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        Si對580 MPa級熱軋高擴孔鋼組織性能及表面質量的影響

        2020-01-17 01:28:50郭子峰李秋寒
        上海金屬 2020年1期

        郭子峰 張 衍 李秋寒 郭 佳 馮 軍 趙 青

        (1.首鋼集團有限公司技術研究院薄板所,北京 100043;2.綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點實驗室,北京 100043;3.北京首鋼股份有限公司制造部,河北遷安 064404)

        熱軋酸洗板是介于冷軋板和熱軋板之間的中間產品,它具有接近冷板的表面質量,同時保持著熱軋產品的力學性能,已經(jīng)廣泛用于汽車、家電和機械等行業(yè),市場需求量大[1-3]。高擴孔鋼作為先進高強度鋼的典型鋼種,是目前熱軋酸洗板研究的熱點之一,具有優(yōu)異的成形性能和良好的疲勞性能,用于制造乘用車的副車架、控制臂等核心零部件,有助于整車輕量化、安全化[4]。

        表面質量不僅是產品生產控制的基礎,更影響了用戶的生產工藝,部分使用環(huán)境苛刻的零件要求光學檢驗無缺陷。隨著汽車、家電工業(yè)的迅速發(fā)展,用戶對熱軋酸洗帶鋼表面質量的要求越來越高。高等級表面的熱軋酸洗高擴孔鋼的難點在于成分體系選擇以及連鑄、熱軋、酸洗等多工序控制。

        Si作為鋼鐵材料常用的強化元素,幾乎可全部固溶于鐵素體中,能夠顯著提高鋼的強度,且有利于獲得高的疲勞強度。然而研究發(fā)現(xiàn)[5],由于Si為選擇性氧化,高溫氧化時在FeO與基體界面上形成2FeO/SiO2(鐵橄欖石相),鐵橄欖石相成熔融狀態(tài)后便會以楔形侵入基體,形成錯綜復雜的特殊結構的鱗層,導致表面形成“紅鐵皮”缺陷,影響產品的外觀質量。

        本文重點研究了Si元素對熱軋580 MPa級高擴孔鋼(580HE)的組織、性能及表面質量的影響,并對其作用機制進行了探討,以期為提高580HE鋼的生產工藝水平和產品質量提供試驗依據(jù)。

        1 試驗材料與方法

        為了滿足客戶對產品表面質量的需求,本著經(jīng)濟工業(yè)生產的目的,首鋼580 MPa級高擴孔鋼采用C-Mn-Nb-Ti成分體系,通過中溫卷取獲得鐵素體和貝氏體雙相組織。Mn是高擴孔鋼中常用的合金元素,可有效提高奧氏體的淬透性,并降低鐵素體中的固溶碳量,從而提高鋼的延性。Nb不僅能夠延遲再結晶,同時對冷卻過程中的奧氏體向鐵素體轉變具有一定的抑制作用,且在鐵素體轉變過程中析出的碳氮化物,能抑制轉變的鐵素體晶粒長大,細化鐵素體晶粒。Ti元素具有廉價、高效的特點,在熱連軋和卷取后析出的Ti(C,N)粒子非常細小,能產生強烈的沉淀強化效應。

        首鋼580 MPa級熱軋高擴孔鋼的化學成分設計如表1所示,并將高Si、低Si含量的高擴孔鋼分別編為1號和2號。

        表1 580 MPa級熱軋高擴孔鋼的化學成分(質量分數(shù))Table 1 Chemical compositions of the 580 MPa grade hot-rolled steel with high hole expansion ratio(mass fraction) %

        熱軋580HE鋼的生產工序為:鐵水預處理→轉爐→LF精煉處理→RH精煉處理→板坯澆注→加熱爐→高壓水粗除鱗→粗軋→高壓水精除鱗→精軋→層流分段冷卻→卷取。帶鋼成品厚度為3 mm。熱軋卷取后,距離帶鋼尾部15 m取樣,在寬度1/4處橫向切取3根拉伸試樣。按照 GB/T 228.1—2010規(guī)定,在德國Zwick Z100型電子萬能材料試驗機上進行拉伸試驗,彈性階段至屈服階段采用0.000 25 s-1的應變速率,測定屈服強度或塑性延伸強度后,采用0.006 7 s-1的應變速率,取3根試樣的平均值。

        在帶鋼寬度1/4處切取尺寸為20 mm×15 mm金相試樣,研磨、拋光后,用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕,使用萊卡DM6000M光學顯微鏡、蔡司EVO MA15掃描電鏡進行組織觀察,使用JEM-2000FX型透射電鏡對微觀組織及位錯形態(tài)進行觀察。軋制后、卷取前利用在線表面檢測系統(tǒng)拍攝帶鋼上下表面圖像。

        擴孔率試驗根據(jù)GB/T 15825.4—2008進行,擴孔試樣尺寸為100 mm×100 mm,中間預制直徑d0為10 mm的沖孔。沖孔時將毛刺邊緣朝向凹???,啟動試驗機把錐頭凸模壓入預制孔,凸模運動速度為1 mm/s,當裂紋穿過預制孔整個厚度邊緣時沖孔試驗停止。擴孔率取3個試樣擴孔試驗的平均值。擴孔率λ表達式為:

        式中:df為出現(xiàn)破斷時的孔徑,d0為初始孔徑。

        2 試驗結果

        2.1 力學性能

        不同Si含量的580 MPa級熱軋高擴孔鋼的力學性能測試結果見表2。由表2可知,兩種試驗鋼的力學性能良好,均滿足標準要求。其中Si含量較高的1號鋼的屈強強度和抗拉強度較高,分別達到了568和615 MPa,擴孔性能良好,擴孔率達到了82%。Si含量較低的2號鋼的屈服強度和抗拉強度分別降低了26和13 MPa,屈強比降低至0.90,擴孔率降低至76%。

        表2 580 MPa級熱軋高擴孔鋼的力學性能Table 2 Mechanical properties of the 580 MPa grade hot-rolled steel with high hole expansion ratio

        2.2 顯微組織

        不同Si含量的580 MPa級熱軋高擴孔鋼的OM和SEM像如圖1所示??梢妰煞N試驗鋼的組織均為鐵素體加粒狀貝氏體,其中白色相為鐵素體,黑色相為粒狀貝氏體。相比于2號鋼,1號鋼的鐵素體晶粒略細,且整體組織均勻性更好。通過Image Tool圖像處理軟件計算得到1號和2號鋼中的貝氏體體積分數(shù)分別為7.5%和9.8%。

        圖1 580 MPa級熱軋高擴孔鋼的顯微組織Fig.1 Microstructures of the 580 MPa grade hot-rolled steelswith high hole expansion ratio

        不同Si含量的580 MPa級熱軋高擴孔鋼鐵素體中位錯組態(tài)的TEM像如圖2所示??梢钥闯?,兩種試驗鋼鐵素體中的位錯密度均不高。其中1號鋼中的位錯密度較高,呈密集的網(wǎng)狀,相互交割、纏繞在一起。

        2.3 氧化鐵皮形態(tài)及表面質量

        圖3為不同Si含量的580 MPa級熱軋高擴孔鋼的典型氧化鐵皮截面形貌??梢钥闯?,2號鋼表面的氧化鐵皮厚度在6~8μm之間,1號鋼表面的氧化鐵皮厚度約為9~17μm,且氧化鐵皮與基體界面不規(guī)則,呈凹凸狀。對氧化鐵皮進行能譜分析,結果如表3所示,主要含有 O、Si、Mn、Fe等元素,且1號鋼的氧化鐵皮中的Si含量明顯高于2號鋼的。

        圖2 580 MPa級熱軋高擴孔鋼中鐵素體的TEM形貌Fig.2 TEM morphologies of ferrite in the 580 MPa grade hot-rolled steelswith high hole expansion ratio

        圖3 580 MPa級熱軋高擴孔鋼表面的氧化鐵皮截面形貌Fig.3 Cross-sectionalmorphologies of oxide scales on the surface of the 580 MPa grade hot-rolled steelswith high hole expansion ratio

        表3 氧化鐵皮能譜分析結果Table 3 Energy spectrum analysis of oxide scales

        不同Si含量的580 MPa級熱軋高擴孔鋼表面紅銹的典型分布如圖4所示??梢钥闯?,Si含量較高的1號鋼表面的紅銹數(shù)量較多,2號鋼表面僅見少量紅銹。

        3 討論及分析

        Si是低碳鋼中最經(jīng)濟的強化元素之一,它通過影響相變、組織等影響鋼材的性能,其在鋼鐵材料中有益作用的研究已開展較多[6-7]。Si是非碳化物形成元素,幾乎不溶于Fe3C中,抑制了貝氏體形成所需的貧碳區(qū)的形成,從而導致貝氏體的數(shù)量減少,這與圖1的結果一致。對1號、2號鋼中鐵素體的位錯組態(tài)的觀察發(fā)現(xiàn),較高Si含量鋼中的位錯密度較高,推斷為較高含量的Si原子引起更大的晶格畸變所引起的。

        圖4 580 MPa級熱軋高擴孔鋼表面紅銹的典型分布Fig.4 Typical red scale on the surface of the 580 MPa grade hot-rolled steelswith high hole expansion ratio

        熱軋高擴孔鋼的強化機制主要有固溶強化、細晶強化、沉淀強化和相變強化等。屈服強度主要與軟質相鐵素體相關,固溶強化、細晶強化等的作用明顯。這些因素對屈服強度σy的影響可以用式(2)來表達[8]:

        式中:σy為屈服強度;σ0為基體點陣阻力即P-N力;△σm為固溶強化的作用;△σt為沉淀強化的增量;△σv為位錯強化的作用;D為晶粒直徑;K1為晶粒尺寸系數(shù)。

        △σm固溶強化的作用如式(3)所示:

        式中[M]為固溶于鐵素體基體中溶質(C、N、Si和Mn)的質量分數(shù),%。

        根據(jù)式(3),當Si含量增加時,固溶強化作用明顯增大。Si作為增加碳在奧氏體中活度的元素,可顯著促進碳由鐵素體向奧氏體內擴散,增加了鐵素體的形核率,從而細化了體素體,起到了有效的細晶強化作用。因此,Si含量的增加可顯著提高580 MPa級熱軋高擴孔鋼的屈服強度,這與表2結果一致。雖然Si含量的增加細化了鐵素體晶粒,但基體中硬質相粒狀貝氏體的數(shù)量減少,削弱了對抗拉強度的貢獻,導致試驗鋼的抗拉強度增加較少。

        擴孔性能是關鍵的成形性能指標之一,反映了鋼板抵抗翻邊變形過程中局部開裂的能力,主要受基體組織硬度差的影響[10-11]。Si含量較高時,鐵素體晶粒尺寸較小,且固溶強化作用增大,使得鐵素體硬度提高,導致鐵素體與貝氏體兩相之間的硬度差減小,提高了材料的成形極限和各相之間的協(xié)調變形能力,抑制了裂紋的擴展(如圖5所示),有利于擴孔率的提高,最終導致Si含量高的1號鋼的擴孔率高于2號鋼。

        當高擴孔鋼中的Si含量較低時,結合界面附近的氧化鐵皮層中無明顯的Si元素富集,使得氧化鐵皮的致密度及與帶鋼基體的黏附性下降,在除鱗過程中FeO層去除的概率增大,從而減少了紅鐵皮缺陷。

        圖5 1號鋼中裂紋擴展路徑Fig.5 Crack propagation path in steel No.1

        4 結論

        (1)580 MPa級熱軋高擴孔鋼的基體組織為鐵素體和粒狀貝氏體。Si含量較高的試驗鋼中鐵素體晶粒尺寸小且均勻性較好,位錯密度較高,但貝氏體含量較少。

        (2)Si含量較高的試驗鋼的屈強強度和抗拉強度分別達到了568和615 MPa,擴孔率為82%。Si含量較低的試驗鋼的屈服強度和抗拉強度分別降低了26和13 MPa,擴孔率降低至76%。

        (3)Si含量較高的試驗鋼的氧化鐵皮厚度約為9~17μm,且氧化鐵皮與基體界面不規(guī)則,呈凹凸狀,熱軋鋼帶表面有明顯的紅銹。Si含量較低的試驗鋼的氧化鐵皮厚度為6~8μm,鋼帶表面僅見少量的紅銹。

        (4)Si元素具有明顯的固溶強化和細晶強化作用,Si含量的增加可明顯提高熱軋高擴孔鋼的屈服強度,并縮小了鐵素體與貝氏體兩相之間的硬度差,有利于擴孔率的提高。

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