含铌钛微合金汽车用钢力学性能与控轧控冷工艺关系的研究.pdf

2 O O 3年 4月 Am-i l 2 0 0 3 钢铁研究 R e s e a r c h o n I r o n S t e e l 第 2 期(总第 1 3 1 期)N l0 2(S u ml 3 1)含铌钛微合金 汽车用钢力学性 能与控轧控冷 工艺关系 的研究 赵刚 解国宏余驰 斌叶传龙 曾 萍宋平 苏毅陈 良(武汉科技大学)(武汉钢铁集团公司)摘要探讨了控轧控冷工艺对含 N b 一 微合金汽车用钢组织及力学性能的影 响，分析了工艺参数与力学性能之间的关系。在热模拟实验的基础上，结合实际生产带 钢成品组织及力学性能的实测，主要分析了不同变形程度、不 同终冷温度及不同轧后冷 却工艺对带钢屈服强度及抗拉强度的影响。为实际生产中的室温力学性能在线控制提 供了依据。关键词控轧控冷微合金钢力学性能 1 日E S 】DY oF 1=1 珏 R 僵 0 僵 E CHA NI CA I()D I 1 t 0L P C _ C l I oR Nb一 I l IC RoAI J 门 E D A I】1 蕾 0呱，E S 1 1 6 如 E IC H A NI CA I P ll 0 ll 1 R TY Z h a o Ga n g X i e Gu o h o n g Yu C h l b l n Ye Ch u a n l o n g (Wu h U n i v e r s i t y 0 f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y)Z e n g P i n g S o n g P i n g S u Y i C h e n ua n g (Wt u t u m I r o n a n d S t e e l C o r p )S y n o p E ff e c t 0 f l 0 g ic a l p a r a n t e r o f 1 1 l 咖 瑚 1 e d l a r c a l C o n t r o l P roc e s s O i l mi c r o s t u c t m a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s 0 f N b T i c ma l l o y e d a u t o mo t i v e s t e e l w e l i n v e s t l g t e d T h e w 1 a t l o n s h i p b e t w e e n l m0 l 0 g i c a l p c r m n e t e r a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sw e r e a I I y 捌 Al o t o f t h e p md u c fi o n s p e c i me n t h a v e b e e n t a k e n f o r me c h a n i c a l p r o p e r t y t e s t On a T HE RMF A I A g r O R Z h o t s i mu l a t o r e x p e r i me n t，t h e e ff e c t o f d e f o r n o n、fi n i s h c 0 di n g t e mp e r a t u r e a n d c 0 di l 1 g r a t e o n t h e y i e l d s b a n dt e i l e曲 h a s b e e n s t u d i e di nt h i s p a p e r T h e o b 屯 8 e dd a t a c a n b e u s e d f o r r e f e r e n c e t o g e t t h e r e q I l i I 耐me c h a n i c a l p r o p e r t i e s i n p n d u c t i o n Ke y wo r O s T n e c a l C o n t r o l P roc e s s ml e r o a l l o y e d s t e e l me c h a n i c a l p r o p e x l y 1 前言 控轧控冷 是提高低碳微合金钢力学性 能的重 要途径。采用不同变形条件及轧后冷却控制工 艺，可控制奥氏体再结晶和晶粒长大，同时使微合 金元素 Nb和 T i 的碳氮 化 物在 较低 的温度 析 出，通过晶粒细化和析出强化机制提高了带钢的力学 性 能。追求 更好 的综合性 能是 当今 汽车用钢发展 的趋势。本文在热模拟实验的基础上，结合实际 生产带钢成品组织及力学性能的实测检验值，主 要探讨 了控轧 控冷工艺 对含 N b一，I i 微 合金 汽车 用钢屈 服强度及抗拉强度 的影响。为实际生产 中 的室温力学性 能控制提供 了参考依 据。2实验材料及方法 2 1 不同变形条件 的实验 实验用 的 C、S i、M n、N b、T i 含量(质量 分数)分别为 O o 9、O 2、1 1 3、0 0 3 0和 0 0 2 0，提供 取样状 态为热 连轧机组粗轧后 中间带坯。将所取 试样加工成热模拟实验的要求 怊 1 2的园拄体。联 系人：赵刚，副 教授，武 汉 市(4 3 0 0 8 1)武汉科 技大 学材料 冶金学 院 3 O 维普资讯 http:/ 实验在 T H E R M E C M A S IX)R Z型热模拟实验机上 进行。表 1 为实验中部分试样的变形和冷却工艺 参数。试样以 l O，s 的速度加热到 1 2 0 0，保 温 1 0 ra i n，以2 o，s 冷却到变形温度后连续变形。变形后其中一组试样直接淬火保 留轧后组织，其 它试样分别 以 1 s、2 s、5 s、9 s、1 5，s、2 3 s、3 O s、3 6，s 速度冷却。变形及冷却 后 的全部试样经 金相研磨、抛光及腐蚀处理后，在 显微镜下观察显微组织。在 I B M 2 0 0 0图相仪对 模拟实验的试样和实际生产 中的成品带钢所取试 样进行了显微组织检验 和晶粒尺寸的分析测定。用 J E M 2 0 0 0 F S T E M型透射电镜观察了连续冷 却后试 样的精细组织及碳 氮化物 的析 出情况。表 1 热模拟实验变形及冷却工艺参数 2 2 硬 度与强度实验 由于热模拟实验后的试样不能直接测得该试 样的屈服强度和抗拉强度这些力学性能参数，需 通过其它途径间接得到其值。本研究中采用的金 属学研究领域通常应用的用钢材的硬度值换算钢 材的力学方法来建立硬度与强度之间的关 系。为 了得到不 同轧制条件下 的维 氏硬度与强度之 间的 关系，取热模拟实验机上经上述变形和冷却后的 试样进行了维护氏硬度检测，同时在实际生产中 取 同一钢种成 品试样进行 了维 氏硬度及强度指标 的检测。表 2为热模拟 实验条 件下组织与硬度 的 检测值(其 中屈肥强度和抗接 强度 为模 型计算 值)。表 3 为实际生产 中成品试样强度与硬度检 验值。表 2 热模拟实验条件下硬 度检测值与强度的预报值 表 3 实际生产中成品试样强度与硬度检验值 屈 服强度 MP a 4 7 4 4 7 4 4 6 2 4 6 4 4 7 0 4 2 0 4 3 0 4 6 0 4 5 5 4 4 0 4 6 5 5 0 0 抗拉 强度 MP a 平 均 硬度(f f v 5)屈 服强度 MP a 抗拉 强度 MP a 平 均 硬度(Hv 5)5 7 5 l 7 4 7 4 8 6 5 6 7 1 7 4 2 5 4 0 l 6 7 8 4 3 5 5 2 5 1 6 3 2 5 3 0 1 6 1 8 4 3 0 5 3 0 1 6 o 4 5 5 5 1 7 1 9 4 5 4 5 4 0 1 7 5 6 5 8 1 l 7 8 7 3 实验 结果分析 3 1 硬度与强 度之 间的关 系 通过统计 回归建 立 的屈 服强度、抗 拉强度 与 维 氏硬度 的统计模 型：=2 6 2 2 5 6 1 h v+1 2 4 7 3 4 7 7 (1)a b=2 4 7 6 9 3 4 h v+1 3 2 3 8 4 0 8 5 (2)式 中 屈服强 度，MP a 抗拉 强度，MP a 砌 维 氏硬度，H V 模型(1)的 R 2=0 7 7 9 5 9 8，模 型(2)的 R 2：0 7 4 1 9 3 8，R为模型检验 的复相关系数。强度预 测值与实测值的比较如图 l 所示。回归结果表明 硬度与强 度之间为线性关 系。热模拟的计算强 度 结果 见表 2。3 2 变形条件对 力学性能影响 再结 晶的 实验 表 明 该钢种 的再 结 晶温度 为 9 5 0左 右。本 实验 采用在奥 氏体再结 晶区变形 一道，在奥氏体未再结晶区的变形三道的工艺，变 形工艺制度见表 l。在相 同的冷却速度条件下，图 2显示 了强度随轧 出厚度的变化 曲线。分析认 为，在相同的入 口厚度条件下，规格变薄即变形程 度增加，特别是变形处在部分再结晶区，奥氏体再 结 晶的数量急剧增加。同时变形 的增加使 晶粒变 形加剧晶粒被破碎，晶粒因发生畸变增加 了储存 能，再结晶的驱动力增加，促进了再结晶的发生，使奥氏体晶粒尺寸变小，并最终获得细小的铁素 体晶粒。铁素体晶粒的细化导致强度增加1】。成 品厚度为 4IT l l n的屈 服强度 比成 品厚度为 8胁的 屈 服强度高 4 0 b i P a，抗拉强度高 3 0NP a。3l L 鼢 O 6 m 惭跏 O 9 9 卯 镐 鼹 鲫 栅姗 7 9 M姗粥 8 4 伽 舢 说灿 维普资讯 http:/ 口 l 革 幕 隧 实测 值 M P a (a)屈 服 强度 的实测 值与 预测值 拟合 图 实测 值 M P a (b)抗拉强度的实测值与预测值拟合图 图 l 强度的预测值与实测值的比较 图 2 成品厚度与强度值 的关系 3 3 冷却工艺对 力学性能的影响 开轧温度、终轧温度、卷取温度及冷却速度是 3 2 控轧控冷的重要工艺参数。本文涉及的实验条件 以实际生产工艺为依据。开轧温度 l 0 2 0，终轧 温度为 8 6 0，而冷却速度的选取范围覆盖了可 能的精轧轧后冷却速度范围。图 3 为相同开轧温度及终轧温度条件下，不 同卷取 温度 与强度 之间的关 系曲线。图 4为不 同 冷却速度条件下的显微组织图片。可以看出，随 着冷却速度的提高，组织变细。在 3 o，s 的冷却 速度下，主要相变产物为粒状贝氏体，原奥氏体晶 界很难分辨。在晶粒 内形核的贝氏体、铁素体向 不同的方向长大，第二相的 lVl A组元均匀地分布 于贝氏体铁素体基体上，如图 4(c)所示；当冷却 速度降低到 l 5，s 时，形成的组织为先共析铁素 体和粒状 贝氏体的混合物，即针状铁素体组织。如图4(b)所示；当冷却速度降低到5 c【=s 以下时，组织中主要为多边形铁素体及少量的 M J A组元 合珠光体，如图 4(a)所示。从强度指标看，不 同 的卷取温度，意味着不同的冷却速度，随着卷取温 度 的下降，强度增 加。这一点 与组织 的变化 是相 一致的。实验研究表明，降低卷取温度会引起屈 服强度的增加，但是 5 O纤维状断口转变温度却 提高了I2】。由于出现针状铁素体，所以 6 0 0以 下卷取时，低碳铌钢具有强度和韧性都好的综合 性能。董 蠖 嘿 圈 3 卷 取温 度与 强度值 的关 系 图 4 不同冷却速度条件下的显微组织(a)冷速 2 C s(b)冷速 1 5，s(c)冷速 3 0，s (下转第 4 8页)维普资讯 http:/ 迅速被 浸蚀。3 0 4和 1 C r l 8 N i 9 T i 钢 相 比，l C r l 8 N i g T i 试 件表 面出现的浸蚀较 明显(图 5 a、b、c)，这说 明钢中含 有较低的 C和较高的 s i，具有阻止点蚀 的生核和 促使其再钝化的作用。由两种不锈钢在 H C I 中的 腐蚀形貌(图 4 d和图 5 d)可以看出，两种试样表 面都有明显的点蚀坑，且点蚀坑的数量多，深度 大。由于 a一 的存在，使得材料 以颗粒剥落形式 流失。点蚀坑多发生在晶界夹杂或含抗点蚀元素 较低的析出相附近的贫铬区域中，点蚀一旦出现 并迅速发展而形成较大 的浸蚀坑，有些坑底还存 留有许多腐蚀产物，试样表面留下 了条纹状的浸 蚀沟和点蚀坑，由于阴极、阳极表面的极化作用，材料产生了明显的氢脆。4结论(1)不锈钢在酸性溶液 中的腐蚀失效形式与 酸性 介 质 有 关。3 0 4和 1 C r I 8 N I 9 T i不 锈 钢 在 H N O,、S O,i、坞P O,i 溶液 中的腐蚀形式主要是 晶 间腐蚀，但在 H C I 溶液中主要是点蚀。(2)不锈钢在 H N O,、I-I2 S O,、P O 4 溶液 中的 腐蚀状态都是从活化状态过渡到钝化状态，然后 再到过钝化状态。而在 H C I 溶液中不锈钢没有钝 化性。(3)3 0 4比I C r l 8 N i9 T i 不锈钢具有更好的耐蚀 性。碳的质量分数越低，不锈钢的耐蚀性能越好。(4)对装盛 删 0 3、H 2 S O 4 和 坞P O 4 溶液 的集 装箱等容器而言，脚 阀材料应优先选用 3 0 4 不锈 钢，而且 3 0 4不锈钢中不含 元素，其表面抛光 性能也比 1 C r l 8 N i 9 好。如果可能建议选用 3 0 4 L和 3 1 6 L两种越低碳不锈钢。参 考文 献 1 Ha I 击 G。T ll c r W。FW曩I 嘲 1(1 椭。1 9 8 9(4 0)4 6 7 2 A k a 幽 M，K a w e n T，V r,w n a F C o I x t lO l l 咖嘲。1 9 8 0 (2 9)1 6 8 3 冈毅民 中国不锈钢腐蚀手册，北京：冶金工业出版社，1 9 9 2 4 中国腐蚀与防护学会 腐蚀试验方法 与防腐蚀检 技术。北 京：化 学工业 出版社。1 9 9 6 (收祷 日期：2 0 0 2 0 9 2 0)(上接 第 3 2页)在透射电镜下测量实验钢种的 N b、T i 的碳氮 化合物的析出 在未再结晶区控制轧制和控制冷 却的工艺下，第二相在基体中弥散均匀分布，其形 状 为球 形、方形和矩形。球 形析 出尺寸细小，多为 3 5 5 0 ta n，方形和矩形析 出尺寸略大，能谱分析 表明球 状析 出 N b C，并含 有少 量，也有 部分 N b (C，N)，较大的方形和矩形析出物为 T i N。实验钢 中氧化物和硫、氧化物复合夹杂呈球状分散分布，这对于改善带钢的冷成型性能，提高钢的冲击韧 性，降低脆性转变温度有利【3】。4 结论(1)建立了不同硬度与强度之间的数学模型，为热模拟实验与实际生产条件下的室温力学性能 检验值两者之间建立了对应关系。(2)随着奥氏体部分再结晶区变形程度的增 48 加，奥氏体晶粒细化，相应得到细化 的铁素体晶 粒，强度增加。(3)随着卷取温度的下降及冷却速度的提高，相变后 的组织变细，并且针状铁素体的数量增加，强度增加。针状铁索体数量的增加也有利于获得 高的强度和 良好 的韧性。但过低 的卷取温度时，得到贝氏体组织将会使韧性变坏。参考文献 1 M 科恩，等，钢的徽合金化及控|I 轧|I，北京：冶金 工业出版 社。1 9 8 4 2 MP I Er R ZYK，C ROUCOUI J 。P D HODGS ONMl _ d e n i l l gth e 咖 c a l a n d Mi 咖 日 h I l c n E v o l u t i o n D u I i l I g o f a N b I-EL A S t e e l，I S l J I n t e me t i ma l，1 9 9 5。3 5(5)：5 3 1 5 4 1 3 一 B c-l g KJ G a n d J J ON A S，Ma t h e m e t i c a l Mo d d l i n$o ft h e th e m q 衲 m Ki n c 8 o f Nb Mi 口呻ll 凹e d S t e e l e，I S I J I n t e me t i e n a l 2 0 O1：7 6 67 3 3 (收祷 日期：2 0 一 0 2 1 5)维普资讯 http:/