錳和硼對(duì)冷軋鋼板水淬性能的影響

朱曉東,薛 鵬,李 偉,王俊峰

(1.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999;2.汽車用鋼開(kāi)發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(寶鋼),上海 201999)

1 概述

水槽淬火對(duì)厚度為1.0 mm的冷軋鋼板冷卻速度可達(dá)1 000 K/s,是連續(xù)退火生產(chǎn)冷軋馬氏體鋼板的主要淬火方式。由于水淬冷卻速度很高,因此冷軋馬氏體鋼板通常只需要采用添加一定量的Mn滿足淬硬需求。硼也可以用于提高鋼的淬硬性,研究表明硼含量增加能提高鋼淬火后的強(qiáng)度[1-2]。圖1所示為硼對(duì)鋼力學(xué)性能的影響,可以看到w(B)在0.001%以上時(shí),鋼的淬火強(qiáng)度有明顯提高,但繼續(xù)提高w(B),強(qiáng)度進(jìn)一步的提升幅度不大。

圖1 硼含量對(duì)鋼淬火后力學(xué)性能的影響Fig.1 Influence of boron content on mechanical properties

硼提高淬硬性的原理和Mn、Cr、Mo等合金元素不同:硼提高淬硬性的作用原理是在奧氏體晶界偏聚,抑制鐵素體在晶界的形核,將鐵素體的轉(zhuǎn)變溫區(qū)推向低溫,從而提高了淬硬性。實(shí)際應(yīng)用中,硼只能提高端淬試驗(yàn)中鋼在近水端的淬硬性,而不能提高遠(yuǎn)水端的淬硬性,因此,硼不能使厚工件很好的淬火,但對(duì)于薄板能起到較好的提高淬火性能的作用[3]。

硼提高淬硬性的成本較其他合金元素低,如圖2所示[4]。通過(guò)加硼可以減少其他合金元素的添加,從而降低成本。

圖2 不同合金元素提高淬硬性的成本比較Fig.2 Cost comparison for improving hardenability

本文以冷軋馬氏體鋼板為研究對(duì)象,研究錳、硼含量對(duì)冷軋板水淬力學(xué)性能和組織的影響,探索錳、硼在水淬馬氏體鋼中的合理含量,以期為硼在超高強(qiáng)度鋼板中的應(yīng)用提供參考。

2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用鋼成分如表1所示。試驗(yàn)用鋼分為4組,第一組A1、A2、A3中硼作為殘余元素存在,用于比較Mn對(duì)淬硬性的影響;第二組包括B1、B2、B3是基于w(B)為0.002 5%的基礎(chǔ)上,比較Mn對(duì)性能的影響;第三組包括A3、C1、C2、B3、C3,是基于較高的錳含量(w(Mn)為1.65%)基礎(chǔ)上,用于研究硼含量對(duì)試驗(yàn)用鋼性能的影響;第四組包括A2、B2和D1,是基于較低的錳含量(w(Mn)為1.05%)基礎(chǔ)上,用于研究硼含量對(duì)試驗(yàn)用鋼性能的影響。

表1 試驗(yàn)用鋼的成分Table 1 Chemical compositions of the experimental steels %

試驗(yàn)用鋼采用50 kg的真空熔煉爐冶煉,經(jīng)模鑄、鍛造、熱軋、酸洗和冷軋后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室退火模擬。熱軋工藝為1 200 ℃加熱、860 ℃終軋、560 ℃箱式爐保溫1 h隨爐冷卻12 h模擬卷取,熱軋板厚度為2.8 mm;酸洗和冷軋得到1.2 mm厚度冷軋鋼板;連續(xù)退火模擬采用Siemens VAI制造的連續(xù)退火模擬裝置,試樣尺寸為450 mm×150 mm×1.2 mm;鋼板退火工藝采用10 K/s加熱到840 ℃保溫80 s,然后以3K/s冷卻到750 ℃后,快速進(jìn)入水槽淬火,750 ℃至350 ℃的平均冷速為750 K/s,然后在200 ℃進(jìn)行240 s回火。拉伸試驗(yàn)采用JIS5#板狀拉伸試樣,沿軋制方向在Instron拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸。顯微組織采用4%的硝酸酒精進(jìn)行顯示。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3所示為在不添加硼(殘余w(B)為0.000 3%)的情況下,錳含量對(duì)淬火回火后冷軋鋼板強(qiáng)度的影響?？梢钥吹?屈服和抗拉強(qiáng)度均隨錳含量提高而迅速提高。從圖4的組織可以看出,含錳約1.05%的試驗(yàn)用鋼組織中含有較多的鐵素體,在1.65%的錳含量條件下,組織基本以馬氏體為主?？梢?jiàn),在不添加硼的情況下,要獲得接近全馬氏體的組織,鋼中至少需要添加1.65%的Mn。

圖3 w(B)為0.000 3%的條件下Mn含量對(duì)水淬鋼板強(qiáng)度的影響 Fig.3 Effect on Mn content on the tensile strength of water quenched steels at w(B)of 0.000 3%

圖4 w(B)為0.000 3%的條件下不同Mn含量的淬火組織 Fig.4 Microstructure of the water quenched steels at various Mn contents and w(B) of 0.000 3%

圖5所示為冷軋鋼板在添加0.002 5%硼的情況下,錳含量對(duì)鋼板淬火回火后的強(qiáng)度的影響?？梢钥吹?強(qiáng)度隨錳含量提高而明顯提高。與圖3在同等的錳含量下進(jìn)行比較,加硼后鋼的強(qiáng)度都有了一定提高,但幅度不大。從圖6的組織可以看出,在1.65%的錳含量條件下,金相組織中基本上看不到鐵素體。錳含量較低時(shí),淬火組織仍含有較多的鐵素體。可見(jiàn),在錳含量較低的情況下,加0.002 5%B不能得到全馬氏體的組織。

圖5 w(B)為0.002 5%的條件下Mn含量對(duì)水淬鋼板性能的影響Fig.5 Effect on Mn content on the tensile properties of water quenched steels at w(B) of 0.002 5%

圖 6 w(B)為0.002 5%的條件下不同Mn含量的淬火組織 Fig.6 Microstructure of the water quenched steels at various Mn contents and w(B) of 0.002 5%

圖7所示為w(Mn)為1.65%的情況下,硼含量對(duì)冷軋板淬火回火后的強(qiáng)度的影響?？梢钥吹?雖然加1.65%的Mn已經(jīng)可以獲得全馬氏體的淬火組織,但在此基礎(chǔ)上加硼仍對(duì)鋼的強(qiáng)度有一定的提高,特別是添加0.002%以上的硼,對(duì)鋼淬火后的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有明顯提高。 從圖8的組織可以看到,組織差別不大,均為全馬氏體組織。

圖7 w(Mn)為1.65%的條件下硼含量對(duì)鋼板性能的影響 Fig.7 Effect of boron content on the tensile properties of water quenched steels at w(Mn)of 1.65%

圖8 w(Mn)為1.65%的條件下不同硼含量的淬火組織Fig.8 Microstructure of the water quenched steels at various boron contents and w(Mn)of 1.65%

圖9所示為w(Mn)為1.05%的情況下,硼含量對(duì)淬火回火后冷軋板的強(qiáng)度的影響?？梢钥吹?加硼對(duì)鋼的強(qiáng)度有一定提高,但在硼含量低于0.003%時(shí),試驗(yàn)鋼的淬火強(qiáng)度提高不多。當(dāng)硼含量達(dá)到0.003 6%以上時(shí),試驗(yàn)用鋼淬火后的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有較大幅度的提高。 圖10為相應(yīng)的組織,可以看到當(dāng)硼含量為0.003 6%時(shí),試驗(yàn)用鋼淬火后的組織基本不含鐵素體。

圖9 w(Mn)為1.05%的條件下硼含量對(duì)鋼板性能的影響 Fig.9 Effect of boron content on the tensile properties of water quenched steels at w(Mn)of 1.05%

圖10 w(Mn)為1.05%的條件下不同硼含量的淬火組織 Fig.10 Microstructure of the water quenched steels at various boron contents and w(Mn)of 1.05%

冷軋馬氏體鋼板的成分設(shè)計(jì)需要控制碳當(dāng)量,通常參考使用如式(1)的碳當(dāng)量公式:

Ceq=w(C)+w(Si)/30+w(Mn)/6+

w(Nb)/5+w(Cu)/15+w(Ni)/15+

w(Cr)/5+w(V)/5

(1)

該碳當(dāng)量公式?jīng)]有考慮硼的影響,對(duì)于加硼鋼見(jiàn)式(2)[5]:

Pcm=w(C)+w(Si)/30+w(Mn)/20+

w(Cu)/20+w(Ni)/60+w(Cr)/20+

w(Mo)/15+w(V)/10+5w(B)

(2)

分別用以上兩個(gè)碳當(dāng)量公式計(jì)算各試驗(yàn)用鋼的碳當(dāng)量并計(jì)算抗拉強(qiáng)度和碳當(dāng)量的比值,得到圖11的結(jié)果?？梢钥吹?單獨(dú)加錳的試驗(yàn)用鋼中,A3的TS/Ceq值最高;添加錳、硼的試驗(yàn)用鋼中,D1的TS/Pcm值最高?？梢?jiàn),單獨(dú)加1.65%的錳或者采用1.05%Mn+0.003 6%B的合金化方案,具有較好的強(qiáng)度和碳當(dāng)量的平衡,可以作為水淬冷軋馬氏體鋼板合金進(jìn)一步優(yōu)化的基礎(chǔ)。

圖11 各試驗(yàn)用鋼的抗拉強(qiáng)度和碳當(dāng)量(Ceq和Pcm)的比值Fig.11 Tensile strength to carbon equivalence ratio of the experimental steels

4 結(jié)論

在本文特定的試驗(yàn)條件下,得到如下結(jié)果:

(1) 試驗(yàn)用鋼在不加硼的情況下,至少需要加入1.65%Mn才能獲得接近全馬氏體的淬火組織,此時(shí)試驗(yàn)用鋼淬火后的組織僅含少量鐵素體,強(qiáng)度達(dá)到1 300 MPa。

(2) 試驗(yàn)用鋼加0.002%以上的硼可以明顯提高冷軋鋼板水淬后的拉伸強(qiáng)度,提高幅度和試驗(yàn)用鋼的錳含量有關(guān)。

(3) 在試驗(yàn)用鋼含1.65%錳時(shí),硼含量高于0.002%時(shí),強(qiáng)度有明顯的提升,此時(shí)金相組織基本不含鐵素體,為馬氏體組織。

(4) 當(dāng)試驗(yàn)用鋼含1.05%Mn時(shí),只有硼含量達(dá)到0.003 6%時(shí),才能基本消除鐵素體的存在,獲得全馬氏體的水淬組織。硼含量較低時(shí),淬火組織中含有較多的鐵素體。