冷卻條件對含Nb 高強汽車鋼組織性能的影響分析

蘇振軍 馬銀龍 楊建寬 孔加維 李超飛

（1.河鋼集團邯鋼公司技術中心；2.河鋼集團邯鋼公司邯寶熱軋廠；3.北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室）

0 引言

熱軋高強度鋼板主要應用于汽車、家電、工程機械、集裝箱等領域。為了適應汽車輕量化、節能減排的發展需求，世界各大鋼鐵企業及科研院所大力開展汽車用高強鋼的研究，其較高的強度更符合汽車輕量化的要求，在保證車體安全的同時能夠大幅度降低車身質量，從而達到節能、減排的目的[1-3]。

目前，汽車用高強鋼通常采取添加Nb、V、Ti等合金元素，并通過控軋控冷技術，在熱連軋機上進行生產。熱連軋生產的高強度鋼帶較調質處理的高強度鋼帶來說，其成本大大降低，避免了調質鋼質量上的不足，使產品更具競爭力。因此，近年來國內外鋼廠生產薄規格高強度鋼時主要采用熱連軋工藝配合合金強化方式。但隨著鋼板強度的不斷提高，需要加入的微合金元素也不斷增加，鋼的淬透性也隨之增強，當熱連軋鋼卷從卷取機內卸出后，鋼卷在庫內不同的冷卻條件下，對于合金元素較高的鋼種，組織和性能會產生較大差異，筆者以含Nb 高強鋼為研究對象，經過實踐對比分析了含Nb 高強鋼卷取前后冷卻工藝條件對組織性能的影響，為熱軋板料組織的控制提供了理論依據。

2 卷取前后冷卻速率對組織性能的影響

為探究汽車用含 Nb 高強鋼冷卻過程對組織相變和力學性能的的影響規律，研究二相粒子的析出規律，制定了不同的冷卻工藝方案。工藝（a）卷取前采用不同的冷卻速率，卷取后的冷卻速率保持一致 ；工藝（b）卷取前的冷卻速率保持一致，卷取后采用不同的的冷卻速率，分別探究了卷取前后冷卻速率對組織相變和力學性能的影響。試驗鋼的化學成分見表1，具體工藝方案如圖1 所示。

表1 試驗鋼的化學成分 %

圖1 工藝方案

2.1 卷取前冷卻速率對熱軋產品組織性能的影響

工藝（a）采取空冷、緩冷、快冷三種不同的冷卻速率，冷卻至相同的卷取溫度620 ℃。觀察其顯微組織，如圖2 所示。

圖2 空冷、緩冷、快冷后的顯微組織

從圖2 可以看出，空冷的顯微組織由多邊形鐵素體和粒狀貝氏體組成，鐵素體基體上上彌散分布著呈長條狀、不規則多邊形的M-A 島，但隨著冷卻速率的增加鐵素體及M-A 島會變得更加細小，同時M-A 島更加圓潤，均勻地分布在鐵素體上，其中M-A 島的大小約為2～10 μm。通過對不同組織的微觀對比研究，可以發現不同工藝下的組織差異并不大，這說明卷取前不同的冷卻速率對含Nb 材料的微觀組織的影響不大。

為了進一步探究卷取前不同冷卻速率對力學性能的影響，對空冷、緩冷、快冷三種工藝處理的材料進行了室溫拉伸試驗，得到其應力應變曲線和拉伸性能變化趨勢（如圖3、圖4 所示），其力學性能見表2。

表2 不同冷卻工藝下的抗拉強度及延伸率

圖3 不同冷卻速率下的應力應變曲線

圖4 不同冷卻速率的拉伸性能變化趨勢

通過室溫拉伸試驗，對比不同工藝下的實驗鋼的力學性能，發現隨著冷卻速率的增大，其抗拉強度分別為797 MPa、801 MPa、805 MPa，其延伸率分別為17%、16%、15%。從數據可知，抗拉強度增加了8 MPa，延伸率降低了2%，無論是抗拉強度還是斷后延伸率，變化都較小；從組織分析可以看出，隨著冷卻速率的增大，材料的基本微觀組織大致保持一致，只是隨著冷卻速率的增大，晶粒有所細化。通過對比不同冷卻速率下的抗拉強度和延伸率，發現其差別并不大，同時也說明了卷取前冷卻速率的增大對晶粒的細化作用不是很明顯。

2.2 卷取后冷卻速率對熱軋產品組織性能的影響

為進一步研究卷取后冷卻速率對組織性能的影響，均以 620 ℃溫度進行卷取，然后采取不同的冷卻速率（0.5 ℃/s、1 ℃/s、2 ℃/s、5 ℃/s、10 ℃/s）冷卻至室溫。在光學顯微鏡下觀察，卷取后不同冷卻速率下得到的組織如圖 5 所示。

圖5 不同冷卻速率下的組織

從圖5 可以看出，冷卻速率為0.1 ℃/s 時，組織為鐵素體和貝氏體，其中鐵素體尺寸超過50 μm，呈不規則多邊形，隨著冷卻速率的增加，鐵素體含量逐漸減少且逐漸細化，粒狀貝氏體逐漸轉變為板條貝氏體；當冷卻速率達到2 ℃/s 時，鐵素體基本已經消失；當冷卻速率達到5 ℃/s 時，出現板條貝氏體；當冷卻速率達到10 ℃/s 時，開始出現馬氏體轉變。

用萬能硬度計(KB3000BVRZ-SA) 對不同冷卻速率下的材料硬度進行測量，加載力為200 gf，加載時間為10 s，測得的不同冷卻速率下的硬度如圖6 所示。

圖6 不同工藝下的硬度值

從圖6 可以看出，隨著冷卻速率的增大，材料的硬度逐漸增大。冷卻速率為0.5 ℃/s 時，其硬度值約為270 HV，而當其冷卻速率增加到10 ℃/s 時，其硬度值增大為317 HV。通過對其組織進行觀察，可知當冷卻速率較低時，0.5 ℃/s 的組織轉變主要為鐵素體和貝氏體，而鐵素體具有較好的韌性和塑性，所以其強度和硬度較低；隨著冷卻速率的增大，一方面鐵素體逐漸消失，貝氏體逐漸增多，貝氏體作為硬相的存在能夠顯著增大鋼基體的硬度，另一方面，隨著冷卻速率的增加，組織晶粒逐漸細化，其有效晶界面積逐漸增多，對其硬度的提高起到很大的作用，所以其強度和硬度較高。

材料的強度在很大程度上決定了材料的使用情況。相關研究表明，材料的抗拉強度與其顯微硬度具有關聯性，同時硬度的測試具有對金屬基本損害小、測試方便等優點，故通過測試金屬表面的顯微硬度，然后利用式（1）換算成其所對應的抗拉強度，有著重要意義，動態實驗下不同冷卻速率下的維氏硬度換算成抗拉強度的具體數值見表3。

表3 不同冷卻速率對應的抗拉強度

從表3 可以看出，材料的冷卻速率與抗拉強度呈現正相關，隨著冷卻速率的增加，其顯微組織由軟相的鐵素體變成硬相的貝氏體、馬氏體相時，材料的硬度隨之增加，其抗拉強度從890 MPa增加至1020MPa，約130MPa 的變化量，說明卷取后冷卻速率對產品的組織性能影響顯著。

通過以上試驗，對含Nb 高強鋼卷取前后以不同冷卻速率進行對比，對不同工藝下的顯微組織、顯微硬度及力學性能進行了分析。發現帶鋼在卷取之前，以空冷、緩冷、快冷，不同的冷卻方式冷卻至相同溫度620 ℃，組織差別并不大，都是鐵素體基體上彌散分布著少量貝氏體；當帶鋼在620 ℃卷取后，以不同的冷卻速率進行冷卻時，會明顯發生不同的組織轉變過程。低冷卻速率下的相變主要以鐵素體為主，加少量貝氏體，但隨著冷卻速率的增加，相變逐漸轉變為高冷卻速率下以馬氏體為主，加擴散型貝氏體，馬氏體和貝氏體相的增加導致帶鋼的硬度和力學性能產生顯著的差異。

3 結論

（1）熱軋含Nb 高強鋼軋后采取空冷、緩冷、快冷三種不同冷卻速率，冷卻至相同卷取溫度620 ℃，卷取前不同冷卻速率下的組織差異并不大，說明卷取前不同的冷卻速率對材料的微觀組織影響并不大。

（2）熱軋含Nb 高強鋼卷取后，采取不同冷卻速率（0.5℃/s、1℃/s、2℃/s、5℃/s、10℃/s）冷卻至室溫。帶鋼卷取后以不同的冷卻速率進行冷卻時，會發生不同的明顯相變過程。低冷卻速率下的相變主要以鐵素體為主，加少量貝氏體，但隨著冷卻速率的增加，相變逐漸轉變為高冷卻速率下以馬氏體為主，加擴散型貝氏體，馬氏體和貝氏體相的增加導致帶鋼的硬度和力學性能產生顯著的差異。