超高強度冷軋耐候馬氏體鋼的組織與性能

劉志偉 郭曉宏 張瑞琦 劉鳳蓮 金澤宏 嚴平沅

(1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司市場營銷中心，遼寧鞍山 114002)

超高強度冷軋耐候馬氏體鋼的組織與性能

劉志偉1郭曉宏1張瑞琦1劉鳳蓮1金澤宏2嚴平沅1

(1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司市場營銷中心，遼寧鞍山 114002)

介紹了采用鞍鋼常規噴氣冷卻連續退火機組試制一種冷軋超高強耐候馬氏體鋼的工藝流程，并使用金相顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、X射線衍射儀及室溫拉伸試驗等手段對其顯微組織和力學性能進行了表征。結果表明，試驗鋼組織由板條馬氏體和少量殘留奧氏體組成，馬氏體有明顯的分解現象，同時在馬氏體基體中有大量彌散分布的滲碳體和碳化物析出。試驗鋼的綜合力學性能良好，屈服強度可達1 039 MPa，抗拉強度達到1 131 MPa，斷后伸長率A50為9.0%。通過微合金元素V和Ti的沉淀強化和細晶強化作用，試驗鋼的強度提高。

馬氏體鋼 耐候 連續退火 組織 性能

同汽車鋼板的發展趨勢相似，集裝箱業用鋼板也在向高強度、輕量化方向發展。采用超高強度熱軋耐候鋼板作骨架、超高強度冷軋耐候鋼板作面板生產的集裝箱，與常規強度熱軋耐候鋼板生產的產品相比，強度增加了一倍，而重量只為原來的80%左右，迎合了用戶日益發展的需求。然而，由于受到熱軋機組厚度方面的限制，采用熱軋生產的耐候鋼板的厚度一般較厚。

強度級別超過1 000 MPa的先進超高強鋼一般通過帶有水淬單元的連續退火生產線生產。世界上具有水冷卻功能的連續退火機組很少，比較著名的有日本的JFE和瑞典的SSAB[1]；國內目前只有寶鋼的超高強冷軋鋼帶專用生產線擁有自主開發的水淬和氣霧冷卻技術，其典型的生產工藝為加熱、均熱、緩冷、水淬、酸洗、再加熱和回火等過程[2- 3]。本文針對鞍鋼常規噴氣冷卻連續退火機組，對一種超高強冷軋耐候馬氏體鋼進行了研制，并對其組織和性能進行了研究。

1 試驗材料與過程

1.1 試驗材料

冷軋馬氏體鋼多采用水淬連退機組生產。而本文試驗鋼是基于常規噴氣冷卻的連退線，同時要求耐腐蝕性，所以成分設計中選擇在碳錳鋼基礎上添加微合金元素和耐腐蝕性元素，具體化學成分見表1。

1.2 軋制工藝

表1 試驗用鋼化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of tested steel(mass fraction) %

熱軋加熱溫度為1 230 ℃，終軋溫度控制在910～950 ℃，卷取溫度控制在600～650 ℃，熱軋板的最終厚度為2.75～3.00 mm，熱軋板酸洗后經五機架連軋至1.2 mm厚，冷軋壓下率為56.4%～60.0%。

1.3 連續退火工藝

根據LINSEIS L78 RITA相變儀測出的試驗鋼相變點(Ac1=711 ℃，Ac3=857 ℃，Ms=406 ℃)，并結合現場設備能力，制定連續退火工藝參數，如圖1所示。具體為：臨界區加熱溫度850 ℃，保溫134 s，以11 ℃/s的冷卻速率緩慢冷卻到700 ℃，然后以46 ℃/s的冷卻速率快冷到240 ℃，再加熱到400 ℃，過時效545 s后空冷至室溫。

圖1 連續退火工藝示意圖Fig.1 Schematic of the continuous annealing process

1.4 檢測方法

從連續退火后的試驗鋼板上沿軋制方向制備標距為50 mm的拉伸試樣，在ZWICK/ROELL- Z100材料電子萬能拉伸試驗機上進行力學性能測試；金相試樣采用4%硝酸酒精溶液侵蝕，在OLYMPUS- PMG3光學顯微鏡和QUANTA掃描電鏡下觀察顯微組織；制備雙噴減薄試樣和萃取復型試樣，在Tecnai G2 20型透射電子顯微鏡上觀察試樣的微觀組織結構和析出物形貌。采用X`PERT PRO型X射線衍射儀進行物相分析，選用Co靶、管電壓35 kV、管電流40 mA。

2 試驗結果

2.1 力學性能

圖2為試驗鋼的工程應力- 工程應變曲線。可見，試驗鋼的屈服強度為1 039 MPa，抗拉強度為1 131 MPa，斷后伸長率為9.0%，均達到了目標要求(Rp0.2≥1 000 MPa，Rm≥1 100 MPa，A50≥5%)。

圖2 試驗鋼的工程應力- 工程應變曲線Fig.2 Engineering stress- engineering strain curves of tested steel

2.2 微觀組織

圖3為試驗鋼的光學和SEM形貌。圖3表明，試驗鋼的微觀組織為馬氏體，呈板條狀。

圖4為試驗鋼的TEM形貌。TEM結果表明，經過400 ℃回火處理后，試驗鋼組織中馬氏體呈板條狀，馬氏體有明顯的分解現象，且邊緣變得模糊，同時在馬氏體基體上析出大量的薄片狀或薄膜狀碳化物。

圖3 試驗鋼的顯微組織Fig.3 Microstructures of tested steel

圖4 試驗鋼中(a)板條馬氏體、(b)分解的析條馬氏體和(c)碳化物的TEM形貌Fig.4 TEM morphologies of (a) lath martenstite, (b) decomposed lath martensite and (c) carbide in the tested steel

2.3 析出相

圖5為試驗鋼析出相的TEM照片及其能譜。由圖5可見，試驗鋼中存在少量尺寸大于100 nm的方形(V、Ti)CN粒子，部分尺寸大于50 nm近似球形的合金滲碳體FeMnCrVC，以及大量尺寸小于20 nm的圓形VC粒子。

2.4 XRD分析

圖6為試驗鋼的X射線衍射圖譜，其主要物相為α- Fe和γ- Fe，γ- Fe的質量分數為2.1%。

3 分析與討論

在鋼中加入Nb、V、Ti等微合金強碳化物形成元素，通過微合金碳氮化物的析出強化和細晶強化來實現鋼的強韌化，是提高鋼力學性能的有效方法之一[4]。由于V具有較高的溶解度，所以在高溫奧氏體區基本處于固溶狀態。當在高溫溶入固溶體時，會提高鋼的淬透性。另外V提高淬火鋼的回火穩定性，當鋼中含V量達到一定量時，會產生強烈的二次硬化效應。Ti在高溫奧氏體區形成穩定細小彌散的TiN質點，TiN能防止通過反復再結晶而細化的奧氏體聚合，起抑制原始奧氏體晶粒長大的作用。V- Ti復合添加，一方面可以提高析出粒子的熱穩定性，另一方面可以大大降低成本，有利于實現沉淀強化型高強鋼的開發與應用。Speer等提出的淬火- 碳分配(Q & P)工藝，使淬火鋼中含有馬氏體基體以提高強度。為使淬火鋼具有更高的強度，引入復雜碳化物沉淀強化機制，改造Q- P工藝，發展出淬火- 碳分配- 回火(沉淀)(Q- P- T)新工藝。和Q- P工藝阻礙碳化物析出不同，在Q- P- T鋼中加入碳化物形成元素， 在Q- P- T處理中使馬氏體基體中析出碳化物，以進一步增加鋼的強度[5]。鞍鋼工業生產的超高強度冷軋耐候鋼板借鑒先進的Q- P- T工藝，添加微合金元素V和Ti，鋼板經快冷段冷卻后再加熱到一定溫度進行過時效，以獲得一定量的合金滲碳體和碳化物，進一步提高了鋼板的強度。

圖5 試驗鋼析出相的TEM觀察和能譜分析Fig.5 TEM images and energy spectrum analysis of the precipitates in tested steel

圖6 試驗鋼的X射線衍射圖譜Fig.6 XRD pattern of tested steel

4 結論

(1)通過合理的成分設計并配以適宜的熱軋工藝和連退工藝，獲得的試驗鋼綜合力學性能良好，屈服強度可達1 039 MPa，抗拉強度達到1 131 MPa，斷后伸長率A50為9.0%，完全滿足用戶使用要求。

(2)試驗鋼組織由板條馬氏體和少量的殘留奧氏體組成，馬氏體有明顯的分解現象，同時在馬氏體基體中有大量彌散分布的滲碳體和碳化物析出。

(3)通過微合金元素V和Ti的沉淀強化和細晶強化作用，提高了試驗鋼的強度。

[1] 孟慶格，李俊，徐德超. 過時效處理對冷軋超高強馬氏體鋼板組織與性能的影響[J]. 金屬熱處理, 2014, 39(4):76- 80.

[2] FUKUOKA Y, NISHIMOTO A, NOZOE O. The progress and development of the NKK- CAL technology[J]. NKK Giho, 1984(105): 30- 35.

[3] 朱曉東. 連續退火工藝對冷軋馬氏體鋼板力學性能的影響[J]. 鋼鐵, 2012, 47(4): 84- 88.

[4] 康俊雨, 孫新軍, 李昭東, 等. Ti- V復合低碳鋼在回火過程中MC型碳化物的析出與強化行為[J]. 鋼鐵研究學報, 2015, 27(8), 50- 54.

[5] 徐祖耀. 用于超高強度鋼的淬火- 碳分配- 回火(沉淀)(Q- P- T)[J]. 熱處理, 2008, 23(2): 1- 5.

收修改稿日期：2016- 11- 15

MicrostructureandMechanicalPropertiesofCold-rolledUltra-highStrengthWeatherproofMartensiteSteel

Liu Zhiwei1Guo Xiaohong1Zhang Ruiqi1Liu Fenglian1Jin Zehong2Yan Pingyuan1
(1. Ansteel Group Iron and Steel Research Institute, Anshan Liaoning 114009, China; 2. Market Trading Center of Angang Steel Co., Ltd., Anshan Liaoning 114002, China)

The technological process of producing cold-rolled ultra-high strength weatherproof martensite steel, trial-produced in a conventional jet cooling continuous annealing line of Anshan Iron & Steel Co., Ltd was introduced, and its microstructure and mechanical properties were also characterized through optical microscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscope, x- ray diffraction and tensile tests. The results showed that the microstructure of tested steel was composed of lath martensite and a small amount of retained austenite. The martensite was decomposed apparently and a certain amount of cementites and carbides precipitated in the martensite matrix. The test steel exhibited excellent comprehensive mechanical properties, its yield strength, tensile strength and elongation was up to 1 039 MPa, 1 131 MPa and 9.0%,respectively. Microalloying with V and Ti improved the strength of tested steel by precipitation strengthening and fine- grain strengthening.

martensite steel，weatherproof，continuous annealing，microstructure，mechanical property

劉志偉，男，碩士，高級工程師，主要從事集裝箱用鋼和鐵路車輛用鋼的研制，Email：aglzw@126.com