4控轧控冷工艺对低碳高强度汽车板组织和性能的影响-北科大田允

2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳20控轧控冷工艺对低碳高强度汽车板组织和性能的影响田允1，赵征志1，吴新朗1，陈雨来1，刘光明2，代晓莉2，熊爱明2（1.北京科技大学冶金工程研究院，北京100083；2.首钢技术研究院，北京100041）摘要：对低碳高强度汽车板510L采用不同形变热处理工艺进行试验，分析了终轧温度和卷曲温度对实验钢力学性能和微观组织的影响，和低碳高强度汽车板的强韧化机制。研究表明：降低终轧温度和卷曲温度可有效细化晶粒，提高钢板的强度；适合本实验钢的工艺制度：终轧温度在830～860℃，卷曲温度在610～650℃；细晶强化是510L钢板的主要强化方式。关键词：控轧控冷；力学性能；显微组织；强化EffectofControlledRollingandControlledCoolingonMicrostructureandMechanicalPropertiesofHighStrengthLowCarbonAutomobileSteelPlatesTianYun1,ZhaoZheng-zhi1,WuXin-lang1,ChenYu-lai1,LiuGuang-ming2,Daixiao-li2,XiongAi-ming2(1.ResearchInstituteofMetallurgyEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083;2.ShougangResearchInstituteofTechnology,ShougangGroupCorporation,Beijing100041)Abstract:Controlledrollingandcontrolledcoolingexperimentshavebeencarriedoutona510Lsteelindifferentschedules.Theeffectsoffinishrollingtemperatureandcoilingtemperatureonthemechanicalpropertiesandmicrostructuresofthesteelwereinvestigated,andstrengtheningmechanismsofhighstrengthlowcarbonautomobilesteelplateswereanalyzed.Theexperimentresultsshowedthatwithdecreasingfinishrollingtemperatureorcoilingtemperaturetheferritegrainsizebecamefinerandthestrengthofthesteelincreased;Thescheduleswhicharesuitableforthetestedsteelareasthefollows:controllingfinishrollingtemperatureintherangeof830～860℃，controllingcoilingtemperatureintherangeof610～650℃。Refinementstrengtheningistheprimarystrengtheningmode。Keywords:controlledrollingandcontrolledcooling;mechanicalproperty;microstructure;strengthening1前言钢材的高强度化成为钢铁工业近20年来最具活力和创造性进展的领域，一系列热轧高强度钢板被越来越广泛用于建筑业、制造业和加工业。近年来，我国汽车工业发展迅速，随着资源、能源、环境保护的日益迫切要求，汽车减重、节能已成必然趋势，在汽车上使用高强度钢板的比例也越来越大，因此热轧高强度汽车用钢板有着广阔的市场空间[1～2]。对微合金钢生产采用控制轧制和控制冷却的方式是目前生产高强度钢板的主要途径之一。普通510L热连轧带钢产品主要用于制造汽车梁及其它结构件，对其钢板或钢带的技术要求为：屈服强度≥355MPa，抗拉强度510～610MPa，延伸率≥24％。本文对510L钢控轧控冷工艺参数，如终轧温度和卷曲温度对510L组织和性能的影响进行了研究，并对其强化机制进行了分析，进而为工业生产提供试验依据。2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳212实验材料与方法实验材料在北京科技大学实验室28kg真空冶炼炉冶炼，化学成分见下表1。表1实验钢的化学成分（质量分数）Table1Compositionofthetestedsteel(massfraction)％CSiMnPSNbTi0.06～0.090.18～0.261.27～1.37＜0.006＜0.0060.030.01将铸坯锻造成尺寸为50×80×100mm试样。根据制定的轧制工艺方案（见表2），在北京科技大学高效轧制国家工程研究中心的试验轧机和喷水冷却装置上进行510L钢轧制试验，将锻造后50mm厚的铸坯分6道次轧制，轧制成厚度规格6mm钢板。加热温度设定为1200℃，到温后保温30分钟，开轧温度控制在1160℃左右，进行两个道次粗轧，960℃时开始精轧，并在轧制过程中控制各道次的压下量和轧制温度，控制终轧温度以研究其对组织和性能的影响，轧后立即进行喷水冷却。喷水冷却后将钢板放入电阻炉内保温以模拟轧后卷曲。从每块轧后钢板上切取标距为50mm的非比例拉伸试样，平行部宽度为12.5mm，在北京科技大学力学实验室的CMT4105微机电子万能材料试验机上测定其屈服强度、抗拉强度和伸长率等力学性能。表2实验钢的轧制工艺方案Table2Rollingschemeofthetestedsteel道次123456变形量/％30.031.433.335.030.816.7轧后厚度/mm35241610.47.263实验结果与讨论3.1力学性能表3为510L控轧控冷后带钢的力学性能。比较表中1号、2号和3号可以看出，卷曲温度相同的情况下，随着终轧温度的降低，钢板的屈服强度明显升高，但钢板的抗拉强度变化不大，导致钢板的屈强比很高，达到0.88。如880℃终轧条件下，钢板的屈服强度为475MPa，当终轧温度降低到830℃时，其屈服强度升高到555MPa，屈强比由0.77升高到0.88。表3实验钢的主要工艺参数及带钢的力学性能Table3Mechanicalpropertiesofthetestedsteelaftercontrolledrollingandcontrolledcooling试样编号终轧温度/℃卷曲温度/℃屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/％屈强比188065047561527.80.77285065053561524.20.87383065055563026.60.88485069050557528.70.88585061059066024.00.89另外，比较表中2号、4号和5号可以看出，在相同的终轧温度下，随着卷曲温度的降低，钢板的屈服强度和抗拉强度都明显升高，钢板的屈强比变化不大。如卷曲温度为690℃时，钢板的屈服强度和抗拉强度分别为505MPa和575MPa，当卷曲温度为610℃时，钢板的屈服强度和抗拉强2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳22度分别为590MPa和660MPa。3.2显微组织观察图1是带钢在相同开轧温度（1160℃）和卷曲温度（650℃）条件下，不同终轧温度对成品板组织的影响。其显微组织主要是大量准多边形铁素体和少量珠光体组成,珠光体组织呈岛状和支链状分布。随终轧温度的降低，铁素体平均晶粒尺寸减小，显微组织逐渐趋于均匀。由Hall-Petch关系可知，屈服强度与晶粒直径的平方根成反比，晶粒越细，则屈服强度越高[3]。终轧温度为880℃时,铁素体晶粒较为粗大,形状不规则且大小不均匀,其铁素体平均晶粒尺寸约为9.5μm，当终轧温度降低到830℃时，可以获得细小均匀的铁素体组织,铁素体平均晶粒尺寸约为8.5μm。图1不同终轧温度下成品板的显微组织Fig.1Microstructuresofthetestedsteelindifferentfinishingtemperature(a)1号（880℃）;(b)2号（850℃）;(c)3号（830℃）图2是带钢在相同终轧温度（850℃）条件下，不同卷曲温度对成品板组织的影响。成品板的组织基本上是铁素体和少量珠光体。随卷曲温度的降低，成品板显微组织逐渐趋于均匀。降低卷曲温度将抑制各种颗粒的长大，因而获得较高的强度。卷曲温度为690℃时,铁素体平均晶粒尺寸约为10μm，当卷曲温度降低到610℃时，铁素体平均晶粒尺寸约为8.3μm。图2不同卷曲温度下成品板的显微组织Fig.2Microstructuresofthetestedsteelindifferentcoilingtemperature(a)4号（690℃）;(b)2号（650℃）;(c)5号（610℃）4强韧化机制4.1细晶强化实验结果表明，降低终轧温度，铁素体晶粒细化，钢的强度提高。终轧温度的变化改变了相变前奥氏体的组织。降低终轧温度,可以减小相变前奥氏体的晶粒尺寸,在形变奥氏体中形成较多的形变带,使形变奥氏体的形变储存能增大，增加奥氏体向铁素体转变时铁素体晶粒的形核位置和形核速率。随着变形温度的降低,Ar3点升高,降低了奥氏体的稳定性,当Ar3与变形温度重合时发生形变诱导（a）（b）(c)（a）（b）(c)20μm20μm20μm20μm20μm20μm2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳23铁素体相变,从而细化铁素体晶粒,使转变后的铁素体含量增加,不但提高了材料的强度,而且具有良好的韧性[4]。另一方面，在随后的控冷过程中，形变储存能将促进大量细小弥散的二相粒子弥散析出，沉淀强化对钢强度的提高也做出贡献[5]。利用扫描电镜观察5号钢板的微观组织（如图3），SEM照片中各种组织的形貌清晰可辨。主要是准多边形铁素体和片层状的珠光体，如图a所示。较细的多边形铁素体可以改善钢的韧性[6]。放大后可以观察到沿铁素体晶界析出的粒状碳化物（如图b），这种组织有利于钢板强度和韧性的提高。图35号钢板的SEM组织形貌Fig.3SEMmicrostructuresofNo.5testedsteel4.2析出强化实验钢中铌、钛微合金元素的加入，对钢的性能有很大的影响。Nb、Ti在钢中形成的细小碳氮化物起着阻止γ晶粒长大，抑制再结晶及在γ未再结晶区形变时富化生核的作用，可细化晶粒，同时在轧制和冷却过程中均匀弥散地在晶界和晶内析出，又具有很强的析出强化作用。控制卷取温度不仅可以获得所需要的显微组织类型,而且还可控制析出物的量和析出粒子的大小。通常,较低的卷取温度将抑制各种颗粒的长大,因而获得较高的强度。然而,如果卷取温度太低,析出可能会被抑制,这样将残留一定数量的微合金元素固溶在基体中,降低了微合金元素的利用率。同时卷取温度太低会受到设备的限制。正确选择卷取温度将取决于对材料的最终性能的要求以及卷取机低温卷取带钢的能力[4]。图4是利用萃取复型分析技术在JEM-2000FX型透射电镜下观察到3号试样的第二相粒子析出物形貌，第二相在基体中弥散均匀分布，形态为球形、方形和矩形。析出的球形尺寸细小，多为30～60nm,析出的方形和矩形尺寸略大，为70～160nm。能谱分析表明，球形析出物主要是铌的碳氮化物，方形和矩形析出物为钛的碳氮化物。图43号试样析出物形貌和能谱Fig.4MorphologyandenergyspectrumofprecipitatesinNo.3testedsteel（a）（b）2μm2μm200nm2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳244.3其它强化机制实验钢除了具有上述强化机制外，还存在位错强化等强化机制。利