《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.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《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.pdf（5页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、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：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 830860，卷曲温度在
2、610650；细晶强化是 510L 钢板的主要强化方式。 关键词：关键词：控轧控冷；力学性能；显微组织；强化 Effect of Controlled Rolling and Controlled Cooling on Microstructure and Mechanical Properties of High Strength Low Carbon Automobile Steel Plates Tian Yun1,Zhao Zheng-zhi1,Wu Xin-lang1,Chen Yu-lai1,Liu Guang-ming2,Dai xiao-li2,Xiong Ai-ming2 (
3、1. Research Institute of Metallurgy Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083;2. Shougang Research Institute of Technology, Shougang Group Corporation, Beijing 100041) Abstract: Controlled rolling and controlled cooling experiments have been carried out on a 510L steel
4、in different schedules. The effects of finish rolling temperature and coiling temperature on the mechanical properties and microstructures of the steel were investigated, and strengthening mechanisms of high strength low carbon automobile steel plates were analyzed. The experiment results showed tha
5、t with decreasing finish rolling temperature or coiling temperature the ferrite grain size became finer and the strength of the steel increased; The schedules which are suitable for the tested steel are as the follows: controlling finish rolling temperature in the range of 830860，controlling coiling
6、 temperature in the range of 610 650。Refinement strengthening is the primary strengthening mode。 Key words: controlled rolling and controlled cooling; mechanical property; microstructure; strengthening 1 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
7、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510610MPa，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 21
8、2 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） Table 1 Composition of the tested steel (mass fraction) C Si Mn P S Nb Ti 0.060.09 0.180.26 1.271.37 0.006 0.006 0.03 0.01 将铸坯锻造成尺寸为 5080100mm 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
9、， 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 Table 2 Rolling scheme
10、of the tested steel 道次 1 2 3 4 5 6 变形量/ 30.0 31.4 33.3 35.0 30.8 16.7 轧后厚度/mm 35 24 16 10.4 7.2 6 3 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
11、 0.88。 表 3 实验钢的主要工艺参数及带钢的力学性能 Table 3 Mechanical properties of the tested steel after controlled rolling and controlled cooling 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 1 880 650 475 615 27.8 0.77 2 850 650 535 615 24.2 0.87 3 830 650 555 630 26.6 0.88 4 850 690 505 575 28.7 0.88 5 850 610 590 660
12、24.0 0.89 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 505 MPa 和 575 MPa，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 590 MPa 和 660 MPa。 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
13、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 9.5m，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 8.5m。 图 1 不同终轧温度下成品板的显微组织 Fig.1 Microstructures of the tested steel in different finishing temper
14、ature (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 10m，当卷曲温度降低到610时，铁素体平均晶粒尺寸约为8.3m。 图 2 不同卷曲温度下成品板的显微组织 Fig.2 Microstructures of the tested steel in different coiling tempe
15、rature (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) 20m20m 20m 20m20m20m 2007 年
16、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 3 5 号钢板
17、的 SEM 组织形貌 Fig.3 SEM microstructures of No.5 tested steel 4.2 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 晶粒长大，抑制再结晶及在 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
18、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 70160nm。 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 4 3 号试样析出物形貌和能谱 Fig.4 Morphology and e
19、nergy spectrum of precipitates in No.3 tested steel （a） （b） 2m 2m 200nm 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 24 4.3 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。利用透射电镜观察时发现钢板 中存在较多高密度的位错，一些晶粒内聚积着大量的位错缠结，图 5 是 5 号钢板晶内位错的形貌。 此结果说明，高的位错密度也是钢板强度提高的因素之一。 图 5 5 号钢板晶内位错的 TEM 形貌 Fig.5 TEM microstructures of No.5 tes
20、ted steel 通过以上分析可以看出，终轧温度和卷曲温度对实验钢的力学性能均有较大的影响，由于晶粒 细化带来的钢材焊接性能下降和屈强比的提高，所以除了控制轧制工艺来获得一定量的细铁素体之 外，必须控制轧后的冷却速度和卷曲温度来获得一定的析出物的数量，以达到改善钢材的综合力学 性能的目的。对于本实验钢，终轧温度在 830860，卷曲温度在 610650，具有细晶铁素体和 珠光体组织，强度、塑性较高。 5 结论 (1) 在控轧控冷工艺下，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 830860，卷曲温度在 610650。成品板具有大量细晶铁素体
21、和少量珠光体组织，铁素体外貌呈准多边形，平均晶粒尺寸为 8.09.0m。 (2) 细晶强化是 510L 钢板的主要强化方式，第二相粒子对晶粒细化和强化也有一定贡献。 参考文献 1 王先进等.我国汽车用钢板的现状和研究进展.钢铁，1998，33(10):6872. 2 康永林,现代汽车板的质量控制与成形性. 北京:冶金工业出版社, 1999. 3 赵征志,康永林,于浩,等.CSP 流程生产低碳高强度汽车板组织性能的研究.材料科学与工艺，2006,14(2):189192. 4 李龙,丁桦,杨春征,等.控轧控冷工艺对低碳铌微合金钢组织和性能的影响.钢铁研究学报，2006,18(7):4651. 5 杨春楣,彭建,.终轧温度和轧后冷却对含Nb-V微合金钢性能的影响. 金属成形工艺，2000,18(3):1214. 6 王欣,康永林,于浩,等.FTSR 工艺生产低 C-Mn 钢 510L 汽车大梁板的组织性能分析.汽车工艺与材料,2006,2:68. 100nm 100nm