热轧钢板高强汽车钢的工艺研究

叶明明

摘要：研究了薄板坯连铸连轧（CSP）工艺生产高强度汽车用大梁板的工艺控制参数以及力学性能和显微组织之间的关系.根据柔性工艺控制的指导思想，在珠钢电炉CSP流程下已经實现了生产不同级别高强度钢板的柔性轧制工艺.利用扫描电镜和透射电镜研究了其组织和强度差异产生的原因.研究表明，钢板最终组织成为多边形铁素体和少量珠光体组成，它们平均铁素体晶粒尺寸约为3.7～5.6pm；当降低卷取温度，存在部分渗碳体已破碎成细小的碳化物粒子分布于铁素体基体上，钢板中有及其少量贝氏体出现.

关键词：化学成分；薄板坯连铸连轧（CSP）；性能；工艺生产高强度

1.1薄板坯连铸连轧CSP（ compact strip production）工艺是20世纪末开发成功的生产热轧板卷的一项短流程工艺，是继氧气顶吹转炉炼钢、连续铸钢之后钢铁工业最重要的革命性技术之一.该技术具有投资少、生产成本低、流程紧凑、自动化控制水平高、节省能源、运行可靠等优点，从而得到了迅速发展.目前，全球已投产的薄板坯连铸连轧生产线有39条，铸机54流[1]；到2005年底，我国薄板坯连铸连轧生，产线达到11条，连铸线21流，产能达到3100万单位。

1.2由于薄板坯连铸连轧工艺与传统工艺在钢铁冶金过程中的热历史不同，加上在连铸、均热、连轧及层流冷却过程中采取了液芯压下、电磁制动、充分长，且灵活的隧道式加热、均热、高压除鳞、高精度连轧控制及灵活的层流冷却等一系列新的工艺控 制技术，因此应充分认识到这些新的工艺特点，在新产品开发、扩大品种规格范围等方面充分发挥其技术优势.薄板坯连铸连轧的研究及产品开发实践表明，热轧薄板最终产品的组织性能不仅取决于冶金成分，而且与各工艺过程环节的控制方法及参数密切相关，需要在各工艺过程中对其组织性能进行综合的优化控制才能达到最佳效果[2].同时，在冶金成分一定的条件下，根据产品订货要求，可以在一定范围内采取灵活的柔性轧制工艺控制方法得到不同程度性能级别的板带产品.本文根据柔性工艺控制的指导思想，在珠钢电炉CSP流程下实现了生产低碳高强度汽车板的柔性化生产技术，研究了钢板组织与性能之间的关系，并初步探讨了其强化机制.

2.1金属塑性变形的物理实质基本上是位错运动，在塑性变形中，位错之间、位错与溶质原子、间隙原子以及空位之间、位错与第二相质点之间都会发生相互作用，引起位错数量、分布和组态的变化.在CSP工艺连轧过程中，随着累积变形量的增加，位错密度明显增加，对于1#钢板，其卷取温度较高，变形后的冷却速率较低，金属变形过程中产生的位错能够在变形过程中通过交滑移等方式运动，使部分位错消失，部分重新排列，造成奥氏体的回复，使得其位错密度降低.而3#钢板，由于其卷取温度较低，因此应充分认识到这些新的工艺特点，在新产品开发、扩大品种规格范围等方面充分发挥其技术优势.薄板坯连铸连轧的研究及产品开发实践表明，热轧薄板最终产品的组织性能不仅取决于冶金成分，而且与各工艺过程环节的控制方法及参数密切相关，需要在各工艺过程中对其组织性能进行综合的优化控制才能达到最佳效果[2].同时，在冶金成分一定的条件下，根据产品订货要求，可以在一定变形后的冷却速率较高，并且出现了部分粒状贝 氏体，导致其位错密度升高，出现位错发团和位错缠结，甚至形成位错墙.位错密度的提高有助于提高钢材的强度

2.2位错相当于一条线性畸变区，原子沿着位错线进行迁移要比晶内容易，所以位错往往是晶体内部进行扩散的方便渠道，温度越低，位错对扩散的作用越大.文献研究表明：对于CSP工艺，整个带钢基体上的碳平衡浓度是不均匀的.在轧制和保温过程中，碳原子更易于向位错或位错缠结堆积的区域扩散.位错密度越高，碳平衡浓度也越高，这样就使得位错周围不断富碳.相变后由于浓度梯度和化学位梯度，具有较高位错密度的珠光体岛，上的过饱和碳原子向贫碳区扩散.渗碳体的形核驱动力是最低的（～0.5eV），因此由于动力学优势使过饱和的碳原子不断形核，并长大形成碳化物粒子.较高的位错密度增加了碳原子与位错的结合程度，当碳原子和位错的界面能高于渗碳体碳中原子和铁原子的结合能时，使得位错不断从渗碳体中拖曳碳原子，由于Gibbs-Thompson效应，使得短棒状的渗碳体不断溶解、收缩变短，形成细小的球形碳化物粒子分布于珠光体岛上，控制轧制后，加速冷却所引起钢板力学性能变化是铁素体晶粒细化和珠光体组织变化综合影响的结果.

图2为利用化学相分析以及X射线小角散射对CSP工艺生产的高强度汽车大梁板的电解粉末组成及粒度进行分析研究结果.

2.3实验结果表明，两种汽车大梁板中纳米级碳化物总量几乎相同，其碳化物粒子平均尺寸在几十至100多rnm之间.但是，两种钢板中碳化物尺寸有差别，强度较高的3#钢板中纳米级碳化物粒子平均尺寸小于强度较低的1#钢板.3#钢板中尺寸<181nm和< 36 nm的纳米级碳化物的质量分数均比1#钢板中纳米级碳化物的质量分数大，其中尺寸<18nm粒子的质量分数大1倍.这些不同尺寸的碳化物粒子应能对钢板起到沉淀强化作用[11].其粒子尺寸上的差别，可能与钢的组织细化和析出形态有关，关于CSP低碳钢中弥散沉淀相的结构、析出规律及强化机理有待更深入的研究.

结论

（1）以C-Mn钢成分做为基础，在珠钢电炉CSP流程下通过采取不同控制工艺，获得了不同强度级别强韧性能较为良好的低碳高强度汽车板.钢板板面的平均铁素体晶粒尺寸约为3.7～5.6μm，且钢板表面和心部晶粒尺寸相差并不大.

（2）推荐热轧终轧温度为870C，卷取温度为660C。

（3）在焊接热影响粗晶区（HAZ）试验钢组织为针状铁素体+少量珠光体，韧性得到了改善，焊接性良好。

（4）汽车大梁板成品板组织为多边形铁素体和少量珠光体组成.当卷取温度较低，轧后冷却速度增大时，钢板铁素体晶粒明显细化，呈不规则的多变形状。