相变诱导塑性钢生产现状与发展趋势

刘永前 陈 宇

(武钢研究院 湖北 武汉:430080)

上世纪90年代以来,中国汽车工业以年平均20%的增长速度飞速发展。汽车工业的飞速发展给人们带来便利的同时,也使全球石油资源消耗殆尽,还排放大量温室气体加剧地球温室效应。研究表明[1],汽车车身减轻10%,可以节油3%～7%。因此如何在不降低安全性的前提下,减轻车重实现节能减排成了各大车厂、钢厂共同努力的目标。国际钢铁协会组织进行多项汽车轻量化项目主要包括超轻钢白车身(ULSAB)、超轻钢覆盖件(ULSAC)、超轻钢悬挂件(ULSAS)和在此基础上的超轻钢概念车项目(ULSAB-AVC)[2]的研究,达到减重20%～40%的效果,主要原因就是采用了大量高强度钢板和先进高强度钢如高强度低合金钢(HSLA)、烘烤硬化钢(BH)、双向钢(DP)、孪晶诱导塑性钢(TWIP)和相变诱导塑性钢(TRIP)等。

1 TRIP钢研究进展

1.1 TRIP效应

TRIP钢最早于1967年由Zackey[3]等人在高合金奥氏体不锈钢的研究中提出,TRIP钢的典型显微组织如图1所示主要由铁素体、贝氏体、残余奥氏体组成,可能还有马氏体。当应力作用在钢板上时,如拉伸试验、汽车零件变形、汽车撞击等,在应变集中的地方,残余奥氏体将转变为马氏体,如图2所示。由于马氏体的硬度高,使局部的硬度得到提高,继续变形较困难,同时变形进一步向周围组织转移,颈缩的产生被延迟,随着相变的不断发展,材料获得了很高的塑性。残余奥氏体相变时体积增大,压迫周围的基体,使其发生塑性变形,引起位错密度增加,产生位错强化,同时相变产生的马氏体也使材料强度提高,钢板经相变后的塑性和强度都有提高。

图1 TRIP钢典型显微组织

1.2 TRIP钢成分

1967年Zackey[3]开发含Ni、Cr的 TRIP钢,成本较高。后来人们开始使用Si、Mn元素开发出经济型TRIP钢,得到了广泛应用。由于较高的Si含量会影响钢板表面质量和镀锌性能,使用Al代替或者部分代替Si的 TRIP钢[4-5]成为研究的热点。与此同时,人们开始在TRIP钢中添加Nb、Mo、Ti、V等合金元素来改善钢板性能。

Si、Al主要起固溶强化和抑制碳化物的形成,提高残余奥氏体稳定性。较高的Si含量虽然容易控制残余奥氏体的含量,但是在工业生产中会在钢板表面形成很厚的氧化铁皮,直接恶化钢的热轧性能和表面质量,并且在热镀锌时,高含量的Si会使锌层润湿性变差且容易形成脆性的合金层,从而减弱镀层与基板的结合力[6]。Al代替Si能够获得较好的 TRIP效应,Al能有效抑制渗碳体的析出[7],但是Al含量过高会造成TRIP钢水流动性降低,在连铸生产时容易堵塞结晶器水口。

图2 TRIP效应示意图

Mn主要通过固溶强化降低γ→α相变温度而促使晶粒细化,还可以降低Ms,对残余奥氏体含量起重要作用。Mo是强烈稳定奥氏体元素,同时具有重要的固溶强化作用,此外Mo能强烈延迟碳化物的析出,能起到部分取代Si的作用。此外微合金化元素Nb、V、Ti能起析出强化和细化晶粒的作用[8-9]。

1.3 TRIP钢组织特点

TRIP钢具有多相组织,既有软相铁素体,也有硬相贝氏体,还有亚稳定的残余奥氏体。钢中组织的合理配比、亚稳相的稳定性等决定了 TRIP钢的力学性能。

铁素体是TRIP钢中的基体组织,硬度低,塑性较好,其含量由两相区等温转变过程控制,一般在50%以上。Zarei[10]等 对 Si-Mn TRIP钢中的研究表明,随铁素体量的增加,残留奥氏体量出现一个最大值,随后下降,故为取得较好的 TRIP效应,应优化铁素体量,以便获得最大量的稳定的残留奥氏体。

贝氏体作为TRIP钢中的硬质相,能提高TRIP钢的强度。钢板在贝氏体转变区等温处理时,发生奥氏体向贝氏体的转变,由于碳原子在贝氏体中固溶度远小于奥氏体,因此大量的碳原子将扩散到相邻奥氏体内。随着贝氏体区的长大,相邻奥氏体内的碳浓度不断升高,直到奥氏体的临界转变温度T0接近于等温温度,相变逐渐停止。

残余奥氏体是 TRIP效应的来源,主要分布在两种位置,一是呈团状分布于铁素体晶粒内或晶界处;二是呈膜状或针状分布在贝氏体与铁素体间。残余奥氏体含量与稳定性对 TRIP效应都有影响,只有达到残余奥氏体含量与稳定性的统一,才能获得最佳的力学性能[11]。残余奥氏体含量主要受贝氏体区等温温度和时间控制,而残余奥氏体的稳定性的影响因素主要有:

(1)化学成分,主要是残余奥氏体的碳含量[12],随着碳含量的增加Ms温度降低从而提高残余奥氏体的稳定性。此外Si、Mn、P等元素也能降低Ms温度,Al能提高Ms温度。

(2)温度,升高温度会降低残余奥氏体的相变化学驱动力,同时组织内的层错能升高,使得残余奥氏体的稳定性增加。因此低温时,小应变就能引起残余奥氏体的相变,而在高温时,则需要更大的应变才能发生相变。

(3)残余奥氏体的晶粒尺寸,尺寸过大稳定性较差,变形时在较小应变下就会发生相变,得不到良好的力学性能;尺寸太小的残余奥氏体过于稳定,在很高的应变下也难以发生相变[13]。

(4)残余奥氏体的强度和周围相的强度,残余奥氏体发生相变转变为马氏体时会出现体积膨胀,残余奥氏体的强度和周围相的强度会影响体积膨胀量从而影响残余奥氏体的相变转化率。

2 TRIP钢生产工艺和现状

2.1 TRIP钢生产工艺

生产 TRIP钢板典型的工艺路线有热轧和冷轧热处理两种,工业生产冷轧热处理 TRIP钢的热处理生产线大体有两种,一种是连续退火的热处理生产线,另一种是热镀锌生产线。

2.1.1 热轧TRIP钢生产

热轧 TRIP钢的生产原理如图3所示:钢板在单相区终轧后快速冷却到Ar3～Ar1温度等温,形成一定体积分数的多边形铁素体+奥氏体。保持时间和缓冷的温度以不形成珠光体为准,因为珠光体的形成将消耗大量的碳,从而减弱了碳在未转变奥氏体中的富集。然后再快速冷却到卷取温度,完成奥氏体到贝氏体的转变。卷取温度控制在450℃以下以抑制珠光体的形成,从卷取温度自然冷却到室温。

热轧工艺生产流程较短,能源消耗成本低;但是工艺难以控制。

图3 热轧TRIP钢生产示意图[14]

2.1.2 冷轧TRIP钢生产

冷轧TRIP钢的生产一般是钢板在冷轧后经过热处理方法得到多相的TRIP组织。其热处理工艺路线主要概括为两相区退火+贝氏体区保温,如图4所示。冷轧钢板在连退炉中加热到奥氏体和铁素体两相区保温一段时间,使C和其他合金元素能充分扩散,为取得较好的TRIP效应优化铁素体量,以便获得尽可能稳定的残留奥氏体,一般选择在奥氏体和铁素体含量相等的温度进行保温。然后钢板经过快速冷却至贝氏体区以避免生成珠光体,并保温一段时间。在贝氏体区等温的目的主要是通过在贝氏体形成过程中,碳进一步向残余奥氏体中富集,使残留奥氏体的稳定性大大提高,并在随后的冷却过程中保留下来。贝氏体区等温后冷却至室温,可以得到铁素体+贝氏体+残余奥氏体的典型TRIP钢组织。需要注意的是在贝氏体相变发生的时候,伴随着碳从贝氏体到周围残余奥氏体的再分配所有的这些贝氏体特性的变化将影响残余奥氏体和最终机械性能。因此必须选择合适的等温温度和等温时间,以得到合适的残留奥氏体量及足够的稳定性。

与热轧 TRIP钢相比较,冷轧 TRIP钢热处理工艺易于控制,得到的 TRIP钢力学性能和表面质量都比较好。

2.1.3 冷轧 TRIP钢的热镀锌

高Si型TRIP钢中含有较多的Si、Mn等固溶强化元素,在退火过程中,Si在钢板表面会形成很稳定Mn2SiO4氧化膜。在随后的热浸镀过程中,阻碍钢板中的铁与锌液中的有效铝和锌反应,产生抑制层,降低钢板的镀锌性能,并容易在钢板表面形成露镀点等缺陷[15]。而且在合金化过程中Si、P等合金化元素还会延迟合金化反应,降低生产率。而含A1型 TRIP钢在退火过程中表面形成的氧化物主要为FeAl2O4和MnO,具有更好的锌液润湿性,提高了镀锌性能[16]。

图4 冷轧TRIP钢连续退火工艺示意图

TRIP钢的热镀锌存在以下问题:一般的锌液温度不能低于420℃,这是纯锌的熔点。通常钢板浸入锌液的温度要比锌液温度高10℃,所以,一般来说,钢板的温度要在460℃～480℃之间,这将可能导致冷轧 TRIP钢无法获得所希望的显微组织。这是因为较高的贝氏体等温温度可能会导致贝氏体组织的变化。另外,不完全相变在较高的T0温度停止的话,将导致残余奥氏体最大含碳量的下降和残余奥氏体稳定性的下降。

2.2 TRIP钢生产现状

近20年来,德国、韩国、日本、比利时等国家许多企业对TRIP钢进行了深入研制并取得了很多成果。德国蒂森克虏伯钢铁公司研究出600MPa、800MPa级别热镀锌 TRIP钢并已经商业化生产[17];韩国浦项已经研制出强度 800MPa～1200MPa级别的冷轧 TRIP钢,600MPa、800MPa级别热轧TRIP钢也正在工业试制;比利时Cockerill Sambre公司的 K.Eberle[18]改变传统的热处理工艺,在热轧和冷轧之间增加一道罩式炉退火工序以促进Mn在铁素体基体的扩散和在渗碳体中的富集,并在随后的连续退火工序中,Mn富集的渗碳体转变成稳定的残余奥氏体,成功开发无硅和铝的TRIP钢。日本新日铁公司也开发出了600MPa～800MPa级的TRIP钢板以及1000 MPa级的超高强度钢板。目前国外 TRIP钢的供货级别覆盖了600MPa～1200MPa范围内的 4个级别,其中600MPa、800MPa级别还能进行热镀锌工艺生产,成分体系也逐渐由高碳高硅逐渐发展到具有良好焊接性和表面质量的低碳低硅系列。

国内宝钢、鞍钢、武钢、首钢等钢铁企业对TRIP钢的生产进行了深入研究,并取得了很大进步。至2009年,宝钢已经研发成功 590MPa和780MPa级别的冷轧 TRIP钢和热镀锌TRIP钢,并开始着手980MPa冷轧 TRIP钢的开发[19]。鞍钢目前已经研制开发出590MPa和780MPa级别的冷轧TRIP钢,其中590MPa还进行了热镀锌的工业试制[20]。

3 TRIP钢展望

近年来,随着 TRIP钢理论研究的不断深入, TRIP钢的工业应用生产也不断进步,今后一段时间,TRIP钢的研究将可能朝以下几个方向发展:

(1)高强度汽车轻量化要求在保证安全性的前提下降低车重以达到节能减排,必然要求汽车用钢的高强化。目前国内宝钢、鞍钢等钢厂已经能够生产 600MPa、800MPa级 TRIP钢,并且都将1000MPa级 TRIP钢作为下一步研究目标。

(2)镀锌处理随着汽车耐蚀期要求的提高,汽车用钢对镀锌板的需求越来越大。因此TRIP钢的镀锌处理将成为一段时间内的重要研究方向。

(3)热轧TRIP钢用热轧工艺生产TRIP钢,可以缩短工艺流程,节约生产时间,有效节约生产成本。但热轧TRIP钢产品表面质量和工艺控制的问题需要进一步研究。

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