劉 穎1，周朝剛2，汪云輝

(1.唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，唐山 063001；2.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，唐山 063210；3.河鋼集團(tuán)唐鋼公司技術(shù)中心，唐山 063016)

0 引 言

汽車的輕量化是發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)，打造可持續(xù)發(fā)展生態(tài)鏈，實(shí)現(xiàn)我國從汽車大國向汽車強(qiáng)國轉(zhuǎn)變,滿足綠色低碳出行要求的必然發(fā)展趨勢，這也促進(jìn)了各種通過熱軋、冷軋等工序生產(chǎn)的汽車用高強(qiáng)鋼的研究與開發(fā)。但隨著鋼強(qiáng)度等級的不斷提高，鋼材在加工和使用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)分層、回彈和開裂等缺陷。許多學(xué)者對這些缺陷出現(xiàn)的原因進(jìn)行了分析[1-8]。研究發(fā)現(xiàn)，在對汽車橫縱梁用熱軋高強(qiáng)鋼卷進(jìn)行剪切加工后，其剪切斷面一般會出現(xiàn)彈性變形、塑性變形、裂紋擴(kuò)展以及斷裂等現(xiàn)象，而剪切斷面質(zhì)量的好壞將影響鋼板的后續(xù)使用性能[9]。其汽車橫縱梁用700 MPa級熱軋高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)流程為鐵液預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐煉鋼→精煉→連鑄→軋制→卷取，其中：轉(zhuǎn)爐煉鋼時(shí)的溫度為1 6351 660 ℃，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧體積分?jǐn)?shù)為0.06%0.07%，吹煉時(shí)間為2025 min；連鑄時(shí)采用低碳覆蓋劑和包晶鋼保護(hù)渣，溫度控制在1 5301 550 ℃；軋制包括5道次粗軋和7道次精軋，終軋溫度為850870 ℃；卷取溫度為600620 ℃，得到鋼卷板厚度為3.0 mm。在對鋼卷進(jìn)行原料鋼卷上料→開卷→矯直→定尺橫剪→定尺縱剪→落料→整修→沖孔→沖壓成型過程中，發(fā)現(xiàn)在縱向剪切后鋼板出現(xiàn)分層開裂現(xiàn)象。但是目前，有關(guān)汽車橫縱梁用700 MPa級熱軋高強(qiáng)鋼在剪切加工過程中分層開裂原因的研究較少，如何通過合理的工藝參數(shù)調(diào)控分層開裂問題是提高唐鋼700 MPa級熱軋高強(qiáng)鋼在國內(nèi)外鋼鐵市場有效競爭力的關(guān)鍵。為此，作者對700 MPa級熱軋高強(qiáng)鋼板在剪切加工過程中分層開裂的原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)改進(jìn)措施。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 分層開裂形貌

鋼卷經(jīng)開卷、縱向剪切后，觀察鋼板橫截面的形貌。由圖1可以看出，分層開裂現(xiàn)象出現(xiàn)在鋼板寬度的中間位置。

在裂紋區(qū)域附近取樣，沿裂紋擴(kuò)展方向剖開，剖面經(jīng)磨制、拋光后，采用SIGMA-HD型掃描電鏡(SEM)觀察裂紋擴(kuò)展形貌。由圖2可以看出：分層裂紋主要出現(xiàn)在鋼板厚度的心部區(qū)域，裂紋擴(kuò)展長度在35 mm。

圖1 高強(qiáng)鋼板中分層開裂的宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of lamellar cracking in the high strength steel plate

圖2 高強(qiáng)鋼板中裂紋擴(kuò)展形貌Fig.2 Crack growth morphology in the high strength steel plate:(a) crack 1 and (b) crack 2

1.2 化學(xué)成分

700 MPa級高強(qiáng)鋼汽車橫縱梁與其他構(gòu)件之間存在剛性焊接連接。碳含量越高則鋼的焊接性能越差，因此要求該高強(qiáng)鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低；汽車橫縱梁在加工成型后需對其表面進(jìn)行噴涂，因此需保證熱軋帶鋼表面質(zhì)量良好，無氧化鐵皮存在，這就要求鋼中的硅含量較低；為了提高鋼的強(qiáng)度等級還需添加鈮、鈦等微合金元素進(jìn)行強(qiáng)化[10-12]。采用ARL4460型直讀光譜儀對700 MPa級熱軋高強(qiáng)鋼板的化學(xué)成分進(jìn)行測試。由表1可以看出，該700 MPa級熱軋高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分滿足設(shè)計(jì)要求以及EN-10149-2：2013標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 700 MPa級熱軋高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.3 拉伸性能

按照EN-10149-2：2013，在鋼板未開裂部位沿縱向截取拉伸試樣，采用Z330E型330 kN電子拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸應(yīng)變速率為0.006 7 s-1。由表2可以看出，該高強(qiáng)鋼的拉伸性能滿足EN-1049-2:2013標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 700 MPa級熱軋高強(qiáng)鋼的拉伸性能

1.4 顯微組織

分別在分層開裂鋼板裂紋附近和未分層開裂鋼板上截取金相試樣，經(jīng)磨制、拋光，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，采用Axiovert 40MAT型光學(xué)顯微鏡觀察鋼板橫截面的微觀形貌。由圖3可以看出，分層開裂鋼板沿其厚度方向的中心部位存在貫穿于整個(gè)視場的黑線區(qū)域，而未分層開裂鋼板中未出現(xiàn)黑線區(qū)域。

圖3 分層開裂鋼板裂紋附近和未開裂鋼板橫截面的顯微組織Fig.3 Microstructures of cross section near cracks of lamellar cracked steel plate (a) and uncracked steel plate (b)

圖4 分層開裂鋼板中裂紋尖端和黑線區(qū)域的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of crack tip (a) and black line area (b) in the lamellar cracked steel plate

采用SIGMA-HD型掃描電鏡(SEM)對分層開裂鋼板中黑線區(qū)域及裂紋尖端形貌進(jìn)行觀察。由圖4可以看出，分層開裂鋼板中的裂紋終止于黑線區(qū)域，黑線區(qū)域?yàn)殍F素體-珠光體帶狀組織。帶狀組織是由連鑄過程中的成分偏析導(dǎo)致的，而熱軋工藝的不合理加劇了帶狀組織的形成[13]。

利用SIGMA-HD型掃描電鏡對分層開裂鋼板中裂紋尖端變形區(qū)域進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)該變形區(qū)域存在微小的孔洞，如圖5(a)所示。用掃描電鏡附帶的X-maxN型能譜儀(EDS)對孔洞處進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)孔洞處存在大量的鈦元素，如圖5(b)所示。鋼中的鈦元素主要與碳、氮形成TiC、TiN等化合物，在連鑄或熱軋過程中作為第二相粒子析出[14]。采用SIGMA-HD型掃描電鏡對變形區(qū)域的微觀形貌進(jìn)行進(jìn)一步觀察，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域存在大量大尺寸的第二相粒子，如圖6所示。另外，分層開裂鋼板中裂紋尖端變形區(qū)域還存在大量由硫、錳、鋁和氧等元素形成的氧化鋁、硫化錳等夾雜物。

圖6 分層開裂鋼板裂紋尖端變形區(qū)域中的第二相粒子形貌Fig.6 Morphology of second phase particles in the deformation area at the crack tip of the lamellar cracked steel plate: (a) view 1 and (b) view 2

2 開裂原因及改進(jìn)措施

由上述檢驗(yàn)結(jié)果可知，高強(qiáng)鋼板組織中存在的鐵素體-珠光體帶狀組織是該鋼在剪切加工過程中出現(xiàn)分層開裂現(xiàn)象的直接原因。在剪切加工過程中，帶狀組織與相鄰組織區(qū)域的物理性能不同，在剪切力作用下易在性能高、低帶之間產(chǎn)生應(yīng)力集中[15-16]，從而出現(xiàn)分層開裂現(xiàn)象。同時(shí)，在剪切變形過程中，高強(qiáng)鋼板易在大尺寸第二相粒子或夾雜物等應(yīng)力集中處形成微小的孔洞，隨著變形程度的加劇，孔洞尺寸逐漸增大，從而加劇了裂紋的擴(kuò)展。因此，在高強(qiáng)鋼板的生產(chǎn)過程中需控制帶狀組織并提高鋼液的潔凈度。

研究表明，鋼中帶狀組織的形成主要與成分偏析有關(guān)[13]。為了減輕鋼的成分偏析程度，對高強(qiáng)鋼的連鑄工藝進(jìn)行優(yōu)化。在連鑄過程中鋼液澆鑄的初始速度,即連鑄機(jī)起車速度由0.2 m·min-1提高到0.3 m·min-1，連鑄機(jī)起車后穩(wěn)定澆鑄速度在24 min內(nèi)增加至0.9 m·min-1以上；穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)鑄坯拉速由1.21.5 m·min-1變?yōu)?.31.4 m·min-1；扇形段輥縫精度由±0.2 mm提高到±0.1 mm。在連鑄工藝優(yōu)化前后的鑄坯上截取試樣，鑄坯橫截面經(jīng)打磨、拋光，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的鹽酸酒精溶液侵蝕后肉眼觀察，發(fā)現(xiàn)連鑄工藝優(yōu)化后鑄坯中心的偏析程度減輕。

圖7 連鑄工藝優(yōu)化前后高強(qiáng)鋼鑄坯的宏觀偏析形貌Fig.7 Macro-segregation morphology of high strength steel slab before (a) and after (b) continuous casting process optimization

高強(qiáng)鋼液的潔凈度優(yōu)化措施主要包括：在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中控制終點(diǎn)溫度，以降低后吹風(fēng)險(xiǎn)；將鋼液進(jìn)行靜置以降低終點(diǎn)氧含量，從而控制夾雜物的生成；調(diào)整精煉渣中FeO、CaO、Al2O3等成分比例，以提高吸附夾雜物的能力；采取全流程保護(hù)澆注，以減少鋼液中因二次氧化而形成的外來夾雜物數(shù)量；連鑄過程中采取恒拉速控制，且中包澆注時(shí)采取高液位澆注方法，以降低大型夾雜物的數(shù)量。采用SIGMA-HD型掃描電鏡對煉鋼工藝優(yōu)化前后鋼中夾雜物和大尺寸第二相粒子的數(shù)量進(jìn)行分析，掃描面積為9.96×107μm2。由表3可知，煉鋼工藝優(yōu)化后鋼中夾雜物和第二相粒子的數(shù)量明顯減少，鋼的潔凈度得到明顯改善。

綜上可知，經(jīng)過煉鋼、連鑄工藝的優(yōu)化，高強(qiáng)鋼鑄坯中帶狀組織缺陷得到改善，鋼液潔凈度明顯提高，從而得到了高質(zhì)量的高強(qiáng)鋼卷，且在后續(xù)的剪切加工過程中并未發(fā)現(xiàn)類似的分層開裂現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

(1) 700 MPa級熱軋高強(qiáng)鋼中由成分偏析造成的嚴(yán)重的鐵素體-珠光體帶狀組織是該鋼在剪切加工過程中出現(xiàn)分層開裂的直接原因，在裂紋尖端變形區(qū)域中大尺寸第二相粒子或夾雜物附近的微小孔洞的長大加劇了裂紋的擴(kuò)展。

表3 煉鋼工藝優(yōu)化前后高強(qiáng)鋼中夾雜物及第二相粒子的數(shù)量

Table 3 Quantity of inclusions and second phase particles in high strength steel before and after steelmaking process optimization

分類優(yōu)化前優(yōu)化后數(shù)量/個(gè)數(shù)量百分比/%數(shù)量/個(gè)數(shù)量百分比/%Al2O376117.314060.6硅酸鹽53612.26226.8條狀硫化錳150.310.4非條狀硫化錳2020.9球狀硫化物1 30429.7135.6復(fù)合氧化物0000復(fù)合硫化物94421.583.5TiN82718.952.2

(2) 通過控制連鑄機(jī)起車速度、穩(wěn)定澆鑄速度，調(diào)整扇形段輥縫精度，并采取控制轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度、終點(diǎn)氧含量，調(diào)整精煉渣成分，以及全流程保護(hù)澆鑄措施后，鋼液潔凈度明顯提高，高強(qiáng)鋼的帶狀組織得到改善，在剪切加工過程中未再出現(xiàn)分層開裂現(xiàn)象。