宝钢热轧超高强度钢的研究开发_郑磊

为了经济、高效生产这类先进高强度钢, 将水 作为合金元素来考虑, 以期用廉价的合金设计、轧 制及控冷过程中的严格控制和多种冷却模式来获 得先进高强度钢是目前技术的发展主流。本文介 绍了宝钢针对先进高强 度钢中的低合金 高强度 钢、复 相钢、马氏体钢等钢种进 行的研究开发情 况。在实验室研究成分及冷却工艺对该类热轧超 高强度钢组织、性能的影响, 并进行了 S700MC 和 MP1200热轧超高强度钢的 工业性试 验, 试 验结 果表明通过控制不同的冷却工艺可达到用简单的
36 分析与研究
宝钢技术
2009年第 3期
宝钢热轧超高强度钢的研究开发
郑 磊, 张爱文, 唐文军 ( 宝钢研究院, 上海 201900)
摘要: 在实验室研究了成分及冷却工艺对高强度低合金钢、复相钢、马氏体钢等热轧超高 强度钢组织和性能的影响, 并在宝钢 1 880 mm 热连轧生产线进行了 S700M C 和 M P1200热轧 超高强度钢的工业性试验。相对于以往的高强度热轧产品而言, 新开发的热轧超高强度钢采 用了 / 以水代合金 0的设计思想, 通过经济的成分设计、轧后控制冷却技术的有效利用, 不同冷 却工艺的控制, 可实现用相同的成分获得不同强度等级要求的超高强度热轧钢。
表 2以试验钢 M 2、M 3为例, 列举了不同冷却 模式下的力学性能与组织。由表中数据及相关试 验条件和 结 果 可知, 采 用分 段 冷 却 工 艺 时, 在 350e 卷取可获得贝氏体组织为主的复相钢, 最终
的强度比 ACC 工艺的强度要低。对分段冷却模 式而言, 中间停留空冷一段时间的目的是让变形 奥氏体进行回复以及控制其中碳化物析出和选择 性析出某些相, 以使最终的组织与力学性能满足 要求。 200e 卷取时, 采用直接淬火工艺能使碳充 分固溶于基体中获得马氏体这样的过饱和固溶体 的单一组织, 因而强度最高; 而采用分段冷却工艺 可先析出部分贝氏体和碳化物, 奥氏体中碳的过 饱和度降低, 导致随后得到的马氏体强度降低, 而 延伸率得到提高, 原因是先析出的贝氏体分割了 原始奥氏体晶粒, 使马氏体在更小的奥氏体晶粒 内部形成, 从而细化马氏体板条。相应的组织变 化见图 4。 2. 3 满足不同钢级试验钢的成分与工艺
卷取时有些试验钢出现贝氏体与马氏体的混合组 织; 在分段冷却、低温卷取时出现贝氏体与马氏体 混合组织。所有试验钢在 DQ 冷却模式下基本为 低碳板条马氏体组织。钢的强度随卷取温度的降 低而增加, 且卷取温度越低, 强度增加越快; 延伸 率随卷取温度的降低而降低。图 1为 Q2试验钢 在 600、400 和 200e 卷取温 度下 的典 型金相 组 织。强度与延伸率随卷取温度的变化见图 2、3。
K ey w ords: h igh-streng th low- alloy ( H SLA ) stee;l com plex phase stee;l m artensitic stee l
0 引言
传统的高强钢大多以固溶、析出和细化晶粒 作为主要强化手段。随着汽车产业的发展以及能 源危机和环境问题的日益加剧, 对车辆节能与安 全的要求越来越高, 先进高强度钢 ( AH SS) 或者 超高强度钢 ( U ltra-H SS ) 应运而 生 [ 1- 2] 。通 常抗 拉强度大于 700 MP a的钢种定义为先进高强度钢 ( AH SS)或者超高强度钢, 主要有以下五大类: 高 强度低合金 ( H SLA )钢、双相 ( DP) 钢、相变诱发塑 性 ( TR IP ) 钢、复相钢 ( CP ) 、马氏体钢 ( MP ) 。先
2 实验室的试验结果与讨论
2. 1 卷取温度及成分对试验钢组织和性能的影响 2. 1. 1 卷取温度对试验钢组织和性能的影响
随着卷取温度的降低, 试验钢的组织由铁素 体 + 珠光体 ( F+ P )向贝氏体 ( B )、马氏体 ( M ) 演 变。在 500e 卷取时 有些试验钢出现铁素体、珠 光体与 贝氏体的混合组织; 在 400、350 和 300e
郑 磊等 宝钢热轧超高强度钢的研究开发
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成分获得超高强度热轧钢的目的。
1 实验室研究的材料及试验方法
在实验室用真空感应炉冶炼了 6种不同成分 的微合金化试验钢, 其化学成分见表 1。铸锭后 锻成 30 mm @ 120 mm @ 80 mm (厚 @宽 @长 ) 坯, 然后加热到 1 200e 保温 45 m in, 接着在 < 370热 轧试验轧机上进行两阶段控轧。其中再结晶区压 下率大于 70% , 未再结晶区压下率大于 60% , 终 轧温度为 800~ 880e , 轧制的成品厚度为 3 mm。 轧后分别采用 ACC ( 加速冷却 )、DQ ( 直接淬火 )
郑 磊 首席研究员 1958年生 1982 年毕业于福州大学 现从事金属材料研究 电话 26648713 E-m ail zhengle@i baostee.l com
进高强钢主要通过相变进行强化, 组织中含有马 氏体、贝氏体和 ( 或 ) 残余奥氏体。先进高强钢兼 具高强度和较好的成形性, 特别是加工硬化指数 高, 有利于提高冲击过程中的能量吸收, 以达到减 重的同时保证安全性 [ 3] 。
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宝钢技术
2009年第 3期
不明显, 随着卷取温度的降低, 含碳量增加对强度 增加的影响逐 渐增大, 尤其是直接淬 火至 200e 卷取时, 含碳量增加能使强度显著提高, 这说明淬 火至马氏体组织时碳的含量对强度的贡献最大, 也最为关键。同时, 含碳量的增加可在低温卷取 时使强度显著增加, 但也使其延伸率下降, 如图 2 ( c) 所示, 所以不能单纯依靠提 高含碳量来增加 强度。图 2( d) 为采用直接淬火工艺至 200e 卷 取时含碳量对强度与延伸率的影响。由图可知, 随着含碳量的上升, 强度基本呈线性上升, 延伸率
如图 2所示。可以看到, 随着卷取温度的降低, 试 验钢的强度上升、延伸率下降, 但延伸率数据波动 较大; 在卷取温度一定时, 随着含碳量的上升, 试
验钢的强度上升, 延伸率下 降。M 1 ~ M 3 试验钢 为 C-M n-Nb-T i系, 除了含碳量不同外, 其他元素 含量基本相同。由图 2 ( a )、( b) 还可知, 含碳量 对强度的影响在不同的卷取温度时差别较大。在 600e 高温卷取时, 含碳量的变化对强度的影响很
及分段冷却等 3种不同的冷却工艺将轧制的试板 冷却到设定的卷取温度保温 30 m in以上, 然后随 炉冷却以模拟卷取过程。其中分段冷却是指轧后 迅速水冷至一中间停留温度, 空冷一段时间后再水 冷至最终卷取温度, 其卷取温度为 200~ 600e 。
在轧成的钢板上取金相样品, 经研磨抛光后 用 4% 硝酸酒精腐蚀, 在 LE ICA MEF4A 显微镜上 观察试样纵向的金相组织; 制备 80 mm 定标距的 JIS No. 13A 样品在 SCL132型 500 kN 拉伸试验机 进行拉伸试验, 测定试验钢的屈服强度、抗拉强度 和延伸率。
线性下降。如果要获得抗拉强度 1 150M Pa, 则最 低含碳量约为 0. 14% 。 2. 1. 3 微合金元素 Nb和 V 对试验钢力学性能
的影响 Q1~ Q3试验钢以几乎相同的 C-M n-T i成分 为基础, 然后添加 Nb或复合添加 Nb和 V。图 3 为 Nb, Nb 和 V 复合添加对力学性能的影响。在 高温卷取时添加 Nb与复合添加 Nb和 V 能显著 提高强度, 这是因为高温卷取时它们的碳化物能 充分析出强化。随着卷取温度的降低, 合金元素
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在钢中的扩散动力学降低, 延缓, 以至抑制了微合 金元素的析出, 故强度增加量逐渐减少。试验钢 轧后直接淬火至 200e 卷取时, 添加的 N b已不能 提高强度, 而复合添加 Nb和 V 还能使强度有一 定程度的提高, 当然这时的强度增加量与高温卷 取时的强度 增加量相比已 减小很多。低 温卷取 时, 钢的强度主要靠碳的固溶强化和马氏体相变 强化, 这时微合金元素的强度增量源于它们的细 晶强化。添加 Nb 后试验钢 Q2 的延伸率总体来 说与基体成分 Q1 的延伸率基本相当, 复合添加 Nb和 V 的试验钢 Q 3的延伸率总体来说最低。 2. 2 冷却模式对试验钢的组织和性能的影响
0. 018
0. 017
0. 435
0. 251wk.baidu.com
M3
0. 19
0. 28
1. 57
0. 015
0. 014
0. 018
0. 452
0. 278
注: C eq = w C + w M n /6 + w ( C r+ M o+ V ) / 5+ w (C u+ N i) / 15; P cm = w C + w S i / 30 + w (M n+ Cu+ C r) /20 + wN i /60+ w M o /15+ wV /10 + 5w B。
0. 036
0. 019
0. 045
0. 348
0. 162
Q3
0. 069
0. 26
1. 65
0. 038
0. 018
0. 047
0. 043
0. 353
0. 164
M1
0. 10
0. 25
1. 68
0. 029
0. 022
0. 018
0. 380
0. 192
M2
0. 16
0. 26
1. 65
0. 028
关键词: 高强度低合金钢; 复相钢; 马氏体钢 中图分类号: TG142. 33 文献标志码: B 文章编号: 1008- 0716( 2009) 03- 0036- 06
R esearch and D evelopm en t of U ltra-h igh Strength H ot-rolled Steel at Baosteel
表 1 实验室试验钢成分的质量分数
T able 1 Com positions o f the test stee ls
%
炉号
wC
w Si
wM n
wA l
wT i
wNb
wV
C eq
P cm
Q1
0. 070
0. 26
1. 68
0. 028
0. 018
0. 350
0. 163
Q2
0. 070
0. 26
1. 67
ZHENG Lei, ZHANG A iwen and TANG W enjun ( Baostee l R esearch Institu te, Shanghai 201900, Ch ina)
Abstract: E ffect of the com position and coo ling processing on the m icrostructure and propert ies of ultra-h igh ho-t rolled streng th steel wh ich w ere H SLA-stee,l com plex phase stee l and m artensitic stee l w as studied in laborato ries. T he S700MC and M P1200 ultra-h igh streng th steels w ere tria-l produced on Baostee l. s 1 880 mm hot ro lling m il.l Com pared w ith the conventional h igh strength ho-t ro lled products, the new ly developed u ltra-high streng th ho -t ro lled steel adopted the design idea o f / replacing alloy w ith w ater0. W ith an econom ica l composition design and an effect ive controlled coo ling techno logy, som e u ltra-high streng th steels w ith d ifferent streng th grades w ere obta ined. Their chem ica l com posit ion w as the sam e but the contro lled cooling techno log ies used w ere d ifferen.t
图 1 Q2试验钢不同卷取温度得到的典型组织
F ig. 1 T ypical m icrostructure o f the Q2 test stee l at d ifferent co iling temperatures
2. 1. 2 含碳量对试验钢力学性能的影响 卷取温度与含碳量对试验钢力学性能的影响