汽车用大梁钢中析出强化、相变强化检测方案(扫描电镜)

第23卷第5期2011年5月钢铁研究学报Journal of Iron and Steel ResearchVol.23， No.5May 2011 钢 铁 研 究 学 报第23卷·46· 780MPa 级重载汽车用大梁钢的工业试制 王晓南， 杜林秀， 张海仑， 邸洪双 (东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁沈阳110819) 摘 要：以低碳复合添加微合金元素铌和钛为成分设计思路，综合运用细晶强化、相变强化和析出强化三种强化机制，在国内某厂1750mm 半连续热连轧机组进行了780MPa 级大梁钢的工业试制。结果表明，终轧温度需控制在780~860℃，卷取温度需控制在450~550℃。大梁钢的显微组织为贝氏体和少量的细晶铁素体，并获得了大量弥散的尺度为10nm 以下的(Nb，Ti)C 析出物。大梁钢的屈服强度为700M Pa，抗拉强度为780MPa，伸长率为19%。大梁钢具有良好的低温冲击韧性、冷弯成形性及焊接性能。 关键词：780MPa级；大梁钢；析出强化；相变强化 文献标志码：A 文章编号：1001-0963(2011)05 004505 Industrial Trial of 780MPa Grade HeavyDuty Truck Beams Steels WANG Xiao nan. DU Lin xiu.，ZHANG Hai-lun.DI Hong-shuang (The State Key Laboratory of Rolling and Automation， Northeast ern University， Shenyang 110819， Liaoning， China) Abstract： W ith the co mpo nent design ideas of low carbon composite added wit h microallo ying elements Nb andTiand fine grain strengt hening， transformation strengthening and precipitation strengthening were used， the780 MPa grade heavy dut y beams steels were carried out on a domestic factory 1750 mm semi continuous hot rollingmill. The results show that the finishing temperature to control in range of 780- 860℃， and coiling temperatureto cont rol in range of 450- 550℃. The microstructures of steel are bainite， small amounts of fine grain ferrite，and a lot of dispersed (Nb，Ti) C precipitates wit h the scale of 10 nm and below. The yield and tensile strengths ofthe steel plate are about 700 MPa and 780M Pa， respectively. The elongation is 19%. T he st eel plat e have goodlow-temperature impact toughness， cold bending forming and welding performance. Key words： 780 M Pa grade；truck beam steel； precipitation strengthening； transfor mat ion strengt hening 随着国家对公路基础建设的投入，公路运输的作用日益增大，重载汽车作为公路运输的主要工具，其车身的轻量化受到越来越多的商家和研究人员的关注。重载汽车的轻量化途径之一为利用高强度或超高强度钢替代原有的低强度钢。对于载重汽车车架用钢来说，国外已应用屈服强度为700MPa 级的钢板，主要的产品有欧洲EN10149-2中的 S700M C、瑞典 SSAB公司中的 DOMEX70 等，均属于析出强化和细晶强化型钢板，成分以低碳和一定锰复合添加Nb、TiV、Al等细晶元素。另外，日本的NKK 公司，采用大力降低 C、S、P含量，复合加入微合金元素的方法得到了3种780M Pa 级高强度热轧板F2。国 内各大钢厂的汽车大梁钢产品主要以510L 和610L 为主，强度偏低，车架质量大，运输过程中能源消耗高，有效载重系数低。宝钢采用低碳和一定量的锰复合加入微合金元素(Nb、V、Ti和Mo)，成功生产出 BS550MC-BS700MC 系列热轧钢板，强化类型以析出强化和细晶强化为主。 本文以开发低成本高性能的780M Pa级重载汽车用大梁钢为目的，采用适当碳含量，较低铌含量和较高钛含量，不添加M o、Cr 等昂贵合金元素的化学成分设计思路，通过轧制工艺和轧后冷却工艺的控制，获得了良好的微观组织形态，特别是获得了大量尺度为10 nm 以下的(Nb，Ti)C 析出物3.51。综合运 ( 基金项目：国家科技支撑计划项目(2006BAE03A08) ) ( 作者简介：王晓南(1984一)，男，博士生； E mail： wxn _ neu@ qq. com； 收稿日期：20100818 ) 用细晶强化、相变强化和析出强化三种强化机制，有效的提高了试验钢的强度，产品综合性能优良。该大梁钢已在国内某钢厂稳定化工业生产近万吨，为企业和重载汽车制造商创造了可观的经济效益，并取得了良好的社会效益。 1 试验材料及方法 试验钢的主要化学成分如表1(质量分数，%)所示。试验钢的冶炼工艺为：混铁炉铁水预处理LF 精炼炉连铸。坯料加热温度为1250℃左 表1 试验钢的化学成分 Table 1 Chemical compositions of test steels % C Si Mn P S Ti Nb Al ≤012 ≤020 ≤20 ≤0020 ≤0020 ≤012 ≤007 ≤004 右，适度控制精轧开轧温度，终轧温度控制在780~860℃，卷取温度控制在450~550℃，目标厚度为 5和9.75mm。 采用4%的硝酸酒精溶液对金相试样进行腐蚀，应用 LEICA-DMIRM多功能光学显微镜和 FEIQuanta 600 扫描电镜对显微组织进行观察。通过制备金属薄片试样和碳萃取复型试样，利用 T ecnai GF20场发射透射电镜对试样中的纳米级析出物进行细致观察。拉伸试验和宽冷弯试验在 WDW-300万能试验机上完成。低温冲击韧性测定采用“V”型缺口试样， 5mm板和9.75mm板的冲击试样均为非标试样，试样厚度分别为2.5和5mm，在 INSTRON9250落锤冲击试验机上完成。扩孔试验根据国标GB/T 15825.4-2008在 BCS 通用板料成形性试验机上完成。采用气体保护焊的焊接工艺，选用国产的JM-100C焊丝对 5mm 钢板进行对焊，焊接坡口为单边30°。利用 FM-700显微硬度计对焊接接头硬度变化进行测定。 (a) OM； (b)SEM。 图1 大梁钢的显微组织 ◎ 1994-2011 China Academic Jounaiiscestructure ofirautomobile heamssteelshlhts reserved. http：//www.cnki.net 2 试制结果与分析 2 1 显微组织 图1为大梁钢的显微组织。图1(a)为大梁钢的光学显微镜(OM)组织，图1(b)为大梁钢的扫描电子显微镜(SEM)组织。试验钢的室温组织以贝氏体为主，有少量细小的多边形铁素体，平均晶粒尺寸为4~51m。试验钢的精轧过程控制在未再结晶区变形，在晶粒内部积累了大量的变形带、孪晶和位错，增加了相变的形核点，因此可以获得细小均匀的多边形铁素体。冷却模式采用连续冷却的方式，卷取温度控制在450~550℃，获得了大量的贝氏体。因此，试验钢的强化机制包括细晶强化和相变强化。 利用 TEM 对试验钢中的析出物进行了细致的观察。图2为试验钢中典型的析出物及相应的化学成分。图2(a)为尺寸相对较大的析出物，其化学成分为(Ti，Nb)CN；图2(b)为试验钢中细小弥散的析出物，通过能谱分析可知其化学成分为(Nb，Ti)C。钛 图2试验钢中典型的析出物 Fig 2Typical precipitates in experimental steels 与氮具有很好的亲和力，从液态或凝固初期就形成了粗大的 TiN 颗粒，只有钢中氮消耗尽后，钛才会与碳结合。因此，在利用钛的析出强化作用来提高钢板强度时要尽量降低氮的含量，降低氮对钛的消耗。当板坯加热到1250℃时，大部分的铌溶解，而 TiN 的固溶温度较高，仍处于稳定的状态。随着板坯温度的降低，含铌的粒子附着在 TiN 上重新析出，即形成了尺寸相对较大的析出物(Nb， Ti) CN。由于铌或钛的碳化物的晶格类型相同，都是有 NaCl型的面心立方晶体结构，晶格常数相差不大，很容易相互溶解，从而形成铌和钛的复合碳化物。在试验钢中，10 nm 以下的析出物可以达到90%左右， 5 nm以下的析出物达50%左右，具有强烈的弥散强化作用，能显著提高试验钢的强度。因此，析出强化也是 试验钢的强化机制之一。 22 力学性能 表2为大梁钢的力学性能。从表中可以看出，不同板厚的试验钢均可以满足标准要求，但强度富余量并不是很大，其主要原因是受到现场实际生产中卷取机能力的限制。如图3(a)所示，试验钢具有良好的冷弯性能，完全可以满足大梁钢的成形性能要求。通过扩孔试验测定了5mm 板的拉伸凸缘性能，如图3(b)所示，扩孔试样大小为100mm×100 mm，将试验板减薄至25mm，并在中心预置直径为16. 5 mm 的孔。试验板的扩孔率为30%，对于此级别的钢板来说，具有较好的拉伸凸缘性能。 钢中夹杂物的控制水平和形态对钢板的冷弯性能和扩孔性能有直接影响，钢材的纯净化可以有效的 表2 大梁钢的力学性能 Table 2Mechanical properties of automobile beams steels 板厚/mm ReL/M Pa Rm/MPa 伸长率/% -60℃AKy/J 宽冷弯 B= 35mm，d=a，180° 扩孔率/% 5 710 790 190 18 合格 30 975 700 780 190 65 合格 标准 ≥700 ≥780 ≥16 0 合格(B=35mm，d=a，180°) (a)9 75mm 板宽冷弯试验； (b) 5mm 板扩孔试验。 图3 试验实物图 Fig 3 Pictures of tests 提高这两种性能。同时，组织形态是两种性能的重要影响因素。如果钢中出现带状组织则在冷弯成形过程中容易发生开裂；而组织中存在大的渗碳体或者是珠光体对钢板的扩孔性能是不利的。试验钢中夹杂物控制水平较好，且组织中无大的渗碳体和珠光体，因此试验钢具有良好的冷成形性能。 23 焊接性能 焊接电压为20~21V，焊接电流为210~220A，保护气为 80% Ar+20% CO2， 气体流量为25 L/ min， 采用手工半自动焊接方式。焊接后避开 起弧段和收弧段取金相试样和拉伸试样。焊接接头的抗拉强度达到770M Pa， 不存在焊接热裂纹和冷裂纹，断裂位置在细晶区。 图4为焊接接头的显微组织演变。焊缝组织为少量的先共析铁素体和大量的晶内铁素体(即针状铁素体)，细小的针状铁素体晶粒可有效的阻止裂纹扩展，具有较好的韧性，如图4(a)所示。在焊接过程中，熔合区和粗晶区的加热温度较高(T>1150℃)，金属被完全澳氏体化，且奥氏体晶粒明显粗化。在随后的快速冷却的过程中富碳的奥氏体来不及排碳而被 (a)焊缝； (b)熔合区； (c)粗晶区； (d)细晶区； (e)混晶区； (f)母材。 图4 焊接接头显微组织 保留或者较低温度下发生马氏体相变，从而形成了有方向性长条状M-A组元或块状M-A 组元。研究表明，随着冷却速度的降低，M-A 组元的形状是从细长具有一定方向性分布的棒状向岛状转变781。熔合区和粗晶区的显微组织为粒状贝氏体(GB)，但M-A组元的形貌有所不同，如图4(b)、4(c)。细晶区的峰值温度在A3以上，组织发生完全奥氏体化，但在随后的冷却过程中由于冷却速度相对粗晶区和熔合区较慢，奥氏体中的碳有充足的时间排出，因此形成了大量的细晶铁素体+珠光体，如图4(d)所示。混晶区的峰值温度A3~ Ae(900℃> T max>700℃)，母材组织中仅有含碳量较高的组织发生了 奥氏体化，并且在随后的冷却过程中转变成细小的铁素体，而母材组织中含碳量较低的贝氏体被保留下来，因此形成了铁素体+贝氏体的显微组织，如图4(e)所示。图 4(f)为母材的显微组织。 利用显微硬度计对焊接接头的硬度进行了测定，如图5所示。从图5(a)中可以看出，除细晶区以外，焊接接头各处显微硬度与母材基本持平。通过对拉伸断口侧面组织的观察可知，断裂位置在细晶区，图5(b)为断口下方组织形貌，铁素体晶粒沿着拉伸方向被明显的拉长。通过以上分析可知，试验钢的焊接接头强度基本与母材持平，焊接接头不存在明显的软化和脆化行为，具有良好的焊接性能。 (a)显微硬度变化； (b) 细晶区组织形貌。 3 结论 1) 以低碳复合添加微合金元素铌和钛为成分思路，采用较低的终轧温度780~860℃，适当的卷取温度450~550℃，综合运用细晶强化、相变强化和析出强化3种强化机制，可以实现抗拉强度780MPa级大梁钢的稳定化工业生产。 2) 所开发的大梁钢具有良好的低温冲击韧性、冷弯性能和焊接性能，完全可以满足重载汽车用大梁钢板的使用要求。 ( 参考文献： ) ( 11 Funakawa Yoshim asa， Shiozaki T suyoshi， T omit K unikazu， e t al. 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