FB60雙相鋼卷材擴(kuò)孔性能波動(dòng)原因分析

梁 文 吳 潤(rùn) 劉 斌 胡 俊 劉永前 周和榮

(1.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430081； 2.武鋼研究院，湖北武漢 430080)

FB60雙相鋼卷材擴(kuò)孔性能波動(dòng)原因分析

梁 文1,2吳 潤(rùn)1劉 斌1,2胡 俊2劉永前2周和榮1

(1.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430081； 2.武鋼研究院，湖北武漢 430080)

擴(kuò)孔性能波動(dòng)一直是雙相鋼卷材生產(chǎn)中的難題。分析了某廠FB60雙相鋼卷材擴(kuò)孔性能波動(dòng)的原因。結(jié)果顯示，在生產(chǎn)過(guò)程中，由于采用升速軋制模式，導(dǎo)致鋼卷的卷取溫度不均勻，卷材尾部卷取溫度升高，從而產(chǎn)生了更多的珠光體。不同組織之間的變形率差異較大，導(dǎo)致FB60鋼卷材的擴(kuò)孔性能降低。通過(guò)采用“短坯+準(zhǔn)恒速軋制模式”，提高了FB60鋼整卷卷材的擴(kuò)孔性能，擴(kuò)孔率達(dá)到了98%以上。

FB60雙相鋼 卷材 擴(kuò)孔性能 準(zhǔn)恒速軋制

降低車身重量、提高整車的安全性是現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的方向。先進(jìn)高強(qiáng)度鋼 (Advanced High Strength Steel，AHSS) 板材兼具高強(qiáng)度和易成形等優(yōu)點(diǎn)，已成為近年來(lái)汽車用高強(qiáng)度鋼板開發(fā)和使用的熱點(diǎn)。而在汽車行走部件和底盤結(jié)構(gòu)件的制造過(guò)程中需經(jīng)歷翻邊和擴(kuò)孔工序，要求鋼材具有良好的擴(kuò)孔性能。鐵素體/珠光體類型的鋼板強(qiáng)度不足，鐵素體/馬氏體雙相(FMDP)鋼擴(kuò)孔性能較差。當(dāng)FMDP鋼中的馬氏體被貝氏體取代時(shí)，兩相的強(qiáng)度差減小，擴(kuò)孔性能提高，因此鐵素體/貝氏體雙相鋼(FBDP)已成為汽車車輪和底盤用鋼的重要材料[1- 2]。目前國(guó)內(nèi)汽車制造企業(yè)主要采用進(jìn)口的FBDP，而國(guó)內(nèi)的同類產(chǎn)品存在擴(kuò)孔性能波動(dòng)大等問題，限制了先進(jìn)高強(qiáng)度汽車用鋼的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，因此對(duì)FBDP鋼的擴(kuò)孔性能進(jìn)行研究具有重要意義。

某汽車配套廠，現(xiàn)采用規(guī)格為2.5 mm的熱軋F(tuán)B60雙相鋼生產(chǎn)汽車底盤結(jié)構(gòu)件。其生產(chǎn)工藝為：熱連軋鋼卷—酸洗—平整橫切—下料—沖孔—擴(kuò)孔—焊接—涂裝。然而在擴(kuò)孔工藝環(huán)節(jié)，部分鋼板出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的成品率。

1 原因分析

1.1 化學(xué)成分

FB60雙相鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 FB60雙相鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) Table 1 Chemical composition of the FB60 dual- phase steel (mass fraction) %

1.2 力學(xué)性能和擴(kuò)孔性能

在擴(kuò)孔合格和開裂的卷材上取樣，分別標(biāo)為1號(hào)、2號(hào)。

將1、2號(hào)試樣加工成80 mm的定標(biāo)距試樣，按GB/T 228.1在拉伸試驗(yàn)機(jī)(日本島津AG- IS100KN)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。將1、2號(hào)試樣加工成100 mm×100 mm試片，在其中心沖制出φ10 mm的孔，按照GB/T 24524—2009的要求，在BCS- 50AR萬(wàn)能薄板成型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行擴(kuò)孔試驗(yàn)，采用公式λ=(dh-d0)/d0計(jì)算擴(kuò)孔率，式中d0、dh分別為擴(kuò)孔前、后孔的平均直徑。試樣的力學(xué)性能和擴(kuò)孔性能見表2。

1.3 組織及析出物

將1、2號(hào)試樣磨制拋光并經(jīng)硝酸酒精試劑浸蝕后，分別在光學(xué)顯微鏡(OLYMPUS GX71)下觀察組織和夾雜物，結(jié)果如表3和圖1所示。對(duì)1、2號(hào)試樣中析出物的形貌采用碳萃取復(fù)型方法，用JEM- 2100F型透射電鏡觀察其中的析出相，用INCA能譜儀對(duì)析出相進(jìn)行成分分析，結(jié)果如表3和圖2所示。

表2 FB60鋼卷材的力學(xué)性能和擴(kuò)孔性能Table 2 Mechanical properties and hole- expanding ability of the FB60 steel coil

表3 FB60鋼卷材的組織及析出相 Table 3 Microstructures and precipitates in the FB60 steel coil

注：B0.5表示鏈狀氧化物0.5級(jí)，D1表示球形氧化物1級(jí)。

圖1 1號(hào)(a)和2號(hào)(b)試樣的顯微組織Fig.1 Microstructures of the samples No.1(a) and No.2(b)

圖2 1號(hào)(a)和2號(hào)(b)試樣的析出物形貌及成分Fig.2 Morphologies and constituents of precipitate in the samples No.1(a) and No.2(b)

1.4 擴(kuò)孔試樣分析

在1、2號(hào)擴(kuò)孔試樣主裂紋附近切取10 mm×10 mm的試片，用酒精清洗。同時(shí)在擴(kuò)孔試樣中心孔附近取樣(見圖3)、鑲嵌和磨制拋光，經(jīng)硝酸酒精試劑浸蝕后，分別在FEI Quanta 400掃描電鏡下對(duì)擴(kuò)孔試樣裂紋和截面進(jìn)行掃描分析，其中裂紋斷口的形貌如圖4(a)所示， 截面上微孔的形貌如圖4(b)所示。

圖3 擴(kuò)孔試樣取樣示意圖Fig.3 Schematic diagram of cutting samples from the hole- expanded sample

2 分析與討論

1、2號(hào)試樣屬于同一卷產(chǎn)品，化學(xué)成分相同。由表2可知，1、2號(hào)試樣強(qiáng)度接近，2號(hào)試樣略高10 MPa。表3表明，1、2號(hào)試樣的夾雜物無(wú)區(qū)別，顯微組織也基本相同，都以B+F為主，含少量P，但2號(hào)試樣的P量略多，且呈塊狀。1、2號(hào)試樣析出物的區(qū)別較大，2號(hào)試樣的析出物數(shù)量明顯多于1號(hào)試樣。關(guān)于擴(kuò)孔性能，1號(hào)試樣擴(kuò)孔率比2號(hào)試樣高20%，在用戶的實(shí)際使用中影響非常明顯。

文獻(xiàn)[2- 4]指出，相同強(qiáng)度級(jí)別、相同厚度的產(chǎn)品，影響其擴(kuò)孔性能的三個(gè)主要因素分別為鋼材純凈度、組織以及孔的加工方式。而1、2號(hào)試樣屬于同一卷產(chǎn)品，強(qiáng)度級(jí)別、厚度、鋼材純凈度都相同，組織均為B+F+P，且都是采用沖孔方式加工，可以認(rèn)為主要的影響因素相同，但它們的擴(kuò)孔性能差別較大。圖4(b)所示的是擴(kuò)孔后的試樣中心孔附近的截面形貌，圖中亮點(diǎn)為滲碳體。由于生產(chǎn)中采用沖孔加工， 中心孔附近存在大量形變組織，引起加工硬化而成為擴(kuò)孔時(shí)發(fā)生開裂的薄弱部位。擴(kuò)孔過(guò)程中，中心孔附近首先發(fā)生塑性變形，鐵素體硬度低，珠光體中的滲碳體硬度高，不同組織的可變形性能有差異，因此在鐵素體/滲碳體界面首先產(chǎn)生微孔。隨著變形的加劇，微孔聚集擴(kuò)大，最終形成宏觀裂紋[5]。擴(kuò)孔試驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，且FB60鋼屬于低碳鋼，具有良好的塑性，因此宏觀裂紋呈現(xiàn)出韌窩特征，為典型的韌性斷裂，見圖4(a)。

圖4 擴(kuò)孔試樣裂紋斷口(a)和擴(kuò)孔截面上的微孔的形貌(b)Fig.4 Micrograghs of (a) crack fracture and (b) pores in cross- section of the hole- expanded sample

對(duì)于1、2號(hào)試樣，雖然組織均為B+F+P，但是2號(hào)試樣組織中的珠光體多，擴(kuò)孔過(guò)程中更容易產(chǎn)生空洞，從而引發(fā)貫穿裂紋，即其擴(kuò)孔率低。FB60高擴(kuò)孔鋼普遍采用兩段式冷卻工藝進(jìn)行生產(chǎn)，即以“水冷+空冷+水冷”的模式進(jìn)行冷卻。查詢?cè)撲摼淼纳a(chǎn)工藝可知，該鋼卷頭部的卷取溫度為450 ℃，軋鋼過(guò)程采用升速軋制，軋制速度越來(lái)越快，導(dǎo)致鋼板在水冷段的時(shí)間大大縮短，冷卻效果降低，到卷材尾部時(shí)卷取溫度已升高至510 ℃，而1、2號(hào)試樣正好分別對(duì)應(yīng)于軋材的頭部和尾部，導(dǎo)致卷材擴(kuò)孔性能差別較大。

3 改進(jìn)措施

由上述分析可知，卷取溫度過(guò)高是兩段式冷卻工藝生產(chǎn)FB60鋼卷材擴(kuò)孔性能不合格的主要原因。而造成此現(xiàn)象則是升速軋制模式所致。升速軋制模式引起整卷卷材擴(kuò)孔性能波動(dòng)也是FBDP鋼生產(chǎn)的難題之一，因此選擇合理的軋制速率是FB60鋼卷材擴(kuò)孔性能穩(wěn)定的關(guān)鍵。

在生產(chǎn)過(guò)程中，F(xiàn)B60鋼采用準(zhǔn)恒速軋制模式，即將軋制加速度控制在0.005 m/s2，基本可保證整卷卷材的軋制速度為恒速，同時(shí)采用短坯生產(chǎn)，從而保證整個(gè)鋼卷的卷取溫度控制在±20 ℃。

4 實(shí)施效果

采取上述措施后，F(xiàn)BDP鋼整卷卷材的卷取溫度控制精度得到極大提高，整卷溫度波動(dòng)可控制在±20 ℃。卷取溫度的精確控制，確保了整卷卷材擴(kuò)孔性能的穩(wěn)定，從鋼卷頭、中、尾三個(gè)部位分別取樣進(jìn)行力學(xué)性能和擴(kuò)孔性能檢驗(yàn)，強(qiáng)度波動(dòng)在20 MPa以內(nèi)，擴(kuò)孔率均≥98%，效果理想，見表4。

表4 改進(jìn)軋制工藝后FB60鋼卷材的力學(xué)性能和擴(kuò)孔性能Table 4 Mechanical properties and hole- expanding ability of FB60 steel coil produced by an improved rolling process

5 結(jié)論

(1)鐵素體/珠光體的可變形性能不同是引發(fā)FB60雙相鋼卷材擴(kuò)孔開裂的直接原因。

(2)軋鋼過(guò)程中的升速軋制模式是造成FB60鋼整卷卷材擴(kuò)孔性能波動(dòng)的主要原因。

(3)采用“短坯+準(zhǔn)恒速軋制”模式，提高了整卷卷材擴(kuò)孔工藝的穩(wěn)定性，可以使FB60鋼整卷卷材的擴(kuò)孔率波動(dòng)減小，擴(kuò)孔率可達(dá)98%以上。

[1] 沈鑫琚，裴新華，唐帥，等. 卷取溫度對(duì)熱軋F(tuán)/B雙相鋼組織性能的影響[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014, 35(8)：1120- 1124．

[2] 陳繼平，董玉慶，錢健清，等. 熱軋馬氏體和貝氏體雙相鋼擴(kuò)孔性能及機(jī)理[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014, 45(2)：395- 400.

[3] FANG X, FAN Z, RALPH B，et al. Effects of tempering temperature on tensile and hole expansion properties of a C- Mn steel[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2003, 132(1- 3): 215- 218.

[4] 代曉莉，郭佳，李飛，等. 580 MPa級(jí)熱軋高擴(kuò)孔鋼的組織與性能[J]. 上海金屬, 2015, 37(1)：23- 27.

[5] 丁昊，丁樺，唐正友，等. 熱軋F(tuán)B擴(kuò)孔鋼的組織性能研究[J]. 軋鋼, 2008, 25(3)：16- 21.

收修改稿日期：2016- 09- 20

AnalysisontheUnstableHole-expandingAbilityofFB60Dual-phaseSteelCoil

Liang Wen1,2Wu Run1Liu Bin1,2Hu Jun2Liu Yongqian2Zhou Herong1

(1. Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan Hubei 430081, China; 2. Research and Development Center of WISCO, Wuhan Hubei 430080, China)

Unstable hole- expanding ability was always a difficult problem in the dual- phase steel coil production. The reason why FB60 dual- phase steel coil exhibited the unstable hole- expanding property was analyzed. From the analysis it showed that the coiling temperature of coil was nonuniform，that is, the coiling temperature was higher in the coil tail than in other parts, due to the use of an accelerating rolling mode to produce the coil, thus forming more pearlite in the coil. The unstable hole- expanding ability of the FB60 steel coil was attributed to greater difference between in deformation rate for various microstructures. The use of a “short slab + constant- speed rolling mode” has increased the hole- expanding property of the whole FB60 steel coil, with the hole- expanding ratio amounting to 98% or more.

FB60 dual- phase steel, coil, hole- expanding ability, constant- speed rolling

國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)汽車腐蝕專題；湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.2014CFB799)

梁文，男，工程師，博士在讀，主要從事高強(qiáng)度汽車鋼的研發(fā)，Email：15972996369@163.com