高端車用熱成形鋼CR300MB的研發(fā)與應(yīng)用

陳 波， 張繼國(guó)， 華永興， 尹樹(shù)春， 吳 磊， 梁振威， 孫 擴(kuò)

(唐山鋼鐵集團(tuán)有限公司， 河北 唐山 063000)

鋼的成形性能通常隨著強(qiáng)度的提高而下降，而熱成形鋼可以通過(guò)熱成形工藝，將成形和強(qiáng)化分為兩個(gè)步驟，用以生產(chǎn)超高強(qiáng)度零部件[1-8]。隨著高強(qiáng)鋼在汽車工業(yè)的不斷應(yīng)用和發(fā)展，熱成形鋼正以超高強(qiáng)度、高安全性、高成形性及高減重效果等顯著優(yōu)勢(shì)被汽車行業(yè)大量使用[9-17]。目前，鋼廠生產(chǎn)冷軋熱成形鋼時(shí)，在熱處理退火工藝路徑上主要有連續(xù)退火和罩式退火兩種，各鋼廠通常根據(jù)自身生產(chǎn)線設(shè)備特點(diǎn)、技術(shù)儲(chǔ)備和客戶特殊要求來(lái)選擇不同的技術(shù)路線，以開(kāi)發(fā)適合客戶需求的熱成形鋼產(chǎn)品。某高端品牌汽車采用冷軋熱成形鋼CR300MB生產(chǎn)保險(xiǎn)杠、A/B柱、車門防撞梁等安全部件和結(jié)構(gòu)件，該材料熱沖壓前的抗拉強(qiáng)度一般在440 MPa以上，熱沖壓后的零件抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1300 MPa以上，大大提高了汽車零件的強(qiáng)度和安全系數(shù)。本文通過(guò)對(duì)酸軋后的冷硬態(tài)CR300MB鋼進(jìn)行連續(xù)退火和罩式退火工藝模擬試驗(yàn)，對(duì)比研究不同退火工藝下產(chǎn)品的顯微組織和力學(xué)性能。進(jìn)而選擇罩式退火工藝生產(chǎn)高端車用熱成形鋼CR300MB，并成功進(jìn)行了熱沖壓零件試制，為熱成形鋼CR300MB的研發(fā)生產(chǎn)和工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料及工藝模擬

1.1 材料制備

試驗(yàn)用CR300MB鋼根據(jù)某高端車企標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行化學(xué)成分設(shè)計(jì)，經(jīng)冶煉、連鑄、熱軋后得到厚度為3.2 mm的熱軋?jiān)箱摼?，熱軋工藝參?shù)：加熱溫度1250 ℃，熱軋壓下率84.5%，終軋溫度890 ℃，卷取溫度650 ℃；熱軋?jiān)暇碓俳?jīng)酸洗連軋后得到1.4 mm厚度的冷硬鋼卷，冷軋壓下率為56%。CR300MB鋼實(shí)際化學(xué)成分如表1所示，符合客戶企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，CR300MB熱成形鋼熱沖壓前的力學(xué)性能需滿足屈服強(qiáng)度Rp0.2≥300 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm≥440 MPa，斷后伸長(zhǎng)率A80≥20%；客戶現(xiàn)用進(jìn)口材料熱沖壓前的實(shí)物力學(xué)性能：屈服強(qiáng)度為335 MPa、抗拉強(qiáng)度為496 MPa，斷后伸長(zhǎng)率A80為25.5%。為確定CR300MB熱成形鋼冷硬鋼卷的熱處理工藝，從1.4 mm厚的冷硬鋼卷上取樣分別進(jìn)行連續(xù)退火(CA)和罩式退火(BA)工藝模擬，其中連續(xù)退火試樣尺寸為600 mm×300 mm×1.4 mm，罩式退火試樣尺寸為200 mm×100 mm×1.4 mm，試樣長(zhǎng)度方向?yàn)檐堉品较颉?/p>

表1 CR300MB鋼的實(shí)際化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Actual chemical composition of the CR300MB steel (mass fraction, %)

1.2 退火工藝模擬

連續(xù)退火工藝模擬在CAS-300II帶鋼連續(xù)退火試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，為深入研究不同連續(xù)退火工藝對(duì)退火后組織性能的影響，設(shè)計(jì)如表2所示的連續(xù)退火模擬工藝，加熱段溫度選擇720、740、760、780和800 ℃，緩冷段溫度選擇620、660 ℃，快冷段溫度選擇450、510 ℃，時(shí)效段溫度選擇400、430 ℃，終冷段溫度選擇90、120 ℃。連續(xù)退火模擬試驗(yàn)過(guò)程中，在板料的不同位置焊接熱電偶進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)。

表2 模擬連續(xù)退火工藝參數(shù)Table 2 Parameters of the simulated continuous annealing processes

罩式退火工藝模擬在SX-4-10箱式電阻爐內(nèi)進(jìn)行，為保證試樣在退火過(guò)程中不發(fā)生氧化，爐內(nèi)通入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體。模擬罩式退火采用隨爐裝樣，升溫過(guò)程中，室溫至400 ℃自由加熱，溫度達(dá)到400 ℃后以30 ℃/h 加熱速度將2組試樣分別加熱至660 ℃和680 ℃，保溫10 h后緩冷至600 ℃，再快冷至室溫，如圖1所示。

圖1 模擬罩式退火工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of the simulated batch annealing process

對(duì)完成連續(xù)退火和罩式退火工藝模擬試驗(yàn)的每個(gè)試樣，分別在退火試樣軋向的中部取φ10 mm金相試樣1個(gè)和標(biāo)距為80 mm的拉伸試樣3個(gè)。金相試樣經(jīng)粗磨、拋光、體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，采用徠卡DMI5000M光學(xué)顯微鏡和蔡司Ultra 55掃描電鏡觀察組織。拉伸試樣在Zwick/RoellZ100Xlinear全自動(dòng)電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為1 mm/min，拉伸結(jié)果取每個(gè)等效位置的3個(gè)試樣的平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 連續(xù)退火工藝模擬試驗(yàn)結(jié)果

表3為不同連續(xù)退火工藝下CR300MB鋼的力學(xué)性能?？梢钥闯?，雖然5種工藝下試樣的力學(xué)性能都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但與客戶現(xiàn)用進(jìn)口材料相比，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都整體偏高，斷后伸長(zhǎng)率整體偏低。加熱溫度為740 ℃和760 ℃時(shí)，CR300MB鋼的強(qiáng)度相對(duì)較低而塑性較高，但屈服強(qiáng)度分別比進(jìn)口材料高121 MPa 和115 MPa，抗拉強(qiáng)度分別高90 MPa和84 MPa。740 ℃和760 ℃連續(xù)退火后CR300MB鋼的顯微組織如圖2所示，可以看出，連續(xù)退火工藝下試樣晶粒比較粗大，多為細(xì)長(zhǎng)的軋制變形晶粒，并且存在帶狀組織偏析。

表3 不同加熱溫度連續(xù)退火后CR300MB鋼的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of the CR300MB steel continuous annealed at different heating temperatures

圖2 不同加熱溫度連續(xù)退火后CR300MB鋼的顯微組織Fig.2 Microstructure of the CR300MB steel continuous annealed at different heating temperatures(a) 740 ℃; (b) 760 ℃

2.2 罩式退火工藝模擬試驗(yàn)結(jié)果

表4為不同溫度罩式退火后CR300MB鋼的力學(xué)性能，可以看出，加熱溫度為660 ℃和680 ℃時(shí)試樣的力學(xué)性能都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。比較而言，加熱溫度為680 ℃ 時(shí)試樣的屈服強(qiáng)度為374 MPa，抗拉強(qiáng)度為469 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為24.93%，綜合力學(xué)性能更接近進(jìn)口材料的力學(xué)性能。圖3為660 ℃和680 ℃罩式退火后CR300MB鋼的顯微組織，由圖3可以看出，罩式退火工藝模擬的試樣晶粒比連續(xù)退火的細(xì)小，且晶粒大部分為等軸晶。

表4 不同溫度罩式退火后CR300MB鋼的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of the CR300MB steel after batch annealing at different temperatures

圖3 不同溫度罩式退火后CR300MB鋼的顯微組織Fig.3 Microstructure of the CR300MB steel after batch annealing at different temperatures(a) 660 ℃; (b) 680 ℃

2.3 討論與退火工藝確定

比較連續(xù)退火和罩式退火兩種工藝的試驗(yàn)結(jié)果，從力學(xué)性能來(lái)看，采用連續(xù)退火時(shí)CR300MB鋼的強(qiáng)度整體偏高，屈服強(qiáng)度Rp0.2為450～486 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm為580～631 MPa，雖然也滿足屈服強(qiáng)度Rp0.2≥300 MPa、抗拉強(qiáng)度Rm≥440 MPa的標(biāo)準(zhǔn)要求，但與客戶現(xiàn)用進(jìn)口材料實(shí)物的力學(xué)性能相比，屈服強(qiáng)度高115～151 MPa，抗拉強(qiáng)度高84～135 MPa，且斷后伸長(zhǎng)率檢測(cè)值為20.01%～22.20%，也明顯低于進(jìn)口材料的斷后伸長(zhǎng)率(25.5%)。而采用罩式退火時(shí)，CR300MB鋼的屈服強(qiáng)度Rp0.2為366～374 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm為469～480 MPa，強(qiáng)度明顯低于連續(xù)退火時(shí)CR300MB鋼的強(qiáng)度，且更接近進(jìn)口材料實(shí)物的強(qiáng)度水平。罩式退火時(shí)CR300MB鋼的斷后伸長(zhǎng)率A80為22.27%～24.93%，也顯著高于連續(xù)退火時(shí)的斷后伸長(zhǎng)率，且更接近進(jìn)口材料實(shí)物的水平。680 ℃罩式退火時(shí)CR300MB鋼的屈服強(qiáng)度為374 MPa，抗拉強(qiáng)度為469 MPa，斷后伸長(zhǎng)率A80為24.93%，是所有退火工藝模擬試樣中綜合性能最優(yōu)的，更接近進(jìn)口材料實(shí)物的力學(xué)性能水平。

從顯微組織來(lái)看，采用連續(xù)退火時(shí)CR300MB鋼的組織晶粒比較粗大，多為細(xì)長(zhǎng)的軋制變形晶粒，并且存在帶狀組織偏析；而采用罩式退火時(shí)CR300MB鋼的組織晶粒比較細(xì)小，晶粒大部分為等軸晶，有利于CR300MB鋼熱成形時(shí)組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻鸟R氏體組織，也有利于提高熱成形后零件的強(qiáng)度和韌性。

綜合以上分析，CR300MB鋼采用680 ℃罩式退火工藝進(jìn)行生產(chǎn)，材料的力學(xué)性能和顯微組織均最佳，更有利于后續(xù)的熱成形加工，因此確定采用680 ℃保溫10 h的罩式退火工藝進(jìn)行CR300MB鋼的工業(yè)生產(chǎn)試制。

3 生產(chǎn)試制與應(yīng)用

3.1 罩式退火工藝試生產(chǎn)

3.1.1 試制鋼卷的生產(chǎn)過(guò)程

對(duì)表1所示實(shí)際化學(xué)成分的CR300MB熱軋?jiān)箱摼磉M(jìn)行罩式退火工業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)，先將鋼卷酸軋為1.40 mm 厚的軋硬鋼卷，再經(jīng)脫脂清洗后裝入罩式退火爐進(jìn)行680 ℃保溫10 h的罩式退火，退火后出爐自然冷卻4天，然后進(jìn)行平整、分卷、涂油和表面質(zhì)量檢查，檢查結(jié)果未發(fā)現(xiàn)明顯的劃傷、壓痕、麻點(diǎn)、輥印及氧化色等缺陷，達(dá)到表面質(zhì)量要求。

3.1.2 試制鋼卷的力學(xué)性能和顯微組織

分別從試制鋼卷成品的頭、中、尾部沿軋制方向(0°方向)、垂直于軋制方向(90°方向)以及與軋向成45°角方向(45°方向)取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果如表5所示?？梢钥闯觯摼聿煌课谎夭煌较虻那?qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且工業(yè)試制實(shí)物的性能比罩式退火工藝模擬試樣的性能更接近進(jìn)口材料實(shí)物的性能水平。因此，從力學(xué)性能來(lái)看，CR300MB鋼研發(fā)制定的罩式退火工藝是合適的。

表5 試制CR300MB鋼卷的力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of the trial-produced CR300MB steel coil

圖4為從試制鋼卷中部取樣，沿軋制方向剖面的顯微組織，為鐵素體和游離滲碳體，組織晶粒細(xì)小且大部分為等軸晶，且工業(yè)試制CR300MB鋼的顯微組織比罩式退火工藝模擬試樣的更佳。由此可見(jiàn)，從顯微組織來(lái)看，CR300MB鋼研發(fā)制定的罩式退火工藝也是合適的。

圖4 試制CR300MB鋼卷中部的顯微組織Fig.4 Microstructure in the middle of trial-produced CR300MB steel coil

3.2 零件試制與熱沖壓后的組織性能

3.2.1 零件熱沖壓試制及性能要求

熱沖壓試制零件為某高端車企某車型的后保險(xiǎn)杠。首先將生產(chǎn)的1.4 mm厚CR300MB鋼卷開(kāi)卷剪切成1.4 mm×1174 mm×230 mm的矩形片料，然后在模具上沖壓落料成零件需要的尺寸形狀，如圖5所示，再在熱成形零配件廠進(jìn)行零件熱沖壓試制。零件熱沖壓工藝為加熱溫度930 ℃，保溫時(shí)間300 s，保壓壓力8000 kN，保壓時(shí)間10 s。經(jīng)檢測(cè)，熱沖壓零件無(wú)開(kāi)裂、起皺等質(zhì)量問(wèn)題。

圖5 試制零件落料形狀Fig.5 Blanking shape of the trial-produced part

根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)要求，CR300MB鋼熱沖壓后的拉伸性能要求：屈服強(qiáng)度Rp0.2為1000～1300 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm為1300～1700 MPa，斷后伸長(zhǎng)率A50≥5%，熱沖壓后的彎曲性能需滿足表6所示要求，熱沖壓后的硬度要求為416～516 HV10，熱沖壓后的組織要求為馬氏體組織比例≥95%，脫碳層深度≤70 μm，不允許存在完全脫碳。

表6 CR300MB鋼熱沖壓后的彎曲性能要求Table 6 Bending property requirement of the CR300MB steel after hot forming

3.2.2 力學(xué)性能檢測(cè)

隨機(jī)取3個(gè)試制的熱成形零件，分別在零件中部同一位置取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)和硬度測(cè)試。拉伸性能檢測(cè)結(jié)果如表7所示，可以看出，熱成形后零件的屈服強(qiáng)度為1085～1106 MPa，抗拉強(qiáng)度為1336～1470 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為5.30%～5.82%，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)拉伸試樣的斷口形貌進(jìn)行觀察分析，發(fā)現(xiàn)斷口均為韌性斷裂特征，選取2個(gè)試樣的拉伸斷口形貌進(jìn)行掃描電鏡觀察和微區(qū)化學(xué)成分分析，結(jié)果如圖6 及表8所示。從圖6可以看出，斷口處存在大量的韌窩，表明其在斷裂前發(fā)生了一定程度的塑性變形，隨著負(fù)載的增大和材料塑性變形量的增加，大量位錯(cuò)進(jìn)入到微孔之中，促使微孔逐漸長(zhǎng)大，直到微孔聚合到臨界尺寸后形成裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致材料斷裂。圖6(a)的斷口形貌比較平整，主要由大小不一，淺而平的韌窩和夾雜組成，圖6(a)中有第二相的平面狀組織出現(xiàn)，由表8 所示圖譜1相應(yīng)的EDS成分分析可知，其主要元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)為37.61O、28.72Al、26.95Fe、4.15Ca和2.58Mg。由圖6(b)可以看到，韌窩周邊形成有較大塑性變形的白亮的撕裂棱，撕裂棱的取向與宏觀斷口方向一致。

表8 圖6中不同位置處的EDS分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 8 EDS analysis of the different positions in Fig.6 (mass fraction, %)

圖6 CR300MB鋼熱成形零件的拉伸斷口形貌(a)零件1;(b)零件2Fig.6 Tensile fracture morphologies of the CR300MB steel hot-formed parts(a) part 1; (b) part 2

表7 CR300MB鋼熱成形零件的力學(xué)性能Table 7 Mechanical properties of the CR300MB steel hot-formed parts

彎曲試樣從每個(gè)零件的正面和右側(cè)壁取樣，彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表9所示，可以看出，零件正面與右側(cè)壁的彎曲性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(厚度為0.7～1.55 mm時(shí)

表9 CR300MB鋼熱成形零件不同部位的彎曲角度Table 9 Bending angle at different positions of the CR300MB steel hot-formed parts

彎曲角度≥60°)，但零件正面與右側(cè)壁彎曲角度存在較大差異，這主要與熱沖壓及保壓淬火時(shí)零件這兩個(gè)部位所受應(yīng)力狀態(tài)和組織轉(zhuǎn)變的差異等因素有關(guān)。

在每個(gè)零件上取3點(diǎn)進(jìn)行硬度檢測(cè)，結(jié)果如表10所示，可以看出，零件的硬度差別不大，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表10 CR300MB鋼熱成形零件的硬度Table 10 Hardness of the CR300MB steel hot-formed parts

3.2.3 顯微組織檢測(cè)

隨機(jī)取1個(gè)試制的熱成形零件，分別進(jìn)行顯微組織檢測(cè)和脫碳層檢測(cè)，結(jié)果如圖7、圖8所示。由圖7可以看出，零件的顯微組織為馬氏體+少量殘留貝氏體，馬氏體體積分?jǐn)?shù)為99.5%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。由圖8 可以看出，零件表面不存在完全脫碳情況，均為半脫碳，檢測(cè)的3個(gè)位置的脫碳層深度分別為36.16、32.69和40.79 μm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 CR300MB鋼熱成形零件的顯微組織(a)和馬氏體分布(b)Fig.7 Microstructure(a) and martensite distribution(b) of the CR300MB steel hot-formed parts

圖8 CR300MB鋼熱成形零件表面脫碳層形貌Fig.8 Morphology of decarbonized layer of the CR300MB steel hot-formed parts

4 結(jié)論

1) 連續(xù)退火和罩式退火工藝模擬結(jié)果表明，從力學(xué)性能來(lái)看，兩種退火工藝模擬后CR300MB鋼試樣的力學(xué)性能均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但與進(jìn)口材料實(shí)物性能比較，連續(xù)退火的強(qiáng)度偏高，斷后伸長(zhǎng)率偏低，而罩式退火力學(xué)性能更接近進(jìn)口材料實(shí)物的水平；從顯微組織來(lái)看，連續(xù)退火的組織晶粒比較粗大，多為細(xì)長(zhǎng)的軋制變形晶粒且存在帶狀組織偏析；而罩式退火的組織晶粒比較細(xì)小，晶粒大部分為等軸晶。680 ℃罩式退火工藝模擬試樣的力學(xué)性能和顯微組織均最佳，更有利于后續(xù)的熱成形加工，因此確定采用680 ℃保溫10 h的罩式退火工藝開(kāi)發(fā)生產(chǎn)冷軋熱成形鋼CR300MB。

2) 采用680 ℃退火10 h的罩式退火工藝工業(yè)試制的CR300MB熱成形鋼屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且工業(yè)試制產(chǎn)品的組織性能比罩式退火工藝模擬試樣的組織性能更優(yōu)，基本達(dá)到進(jìn)口材料實(shí)物水平，證明選定的CR300MB鋼罩退工藝是合適的。

3) 采用開(kāi)發(fā)的CR300MB熱成形鋼進(jìn)行零件試制，經(jīng)過(guò)加熱溫度930 ℃，保溫時(shí)間300 s，保壓壓力8000 kN，保壓時(shí)間10 s的熱沖壓后，零件的力學(xué)性能、顯微組織及脫碳層深度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，表明CR300MB熱成形鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用取得成功。