熱軋卷冷卻方式對(duì)冷軋低合金高強(qiáng)鋼H800L性能的影響

0 引言

節(jié)能減排是汽車(chē)行業(yè)發(fā)展面臨的重大問(wèn)題，輕量化設(shè)計(jì)是未來(lái)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路，而高強(qiáng)鋼的開(kāi)發(fā)及推廣是解決上述問(wèn)題的必然手段。世界各大鋼鐵企業(yè)及科研院所積極開(kāi)展汽車(chē)先進(jìn)高強(qiáng)鋼的研發(fā)及應(yīng)用推廣，其中低合金高強(qiáng)鋼（HSLA）是近年汽車(chē)高強(qiáng)鋼開(kāi)發(fā)最成功的鋼種之一。國(guó)標(biāo)GB/T20564.4—2010《汽車(chē)用高強(qiáng)度冷連軋鋼板及鋼帶第4部分：低合金高強(qiáng)度鋼》中最高級(jí)別牌號(hào)為CR420LA。面對(duì)汽車(chē)輕量化需求及高強(qiáng)鋼發(fā)展趨勢(shì)，各鋼廠(chǎng)積極開(kāi)發(fā)更高級(jí)別牌號(hào)，制定各自企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中典型牌號(hào)包括ΔH500L 、H800L等，主要應(yīng)用于座椅滑軌、門(mén)檻件及防撞梁等結(jié)構(gòu)件，市場(chǎng)需求廣泛。

目前，冷軋低合金高強(qiáng)鋼相關(guān)研究主要集中在連退熱處理工藝對(duì)組織性能的影響及冷軋板材成型數(shù)值模擬、成型過(guò)程質(zhì)量分析等方面。典型鋼種H800L采用Nb-Ti復(fù)合的微合金成分設(shè)計(jì)，在熱軋及連退工藝過(guò)程中第二相析出行為對(duì)溫度敏感性更高。低合金高強(qiáng)鋼生產(chǎn)工藝流程長(zhǎng)，連退產(chǎn)品性能與熱卷及退火態(tài)顯微組織、析出物形態(tài)密切相關(guān)。生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，熱卷下線(xiàn)冷卻方式對(duì)冷軋低合金高強(qiáng)鋼性能影響顯著，但相關(guān)機(jī)理研究鮮有報(bào)道。

本論文以冷軋低合金高強(qiáng)鋼H800L為研究對(duì)象，結(jié)合產(chǎn)線(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題開(kāi)展機(jī)理研究，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋼的穩(wěn)定化生產(chǎn)。

1問(wèn)題概況

某鋼廠(chǎng)采用“260t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐 LF 精煉$$ 板坯連鑄 2250mm 熱連軋 ?2180mm 酸軋1680 連續(xù)退火”工藝路徑生產(chǎn)冷軋低合金高強(qiáng)鋼 ΠH800L ，化學(xué)成分控制范圍見(jiàn)表1。低碳成分設(shè)計(jì)保證良好焊接性能，硅是鐵素體形成元素，促進(jìn)鐵素體相變的發(fā)生，具有固溶強(qiáng)化作用，同時(shí)提高碳在奧氏體和鐵素體中的活度，一定程度上提高滲碳體在鐵素體中析出的開(kāi)始溫度，抑制連退階段滲碳體的析出，進(jìn)而促進(jìn)微合金元素第二相的彌散析出；錳是典型的奧氏體穩(wěn)定元素，可以延遲珠光體和貝氏體相變，同時(shí)具有固溶強(qiáng)化作用；采用Nb-Ti復(fù)合的微合金成分體系，其中固溶鈮對(duì)奧氏體晶界具有拖曳作用，可細(xì)化奧氏體晶粒，同時(shí)與鈦可形成第二相，起到彌散強(qiáng)化作用。

低合金高強(qiáng)鋼H800L在2250熱連軋主線(xiàn)下線(xiàn)后分別按照擋風(fēng)墻（保溫耐火材料制造）內(nèi)緩冷（ ^12h ）、庫(kù)區(qū)自然冷卻2種冷卻方式堆垛，如圖1所示。厚度為 3.3mm 的熱板經(jīng)過(guò)酸軋（壓下率為 50% ）軋制 1.65mm 后進(jìn)行連退熱處理，最終連退產(chǎn)品性能存在明顯差異，見(jiàn)表2，其中，A為伸長(zhǎng)率。由表2可知，擋風(fēng)墻內(nèi)緩冷熱卷對(duì)應(yīng)連退卷屈服強(qiáng)度 R_p0.2 為 493～574MPa 、抗拉強(qiáng)度 R_m 為 609～675MPa ，兩者均明顯低于庫(kù)區(qū)內(nèi)自然冷卻熱卷對(duì)應(yīng)的連退卷。庫(kù)區(qū)自然冷卻模式最終產(chǎn)品性能均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，而擋風(fēng)墻內(nèi)緩冷模式最終產(chǎn)品強(qiáng)度指標(biāo)均不合格，造成批量產(chǎn)品降級(jí)。

表1H800L化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

圖1熱卷下線(xiàn)冷卻方式

表2H800L熱卷不同下線(xiàn)冷卻方式的連退產(chǎn)品性能

2 原因分析與討論

2.1熱卷板顯微組織及力學(xué)性能對(duì)比

設(shè)定低合金高強(qiáng)鋼 Π_H800L 熱連軋卷取溫度為600^°C ，不同下線(xiàn)冷卻方式熱卷板顯微組織形貌如圖2所示。擋風(fēng)墻內(nèi)緩冷熱卷顯微組織由多邊形鐵素體、晶界少量黑色塊狀珠光體和晶界、晶內(nèi)析出的粒狀碳化物組成；庫(kù)區(qū)自然冷卻熱卷晶界處析出碳化物明顯增多，鐵素體晶粒顯著細(xì)化。采用截距法測(cè)定擋風(fēng)墻內(nèi)緩冷與庫(kù)區(qū)自然冷卻模式晶粒尺寸分別為 2.3～3.5μm 和 1.6～2.8μm 相應(yīng)熱卷力學(xué)性能見(jiàn)表3。庫(kù)區(qū)自然冷卻熱卷顯微組織與擋風(fēng)墻內(nèi)緩冷熱卷存在明顯差異，主要由于擋風(fēng)墻內(nèi)緩冷，鐵素體相變的排碳作用形成局部碳偏聚，在低冷卻速率下發(fā)生珠光體相變，珠光體相變釋放熱量，加之擋風(fēng)墻內(nèi)緩冷，使得相變鐵素體晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大，與此同時(shí)鋼基體析出的粒狀碳化物數(shù)量明顯減少。

圖2熱板顯微組織形貌

表3不同下線(xiàn)冷卻方式熱軋卷性能

取熱卷帶中板寬1/4位置板料進(jìn)行砂紙打磨至 0.0026mm 、機(jī)械拋光后采用 4% （體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精深腐蝕以實(shí)現(xiàn)第二相析出物與鋼基體分離，后續(xù)進(jìn)行噴碳制備碳復(fù)型。采用美國(guó)FEI公司TECNAIF20場(chǎng)發(fā)射透射電鏡對(duì)2種下線(xiàn)冷卻方式熱卷板進(jìn)行第二相析出物分析，加速電壓為200kV ，點(diǎn)分辨率為 0.2nm ，信息分辨率為0.24nm ，分別觀(guān)察碳復(fù)型上的第二相析出物形貌并進(jìn)行能譜分析。

不同下線(xiàn)冷卻方式的熱卷板第二相析出物復(fù)型形貌及能譜分析結(jié)果分別如圖3和圖4所示。圖3（a）中析出物尺寸為 32～140nm ，圖3（b）中析出物尺寸為 17～61nm 。擋風(fēng)墻內(nèi)緩冷促進(jìn)了第二相析出物長(zhǎng)大，發(fā)生第二相析出物的Ostwald熟化，即過(guò)飽和固溶體沉淀析出后期，析出相顆粒大小并不相同，較小顆粒析出物消溶而較大顆粒析出物繼續(xù)長(zhǎng)大，導(dǎo)致析出物平均尺寸增大，同時(shí)析出物數(shù)量顯著減少。庫(kù)區(qū)自然冷卻熱卷冷卻速率高于擋風(fēng)墻內(nèi)熱卷，快速溫降使得第二相析出物來(lái)不及發(fā)生Ostwald熟化而更加細(xì)小彌散。擋風(fēng)墻內(nèi)緩冷熱卷中粗大的第二相析出物對(duì)相變鐵素體晶粒抑制作用較弱，有利于鐵素體晶粒長(zhǎng)大，如圖2（a）所示。庫(kù)區(qū)自然冷卻熱卷中細(xì)小彌散析出物對(duì)相變鐵素體晶界釘扎作用較強(qiáng)，有效細(xì)化熱板顯微組織，如圖2（b）所示。對(duì)2種下線(xiàn)冷卻方式的熱卷板復(fù)型第二相進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖4所示，結(jié)果顯示析出物成分相同，均為NbTiC復(fù)合析出物。由于H800L采用Nb-Ti復(fù)合微合金成分體系，且鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，達(dá)到 0.05%～0.08% ，在鑄壞凝固過(guò)程固定氮元素，液析氮化鈦的尺寸一般為微米數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)超復(fù)型中第二相析出物尺寸。另外，TiC與NbC在奧氏體和鐵素體中的固溶度積很接近，在 2250mm 熱連軋粗軋和精軋控軋控冷過(guò)程中同時(shí)析出形成NbTiC復(fù)合析出物。

圖3第二相析出物復(fù)型形貌

圖4第二相析出物能譜分析

2.2 酸軋軋制力對(duì)比

不同下線(xiàn)冷卻方式典型熱卷在酸軋過(guò)程中軋制力的對(duì)比如圖5所示。庫(kù)區(qū)自然冷卻熱卷酸軋軋制力為 19.3～22.0MN ，熱卷帶頭至帶尾軋制力整體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，局部出現(xiàn)輕微波動(dòng)。與卷取機(jī)芯軸接觸部位軋制力最高，可達(dá)到 22.0MN ，由于熱軋主線(xiàn)高溫帶鋼與芯軸接觸激冷促進(jìn)晶粒細(xì)化，卷取初期微合金第二相并未大量析出，隨著與芯軸部位接觸的熱卷內(nèi)圈發(fā)生回溫，促使第二相粒子大量析出，細(xì)晶強(qiáng)化與第二相彌散強(qiáng)化共同作用下使得板料強(qiáng)度最高、軋制力達(dá)到最大值。擋風(fēng)墻內(nèi)緩冷熱卷酸軋軋制力較庫(kù)區(qū)自然冷卻熱卷整體低約3.5MN，帶頭和帶尾軋制力偏高，中部呈現(xiàn)低軋制力下的規(guī)律波動(dòng)，這主要受帶頭接觸芯軸激冷、帶尾與空氣接觸快速冷卻及中部保溫緩冷促進(jìn)鐵素體晶粒長(zhǎng)大及第二相粒子熟化的影響。不同下線(xiàn)冷卻方式對(duì)應(yīng)酸軋軋制力差異與熱卷顯微組織、性能具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.3連退板顯微組織對(duì)比

通常低強(qiáng)度級(jí)別低合金高強(qiáng)鋼采用細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化機(jī)制保證強(qiáng)度，而高級(jí)別H800L強(qiáng)化機(jī)制不同于低級(jí)別牌號(hào)，通過(guò)連退工序半退火工藝使冷軋加工硬化的冷硬組織實(shí)現(xiàn)部分再結(jié)晶提高塑性，而半退火態(tài)纖維組織保留大量畸變能及形變位錯(cuò)，匹配第二相析出強(qiáng)化與細(xì)晶強(qiáng)化是高強(qiáng)度的保障。熱卷不同下線(xiàn)冷卻方式的H800L連退板顯微組織形貌如圖6所示。擋風(fēng)墻內(nèi)緩冷熱卷對(duì)應(yīng)的連退板顯微組織中冷軋鐵素體纖維狀組織出現(xiàn)明顯再結(jié)晶及再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象，如圖6（a）中實(shí)線(xiàn)區(qū)域所示，再結(jié)晶比例達(dá)到 50% 以上。另外，保存了部分未再結(jié)晶組織，如圖6（a）中虛線(xiàn)區(qū)域所示。庫(kù)區(qū)自然冷卻熱卷對(duì)應(yīng)的連退板顯微組織主要為具有典型軋制金屬流變特征的鐵素體纖維狀組織，部分區(qū)域發(fā)生再結(jié)晶，但是再結(jié)晶晶粒并未明顯長(zhǎng)大，該種組織為H800L理想組織。

透射電鏡高腳環(huán)形暗場(chǎng)探頭（HADDF）拍攝的連退板高角環(huán)形暗場(chǎng)像如圖7所示。其中黑色襯底為碳膜成像，白色亮點(diǎn)為微合金第二相析出物。對(duì)比可知，擋風(fēng)墻內(nèi)緩冷促使第二相發(fā)生Ostwald熟化，微合金第二相析出物粒徑增大，尺寸為 27～84nm ，數(shù)量顯著減少；庫(kù)區(qū)自然冷卻熱卷對(duì)應(yīng)連退板中第二相析出物更加彌散細(xì)小，尺寸為 4～37nm 。

圖5不同下線(xiàn)冷卻方式典型熱卷酸軋軋制力對(duì)比

上述連退板顯微組織差異，根本原因是微合金第二相析出物的粒徑大小及數(shù)量對(duì)連續(xù)退火工序加熱、均熱過(guò)程中鐵素體纖維狀組織再結(jié)晶及形核后晶界遷移的抑制作用不同。其中，庫(kù)區(qū)自然冷卻模式下細(xì)小彌散的第二相析出物能有效阻止或推遲軋硬態(tài)鐵素體再結(jié)晶行為，對(duì)再結(jié)晶形核晶界遷移的抑制作用更顯著。2種冷卻模式下的冷軋板在退火過(guò)程中晶界及晶內(nèi)均析出大量的細(xì)小粒狀碳化物，可阻礙變形過(guò)程中位錯(cuò)滑移，對(duì)強(qiáng)度提升起到積極作用。

圖7連退板第二相析出物TEM形貌

2.4機(jī)理分析

結(jié)合上述熱板、冷板顯微組織、力學(xué)性能及第二相析出物、酸軋軋制力對(duì)比情況，2種熱卷下線(xiàn)冷卻方式對(duì)連退產(chǎn)品性能差異性影響的主要原因如下：1）擋風(fēng)墻內(nèi)緩冷促進(jìn)鐵素體相變，排碳作用形成的局部碳偏聚促使珠光體相變釋放熱量，同時(shí)促進(jìn)微合金第二相析出物發(fā)生Ostwald熟化，使得第二相NbTiC顆粒長(zhǎng)大，對(duì)相變鐵素體晶界的釘扎作用減弱，綜合作用下使得熱板鐵素體晶粒顯著長(zhǎng)大。經(jīng)冷軋變形后的冷硬卷在半退火過(guò)程中大顆粒NbTiC對(duì)具有軋制金屬流變特征的冷硬態(tài)鐵素體纖維組織的再結(jié)晶過(guò)程無(wú)明顯抑制作用，連退組織出現(xiàn)大量多邊形鐵素體，導(dǎo)致連退產(chǎn)品強(qiáng)度大幅降低、性能不合格。2）庫(kù)區(qū)自然冷卻模式下熱板微合金第二相析出物更加細(xì)小彌散，對(duì)相變鐵素體晶界的釘扎作用較強(qiáng)，可細(xì)化鐵素體晶粒，同時(shí)對(duì)冷軋鐵素體纖維組織在半退火過(guò)程中的再結(jié)晶行為具有顯著抑制，連退產(chǎn)品為儲(chǔ)存大量畸變能、形變位錯(cuò)的具有典型金屬流變特征的半退火組織，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度與塑性的良好匹配。

3結(jié)論

1）不同熱卷下線(xiàn)冷卻方式對(duì)微合金第二相析出物NbTiC大小、數(shù)量的影響導(dǎo)致了冷軋低合金高強(qiáng)鋼H800L性能顯著性差異。

2）擋風(fēng)墻內(nèi)緩冷促進(jìn)局部碳偏聚發(fā)生珠光體相變釋放熱量，同時(shí)使得微合金第二相析出物NbTiC熟化，促使熱板鐵素體晶粒長(zhǎng)大；大顆粒NbTiC對(duì)冷軋鐵素體纖維狀組織再結(jié)晶無(wú)明顯抑制作用，連退組織出現(xiàn)大量多邊形鐵素體，這是導(dǎo)致連退板性能不合格的根本原因。

3）庫(kù)區(qū)自然冷卻模式使得第二相析出物更加細(xì)小彌散，細(xì)化熱板顯微組織，對(duì)冷軋鐵素體纖維組織的半退火再結(jié)晶行為具有抑制作用，獲得具有大量畸變能、形變位錯(cuò)的半退火組織是保證高強(qiáng)度的關(guān)鍵。

本文摘自《鋼鐵》2025年第5期