超高強(qiáng)度冷軋耐候馬氏體鋼的組織與性能

劉志偉 郭曉宏 張瑞琦 劉鳳蓮 金澤宏 嚴(yán)平沅

(1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司市場(chǎng)營(yíng)銷中心，遼寧鞍山 114002)

超高強(qiáng)度冷軋耐候馬氏體鋼的組織與性能

劉志偉1郭曉宏1張瑞琦1劉鳳蓮1金澤宏2嚴(yán)平沅1

(1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司市場(chǎng)營(yíng)銷中心，遼寧鞍山 114002)

介紹了采用鞍鋼常規(guī)噴氣冷卻連續(xù)退火機(jī)組試制一種冷軋超高強(qiáng)耐候馬氏體鋼的工藝流程，并使用金相顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、X射線衍射儀及室溫拉伸試驗(yàn)等手段對(duì)其顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，試驗(yàn)鋼組織由板條馬氏體和少量殘留奧氏體組成，馬氏體有明顯的分解現(xiàn)象，同時(shí)在馬氏體基體中有大量彌散分布的滲碳體和碳化物析出。試驗(yàn)鋼的綜合力學(xué)性能良好，屈服強(qiáng)度可達(dá)1 039 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 131 MPa，斷后伸長(zhǎng)率A50為9.0%。通過(guò)微合金元素V和Ti的沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度提高。

馬氏體鋼 耐候 連續(xù)退火 組織 性能

同汽車鋼板的發(fā)展趨勢(shì)相似，集裝箱業(yè)用鋼板也在向高強(qiáng)度、輕量化方向發(fā)展。采用超高強(qiáng)度熱軋耐候鋼板作骨架、超高強(qiáng)度冷軋耐候鋼板作面板生產(chǎn)的集裝箱，與常規(guī)強(qiáng)度熱軋耐候鋼板生產(chǎn)的產(chǎn)品相比，強(qiáng)度增加了一倍，而重量只為原來(lái)的80%左右，迎合了用戶日益發(fā)展的需求。然而，由于受到熱軋機(jī)組厚度方面的限制，采用熱軋生產(chǎn)的耐候鋼板的厚度一般較厚。

強(qiáng)度級(jí)別超過(guò)1 000 MPa的先進(jìn)超高強(qiáng)鋼一般通過(guò)帶有水淬單元的連續(xù)退火生產(chǎn)線生產(chǎn)。世界上具有水冷卻功能的連續(xù)退火機(jī)組很少，比較著名的有日本的JFE和瑞典的SSAB[1]；國(guó)內(nèi)目前只有寶鋼的超高強(qiáng)冷軋鋼帶專用生產(chǎn)線擁有自主開(kāi)發(fā)的水淬和氣霧冷卻技術(shù)，其典型的生產(chǎn)工藝為加熱、均熱、緩冷、水淬、酸洗、再加熱和回火等過(guò)程[2- 3]。本文針對(duì)鞍鋼常規(guī)噴氣冷卻連續(xù)退火機(jī)組，對(duì)一種超高強(qiáng)冷軋耐候馬氏體鋼進(jìn)行了研制，并對(duì)其組織和性能進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料與過(guò)程

1.1 試驗(yàn)材料

冷軋馬氏體鋼多采用水淬連退機(jī)組生產(chǎn)。而本文試驗(yàn)鋼是基于常規(guī)噴氣冷卻的連退線，同時(shí)要求耐腐蝕性，所以成分設(shè)計(jì)中選擇在碳錳鋼基礎(chǔ)上添加微合金元素和耐腐蝕性元素，具體化學(xué)成分見(jiàn)表1。

1.2 軋制工藝

表1 試驗(yàn)用鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of tested steel(mass fraction) %

熱軋加熱溫度為1 230 ℃，終軋溫度控制在910～950 ℃，卷取溫度控制在600～650 ℃，熱軋板的最終厚度為2.75～3.00 mm，熱軋板酸洗后經(jīng)五機(jī)架連軋至1.2 mm厚，冷軋壓下率為56.4%～60.0%。

1.3 連續(xù)退火工藝

根據(jù)LINSEIS L78 RITA相變儀測(cè)出的試驗(yàn)鋼相變點(diǎn)(Ac1=711 ℃，Ac3=857 ℃，Ms=406 ℃)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能力，制定連續(xù)退火工藝參數(shù)，如圖1所示。具體為：臨界區(qū)加熱溫度850 ℃，保溫134 s，以11 ℃/s的冷卻速率緩慢冷卻到700 ℃，然后以46 ℃/s的冷卻速率快冷到240 ℃，再加熱到400 ℃，過(guò)時(shí)效545 s后空冷至室溫。

圖1 連續(xù)退火工藝示意圖Fig.1 Schematic of the continuous annealing process

1.4 檢測(cè)方法

從連續(xù)退火后的試驗(yàn)鋼板上沿軋制方向制備標(biāo)距為50 mm的拉伸試樣，在ZWICK/ROELL- Z100材料電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試；金相試樣采用4%硝酸酒精溶液侵蝕，在OLYMPUS- PMG3光學(xué)顯微鏡和QUANTA掃描電鏡下觀察顯微組織；制備雙噴減薄試樣和萃取復(fù)型試樣，在Tecnai G2 20型透射電子顯微鏡上觀察試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)和析出物形貌。采用X`PERT PRO型X射線衍射儀進(jìn)行物相分析，選用Co靶、管電壓35 kV、管電流40 mA。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能

圖2為試驗(yàn)鋼的工程應(yīng)力- 工程應(yīng)變曲線?？梢?jiàn)，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度為1 039 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 131 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為9.0%，均達(dá)到了目標(biāo)要求(Rp0.2≥1 000 MPa，Rm≥1 100 MPa，A50≥5%)。

圖2 試驗(yàn)鋼的工程應(yīng)力- 工程應(yīng)變曲線Fig.2 Engineering stress- engineering strain curves of tested steel

2.2 微觀組織

圖3為試驗(yàn)鋼的光學(xué)和SEM形貌。圖3表明，試驗(yàn)鋼的微觀組織為馬氏體，呈板條狀。

圖4為試驗(yàn)鋼的TEM形貌。TEM結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)400 ℃回火處理后，試驗(yàn)鋼組織中馬氏體呈板條狀，馬氏體有明顯的分解現(xiàn)象，且邊緣變得模糊，同時(shí)在馬氏體基體上析出大量的薄片狀或薄膜狀碳化物。

圖3 試驗(yàn)鋼的顯微組織Fig.3 Microstructures of tested steel

圖4 試驗(yàn)鋼中(a)板條馬氏體、(b)分解的析條馬氏體和(c)碳化物的TEM形貌Fig.4 TEM morphologies of (a) lath martenstite, (b) decomposed lath martensite and (c) carbide in the tested steel

2.3 析出相

圖5為試驗(yàn)鋼析出相的TEM照片及其能譜。由圖5可見(jiàn)，試驗(yàn)鋼中存在少量尺寸大于100 nm的方形(V、Ti)CN粒子，部分尺寸大于50 nm近似球形的合金滲碳體FeMnCrVC，以及大量尺寸小于20 nm的圓形VC粒子。

2.4 XRD分析

圖6為試驗(yàn)鋼的X射線衍射圖譜，其主要物相為α- Fe和γ- Fe，γ- Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.1%。

3 分析與討論

在鋼中加入Nb、V、Ti等微合金強(qiáng)碳化物形成元素，通過(guò)微合金碳氮化物的析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼的強(qiáng)韌化，是提高鋼力學(xué)性能的有效方法之一[4]。由于V具有較高的溶解度，所以在高溫奧氏體區(qū)基本處于固溶狀態(tài)。當(dāng)在高溫溶入固溶體時(shí)，會(huì)提高鋼的淬透性。另外V提高淬火鋼的回火穩(wěn)定性，當(dāng)鋼中含V量達(dá)到一定量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的二次硬化效應(yīng)。Ti在高溫奧氏體區(qū)形成穩(wěn)定細(xì)小彌散的TiN質(zhì)點(diǎn)，TiN能防止通過(guò)反復(fù)再結(jié)晶而細(xì)化的奧氏體聚合，起抑制原始奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用。V- Ti復(fù)合添加，一方面可以提高析出粒子的熱穩(wěn)定性，另一方面可以大大降低成本，有利于實(shí)現(xiàn)沉淀強(qiáng)化型高強(qiáng)鋼的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。Speer等提出的淬火- 碳分配(Q & P)工藝，使淬火鋼中含有馬氏體基體以提高強(qiáng)度。為使淬火鋼具有更高的強(qiáng)度，引入復(fù)雜碳化物沉淀強(qiáng)化機(jī)制，改造Q- P工藝，發(fā)展出淬火- 碳分配- 回火(沉淀)(Q- P- T)新工藝。和Q- P工藝阻礙碳化物析出不同，在Q- P- T鋼中加入碳化物形成元素， 在Q- P- T處理中使馬氏體基體中析出碳化物，以進(jìn)一步增加鋼的強(qiáng)度[5]。鞍鋼工業(yè)生產(chǎn)的超高強(qiáng)度冷軋耐候鋼板借鑒先進(jìn)的Q- P- T工藝，添加微合金元素V和Ti，鋼板經(jīng)快冷段冷卻后再加熱到一定溫度進(jìn)行過(guò)時(shí)效，以獲得一定量的合金滲碳體和碳化物，進(jìn)一步提高了鋼板的強(qiáng)度。

圖5 試驗(yàn)鋼析出相的TEM觀察和能譜分析Fig.5 TEM images and energy spectrum analysis of the precipitates in tested steel

圖6 試驗(yàn)鋼的X射線衍射圖譜Fig.6 XRD pattern of tested steel

4 結(jié)論

(1)通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)并配以適宜的熱軋工藝和連退工藝，獲得的試驗(yàn)鋼綜合力學(xué)性能良好，屈服強(qiáng)度可達(dá)1 039 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 131 MPa，斷后伸長(zhǎng)率A50為9.0%，完全滿足用戶使用要求。

(2)試驗(yàn)鋼組織由板條馬氏體和少量的殘留奧氏體組成，馬氏體有明顯的分解現(xiàn)象，同時(shí)在馬氏體基體中有大量彌散分布的滲碳體和碳化物析出。

(3)通過(guò)微合金元素V和Ti的沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用，提高了試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度。

[1] 孟慶格，李俊，徐德超. 過(guò)時(shí)效處理對(duì)冷軋超高強(qiáng)馬氏體鋼板組織與性能的影響[J]. 金屬熱處理, 2014, 39(4):76- 80.

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收修改稿日期：2016- 11- 15

MicrostructureandMechanicalPropertiesofCold-rolledUltra-highStrengthWeatherproofMartensiteSteel

Liu Zhiwei1Guo Xiaohong1Zhang Ruiqi1Liu Fenglian1Jin Zehong2Yan Pingyuan1
(1. Ansteel Group Iron and Steel Research Institute, Anshan Liaoning 114009, China; 2. Market Trading Center of Angang Steel Co., Ltd., Anshan Liaoning 114002, China)

The technological process of producing cold-rolled ultra-high strength weatherproof martensite steel, trial-produced in a conventional jet cooling continuous annealing line of Anshan Iron & Steel Co., Ltd was introduced, and its microstructure and mechanical properties were also characterized through optical microscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscope, x- ray diffraction and tensile tests. The results showed that the microstructure of tested steel was composed of lath martensite and a small amount of retained austenite. The martensite was decomposed apparently and a certain amount of cementites and carbides precipitated in the martensite matrix. The test steel exhibited excellent comprehensive mechanical properties, its yield strength, tensile strength and elongation was up to 1 039 MPa, 1 131 MPa and 9.0%,respectively. Microalloying with V and Ti improved the strength of tested steel by precipitation strengthening and fine- grain strengthening.

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劉志偉，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事集裝箱用鋼和鐵路車輛用鋼的研制，Email：aglzw@126.com