 遷安 064404；3.綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100043)

鐵素體/馬氏體雙相鋼既具備鐵素體鋼的良好塑性變形性能也達(dá)到先進(jìn)高強(qiáng)鋼的抗拉強(qiáng)度級別，因此在汽車結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)中有較為廣泛的應(yīng)用[1- 2]。但軟質(zhì)鐵素體基體與硬質(zhì)馬氏體相的硬度差別巨大，這就導(dǎo)致了鐵素體與馬氏體在加工成形時的形變程度差異較大，易于在兩相邊界產(chǎn)生微孔隙，并發(fā)展成宏觀裂紋。近年來，以貝氏體代替馬氏體開發(fā)出的鐵素體/貝氏體雙相鋼，又稱高擴(kuò)孔鋼，以其優(yōu)異的延伸凸緣性而被廣泛應(yīng)用于需要擴(kuò)孔、翻邊等復(fù)雜成形操作的零部件，如車輪等的生產(chǎn)。貝氏體的硬度低于馬氏體，以貝氏體取代馬氏體作為硬質(zhì)相既能保證材料具有較高的抗拉強(qiáng)度和較低的屈強(qiáng)比，即繼承了鐵素體/馬氏體雙相鋼的優(yōu)點(diǎn)，也能縮小硬質(zhì)相與鐵素體基體兩相間的硬度差，從而大幅度提升產(chǎn)品的擴(kuò)孔率[3- 5]。研究發(fā)現(xiàn)[6- 8]，提高微合金元素鈮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)至0.04%以上將同時提高鋼的強(qiáng)度與擴(kuò)孔率。蔡明暉等[9]研究表明，硅可以促進(jìn)高溫等軸鐵素體的析出，并抑制貝氏體相變；錳不僅能細(xì)化相變組織，還促進(jìn)了粒狀貝氏體的形成，低硅高錳的成分體系可獲得均勻、微細(xì)化的鐵素體/貝氏體雙相組織。

目前，國外許多鋼鐵企業(yè)均可以提供高擴(kuò)孔鋼系列產(chǎn)品，并逐漸擴(kuò)展其系列產(chǎn)品的強(qiáng)度等級范圍。而國內(nèi)的研發(fā)仍多集中于600 MPa級以上的高擴(kuò)孔鋼，對540 MPa級產(chǎn)品的研究較少。針對國內(nèi)汽車廠對高擴(kuò)孔鋼的使用需求，本文以首鋼研發(fā)生產(chǎn)的新型汽車底盤等零件用540 MPa級熱軋高擴(kuò)孔鋼(牌號為540HE)為對象，研究了卷取溫度對其組織、力學(xué)性能及擴(kuò)孔率的影響，以期為高擴(kuò)孔540HE鋼的生產(chǎn)與應(yīng)用提供試驗(yàn)參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

首鋼540HE高擴(kuò)孔鋼的化學(xué)成分設(shè)計如表1所示。為了保證產(chǎn)品的焊接性能及表面質(zhì)量，采用低C、低Si、高M(jìn)n成分體系，并適當(dāng)添加Nb和Ti等微合金元素。Mn作為奧氏體形成元素，提高鋼的淬透性并降低其臨界轉(zhuǎn)變溫度，降低珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變溫度，推遲珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變，從而降低材料對控冷條件的敏感性。Nb和Ti的固溶拖曳及析出釘扎晶界作用能夠延遲再結(jié)晶并細(xì)化晶粒，在鐵素體相變過程中析出的碳氮化物起到沉淀強(qiáng)化的作用，因此適量添加Nb和Ti可以顯著推遲珠光體轉(zhuǎn)變而易于獲得貝氏體組織。

540HE鋼的生產(chǎn)工序?yàn)椋鸿F水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉處理→RH精煉處理→板坯澆注→鋼坯精整→加熱→高壓水粗除鱗→5道次粗軋(出口溫度1 050～1 100 ℃)→高壓水精除鱗→7道次精軋(終軋溫度860～910 ℃)→層流分段冷卻→卷取。根據(jù)高擴(kuò)孔鋼的鐵素體+貝氏體組織要求，熱軋層流冷卻采用水冷+空冷+水冷三階段冷卻工藝，最終在貝氏體區(qū)完成卷取。具體熱軋工藝參數(shù)如表2所示。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分設(shè)計(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition design of the test steel (mass fraction) %

表2 試驗(yàn)鋼的熱軋工藝參數(shù)Table 2 Hot- rolling parameters of the test steel

參照GB/T 228.1—2010沿鋼板軋制方向截取A80拉伸試樣，采用MTS810型萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫力學(xué)性能檢測。根據(jù)GB/T 24524—2009進(jìn)行擴(kuò)孔試驗(yàn)，擴(kuò)孔試樣尺寸為92 mm×92 mm，預(yù)先沖孔(孔徑10 mm)，而后在ZWICK BUP400型通用板材成形機(jī)上進(jìn)行擴(kuò)孔試驗(yàn)。最后采用LEXT3100激光共聚焦掃描顯微鏡、S- 3400N掃描電鏡和JEM- 2100F透射電鏡觀察微觀組織，并輔以X- act能譜儀對析出相成分進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖1為不同溫度卷取后試驗(yàn)鋼的顯微組織。可見在不同溫度卷取后，試驗(yàn)鋼的基體組織均由鐵素體和貝氏體兩相組成。卷取溫度為420 ℃時，鐵素體的晶粒較小且分布均勻，并存在大量針狀鐵素體，貝氏體均勻地分布于鐵素體基體中。隨著卷取溫度的提高，鐵素體晶粒長大，當(dāng)卷取溫度達(dá)到490 ℃時，部分鐵素體晶粒粗化，基體組織均勻性降低。由此可知，低溫卷取有利于晶粒細(xì)化、提高基體組織均勻性。這是因?yàn)殡S著卷取溫度的降低，元素擴(kuò)散與晶界遷移速度降低，從而抑制了鐵素體晶粒的長大。

圖1 經(jīng)不同溫度卷取的試驗(yàn)鋼的顯微組織 Fig.1 Microstructures of the test steel coiled at different temperatures

2.2 析出相

EDS分析結(jié)果表明(見圖2)，試驗(yàn)鋼中的第二相為(Nb,Ti)C復(fù)合析出相。透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，不同卷取溫度下析出相的尺寸與分布差異較大，其數(shù)量隨著卷取溫度的降低而略有減少。圖3(a)為490 ℃卷取的試驗(yàn)鋼中析出相的形態(tài)，部分析出相顆粒較粗大，尺寸可達(dá)50 nm。隨著卷取溫度的降低，析出相尺寸減小。當(dāng)卷取溫度降低至420 ℃時，以小顆粒析出相為主，尺寸為20 nm左右，且在基體內(nèi)分布更為彌散。

卷取溫度較低時，(Ti,Nb)C復(fù)合析出相的尺寸相對較小。原因是，卷取溫度降低，冷速加快，合金元素過飽和程度增大，第二相析出的驅(qū)動力增大，臨界形核功降低，從而第二相形核率增大。雖然第二相的臨界晶核尺寸減小，但合金元素的擴(kuò)散速率卻隨著卷取溫度的降低而下降，從而使得第二相難以聚集長大，尺寸細(xì)小。此外，低溫卷取時，基體晶粒細(xì)小，晶界面積增大，形核位置增多，從而使得析出相更為細(xì)小彌散。

圖2 試驗(yàn)鋼中析出相的能譜分析Fig.2 Energy spectrum analysis of precipitates in the test steel

圖3 不同溫度卷取的試驗(yàn)鋼中的析出相Fig.3 Precipitates in the test steel coiled at different temperatures

2.3 力學(xué)性能及擴(kuò)孔率

不同溫度卷取的試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能、擴(kuò)孔率及貝氏體含量如表3所示。

從表3中可見，隨著卷取溫度的降低，試驗(yàn)鋼的貝氏體含量和擴(kuò)孔率均升高，經(jīng)3種溫度卷取的鋼擴(kuò)孔率均可達(dá)80%以上。如圖4所示，隨著卷取溫度的升高，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均降低，斷后伸長率升高。

表3 卷取溫度對試驗(yàn)鋼力學(xué)性能、擴(kuò)孔率及貝氏體含量的影響Table 3 Effect of coiling temperature on mechanical properties, hole expansion rate and bainite content of the test steels

圖4 卷取溫度對試驗(yàn)鋼力學(xué)性能的影響Fig.4 Effect of coiling temperature on mechanical properties of the test steels

根據(jù)材料的顯微缺陷強(qiáng)化理論，可在材料中制造大量的顯微缺陷并使之合理分布，利用顯微缺陷與位錯之間的相互作用來使材料強(qiáng)化[10]。材料中常見的顯微缺陷有固溶原子、晶界、位錯以及析出相等。對應(yīng)的強(qiáng)化方法為固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、位錯強(qiáng)化和析出強(qiáng)化等，其中細(xì)晶強(qiáng)化與沉淀強(qiáng)化的脆化矢量很小，對材料韌性損害較小。根據(jù)Hall- Petch關(guān)系，強(qiáng)化方式與屈服強(qiáng)度的關(guān)系為：

YS=σo+σg+σss+σp+σd

(1)

式中：YS為屈服強(qiáng)度；σo鐵素體晶格點(diǎn)陣阻力；σp為沉淀強(qiáng)化；σg為細(xì)晶強(qiáng)化(σg=kd-1/2)；σss為固溶強(qiáng)化；σd為位錯強(qiáng)化。

材料中微合金元素在鐵素體中固溶含量極低，基本以析出相形式存在，即便在不同溫度卷取時，固溶元素含量差別依然較小。在相同溫度完成軋制，快速冷卻至卷取溫度，基體組織中位錯密度大致相同，位錯強(qiáng)化差別小，因而可忽略以上固溶強(qiáng)化與位錯強(qiáng)化的強(qiáng)度增量。低溫卷取時抑制鐵素體晶粒長大，從而細(xì)化了鐵素體晶粒，阻礙位錯運(yùn)動。同時，低溫卷取易于獲得大量彌散分布的細(xì)小(Ti,Nb)C析出相，有效釘扎位錯，阻礙位錯的能力與析出相尺寸大致呈反比[11]。因此隨著卷取溫度的降低，材料的屈服強(qiáng)度增加。

隨著卷取溫度的變化，試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度變化較小。高擴(kuò)孔鋼的抗拉強(qiáng)度由鐵素體與貝氏體兩相強(qiáng)度疊加所決定，硬質(zhì)相貝氏體含量、尺寸及分布狀態(tài)對抗拉強(qiáng)度的影響起主導(dǎo)作用。在貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間內(nèi)較低的溫度卷取，更易促進(jìn)貝氏體的生成，貝氏體含量增加，且分布更為彌散，因此試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度增大。

鋼板的擴(kuò)孔性又被稱為局部均勻延展性，反映了擴(kuò)孔區(qū)域附近局部變形的能力，組織結(jié)構(gòu)的均勻性決定了材料擴(kuò)孔性能的高低。因此，基體組織鐵素體貝氏體兩相硬度差、晶粒尺寸、貝氏體硬質(zhì)相與夾雜物分布[12]對擴(kuò)孔性影響較大。低溫卷取條件下鐵素體晶粒細(xì)小而均勻，貝氏體組織細(xì)小且分布更為彌散，基體組織均勻性提高而不易發(fā)生應(yīng)力集中造成局部開裂。同時，(Ti,Nb)C的析出強(qiáng)化可提高鐵素體基體的強(qiáng)度，使強(qiáng)化鐵素體與貝氏體強(qiáng)度相匹配，優(yōu)化了材料加工過程中兩相的變形協(xié)調(diào)，從而有利于材料擴(kuò)孔率的提高。

3 結(jié)論

(1)高擴(kuò)孔540HE鋼經(jīng)控制軋制與三段式冷卻后，在420～490 ℃卷取后可得到鐵素體+貝氏體雙相組織。

(2)卷取溫度由490 ℃降低至420 ℃時，鐵素體晶粒更細(xì)小且分布均勻，貝氏體含量增加且分布更彌散。試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度隨著卷取溫度的降低而提高，斷后伸長率隨著卷取溫度的降低而降低。

(3)隨著卷取溫度的降低，試驗(yàn)鋼的擴(kuò)孔率逐漸升高，其主要原因?yàn)椋旱蜏鼐砣〉牟牧辖M織更為均勻；經(jīng)析出相(Ti,Nb)C強(qiáng)化的鐵素體與貝氏體強(qiáng)度匹配良好。