600MPa級(jí)Al-Mo與Si-Mn冷軋雙相鋼分析研究

楊 奕 胡建旺 李名鋼

(1.寶鋼股份中央研究院(武鋼有限技術(shù)中心) 湖北 武漢：430080；2.寶鋼股份武漢鋼鐵有限公司 湖北 武漢：430083)

國(guó)內(nèi)外600MPa級(jí)冷軋雙相鋼在化學(xué)成分上主要合金元素以Si、Mn為主，為了得到雙相組織，根據(jù)生產(chǎn)工藝及使用要求不同，還加入適量的Cr、Mo、V、Nb等元素，組成了不同雙相鋼體系[1-11]。寶鋼股份青山基地前期主要采用Al-Mo系合金元素生產(chǎn)600MPa級(jí)冷軋雙相鋼，寶山基地采用的是Si-Mn系合金元素。Al-Mo系相對(duì)于Si-Mn系成分，合金成本高。為有效降低合金成本，青山基地在600MPa級(jí)冷軋雙相鋼的生產(chǎn)上部分采用了Si-Mn系的成分進(jìn)行生產(chǎn)。本文對(duì)采用基本相同的工藝條件下生產(chǎn)的兩種不同成分體系的冷軋雙相鋼進(jìn)行了對(duì)比分析研究。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為武鋼有限冷軋廠生產(chǎn)的600MPa級(jí)Al-Mo系和Si-Mn系的連退冷軋成品板，成品厚度相同，連退生產(chǎn)工藝基本一致，分別在兩種成分體系的成品板取數(shù)個(gè)樣片后，采用化學(xué)分析法進(jìn)行了化學(xué)成分分析，在SUN-10薄板拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)檢測(cè)，通用板材成形試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行擴(kuò)孔試驗(yàn)，采用OLYMPUS GX71金相顯微鏡進(jìn)行金相檢測(cè)分析，QUANTA400掃描電鏡進(jìn)行SEM分析，最后采用JEM-2100F型場(chǎng)發(fā)射透射電鏡進(jìn)行TEM的組織形貌、結(jié)構(gòu)和析出相分析。通過(guò)以上分析手段，對(duì)600MPa級(jí)Si-Mn系和Al-Mo系冷軋雙相鋼從化學(xué)成分、力學(xué)性能、組織相貌和析出物等進(jìn)行全方面對(duì)比分析。

2 分析與討論

2.1 Al-Mo系與Si-Mn系雙相鋼對(duì)比分析

2.1.1 成分分析

對(duì)不同成分體系雙相鋼的化學(xué)成分進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)表1。Al-Mo系與Si-Mn系的成分體系中，C、Si、Mn、Al、Mo和Cr的成分有較大區(qū)別，其中Al-Mo系中C略高0.02%左右，在0.095%左右，Si一般在0.10%以下，含有0.9%左右的Alt和0.15%左右的Mo，而Si-Mn系比Al-Mo系Mn含量高0.2%左右，Si含量0.45%左右，Alt極低，但含有0.45%左右的Cr。

表1 不同成分體系雙相鋼590DP成分對(duì)比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)wt%)

2.1.2 力學(xué)性能分析

對(duì)不同成分體系的冷軋雙相鋼取樣進(jìn)行拉伸力學(xué)性能和擴(kuò)孔率的檢測(cè)分析，見(jiàn)表2和表3。

表2 不同成分體系雙相鋼590DP拉伸力學(xué)性能對(duì)比

表3 不同成分體系雙相鋼590DP擴(kuò)孔性能對(duì)比

從表2及表3檢測(cè)結(jié)果分析，Si-Mn系鋼比Al-Mo系鋼擴(kuò)孔率高，Si-Mn系鋼比Al-Mo系鋼擴(kuò)孔率高約9.4% ，Si-Mn系強(qiáng)度略高，但Al-Mo系n值較高。

2.1.3 組織分析

對(duì)不同成分體系的冷軋雙相鋼的成品進(jìn)行金相和SEM分析，組織照片對(duì)比件圖1。組織均為鐵素體+M/A島組織，Si-Mn系鐵素體晶粒度(11.5級(jí))略小于Al-Mo系(10.5級(jí))，黑色馬氏體數(shù)量較多，灰色馬氏體相對(duì)較少，且M/A島較不規(guī)則。

圖1兩種雙相鋼組織形貌(a、c為Si-Mn系；b、d為Al-Mo系)

2.1.4 TEM對(duì)比分析

分別對(duì)Si-Mn系和Al-Mo系冷軋雙相鋼進(jìn)行TEM分析，分別見(jiàn)圖2、圖3和圖4。通過(guò)TEM照片對(duì)其微觀組織進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，Si-Mn系與Al-Mo系的組織均為鐵素體+M/A島，但Si-Mn系的M/A島很不規(guī)則，大部分馬氏體中可以觀察到回火碳化物，鐵素體中位錯(cuò)密度很高，局部存在有碳化物析出相(見(jiàn)圖3)，碳化物中主要含有Cr與Mn；而Al-Mo系的M/A島較為規(guī)則，少量馬氏體中可以觀察到回火碳化物，鐵素體中位錯(cuò)密度很高，未觀察到碳化物析出相。

圖2 典型的Si-Mn系雙相鋼微觀組織形貌

圖3 Si-Mn系雙相鋼TEM照片及能譜圖

圖4 典型的Al-Mo系雙相鋼微觀組織形貌

2.2 討論

雙相鋼的組織主要由鐵素體和馬氏體組成，因此強(qiáng)度主要體現(xiàn)在鐵素體和馬氏體的強(qiáng)化上，主要強(qiáng)化機(jī)制有固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和相變強(qiáng)化等。雙相鋼的屈服強(qiáng)度主要取決于強(qiáng)度較低的鐵素體基體，鐵素體的強(qiáng)化因素有Mn、Si等元素的固溶強(qiáng)化，TiC、TiN、Ti(C,N)及NbC、NbN、Nb(C，N)的析出強(qiáng)化，鐵素體細(xì)晶強(qiáng)化以及亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化。Si-Mn系冷軋雙相鋼相對(duì)于Al-Mo系冷軋雙相鋼，含有較高的Mn、Si等元素，同時(shí)晶粒度相對(duì)較小，鐵素體中存在有碳化物析出，因此在綜合作用下，Si-Mn系冷軋雙相鋼在強(qiáng)度上略高。

Si-Mn系中含有Cr元素，Cr是碳化物形成元素，與碳的親和力較強(qiáng)，在熱軋時(shí)形成(Fe，Cr)C3碳化物，該碳化物熔點(diǎn)較高，在兩相區(qū)退火溫度不能完全溶解，退火后保留在鐵素體中，Cr元素的添加將會(huì)改變M/A的分布和形狀，使M/A島呈纖維狀分布，與Al-Mo系的M/A島形態(tài)不一樣。而Al-Mo系中的Mo元素與Mn一樣，屬置換固溶合金元素，因此在鐵素體中未發(fā)現(xiàn)碳化物析出。

兩種成分體系冷軋雙相鋼在連退生產(chǎn)時(shí)，均為兩相區(qū)加熱部分奧氏體化，部分相中的奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，引起晶胞體積的膨脹，相變以切變方式進(jìn)行，會(huì)在鐵素體相區(qū)引起塑形變形，在其中誘發(fā)高密度位錯(cuò)。在兩種成分體系的鐵素體中均發(fā)現(xiàn)有大量的位錯(cuò)。

在過(guò)時(shí)效段的回火處理，強(qiáng)化相的馬氏體會(huì)分解，碳化物會(huì)析出，馬氏體晶格畸變減少，Si-Mn由于Cr的強(qiáng)碳化物形成元素，回火碳化物的析出更為普遍。析出碳化物的馬氏體強(qiáng)度略低，Si-Mn系的軟硬相強(qiáng)度較小，因此導(dǎo)致擴(kuò)孔率較Al-Mo系好。

3 結(jié)論

在采用基本相同的工藝條件下生產(chǎn)的Si-Mn系和Al-Mo系600MPa級(jí)冷軋雙相鋼，在拉伸力學(xué)性能上差異不大，由于Si-Mn系的回火碳化物較多且黑色馬氏體較多，軟硬相強(qiáng)度差相對(duì)較小，帶來(lái)更好的擴(kuò)孔性能。因此，Si-Mn系600MPa級(jí)冷軋雙相鋼是青山基地降低生產(chǎn)成本、優(yōu)化下游工序加工性能的調(diào)整方向。