提高低碳Si-Mn系冷軋DP鋼性能的工藝方法

供稿|侯曉英 / HOU Xiao-ying

作者單位：山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司鋼鐵研究院，山東 日照 276826

內(nèi)容導(dǎo)讀文章在現(xiàn)有低成本低碳Si-Mn系冷軋雙相鋼化學(xué)成分設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了新工藝研究。首先減小熱軋初始組織晶粒尺寸至5.5 μm，并采用≥80%冷軋壓下量；其次增加退火過(guò)程中的加熱速率，并快速加熱至(Ac3–50℃)～(Ac3+10℃)溫度范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不損失材料塑性的基礎(chǔ)上，可使其屈服強(qiáng)度增加29～76 MPa，抗拉強(qiáng)度增加35～100 MPa，這將為進(jìn)一步提高低碳Si-Mn系冷軋雙相鋼綜合性能及發(fā)展超高強(qiáng)雙相鋼提供新思路。

近年來(lái)汽車工業(yè)的快速發(fā)展強(qiáng)有力地推動(dòng)著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)中高速發(fā)展，但由此產(chǎn)生的高能耗以及高排放，正在嚴(yán)重地污染著環(huán)境，給人們?nèi)粘Ｉ钤斐芍T多負(fù)面影響。因此要實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，必須要解決節(jié)能減排、低碳環(huán)保的難題[1]，這也是各國(guó)汽車工業(yè)所面臨的首要問(wèn)題。

人們對(duì)現(xiàn)代汽車提出了安全、環(huán)保、舒適、節(jié)能于一體的新需求，既要實(shí)現(xiàn)輕量化，也要保證整車性能。因此設(shè)計(jì)優(yōu)化整車結(jié)構(gòu)以及各種新材料、新工藝方法的應(yīng)用成為汽車企業(yè)在研發(fā)新車型時(shí)追求的目標(biāo)與導(dǎo)向[2]。鋼鐵是汽車制造采用的主要材料，但其生產(chǎn)過(guò)程對(duì)電力、煤炭的消耗必不可少，同時(shí)為滿足不同的鋼鐵性能要求，冶煉鋼鐵時(shí)須添加多種微合金元素且其添加量也在逐年增加。設(shè)計(jì)鋼種成分時(shí)盡量減少微合金添加量，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的工藝制度來(lái)生產(chǎn)同級(jí)別強(qiáng)度的鋼材，可有效降低生產(chǎn)成本，順應(yīng)環(huán)保、節(jié)能的發(fā)展理念。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文針對(duì)提高低碳Si-Mn系冷軋雙相鋼力學(xué)性能的工藝措施進(jìn)行了研究，目的是在現(xiàn)有低成本低碳Si-Mn系冷軋雙相鋼化學(xué)成分設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步提高其力學(xué)性能。本研究為進(jìn)一步優(yōu)化低碳Si-Mn系冷軋雙相鋼的生產(chǎn)工藝以提高其綜合力學(xué)性能提供了一種新的思路。

實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)鋼取自某鋼廠真空冶煉的130 kg鋼錠，鍛造制成70 mm厚的板坯。采用的低碳Si-Mn系冷軋雙相鋼的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：C 0.06%，Si 0.25%，Mn 1.71%，P 0.003%，S 0.016%，Alt0.055%。根據(jù)熱膨脹曲線法測(cè)得其Ac1和Ac3溫度分別為759和890℃。

熱軋工藝設(shè)計(jì)

采用φ450 mm實(shí)驗(yàn)軋機(jī)進(jìn)行控軋控冷實(shí)驗(yàn)。首先將板坯加熱至1100℃，保溫1 h后分別進(jìn)行4道次粗軋和5道次精軋。粗軋開(kāi)軋溫度為1050℃，中間坯厚度為20 mm；精軋開(kāi)軋溫度為980℃，終軋溫度為840℃，熱軋板厚為6 mm。

工藝I為獲得冷軋DP鋼所需的常規(guī)熱軋初始組織，終軋后直接空冷至室溫，熱軋板坯金相組織如圖1(a)所示，平均晶粒尺寸為～17.8 μm。工藝II～Ⅳ則以20℃/s的冷速層流冷卻至620℃，然后模擬卷取，工藝II的熱軋板坯金相組織如圖1(b)所示，熱軋初始組織的平均晶粒尺寸顯著減小至5.5 μm。

酸軋-連退工藝設(shè)計(jì)

將熱軋板進(jìn)行酸洗以清除表面氧化鐵皮，然后分別采用68.3%、81.2%、81.3%的冷軋壓下量進(jìn)行軋制。

連續(xù)退火實(shí)驗(yàn)在冷軋帶鋼連續(xù)退火模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。工藝I為常規(guī)工藝技術(shù)制備的冷軋雙相鋼，冷軋壓下量為68.3%，加熱速率為10℃/s。工藝II～Ⅳ采用的冷軋壓下量分別為81.3%、81.2%、81.3%，快速加熱至(Ac3–50℃)～(Ac3+10℃)溫度范圍，具體的工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 不同工藝條件下的熱軋初始組織：(a) 工藝I；(b) 工藝II

表1 酸軋-連退工藝參數(shù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

微觀組織形貌及力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

圖2為新工藝Ⅳ制備的低碳Si-Mn系冷軋雙相鋼的微觀組織，由鐵素體基體組織以及均勻﹑彌散分布在基體中的第二相島狀馬氏體組成。

與常規(guī)工藝技術(shù)I相比，采用新工藝II～Ⅳ獲得的顯微組織中，馬氏體體積分?jǐn)?shù)增加了3.7%～7.8%，而力學(xué)性能顯著提高，其中屈服強(qiáng)度增加了29～76 MPa，抗拉強(qiáng)度增加了35～100 MPa，延伸率提高了0.9%～3.3%，見(jiàn)表2?？梢?jiàn)，采用本文所設(shè)計(jì)的新工藝方法，在顯著提高冷軋雙相鋼強(qiáng)度的同時(shí)，加工硬化指數(shù)以及斷后總伸長(zhǎng)率也得到提高，綜合力學(xué)性能優(yōu)異。

提高力學(xué)性能的因素分析

圖2 實(shí)驗(yàn)鋼的微觀組織(工藝Ⅳ，采用Lepera試劑腐蝕)

首先，在制備熱軋板坯時(shí)，精軋終軋后以20℃/s的冷速層流冷卻至620℃。采用這種新的工藝措施，可使熱軋初始組織的平均晶粒尺寸減小至5.5 μm。晶粒的減小既能提高界面能，又可以增加晶界面積，從而有效地驅(qū)動(dòng)奧氏體(γ)晶粒的長(zhǎng)大。并且，在連續(xù)退火工藝階段的均熱處理時(shí)，γ晶粒的長(zhǎng)大需要C和Mn的擴(kuò)散，而細(xì)晶組織可有效縮短擴(kuò)散距離。這些因素使得減小初始熱軋組織的晶粒尺寸后，γ晶粒的形核與長(zhǎng)大變得相對(duì)較容易，因而兩相區(qū)退火等溫處理后形成較多的γ再結(jié)晶晶粒，這直接影響冷軋DP鋼的兩相組織配比，增加馬氏體體積分?jǐn)?shù)，從而使其強(qiáng)度提高。此外，根據(jù)熱軋→酸軋→連退的組織遺傳性原理，如果有效地減小熱軋工序得到的初始組織的尺寸，則可顯著減小最終冷軋DP鋼組織中鐵素體晶粒尺寸。眾所周知，細(xì)化晶粒是提高鋼鐵材料強(qiáng)度而不降低塑性的有效措施，因而采取新工藝方法制備的冷軋DP鋼的強(qiáng)度和塑性同步增加。

表2 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果和各相含量

其次，增加冷軋累積壓下量至≥80%。冷軋累積壓下量存在一個(gè)臨界值，當(dāng)壓下量未達(dá)到此臨界值時(shí)，再結(jié)晶過(guò)程無(wú)法進(jìn)行，即鋼板在退火后的組織仍然為原始晶粒組織；當(dāng)壓下量達(dá)到臨界值，可以發(fā)生再結(jié)晶且γ晶粒較為粗大；當(dāng)壓下量超過(guò)此臨界值，則隨著壓下量的增加，其退火過(guò)程中的再結(jié)晶晶粒減小。冷軋壓下量的增大可以使得晶粒發(fā)生細(xì)化，這是因?yàn)樵龃笞冃瘟靠沙浞制扑殇摪宓幕w組織，增加在連續(xù)退火加熱過(guò)程中γ晶粒再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力，且再結(jié)晶晶核分布更加均勻，可以直接細(xì)化冷軋DP鋼的兩相組織，從而大幅度提高其綜合性能。

再者，在其設(shè)備能力允許條件下，增加退火過(guò)程中的加熱速率。在連退過(guò)程采用快速加熱的工藝措施，提高γ再結(jié)晶開(kāi)始溫度，擴(kuò)大γ晶粒再結(jié)晶的溫度范圍，同時(shí)減小γ再結(jié)晶晶粒尺寸。在γ晶粒再結(jié)晶前若要發(fā)生回復(fù)則需要消耗形變儲(chǔ)能，采用快速加熱時(shí)耗能較少，而且在γ形核初期沒(méi)有足夠的時(shí)間發(fā)生回復(fù)[3]，因此γ再結(jié)晶溫度被推遲，這也是本實(shí)驗(yàn)中退火溫度設(shè)計(jì)為(Ac3–50℃)～(Ac3+10℃)，相對(duì)于常規(guī)雙相鋼制備時(shí)退火溫度要高的緣故。采用快速加熱工藝時(shí)，比常規(guī)加熱工藝縮短了時(shí)間，但要滿足的形核數(shù)量是一定的，因此提高材料再結(jié)晶過(guò)程中的形核率。形核率和長(zhǎng)大率控制著γ再結(jié)晶晶粒尺寸，提高材料再結(jié)晶過(guò)程中的形核率可以細(xì)化其晶粒尺寸[4]，細(xì)化晶粒是提高強(qiáng)度而不降低塑性的有效措施，因此采取新工藝方法制備的冷軋DP鋼的強(qiáng)度和塑性同步增加。

結(jié)束語(yǔ)

減小熱軋初始組織晶粒尺寸，促進(jìn)γ晶粒在初始細(xì)晶組織中的形核和長(zhǎng)大，使得同一退火工藝下得到的材料馬氏體含量較高，可提高其強(qiáng)度。增加冷軋壓下量至80%以上，可充分破碎鋼板的基體組織，使再結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生的γ晶核均勻分布，可細(xì)化連續(xù)退火后DP鋼的組織，從而獲得優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。此外，增加退火過(guò)程中的加熱速率，可提高其再結(jié)晶過(guò)程中的形核率，從而細(xì)化晶粒尺寸。細(xì)化晶粒是提高強(qiáng)度而不降低塑性的有效措施，因而采取新工藝方法制備的冷軋DP鋼的強(qiáng)度和塑性同步增加。