层冷工艺和卷取温度对510 MPa大梁钢组织性能的影响

2022-01-23张春余郭晓雨汪云辉

山西冶金 2021年6期

张春余，郭晓雨，汪云辉

（唐钢钢铁集团有限责任公司，河北唐山 063000）

目前汽车产业发展的关键性技术是汽车轻量化，今后汽车发展的趋势为汽车通过减重来实现减排、节能。经过调查研究发现，车身质量每减轻10%燃油节省3%~7%。节约燃油的经济及环保性不容小视，采用高强钢材，与传统的材料和工艺相比，能使零部件质量大幅降低。汽车大梁用热轧钢板主要用来制造汽车的车架纵、横梁及其他紧固件，在日常使用中，对其强度、韧塑性、冷弯性能具有较高的要求[1-2]。位于热连轧和卷取机之间的层流冷却是CSP线工艺的重要环节之一。经过热轧后板带温度不久降低，其次最为重要的是在此过程中发生奥氏体的分解基体，根据冷却模式和冷却之后卷取工艺的不同，热轧后的变形奥氏体可以转变为铁素体、珠光体、贝氏体或者马氏体等不同组织，并且晶粒尺寸大小可能各不相同，因此，采用热轧后通过控制冷却速率来控制成品的晶粒尺寸和组织形态，获得更为优良的综合性能[3]。本文采用热连轧技术生产出510 MPa级大梁钢，研究了不同层冷工艺及卷取温度对组织及性能的影响规律。

1 试验材料与方法

试验材料为宽1 500 mm、厚4 mm的510 MPa级汽车大梁钢，其化学成分如表1所示，热轧工艺参数如表2所示。

表1 试验钢的化学成分 %

表2 热轧工艺

取2组试样，1组试样为层冷工艺不同，分别采用前段集中冷和后段集中冷，另1组为卷取温度分别为630℃和500℃。将试样制备成金相试样，用4%硝酸酒精溶液侵蚀。用光学显微镜对试样金相组织进行观察和拍照，结合“截点法”和ImageJ软件对平均晶粒尺寸进行测量。为了保证测量的准确性，所测量的晶粒数大于500个。分别用场发射扫描电镜和能谱分析仪对钢中析出相的形貌和化学成分进行观察。

2 结果与讨论

2.1 层冷工艺对组织性能的影响

采用相同的终轧温度（880℃）和卷取温度（630℃），研究分析了相同厚度的钢板在不相同的冷却方式下成品组织的变化情况，不同层冷工艺试样的金相组织如下页图1所示。从图1中可观察到1-1图和1-2图组织都为铁素体+珠光体，1-1图为前段集中冷却模式冷却；1-2图为后段集中冷却模式冷却。从图中看出1-1图中的晶粒尺寸明显较1-2图中的晶粒均匀细小，经过imagej软件对晶粒尺寸进行计算，1-2图平均晶粒尺寸为9μm，1-1图平均晶粒尺寸为8μm。由于试验钢含有较高的Nb和Ti微合金元素，这些元素会提高钢种的再结晶温度，试验钢的终轧温度为880℃，此时在高速大压下的变形条件下，随着压下率的增加，奥氏体晶粒伸长，同时晶粒内有大量的形变带。A-F相变时，在奥氏体晶界和变形带上都促使A形核，使A的形核点增多，F晶粒进一步细化，同时前端集中冷却以较快的冷速使轧后的钢板快速进入铁素体形核温度区间，使铁素体晶粒得到充分的细化，加上后续适当缓冷，使得铁素体晶粒均匀化[4-6]。

图1 不同层冷工艺试样的金相组织

经过万能试验机对不同层冷工艺的试样进行力学性能检测，结果如表3所示。两种层冷工艺的试样力学性能全部合格，但工艺为前段集中冷却模式的试样力学性能高于工艺为后段集中冷却模式的试样。

表3 力学性能

2.2 卷取温度对组织性能的影响

不同卷取温度试样的金相组织如图2所示。从图中可观察到图2-1为多边形体素体和珠光体，图2-2组织由多边形铁素体、准多边形铁素体和少量珠光体组成；对比图2-1和图2-2可以观察到，卷取温度为620℃时，组织为针状、长条状或边界无规则的多边形状（图2中亮白凸起部分为铁素体晶界）的铁素体，当温度为640℃卷取时，不规则的铁素体晶粒较少，且晶粒尺寸明显增大，铁素体晶界明显变的清晰、平整。在不同的卷取温度下为了定量对比的晶粒尺寸，采用Imagepro plus软件和截线法，测量卷取温度为620℃、640℃时，铁素体平均晶粒尺寸分别为8.8 um、8.3 um。

图2 不同卷取温度试样的金相组织

两种试验钢的析出物形貌如图3，图4所示，从图中可以观察到铁素体晶粒内分布均匀的圆形白色颗粒状析出物，通过Imagepro plus软件测量析出物平均直径为200 nm左右。通过对试验钢中的大量白色小颗粒和基体进行EDS点扫描分析。卷取温度为640℃扫描结果如图3所示，卷取温度为620℃扫描结果如图4所示。试验钢中的析出物均为Ti和Nb的碳化物，说明主要差异在于析出物的含量不同，而析出物的种类却没有明显差异。

图3 卷取温度640℃扫描图片及EDS

图4 卷取温度620℃扫描图片及EDS

卷取温度为620℃时，此时相变区冷速较快，使得晶粒得到细化，针状铁素体和多边形铁素体增加，细晶强化提高了基体组织的强度，由于温度降幅小，细晶强化效果弱于析出强化效果，从而导致卷取温度为640℃时强度相对于620℃时略有增加。在卷取温度为620℃时，使得中心带状组织大幅度减少，组织更加均匀，（Ti，Nb）C复合析出物增多，组织均匀化和析出物的沉淀强化两大强化方式使的基体强度相对于卷取温度为620℃显著提高[7-8]。因此，如表4所示，卷取温度为640℃时，性能最好。