冷卻條件對(duì)含Nb 高強(qiáng)汽車鋼組織性能的影響分析

蘇振軍 馬銀龍 楊建寬 孔加維 李超飛

（1.河鋼集團(tuán)邯鋼公司技術(shù)中心；2.河鋼集團(tuán)邯鋼公司邯寶熱軋廠；3.北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

熱軋高強(qiáng)度鋼板主要應(yīng)用于汽車、家電、工程機(jī)械、集裝箱等領(lǐng)域。為了適應(yīng)汽車輕量化、節(jié)能減排的發(fā)展需求，世界各大鋼鐵企業(yè)及科研院所大力開展汽車用高強(qiáng)鋼的研究，其較高的強(qiáng)度更符合汽車輕量化的要求，在保證車體安全的同時(shí)能夠大幅度降低車身質(zhì)量，從而達(dá)到節(jié)能、減排的目的[1-3]。

目前，汽車用高強(qiáng)鋼通常采取添加Nb、V、Ti等合金元素，并通過控軋控冷技術(shù)，在熱連軋機(jī)上進(jìn)行生產(chǎn)。熱連軋生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼帶較調(diào)質(zhì)處理的高強(qiáng)度鋼帶來說，其成本大大降低，避免了調(diào)質(zhì)鋼質(zhì)量上的不足，使產(chǎn)品更具競爭力。因此，近年來國內(nèi)外鋼廠生產(chǎn)薄規(guī)格高強(qiáng)度鋼時(shí)主要采用熱連軋工藝配合合金強(qiáng)化方式。但隨著鋼板強(qiáng)度的不斷提高，需要加入的微合金元素也不斷增加，鋼的淬透性也隨之增強(qiáng)，當(dāng)熱連軋鋼卷從卷取機(jī)內(nèi)卸出后，鋼卷在庫內(nèi)不同的冷卻條件下，對(duì)于合金元素較高的鋼種，組織和性能會(huì)產(chǎn)生較大差異，筆者以含Nb 高強(qiáng)鋼為研究對(duì)象，經(jīng)過實(shí)踐對(duì)比分析了含Nb 高強(qiáng)鋼卷取前后冷卻工藝條件對(duì)組織性能的影響，為熱軋板料組織的控制提供了理論依據(jù)。

2 卷取前后冷卻速率對(duì)組織性能的影響

為探究汽車用含 Nb 高強(qiáng)鋼冷卻過程對(duì)組織相變和力學(xué)性能的的影響規(guī)律，研究二相粒子的析出規(guī)律，制定了不同的冷卻工藝方案。工藝（a）卷取前采用不同的冷卻速率，卷取后的冷卻速率保持一致 ；工藝（b）卷取前的冷卻速率保持一致，卷取后采用不同的的冷卻速率，分別探究了卷取前后冷卻速率對(duì)組織相變和力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分見表1，具體工藝方案如圖1 所示。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分 %

圖1 工藝方案

2.1 卷取前冷卻速率對(duì)熱軋產(chǎn)品組織性能的影響

工藝（a）采取空冷、緩冷、快冷三種不同的冷卻速率，冷卻至相同的卷取溫度620 ℃。觀察其顯微組織，如圖2 所示。

圖2 空冷、緩冷、快冷后的顯微組織

從圖2 可以看出，空冷的顯微組織由多邊形鐵素體和粒狀貝氏體組成，鐵素體基體上上彌散分布著呈長條狀、不規(guī)則多邊形的M-A 島，但隨著冷卻速率的增加鐵素體及M-A 島會(huì)變得更加細(xì)小，同時(shí)M-A 島更加圓潤，均勻地分布在鐵素體上，其中M-A 島的大小約為2～10 μm。通過對(duì)不同組織的微觀對(duì)比研究，可以發(fā)現(xiàn)不同工藝下的組織差異并不大，這說明卷取前不同的冷卻速率對(duì)含Nb 材料的微觀組織的影響不大。

為了進(jìn)一步探究卷取前不同冷卻速率對(duì)力學(xué)性能的影響，對(duì)空冷、緩冷、快冷三種工藝處理的材料進(jìn)行了室溫拉伸試驗(yàn)，得到其應(yīng)力應(yīng)變曲線和拉伸性能變化趨勢（如圖3、圖4 所示），其力學(xué)性能見表2。

表2 不同冷卻工藝下的抗拉強(qiáng)度及延伸率

圖3 不同冷卻速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4 不同冷卻速率的拉伸性能變化趨勢

通過室溫拉伸試驗(yàn)，對(duì)比不同工藝下的實(shí)驗(yàn)鋼的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)隨著冷卻速率的增大，其抗拉強(qiáng)度分別為797 MPa、801 MPa、805 MPa，其延伸率分別為17%、16%、15%。從數(shù)據(jù)可知，抗拉強(qiáng)度增加了8 MPa，延伸率降低了2%，無論是抗拉強(qiáng)度還是斷后延伸率，變化都較??；從組織分析可以看出，隨著冷卻速率的增大，材料的基本微觀組織大致保持一致，只是隨著冷卻速率的增大，晶粒有所細(xì)化。通過對(duì)比不同冷卻速率下的抗拉強(qiáng)度和延伸率，發(fā)現(xiàn)其差別并不大，同時(shí)也說明了卷取前冷卻速率的增大對(duì)晶粒的細(xì)化作用不是很明顯。

2.2 卷取后冷卻速率對(duì)熱軋產(chǎn)品組織性能的影響

為進(jìn)一步研究卷取后冷卻速率對(duì)組織性能的影響，均以 620 ℃溫度進(jìn)行卷取，然后采取不同的冷卻速率（0.5 ℃/s、1 ℃/s、2 ℃/s、5 ℃/s、10 ℃/s）冷卻至室溫。在光學(xué)顯微鏡下觀察，卷取后不同冷卻速率下得到的組織如圖 5 所示。

圖5 不同冷卻速率下的組織

從圖5 可以看出，冷卻速率為0.1 ℃/s 時(shí)，組織為鐵素體和貝氏體，其中鐵素體尺寸超過50 μm，呈不規(guī)則多邊形，隨著冷卻速率的增加，鐵素體含量逐漸減少且逐漸細(xì)化，粒狀貝氏體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l貝氏體；當(dāng)冷卻速率達(dá)到2 ℃/s 時(shí)，鐵素體基本已經(jīng)消失；當(dāng)冷卻速率達(dá)到5 ℃/s 時(shí)，出現(xiàn)板條貝氏體；當(dāng)冷卻速率達(dá)到10 ℃/s 時(shí)，開始出現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變。

用萬能硬度計(jì)(KB3000BVRZ-SA) 對(duì)不同冷卻速率下的材料硬度進(jìn)行測量，加載力為200 gf，加載時(shí)間為10 s，測得的不同冷卻速率下的硬度如圖6 所示。

圖6 不同工藝下的硬度值

從圖6 可以看出，隨著冷卻速率的增大，材料的硬度逐漸增大。冷卻速率為0.5 ℃/s 時(shí)，其硬度值約為270 HV，而當(dāng)其冷卻速率增加到10 ℃/s 時(shí)，其硬度值增大為317 HV。通過對(duì)其組織進(jìn)行觀察，可知當(dāng)冷卻速率較低時(shí)，0.5 ℃/s 的組織轉(zhuǎn)變主要為鐵素體和貝氏體，而鐵素體具有較好的韌性和塑性，所以其強(qiáng)度和硬度較低；隨著冷卻速率的增大，一方面鐵素體逐漸消失，貝氏體逐漸增多，貝氏體作為硬相的存在能夠顯著增大鋼基體的硬度，另一方面，隨著冷卻速率的增加，組織晶粒逐漸細(xì)化，其有效晶界面積逐漸增多，對(duì)其硬度的提高起到很大的作用，所以其強(qiáng)度和硬度較高。

材料的強(qiáng)度在很大程度上決定了材料的使用情況。相關(guān)研究表明，材料的抗拉強(qiáng)度與其顯微硬度具有關(guān)聯(lián)性，同時(shí)硬度的測試具有對(duì)金屬基本損害小、測試方便等優(yōu)點(diǎn)，故通過測試金屬表面的顯微硬度，然后利用式（1）換算成其所對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度，有著重要意義，動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)下不同冷卻速率下的維氏硬度換算成抗拉強(qiáng)度的具體數(shù)值見表3。

表3 不同冷卻速率對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度

從表3 可以看出，材料的冷卻速率與抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)，隨著冷卻速率的增加，其顯微組織由軟相的鐵素體變成硬相的貝氏體、馬氏體相時(shí)，材料的硬度隨之增加，其抗拉強(qiáng)度從890 MPa增加至1020MPa，約130MPa 的變化量，說明卷取后冷卻速率對(duì)產(chǎn)品的組織性能影響顯著。

通過以上試驗(yàn)，對(duì)含Nb 高強(qiáng)鋼卷取前后以不同冷卻速率進(jìn)行對(duì)比，對(duì)不同工藝下的顯微組織、顯微硬度及力學(xué)性能進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)帶鋼在卷取之前，以空冷、緩冷、快冷，不同的冷卻方式冷卻至相同溫度620 ℃，組織差別并不大，都是鐵素體基體上彌散分布著少量貝氏體；當(dāng)帶鋼在620 ℃卷取后，以不同的冷卻速率進(jìn)行冷卻時(shí)，會(huì)明顯發(fā)生不同的組織轉(zhuǎn)變過程。低冷卻速率下的相變主要以鐵素體為主，加少量貝氏體，但隨著冷卻速率的增加，相變逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦呃鋮s速率下以馬氏體為主，加擴(kuò)散型貝氏體，馬氏體和貝氏體相的增加導(dǎo)致帶鋼的硬度和力學(xué)性能產(chǎn)生顯著的差異。

3 結(jié)論

（1）熱軋含Nb 高強(qiáng)鋼軋后采取空冷、緩冷、快冷三種不同冷卻速率，冷卻至相同卷取溫度620 ℃，卷取前不同冷卻速率下的組織差異并不大，說明卷取前不同的冷卻速率對(duì)材料的微觀組織影響并不大。

（2）熱軋含Nb 高強(qiáng)鋼卷取后，采取不同冷卻速率（0.5℃/s、1℃/s、2℃/s、5℃/s、10℃/s）冷卻至室溫。帶鋼卷取后以不同的冷卻速率進(jìn)行冷卻時(shí)，會(huì)發(fā)生不同的明顯相變過程。低冷卻速率下的相變主要以鐵素體為主，加少量貝氏體，但隨著冷卻速率的增加，相變逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦呃鋮s速率下以馬氏體為主，加擴(kuò)散型貝氏體，馬氏體和貝氏體相的增加導(dǎo)致帶鋼的硬度和力學(xué)性能產(chǎn)生顯著的差異。