312paper快冷對(duì)超高強(qiáng)鋼板性能的影響

312paper快冷對(duì)超高強(qiáng)鋼板性能的影響朱曉東李旭飛（寶鋼股份公司技術(shù)中心，上海201900）摘要：以C－Si－Mn為要緊元素的相變強(qiáng)化冷軋高強(qiáng)度鋼板為研究對(duì)象，為了得到抗拉強(qiáng)度相當(dāng)于980MPa級(jí)以上的強(qiáng)度，研究了連續(xù)退火快速冷卻工藝對(duì)力學(xué)性能的阻礙。研究發(fā)覺(jué)，提高快冷速度，能夠顯著提高鋼的抗拉強(qiáng)度。在15-150℃/s的噴氣冷卻速度區(qū)間，當(dāng)含碳量低于0.12％時(shí)，僅靠提高冷卻速度，專(zhuān)門(mén)難使抗拉強(qiáng)度達(dá)到980MPa以上。即使采納水淬，含碳量也應(yīng)高于0.1％才能夠達(dá)到980MPa級(jí)的強(qiáng)度。其它工藝參數(shù)如快冷開(kāi)始溫度、快冷終止和過(guò)時(shí)效溫度都對(duì)鋼的強(qiáng)度有較顯著的阻礙。關(guān)于合金元素較低的高強(qiáng)度鋼板，350℃以上過(guò)時(shí)效，會(huì)使鋼的強(qiáng)度顯著下降。組織觀看講明，過(guò)時(shí)效溫度達(dá)到350℃時(shí)，碳化物會(huì)明顯析出，從而造成強(qiáng)度顯著下降。關(guān)鍵詞：冷軋；超高強(qiáng)度鋼；連續(xù)退火，快速冷卻1引言為了降低油耗和減少排放，車(chē)身減重正在成為汽車(chē)行業(yè)要緊的關(guān)注點(diǎn)之一。隨著采納新型替代燃料趨勢(shì)的進(jìn)展，新的車(chē)身結(jié)構(gòu)要求進(jìn)一步減輕車(chē)重。在減重的同時(shí)又要堅(jiān)持車(chē)身結(jié)構(gòu)的剛度，就必須使用超高強(qiáng)鋼來(lái)取代目前的軟鋼和常規(guī)高強(qiáng)鋼，如此才能夠與輕質(zhì)材料比如鋁進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)[1,2]。超高強(qiáng)鋼一樣是指抗拉強(qiáng)度達(dá)到或超過(guò)980MPa的鋼，均通過(guò)相變進(jìn)行強(qiáng)化，組織中含有馬氏體和/或貝氏體等[3,4]。冷軋相變強(qiáng)化帶鋼采納連續(xù)退火工藝進(jìn)行生產(chǎn)，典型的退火周期包括臨界退火段、慢冷段、快冷段和過(guò)時(shí)效段（OA）。對(duì)先進(jìn)高強(qiáng)鋼而言，快冷段專(zhuān)門(mén)重要。常用的快速冷卻技術(shù)包括高速氣體冷卻（HGJC）、高氫冷卻（H2-HGJC）、水霧冷卻（ACC）以及水淬（WQ）。為了獲得超高強(qiáng)度，本文研究了連續(xù)退火工藝參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)室制備用鋼的阻礙。2材料和實(shí)驗(yàn)方法在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了三種試驗(yàn)用鋼，碳和合金元素含量不同。眾所周知，對(duì)高強(qiáng)鋼的應(yīng)用而言，焊接性能專(zhuān)門(mén)重要，因此，在設(shè)計(jì)高強(qiáng)鋼時(shí)，獲得高強(qiáng)度的同時(shí)盡可能保持低碳與低合金含量是要緊思路。為了實(shí)現(xiàn)低碳低合金含量的高強(qiáng)鋼，本文采納了一系列冷卻參數(shù)。試驗(yàn)用鋼成分見(jiàn)表1，先經(jīng)50kg的感應(yīng)爐冶煉，然后進(jìn)行鍛造，在860℃熱軋，620℃卷取，再進(jìn)行酸洗、55-60％的壓下量冷軋以及連續(xù)退火后最終制得平板試樣。利用AWY—CCT型連續(xù)退火模擬試驗(yàn)設(shè)備模擬不同的退火參數(shù)，見(jiàn)表2。表1試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分[%]編號(hào)CSiMnPSAlNNbA0.150.472.290.0170.0110.0450.00290.021B0.110.422.020.0080.0030.050.00350.029C0.0750.4541.860.0130.00640.0420.0028表2連續(xù)退火模擬參數(shù)工藝均熱慢冷快冷過(guò)時(shí)效參數(shù)溫度：T1時(shí)刻：t1冷卻速度：v1開(kāi)始溫度：T2終止溫度：T3冷卻速度：v2溫度：T4時(shí)刻：t2力學(xué)性能測(cè)試采納JIS5＃板狀拉伸試樣，在Instron拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。金相顯微組織腐蝕采納2%的硝酸。3試驗(yàn)結(jié)果圖1是快冷速度（v2）對(duì)力學(xué)性能的阻礙。從圖中能夠看到，隨著v2增加，所有試驗(yàn)鋼種的抗拉強(qiáng)度都單調(diào)增加，冷卻速度為40℃/s時(shí)，A鋼的抗拉強(qiáng)度超過(guò)980MPa，然而B(niǎo)鋼和C鋼的冷卻速度即使達(dá)到100℃/s左右時(shí)，其抗拉強(qiáng)度仍舊明顯低于980MPa。圖1冷卻速度對(duì)力學(xué)性能的阻礙（T1=800℃,t1=80s,v1=7℃/s,T2=650℃,T3=T4=270℃,t2=300s）圖2是快冷開(kāi)始溫度（T2）對(duì)A鋼力學(xué)性能的阻礙，A鋼的強(qiáng)度隨著快冷開(kāi)始溫度的提高而提高，而延伸率則隨著快冷開(kāi)始溫度的上升而下降。圖2快冷開(kāi)始溫度對(duì)A鋼力學(xué)性能的阻礙(T1=800℃,t1=80s,v1=7℃/s,v2=90℃/s,T3=T4=270℃t2=300s)圖3為快冷終止溫度（T4）和過(guò)時(shí)效溫度對(duì)力學(xué)性能的阻礙。能夠看到，在冷卻速度達(dá)到90℃/s的條件下，當(dāng)T4低于300℃時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨著T4的降低而增加，抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到和超過(guò)1050MPa，然而當(dāng)T4高于350℃時(shí)，A鋼的抗拉強(qiáng)度迅速降低到980MPa以下，這講明T4對(duì)強(qiáng)度具有專(zhuān)門(mén)大阻礙。圖3快冷終止溫度對(duì)A鋼力學(xué)性能的阻礙(T1=800℃,t1=80s,T2=650℃,v2=90℃/s,t2=300s)為了研究超快冷卻對(duì)B鋼和C鋼力學(xué)性能的阻礙，本文采納水淬提高鋼的強(qiáng)度。圖4顯示的是水淬開(kāi)始溫度對(duì)C鋼力學(xué)性能的阻礙。從圖中能夠清晰的看到，與氣冷相比，水淬使C鋼的強(qiáng)度提高了100MPa或者更多，然而，即便淬火開(kāi)始溫度高達(dá)750℃時(shí)，C鋼的抗拉強(qiáng)度仍舊沒(méi)有超過(guò)900MPa。圖4水淬開(kāi)始溫度對(duì)C鋼力學(xué)性能的阻礙(T1=800℃,t1=80s,v1=aircooling,v2=waterquench,T3≤50℃)圖5是水淬開(kāi)始溫度對(duì)B鋼力學(xué)性能的阻礙，從圖中能夠看出，淬火開(kāi)始溫度使抗拉強(qiáng)度單調(diào)提高，當(dāng)水淬開(kāi)始溫度大于700℃時(shí)，B鋼的抗拉強(qiáng)度超過(guò)980MPa。圖6是不同水冷條件下A鋼的強(qiáng)度，能夠看到，水淬后A鋼的抗拉強(qiáng)度能夠高達(dá)1400MPa，只是延伸率專(zhuān)門(mén)有限。圖5水淬開(kāi)始溫度對(duì)B鋼力學(xué)性能的阻礙(T1=800℃,t1=80s,v1=aircooling,v2=waterquench,T3<50℃,T4=270℃,t2=300s)圖6水淬開(kāi)始溫度對(duì)A鋼力學(xué)性能的阻礙(T1=800℃,t1=80s,v1=aircooling,v2=waterquench,T3<50℃,T4=270℃,t2=300s)4討論快冷段冷卻速度對(duì)奧氏體是否能夠轉(zhuǎn)變成馬氏體至關(guān)重要，當(dāng)冷卻速度低時(shí)，奧氏體會(huì)優(yōu)先轉(zhuǎn)變成鐵素體，同時(shí)奧氏體中將發(fā)生碳富集，導(dǎo)致碳化物析出，降低強(qiáng)度。當(dāng)快冷速度較高時(shí)，奧氏體在冷卻過(guò)程中會(huì)轉(zhuǎn)變成馬氏體，導(dǎo)致馬氏體體積分?jǐn)?shù)增加，從而提高強(qiáng)度。圖7是在兩種不同快冷速度下A鋼的顯微組織，從圖中能夠清晰的看到碳化物分布以及馬氏體體積分?jǐn)?shù)的差異。5μm(a)55μm(a)5μm(b)圖7快冷速度對(duì)A鋼顯微組織的阻礙v2=20℃/s,T1=800℃,t1=80s,T2=650℃,T3=T4=270℃,t2=300s(b)v2=100℃/s,T1=800℃,t1=80s,T2=650℃,T3=T4=270℃,t2=300s然而，快冷速度并不是決定強(qiáng)度的唯獨(dú)因素，如圖1所示，低碳鋼（C鋼和B鋼）的強(qiáng)度明顯低于高碳鋼（A鋼）的強(qiáng)度。要獲得與A鋼相似的強(qiáng)度，B鋼就必須采取更高的冷卻速度進(jìn)行冷卻，而C鋼的碳含量太低，因此，即使進(jìn)行水淬，其抗拉強(qiáng)度也不能達(dá)到980MPa?？炖溟_(kāi)始溫度與過(guò)冷奧氏體量有直截了當(dāng)關(guān)系。在快冷過(guò)程中，假如冷卻速度足夠快，過(guò)冷奧氏體將轉(zhuǎn)變成馬氏體。因此，快冷開(kāi)始溫度會(huì)阻礙鋼中馬氏體含量。從圖8能夠看到，在冷卻速度為80℃/s的條件下，T2＝700℃時(shí)馬氏體量明顯比T2＝600℃時(shí)馬氏體量多，這是其強(qiáng)度增加的一個(gè)要緊緣故。5μm(b)55μm(b)5μm(a)圖8快冷開(kāi)始溫度對(duì)A鋼顯微組織的阻礙(a)T2=600℃,T1=800℃，t1=80s,v2=80℃/s,T3=T4=270℃,t2=300s(b)T2=700℃,T1=800℃,t1=80s,v2=80℃/s,T3=T4=270℃,t2=300s當(dāng)快冷終止溫度低時(shí)，不僅能夠保證過(guò)冷奧氏體充分轉(zhuǎn)變成馬氏體，而且能夠幸免馬氏體在過(guò)時(shí)效（回火）過(guò)程中造成的馬氏體分解。圖9是T3對(duì)顯微組織的阻礙，當(dāng)過(guò)時(shí)效溫度達(dá)到350℃或以上時(shí)能夠清晰的看到碳化物形成，而過(guò)時(shí)效溫度為270℃或低于270℃時(shí)，碳化物析出明顯受阻，鋼不易過(guò)度軟化。5μm(b)(a)5μm(b)(a)5μm圖9過(guò)時(shí)效溫度對(duì)A鋼顯微組織的阻礙T3=T4=270℃,T1=800℃,t1=80s,T2=650℃,v2=80℃/s,t2=300s(b)T3=T4=350℃,T1=800℃,t1=80s,T2=650℃,v2=80℃/s,t2=300s從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，冷卻速度、快冷開(kāi)始溫度、快冷終止溫度以及碳含量對(duì)抗拉強(qiáng)度有專(zhuān)門(mén)大的阻礙。在合金含量一定的情形下，水淬是獲得最高強(qiáng)度的最好的方法。碳含量對(duì)鋼的強(qiáng)度也專(zhuān)門(mén)重要，要想獲得980MPa級(jí)的強(qiáng)度，碳含量超過(guò)0.1%是首要的。5結(jié)論（1）快冷速度增加能夠提高試驗(yàn)用鋼的強(qiáng)度。關(guān)于A鋼而言，H2-HGJC范疇內(nèi)的快冷速度足以獲得超過(guò)980MPa的抗拉強(qiáng)度，然而關(guān)于B鋼和C鋼來(lái)講，在冷卻速度為100℃/s左右的條件下，抗拉強(qiáng)度明顯低于980MPa。（2）假如快冷開(kāi)始溫度提高，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都會(huì)提高?？炖溟_(kāi)始溫度達(dá)到700℃或以上時(shí)，A鋼的YP/TS比迅速提高。（3）快冷終止和過(guò)時(shí)效溫度對(duì)鋼的強(qiáng)度也有專(zhuān)門(mén)大的阻礙。當(dāng)過(guò)時(shí)效溫度超過(guò)350℃時(shí)，會(huì)造成鋼的嚴(yán)峻軟化，這種現(xiàn)象是由于奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變不完全、馬氏體分解和碳化物析出等緣故造成的。（4）所試驗(yàn)鋼種的強(qiáng)度能夠通過(guò)水淬進(jìn)一步提高。通過(guò)水淬，B鋼的強(qiáng)度能夠超過(guò)980MPa，然而由于C鋼的碳含量低，其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于980MPa。參考文獻(xiàn)[1]M.Jeanneau,P.Pichan:LaRevueDemetallurgies-CITVol.11(2000),p13