超高強(qiáng)度復(fù)相鋼CP800的相變行為及熱軋工藝研究

黃玉龍 張玉龍

(1.寶山鋼鐵股份有限公司營銷中心，上海 201900；2.寶山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心，上海 201900)

為了減少CO2的排放并減緩其使全球變暖的趨勢，汽車輕量化已越來越受到人們的廣泛關(guān)注。盡管面臨著鋁、鎂和碳纖維等新型材料的挑戰(zhàn)，目前鋼材的質(zhì)量仍占車身結(jié)構(gòu)的70%，高強(qiáng)鋼依然是汽車減重的主要技術(shù)路徑，也是鋼廠應(yīng)對其他輕質(zhì)材料競爭的主要措施。常規(guī)的先進(jìn)高強(qiáng)鋼中，雙相鋼(DP)、相變誘發(fā)塑形鋼(TRIP)、復(fù)相鋼(CP)和馬氏體鋼(MART)各具特點(diǎn)，并已廣泛應(yīng)用于各種白車身和底盤類零件[1- 3]。通常，高強(qiáng)鋼在成形過程中會經(jīng)歷復(fù)雜的形變，但隨著先進(jìn)高強(qiáng)鋼強(qiáng)度的提升，其成形性能逐步降低，因而對擴(kuò)孔和彎曲等性能提出了更高的要求。其中復(fù)相鋼的基體組織主要為鐵素體和貝氏體，同時含有珠光體、馬氏體和各類析出物，組織較為均勻，因而與其他同級別鋼種相比，復(fù)相鋼具有優(yōu)異的擴(kuò)孔性能，良好的彎曲性能，更適合于制造形狀復(fù)雜的汽車底盤類零件。

近年來，800 MPa級別的熱軋酸洗鋼種在底盤件中的應(yīng)用越來越多。熱軋酸洗復(fù)相鋼CP800也逐步成為制造該類零件的主要鋼種。常規(guī)的控制臂類零件通常有大的擴(kuò)孔和翻邊設(shè)計(jì)，因而要求材料具備優(yōu)異的擴(kuò)孔性能。目前，僅有蒂森、阿賽洛米塔爾、浦項(xiàng)和寶鋼等少數(shù)鋼廠具備CP800鋼的批量供貨能力，對復(fù)相鋼的研究也少見報(bào)道。因此，本文研究了熱軋酸洗CP800鋼的制造工藝和擴(kuò)孔率，并討論了該鋼種的熱軋工藝與力學(xué)性能以及析出特性之間的關(guān)系，為進(jìn)一步提升工業(yè)化產(chǎn)品性能打基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為熱軋酸洗CP800復(fù)相鋼，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 CP800復(fù)相鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the CP800 complex phase steel (mass fraction) %

1.2 連續(xù)冷卻熱模擬試驗(yàn)

采用THERMECMASTOR- Z型熱模擬試驗(yàn)機(jī)對試驗(yàn)鋼進(jìn)行不同冷卻速度的動態(tài)熱模擬試驗(yàn)，熱模擬試樣尺寸為φ8 mm×12 mm。將試樣以10 ℃/s速率加熱到1 200 ℃保溫100 s，然后模擬兩階段控制軋制，即以10 ℃/s速率冷卻到1 050 ℃保溫20 s，再以5 s-1的應(yīng)變速率變形30%，然后以10 ℃/s速率冷卻到880 ℃保溫20 s，再以10 s-1的應(yīng)變速率變形40%，最后以不同的冷卻速率冷卻到200 ℃。冷卻速度分別為0.5、1、2、5、10、15、20、30 ℃/s。具體工藝如圖1所示。

圖1 CP800鋼動態(tài)CCT曲線測定工藝Fig.1 Dynamic CCT curve determination process of CP800 steel

1.3 熱軋工藝

試驗(yàn)鋼采用真空感應(yīng)爐熔煉、澆注成50 kg的鑄錠后鍛造成30 mm×160 mm×70 mm的熱軋坯料。在φ370 mm軋機(jī)上對試驗(yàn)鋼進(jìn)行控冷控軋?jiān)囼?yàn)。將坯料加熱到1 250 ℃，保溫2 h，出爐后進(jìn)行4道次軋制，軋后板厚2.3 mm。軋后水冷至設(shè)定的卷取溫度，再放入箱式爐內(nèi)保溫30 min后隨爐冷卻，以模擬熱軋后的卷取過程。最后酸洗以去除熱軋板表面的氧化鐵皮。試驗(yàn)中終軋溫度分別為880和920 ℃，卷取溫度分別為500、550和600 ℃。

1.4 熱處理

熱處理試驗(yàn)在CCT- AWY型連續(xù)退火模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，以5 ℃/s速率升溫至530～850 ℃，保溫2 min，再以5 ℃/s速率降至室溫，研究不同溫度熱處理后鋼的析出行為和力學(xué)性能。

1.5 組織、力學(xué)性能和擴(kuò)孔性能測試

從板材上截取標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，試樣類型為JIS13A，標(biāo)距為80 mm。利用INSTRON拉伸試驗(yàn)機(jī)測定鋼板的力學(xué)性能，拉伸速率為10 mm/min。試樣經(jīng)研磨、拋光后采用4%硝酸酒精溶液腐蝕，然后在LEICA DM6000M金相顯微鏡下觀察組織。

根據(jù)GB/T 24524—2009在MTS金屬薄板成形試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行擴(kuò)孔率測試，如圖2所示。擴(kuò)孔率λ的計(jì)算公式為：λ=(d-d0)/d0×100%。式中：d為試件變形后中心孔的平均直徑；d0為原始孔徑。原始孔采用沖壓方式獲得。

圖2 擴(kuò)孔試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of hole expansion test

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 動態(tài)CCT曲線

圖3為CP800鋼以不同速度冷卻后的顯微組織。

從圖3中可以看出，冷速為0.5、1 ℃/s時，鋼的組織為鐵素體+珠光體，隨著冷速的增加，珠光體數(shù)量減少；冷速2 ℃/s時出現(xiàn)貝氏體，進(jìn)一步增加冷速，鐵素體數(shù)量減少，貝氏體數(shù)量增多；冷速為10 ℃/s時全部為貝氏體組織；冷速為15 ℃/s時，組織中出現(xiàn)了少量的馬氏體，隨著冷速的增加，馬氏體數(shù)量增多。從圖中3(h)可以看出，當(dāng)冷速為30 ℃/s時，為完全的板條馬氏體組織。采用切線法分析熱膨脹曲線，結(jié)合不同冷速下熱模擬試驗(yàn)后試樣的金相觀察得到試驗(yàn)鋼的動態(tài)CCT曲線，如圖4所示?？梢?，CP800鋼的貝氏體區(qū)與鐵素體區(qū)分離，貝氏體和鐵素體區(qū)寬廣，珠光體區(qū)較窄；在400～600 ℃之間發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，貝氏體相變的臨界轉(zhuǎn)變速率約25 ℃/s。

圖3 CP800鋼以不同速度冷卻后的顯微組織 Fig.3 Microstructures of CP800 steel cooled at different rates

圖4 CP800鋼的動態(tài)CCT曲線Fig.4 Dynamic CCT curves of CP800 steel

2.2 熱軋工藝對力學(xué)性能的影響

為了研究熱軋工藝對CP800鋼組織、力學(xué)性能和擴(kuò)孔性能的影響，試驗(yàn)選取880和920 ℃兩個熱軋終軋溫度，并將卷取溫度分別設(shè)置為600、550和500 ℃。試驗(yàn)CP800鋼在不同熱軋工藝條件下的力學(xué)性能和擴(kuò)孔率如表2所示，表中的數(shù)據(jù)均為3個試樣的平均值。

如表2所示，在不同終軋溫度和卷取溫度下，CP800鋼的屈服強(qiáng)度均高于680 MPa，而抗拉強(qiáng)度除4號鋼外均高于780 MPa，說明CP800鋼可以在較寬的工藝范圍內(nèi)滿足現(xiàn)行的各類標(biāo)準(zhǔn)。圖5為熱軋工藝與CP800鋼力學(xué)性能和擴(kuò)孔率之間的關(guān)系?？梢?，隨著卷取溫度的提高，屈服、抗拉強(qiáng)度上升，斷后伸長率提高，擴(kuò)孔率降低。終軋溫度由920 ℃降低至880 ℃時，強(qiáng)度變化不顯著，但斷后伸長率顯著上升，擴(kuò)孔率顯著下降。

表2 試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of test steel

圖5 熱軋工藝與CP800鋼的力學(xué)性能、擴(kuò)孔率之間的關(guān)系Fig.5 Relationship among hot rolled process, mechanical properties and hole expansion ratio for CP800 steel

圖6為在不同溫度終軋和卷取的CP800鋼的顯微組織?？梢?，卷取溫度決定了CP800鋼的顯微組織，而終軋溫度對顯微組織的影響較小。當(dāng)卷取溫度為600 ℃時，試驗(yàn)鋼的組織為鐵素體加粒狀貝氏體；當(dāng)卷取溫度降低至500 ℃時，顯微組織主要為粒狀貝氏體。

2.3 CP800鋼的析出行為

圖6 在不同溫度終軋和卷取的CP800鋼的顯微組織Fig.6 Microstructures of CP800 steel after finish rolling and coiling at different temperatures

CP800鋼采用Ti微合金化。如果在煉鋼過程鋼液中溶解的Ti、N較高，就有可能形成固態(tài)TiN相，TiN粒子呈正方形，且尺寸較大，通常對性能不利。為了消除TiN的不利影響，板坯加熱過程中通常采用1 250 ℃以上的溫度加熱，使得TiN粒子溶解。在熱軋及隨后的冷卻過程中，固溶的Ti會以TiC的形式析出。TiC的析出對于CP800鋼的力學(xué)性能以及擴(kuò)孔率等都具有顯著的影響。

為了研究CP800鋼的析出行為，將酸洗后的成品鋼板加熱到530～850 ℃，保溫2 min，然后冷卻至室溫測試其力學(xué)性能，結(jié)果如圖7所示。原始酸洗板的熱軋工藝為終軋溫度880 ℃，卷取溫度500 ℃。從圖7可以看出，隨著熱處理溫度的升高，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度先升高后降低；屈服強(qiáng)度在熱處理溫度為650 ℃時達(dá)到最高，抗拉強(qiáng)度在740 ℃時達(dá)到最高；當(dāng)熱處理溫度高于740 ℃時，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均急劇下降。由此可知，在加熱及保溫過程中，TiC的析出導(dǎo)致試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐步提高，而當(dāng)溫度持續(xù)提高至740 ℃時，已經(jīng)進(jìn)入了兩相區(qū)，有較多的奧氏體產(chǎn)生，冷卻過程中奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏罔F素體，導(dǎo)致強(qiáng)度急劇降低。

圖7 不同溫度退火后CP800鋼的強(qiáng)度Fig.7 Strength of CP800 Steel after annealing at different temperatures

3 討論及分析

CP800鋼屬于復(fù)相鋼系列，顯微組織主要為貝氏體。與傳統(tǒng)的貝氏體鋼相比，其含碳量(wC=0.06%)和微合金元素含量均較低，保證了該鋼種具有良好的韌性和焊接性能。貝氏體相變?yōu)閿U(kuò)散型相變，需要碳原子的長程擴(kuò)散，碳含量較低使得貝氏體相變所需的擴(kuò)散量降低，易于得到貝氏體組織[4- 6]。Mn元素可以提高鋼的淬透性，也有固溶強(qiáng)化的效果。Cr的作用主要為延緩鐵素體和珠光體的形成，使CCT曲線中高溫轉(zhuǎn)變曲線和貝氏體相區(qū)分離形成“海灣區(qū)”[7]，從而提高貝氏體的淬透性，有利于在連續(xù)冷卻條件下得到貝氏體組織。

通常，隨著卷取溫度的降低，冷卻過程中貝氏體量增多，強(qiáng)度提高。但如圖5所示，CP800鋼的強(qiáng)度明顯隨著卷取溫度的降低而降低。CP800鋼主要依靠相變強(qiáng)化和析出強(qiáng)化來提高強(qiáng)度。當(dāng)卷取溫度較高時，CP800鋼的組織由細(xì)小的鐵素體和粒狀貝氏體組成。圖7曲線表明，在650 ℃時由于TiC的強(qiáng)烈析出導(dǎo)致強(qiáng)度升高，但由于其保溫時間(2 min)遠(yuǎn)短于圖5中的保溫時間(30 min)，因而在600 ℃卷取過程中有大量TiC析出，提高了材料的強(qiáng)度。而當(dāng)卷取溫度降低至500 ℃時，碳和鈦原子則固溶于鐵素體和貝氏體鐵素體中，并未形成大量的TiC；且由于不同卷取溫度下鋼的晶粒均較細(xì)小，基體強(qiáng)度的變化弱于由于TiC析出導(dǎo)致的強(qiáng)度提升，從而使得低溫卷取鋼的強(qiáng)度反而低于高溫卷取的。

復(fù)相鋼可用于制造具有擴(kuò)孔翻邊的底盤零部件，因而需要高擴(kuò)孔性能。如圖5所示，熱軋工藝對擴(kuò)孔率的影響顯著，高溫終軋總體而言有利于擴(kuò)孔率的提高，而卷取溫度則決定了擴(kuò)孔率的大小。高溫卷取時，擴(kuò)孔率低于20%，隨著卷取溫度的提高，擴(kuò)孔率提高，卷取溫度為500 ℃時，擴(kuò)孔率高達(dá)60%以上。值得注意的是，擴(kuò)孔率和代表材料深拉延性能的延伸率具有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)材料呈現(xiàn)較高的延伸率時，擴(kuò)孔性能較差，而延伸率較低時，擴(kuò)孔性能優(yōu)異。這種負(fù)相關(guān)和TiC的析出行為密切相關(guān)。擴(kuò)孔率的測定實(shí)際是一種二次成形過程。第一次成形為沖孔，沖孔過程中會在孔的邊緣特別是撕裂帶形成微裂紋，當(dāng)鋼中含有較多的第二相粒子時會加劇微裂紋的形成。第二次成形為擴(kuò)孔，較多的微裂紋在擴(kuò)孔過程中易于擴(kuò)展形成宏觀裂紋，從而導(dǎo)致擴(kuò)孔率降低。CP800鋼在高溫卷取后，大量的TiC粒子析出，同時組織中析出的一些TiN也為裂紋的擴(kuò)展提供了快速通道，使得鋼的擴(kuò)孔率降低。而低溫卷取時，TiC的析出較少，Ti原子大量固溶在貝氏體鐵素體中，提高了貝氏體鐵素體的強(qiáng)度，從而得到更高的擴(kuò)孔率。

綜上所述，CP800鋼中TiC的析出行為決定了該鋼種的力學(xué)性能和擴(kuò)孔翻邊性能，延伸率和擴(kuò)孔率負(fù)相關(guān)，因而在材料的應(yīng)用中，需要根據(jù)零件的成形方式制定熱軋工藝。

4 結(jié)論

(1)采用熱模擬試驗(yàn)機(jī)對CP800鋼的相變動力學(xué)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，CP800鋼的貝氏體區(qū)與鐵素體區(qū)分離，貝氏體和鐵素體區(qū)寬廣，珠光體區(qū)較窄；在400～600 ℃之間發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，貝氏體相變的臨界轉(zhuǎn)變速率約25 ℃/s。

(2)在不同終軋溫度和卷取溫度下，CP800鋼的屈服強(qiáng)度均高于680 MPa，抗拉強(qiáng)度均高于760 MPa，其力學(xué)性能可以在較寬的工藝范圍內(nèi)滿足現(xiàn)行的各種標(biāo)準(zhǔn)。

(2)隨著卷取溫度的提高，CP800鋼的屈服、抗拉強(qiáng)度上升，斷后伸長率提高，擴(kuò)孔率降低。當(dāng)終軋溫度由920 ℃降至880 ℃時，強(qiáng)度變化不顯著，但斷后伸長率顯著上升，擴(kuò)孔率顯著下降。

(3)對CP800鋼析出行為的研究表明，隨著熱處理溫度的升高，TiC的析出導(dǎo)致試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐步提高，而當(dāng)熱處理溫度提高至兩相區(qū)后，冷卻過程中的鐵素體相變導(dǎo)致強(qiáng)度急劇降低。