冷轧高强度微合金钢板卷产品

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1、冷轧高强度微合金钢板卷产品冷轧高强度微合金钢板卷产品 Bernhard Engl 蒂森克虏伯 Stahl AG，Dortmund，德国 摘要：摘要：高强度微合金钢的应用是实现汽车车身超轻重量设计的关键。80 年代这类钢在汽车白车身上的应用比例就已经达到 20。冷轧钢主要通过晶粒细化和析出强化来提高强度。在冷成形和涂装时微合金钢往往呈现更高的强度， 这种屈服强度的提高缘自加工硬化和烘烤硬化。另外还发现即使是在缺口状态下，随着静态强度的提高，微合金钢的疲劳强度也会相应提高。高强度微合金钢性能波动问题也已得到成功控制，各向同性钢的开发倍受关注。连续退火工艺使得力学性能更均匀， 而且同样的成分， 用连

2、退工艺可以获得比罩式炉退火工艺更高的强度。主要由高强度微合金钢制成的保时捷试验车和超轻量钢车身（ULSAB）样车都表现出卓越性能， 而且在保时捷试验车上获得的测试结果也在其后的 ULSAB 项目研究中得到证实。在未来的材料设计中，微合金化将继续扮演重要角色。进一步的晶粒细化会导致塑性不稳定，但超细多相结构将会是解决该问题的一个理想办法。微合金化（尤其是加 Nb）的思想将在未来的高强度钢开发领域继续占据主导地位。 1 绪言绪言 为满足不断提高的用户需求，钢铁行业先后开发了许多钢种（图 1） 。 图 1 高强度钢开发历史 PM部分马氏体；CP复相；MS马氏体；RA残余奥氏体；TRIP相变诱导塑性；

3、IF无间隙原子 高强钢的开发为超轻量设计的实现做出了重要贡献， 而早期的高强度钢是通过微合金化来实现的。早在 70 年代中期，人们主要致力于热轧产品的开发和性能优化，几年后人们又开始构思如何进一步开发传统冷轧高强度钢。随之而来，诸如热轧双相钢、烘烤硬化高强IF 钢等新钢种开始出现。90 年代高强钢的开发和应用主要集中在高强深冲各向同性钢、残余奥氏体钢(TRIP 钢)、冷轧双相钢、热轧复相钢和热轧马氏体钢。在这些进一步的开发当中，微合金化都或多或少地发挥了重要作用。 冷轧高强度钢面市不久德国就为其制定了一套标准， 相应的欧洲标准也于同期制定 （图2） 。 高强度微合金钢在欧洲汽车车身结构件上的应

4、用已有多年， 并且用量已达到白车身总重的 20。ZStE340（表现最突出的高强微合金钢，最低屈服强度 340MPa）在 1985 年款奔驰车上的应用见图 3。随着 ULSAB 项目的推进，高强度微合金钢在汽车行业尤其是一些新车型上得到了更多的应用，这种趋势有望在今后得到进一步的延续。ULSAB 样车通过大量设计使用高强钢，比传统设计车身减重 25，而这些高强钢中，屈服强度 350MPa 的 Nb 微合金钢的用量就超出了车身总重的一半。 图 2：冷轧微合金钢板的力学性能 图 3 奔驰 W 124 型白车身上的用材情况（1） 2 机理机理 提高钢的强度有几种可能的途径。 图 4 说明了不同强化机

5、制对拉伸试验结果尤其是屈服强度的影响。对冷轧钢板的强化而言，析出亦可导致细晶强化。铁素体加适量马氏体的双相显微组织会产生很好的强化效果，尤其是在伴随小量冷变形时。 图 4 不同强化机制下的屈服强度、抗拉强度和延伸率的比较（2） 元素的物理和化学特性表现出严格的周期性。 原子体积和原子半径紧密联系， 对元素的特性产生深刻影响（图 5） 。 图 5 元素特性的周期性，原子半径与原子序数的关系 例如，在图中标出某原子序数和其原子半径所对应的点（3） ，则在相应周期里与该点位置所类似的元素也具有与该元素相似的特性。Cr、Mn、Co、Ni、Cu 是 Fe 附近原子半径最小的一组元素。它们在 Fe 里都有

6、很大的溶解度，是钢中重要的合金元素。 过渡元素 Ti、V、Zr、Nb、Ta 都位于各周期最小原子半径的左侧相同位置，因此它们的作用类似。 在钢铁生产过程中，过渡元素经常被用作微合金化元素，以获得想要的特定性能。众所周知，过渡元素易与 O、S、C 和 N 等元素形成简单的固溶化合物。钢中几种过渡金属的化合物形成趋势如图 6 所示。 图 6 几种金属氧化物、硫化物、碳化物和氮化物的形成趋势及其析出强化潜能（4） Nb 形成碳氮化物的趋势很强，但很难形成氧化物、硫化物或固溶化合物，这方面它与V 很相似，而 Ti 则与之完全不同，只有当 Ti 优先与钢中 O、N、S 完全化合后，余下的 Ti才最终形成

7、碳化物。 冷轧钢强化主要通过晶粒细化，其次是析出强化（5） 。在大多数情况下，Mn 和 Si 的固溶强化也作为补充的强化手段（图 7） 。 细晶强化机制的强化效果可以用 Hall-Petch 公式评估， 而 Mn 和 Si 的固溶强化效果可以用经验值来估算。热轧卷中 Ti 和 Nb 的析出强化效果取决于酸溶性 Ti、Nb 的多少。对组织为铁素体珠光体的钢来说，0.01固溶 Ti 可使屈服强度提高约 50MPa。冷轧卷没有类似的评估方法，但至少对于罩式炉退火而言，屈服强度的提高将会小得多，这可用 Ostwald 的析出物聚集长大理论（熟化或粗化理论）解释。 和其它钢一样，对高强度低合金钢（HSL

8、A）而言，细化晶粒对冷成形无害，是最合适的强化机制（6） ，因此，同热轧卷一样，HSLA 冷轧钢板适合用 Nb（主要作用是细化晶粒）进行微合金化。要经济地获得 350MPa 以上的强度，单单加 Nb 就显得不太合适，这时往往通过 Ti、Nb 复合添加，同时加入固溶强化元素来实现（图 8） 。 图 7 罩式炉退火冷轧高强度钢板的强化机制和合金原理 图 8 HSLA 钢中 Ti 和 Nb 的强化机制 工艺工艺 图 9 是高强度冷轧钢板从板坯连铸到冷轧的工艺路线和工艺参数示意图（7） 。 罩式炉退火可以消除冷变形产生的加工硬化， 以改善钢板的可成形性。 为获得均匀的加热，不同的罩式炉和钢板重量，需要

9、不同的退火时间。采用相关性分析和回归分析研究罩式炉退火工艺参数对高强度微合金钢力学性能的影响发现，退火时间对性能有非常大的影响，往往退火时间不当是造成罩式炉内钢板性能波动的主要原因。 因此考虑通过以下三种基础的途径来减小罩式炉退火高强度微合金钢的性能波动： (1) 严格控制退火时间， (2) 保持炉况稳定， (3) 降低退火时间的影响。 图 9 冷轧钢板的生产工艺路线 钢铁行业是如何支持使用新工艺并进行投资呢？首先， 一种新的薄板坯连铸工艺允许生产厚度接近冷轧卷的热轧板：可生产板厚1mm 的热轧板且厚度精度提高（图 10） 。其次，该项新技术最适合生产超高强度新钢种。 如果需要的话，象蒂森克虏

10、伯 Stahl AG 的 TAKO 冷轧厂这样大大改进过的冷轧生产线可以将高强度热轧卷轧到相当薄的规格（图 11） 。 新的热镀锌线能够生产出表面质量一流的产品， 以满足汽车行业的需要， 还能够生产热镀锌或合金化的含 Nb 高强度钢。现在以热轧薄板替代冷轧板逐渐增多。有了这些新设备，可以比较容易地生产出市场强烈需求的高质量产品。 宽 : 900 - 1.600 mm 厚 : 0.8 6.35 mm 长 : 450 m 轧制力 : 70 MW 图 10 薄板坯连铸机 图 11 TAKO 新冷轧生产线概览 3.1 热轧与冷轧热轧与冷轧 通过冷轧退火生产高强度钢比热轧要难得多 （6） 。 传统的退火

11、通过箱式或罩式炉缓慢加热、在退火温度长时保温再缓慢冷却。这种处理降低了析出强化效果，使得钢的最大强度低于热轧板（图 12） 。 图 12 热轧和冷轧低碳钢 Nb、Ti 微合金化后屈服强度的提高 冷轧板和热轧板一样， 都是通过微合金化的晶粒细化和析出强化作用来提高强度。 然而，因为冷轧再结晶退火处理， 即使有同样的化学成分， 冷轧退火后钢的强度比控轧控冷热轧钢也要低得多。 冷轧卷和热轧卷的屈服强度的关系见图 13。 通过热轧温度控制，可以生产屈服强度超过 800MPa 的薄规格热轧板，在特定情况下，通过合适的分析方法由此还可以生产出一系列强度等级的热轧产品。 罩式炉退火后屈服强度大大降低，罩式炉

12、退火钢最高强度级别为屈服强度 500MPa 级。虽然原则上可以获得更高的强度，但只有在回复退火时才能实现。回复退火钢的冷成形性较差，且钢板性能严重不均。 图 13 热轧和冷轧微合金钢屈服强度的相互关系（8） 3.2 罩式炉退火罩式炉退火 Nb会大大推迟钢的再结晶 （图14） ， 尤其当Nb原子同时固溶在奥氏体和铁素体中时 （5） 。理论解释认为，固溶原子对再结晶温度的影响来自钢中合金元素电子结构的差异。0.01的固溶 Nb 会使再结晶温度提高约 20K， 这只适用于固溶 Nb0.05的情况， 当超过这个值时，对再结晶温度影响不大。当合金含量超过化学计量比时，C 含量可以用来计算析出物的量。和未

13、微合金化的钢相比，Nb 微合金钢的再结晶温度要高出 100K 左右。 图 14 固溶 Nb 对再结晶温度的影响（等时退火，再结晶度5） 热轧晶粒尺寸对随后的冷轧晶粒尺寸有重要影响（5） ，当钢中含较多合金元素时，热轧温度控制对析出物影响很大， 对随后的冷轧晶粒尺寸影响显得更为突出。 两卷加热相同但卷取温度不同的热轧钢板在随后的冷轧过程中采用同样的 700罩式炉再结晶退火， 从这两卷冷轧钢的晶粒尺寸的频率分布差异， 可以看出热轧卷取温度对冷轧再结晶退火后的晶粒尺寸仍有明显影响（图 15） 。高的卷取温度会产生弥散的粗大晶粒，造成平均晶粒尺寸变大和尺寸分布变宽。 多年来， 人们在掌握工艺参数对力学

14、性能的影响基础上， 不断努力采取措施减小钢板力学性能的波动。 很有必要弄清楚受卷取温度影响的析出物大小、 晶粒大小以及晶粒尺寸分布等值对钢板力学性能波动的影响。 通过研究和计算，罩式炉退火时间对显微组织的影响总结于示意图 16。钢板的晶粒尺寸很大程度上不受退火条件影响。 图 15 两卷冷轧钢罩式炉退火后的晶粒尺寸分布；卷取温度的影响 图 16 罩式炉退火时间对合金钢板微结构的影响 随着退火时间的延长，钢中开始发生析出并伴随析出物的粗化。当完全再结晶后，显微组织不再受退火时间的影响。 随着卷取温度的提高，加工硬化效果减弱，退火时间对钢力学性能和性能均匀性（图17）的影响减小（7） 。 为验证在现

15、有认识的基础上减小卷与卷之间性能波动的能力，进行了 MHZ 460（7）钢的生产试验。这种钢是含 Nb/Ti 的微合金高强度钢，主要用于汽车仪表板横梁。总共进行了82 卷的生产试验，卷取温度有高有低，冷轧后再结晶退火时间从 25h 到 50h。图 18 是屈服强度随退火时间变化曲线。即使在较低的 640卷取温度，通过延长退火时间，亦可大大降低屈服强度；在较高的 700卷取温度下，屈服强度基本不随退火时间而变化，保持一个恒定的值。 该生产试验验证了实验室研究和模型计算的结果， 即提高卷取温度会促进热轧板中析出物粗化， 使随后冷轧再结晶退火时间对力学性能的影响降低， 这使得大大降低卷与卷之间性能波

16、动成为可能。 图 17 卷取温度和罩式炉退火时间对屈服强度的影响 图 18 卷取温度对一种罩式炉退火 Nb/Ti 微合金钢屈服强度均匀性的影响（该钢设计屈服强度指标460MPa） 此外，通过热轧时低温终轧和高温卷取（图 19） ，可以降低析出强化潜力，从而获得分布更均匀的力学性能（9） 。往往用户最需要的不是最高的强度而是最小的性能波动，这成为工艺条件设计的决定因素。 为减小钢板力学性能波动， 人们进一步努力改进退火工艺， 一种高效强对流罩式炉退火工艺就有较好的效果。 调整钢卷在罩子里的位置也对减小波动有利， 一般位于顶部堆放位置的钢卷会有最高的强度。 图 19 不同热轧工艺条件下某 HSLA 钢（0.06C，0.80Mn，0.02Nb 和 0.08Ti）罩式炉退火后的拉伸性能波动 各向同性是微合金钢的一个内在趋势，于是各向同性微合金钢的开发获得了高度重视。这类钢在钢板平面具有单向流动性，产生制耳的趋势很小，并具有高的强度。 图 20 说明了这类各向同性钢的主要特点 （10） 。 各向同性钢的研究