420 MPa級冷軋低合金高強鋼研發及組織性能研究

摘 要：冷軋低合金高強鋼是最常見的結構用鋼之一，細晶強化和沉淀強化是低合金高強鋼的主要強化手段，對提高強度有重要作用。采用試驗室熱處理的方式制備冷軋低合金高強鋼，通過對成分、制備工藝、顯微組織特征、力學性能等綜合分析，得到基于罩式退火工藝的420 MPa級冷軋高強鋼的強韌化機理及控制方法，并優化冷軋低合金高強鋼的生產工藝，以滿足客戶要求。

關鍵詞：冷軋低合金高強鋼；退火工藝；強化機理；力學性能；微觀組織

RESEARCH AND DEVELOPMENT OF 420 MPa COLD ROLLED LOW ALLOY HIGH STRENGTH STEEL AND STUDY ON ITS MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES

Jiang Cailing Dong Yuanhua Ye Jiang Yu Yifeng

（Guangxi Liuzhou Iron and Steel Group Co.， Ltd. Liuzhou 545002， China）

Abstract：Cold rolled low-alloy high-strength steel is one of the most common structural steels， and fine grain strengthening and precipitation strengthening are the main strengthening methods for low-alloy high-strength steel， which play an important role in improving strength. This article uses laboratory heat treatment to prepare cold-rolled low-alloy high-strength steel. Through comprehensive analysis of composition， preparation process， microstructure characteristics， mechanical properties， etc.， the strengthening and toughening mechanism and control method of 420 MPa grade cold-rolled high-strength steel based on hood annealing process are obtained， and the production process of cold-rolled low-alloy high-strength steel is optimized to meet customer requirements.

Key words：Cold rolled low-alloy high-strength steel; Annealing process; Strengthening mechanism; Mechanical properties; Microstructure

0 引 言

冷軋低合金高強鋼（HSLA鋼）成分設計時加入了微量的強碳化物形成元素，如鈮、鈦，組織由鐵素體和少量珠光體組成，第二相析出物彌散分布，主要依靠碳化物、氮化物在鐵素體基體上的析出強化阻礙位錯運動，具有高屈服強度及屈強比、良好的成形及焊接性能等特點[1]，比碳素結構鋼具有更高的屈服強度，而較雙相鋼等先進高強鋼具有更低的成本，因此備受市場青睞，廣泛應用于汽車、家電、建筑等行業的結構件中，其中在汽車輕量化應用中最為突出，特別是在國產自主品牌汽車和新能源汽車快速發展下，高性價比的冷軋低合金高強鋼廣泛應用于汽車、客車的座椅件、支架以及連接板等加強結構件，以達到汽車輕量化的目的[2-3]。本文采用試驗室熱處理的方式制備420 MPa級冷軋低合金高強鋼，通過對成分、制備工藝、顯微組織特征、力學性能等綜合分析，得到基于罩式退火工藝的高強鋼的強韌化機理及控制方法，并優化低合金高強鋼的生產工藝，以滿足客戶要求。

1 試驗材料與方法

1.1 材料化學成分

本研究試驗樣品為HC420LA冷軋板，其化學成分如表1所示。

1.2 研究方法

利用JMatPro模擬軟件分析試驗鋼成分與相變規律的關系，并采用模擬罩式退火工藝制備

420 MPa級低合金高強鋼，從冷軋板上沿垂直軋制方向（TD）采用線切割機取 220 mm × 70 mm 的試樣開展熱處理試驗，其中模擬罩式退火的試驗利用箱式退火爐開展。爐內溫度升高至設定溫度（640、660、680 、700 ℃）并穩定后放入試樣，之后保溫1 h，最后取出試樣空冷至室溫。

不同罩式退火溫度熱處理后的試樣開展顯微組織與力學性能分析。將退火的冷軋板進行線切割，取A50 mm拉伸試樣及4 mm×10 mm金相試樣。將金相試樣使用熱鑲機進行鑲嵌，再用金相試樣磨拋機配合水磨砂紙和拋光布對試樣進行打磨和拋光，最后用4%硝酸酒精侵蝕，利用場發射掃描電鏡（Gemini SEM 500）和奧林巴斯金相顯微鏡觀察試樣縱截面顯微組織。將A50 mm拉伸試樣表面及側面打磨光亮，無明顯缺陷。用ZwickZ050型萬能材料試驗機對拉伸試樣進行力學性能測試，拉伸速率為2 mm/min。利用碳萃取復型技術制備透射電鏡試樣，對試樣檢測面進行磨拋，使用4%硝酸酒精進行腐蝕。將試樣從熱鑲基體上脫離之后進行噴碳，之后用8%硝酸酒精將碳膜與試樣基體分離，并將碳膜附在銅網上，制成碳萃取復型試樣以備觀察[4]。最后利用JEM-2100TEM型透射電子顯微鏡觀察試驗鋼中的析出相，觀察第二相粒子的形貌、分布，并使用X射線能譜分析儀對第二相做定性分析，以確定第二相的種類。

2 試驗結果與分析

利用光學顯微鏡及掃描電鏡研究罩式退火后試驗鋼的顯微組織，經過不同溫度罩式退火后的試驗鋼金相照片和SEM圖像分別如圖1與圖2所示。在640～700 ℃溫度罩式退火后試驗鋼的基體組織均為鐵素體，鐵素體晶粒呈多邊形，由于遺傳了冷軋組織，晶粒沿軋制方向略有伸長。表2為試驗鋼平均晶粒尺寸隨退火溫度的變化，隨著退火溫度的升高，鐵素體的平均晶粒尺寸上升，當退火溫度由640 ℃提升至680 ℃時，試驗鋼的平均晶粒尺寸由3.5 μm增加至3.9 μm。

從圖2d所示，退火溫度提升至700 ℃時，在較大的鐵素體晶界交匯處形成了部分尺寸較小的晶粒，從而降低了試驗鋼的平均晶粒尺寸。同時，這些小尺寸晶粒與大尺寸鐵素體晶粒相比顯示出較明亮的襯度，反映出了對硝酸酒精更差的耐蝕性。利用模擬軟件JMatPro對試驗鋼的平衡態相比例隨溫度的演變規律進行模擬，表1化學成分的HC420LA的A1與A3溫度分別為685.9 ℃與

862.1 ℃。平衡態下，試驗鋼會在一定溫度區間內形成滲碳體，試驗鋼HC420LA滲碳體的形成溫度區間為477.5～685.8 ℃。同時，試驗鋼在各溫度等溫均會生成一定量的碳氮化物，形成第二相起到強化的作用。試驗鋼HC420LA在700 ℃等溫時處于臨界區溫度區間，奧氏體在能量較高的晶界交匯處形核長大，這部分奧氏體的體積分數受到等溫溫度的控制；同時C、Mn等元素由于在奧氏體中的溶解度更高，開始向奧氏體中擴散。等溫結束后空冷時，發生奧氏體向鐵素體的轉變，同時相對較高的C、Mn元素則保留下來，從而降低了新生鐵素體的耐蝕性，表現出明亮的襯度。

如圖1與圖2所示，試驗鋼經過罩式退火后生成了一定數量的第二相。利用透射電鏡對第二相的萃取復型分析，如圖3所示，第二相主要為滲碳體（圖3 d，圖3f），其形貌為球狀，粒徑為0.1～0.4 μm。此外還觀察到部分含Nb的第二相，如圖3 c，圖3e所示。

試驗鋼經不同溫度退火后的力學性能如表3所示。試驗結果表明，試驗鋼的強度隨退火溫度的升高逐漸下降，同時延伸率顯著提升，當退火溫度由640 ℃提升至680 ℃時，試驗鋼屈服強度從

498 MPa下降至472 MPa，抗拉強度從539 MPa下降至504 MPa，同時延伸率由21.4%提升至23.4%。在700℃退火時，試驗鋼表現出較低的強度和延伸率。由于退火過程中發生奧氏體相變，室溫組織表現出鐵素體雙峰結構，其中新生成的鐵素體消耗了C、Mn等合金元素，從而弱化了固溶強化。綜合試驗鋼性能和標準要求來看，當退火溫度較高時，試樣屈服強度明顯降低，不能滿足標準和用戶的使用要求。因此，對于本試驗鋼來說，罩式退火溫度應控制在680 ℃以下，試樣的綜合性能可以滿足標準要求。

細化晶粒是新一代高強度鋼普遍的強化手段，也是最常見的強韌化機理之一。為了達到細晶強化的目的，首先需要合理的成分設計，向鋼中加入可以阻止奧氏體長大、推遲奧氏體再結晶溫度以及增加鐵素體形核率的合金元素，如Nb、Mn、Ti等[5]，同時可以通過合適的生產工藝控制，如采用低溫大壓下破碎原奧晶粒，增加未發生再結晶奧氏體內的變形帶，加大冷卻速度和降低卷取溫度等，這些手段都是為了增加鐵素體的形核點，在γ→α轉變的過程中，如果鐵素體的形核點顯著增加，鐵素體的晶粒尺寸能夠得到降低，從形核開始到完全長大的時間也能夠明顯縮短，可以最終獲得晶粒尺寸細小的產品[6]。

由于少量的Nb元素對鋼的顯微組織和力學性能有明顯的影響，因此Nb在鋼中的含量控制也成為一個關鍵因素。Nb在鋼中的主要作用是與鋼中的C、N元素結合，形成碳氮化物，產生細小的沉淀析出強化[7]，但與Ti相比，Nb的細化晶粒的作用更加明顯。對于HC420LA試驗鋼來說，鋼中析出物數量明顯增多，析出物尺寸較為小。鋼中的Nb元素含量較高，而Ti含量較低，析出物形貌大多為球形或橢球形，方形析出物非常少。Nb的析出物尺寸顯著減小，這些以Nb為主的析出物，主要尺寸分布在5～30 nm之間，這主要與Nb的析出溫度較低有關。但這類析出物的分布最廣，對鋼強度的貢獻也最為顯著。當位錯在運動中與這些析出物相遇時，在析出物質點的兩側就會增加柏氏矢量寬度的相界面，位錯要切過質點，就要增加外力做功，即析出物的切過機理[8]。鋼中也存在少量較為粗大的析出物，其尺寸一般在80～200 nm之間，能譜中含有Ti和Nb元素，是兩者的復合析出。

3 結 論

1）HC420LA罩式退火工藝表明，在640～680 ℃溫度時，罩式退火試驗鋼強度及延伸率較高且基本保持穩定，在700 ℃時屈服強度下降明顯，不能滿足標準的要求，考慮到綜合性能要求，HC420LA在罩式退火溫度為660 ℃綜合力學性能最優。

2）對于HC420LA低合金高強鋼，鋼中析出物數量較多，析出物尺寸較小。鋼中的Nb元素含量較高，而Ti含量較低，析出物形貌多為球形或橢球形，方形析出物非常少。以Nb為主的析出物尺寸細小，主要尺寸分布在5～30 nm之間，對鋼強度的貢獻也最為顯著。

參考文獻

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[8] 米振莉，潘殿軍，江海濤.700 MPa冷軋低合金超高強鋼的典型連續退火工藝[J].工程科學學報，2015，37（2）：185-189.

第一作者：蔣才靈，男，42歲，高級工程師

廣西創新驅動發展專項資金資助項目“先進汽車用冷軋及熱鍍鋅高強鋼的開發及應用關鍵技術研究”（桂科AA22068079）