錳和硼對冷軋鋼板水淬性能的影響

朱曉東,薛 鵬,李 偉,王俊峰

(1.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999;2.汽車用鋼開發與應用技術國家重點實驗室(寶鋼),上海 201999)

1 概述

水槽淬火對厚度為1.0 mm的冷軋鋼板冷卻速度可達1 000 K/s,是連續退火生產冷軋馬氏體鋼板的主要淬火方式。由于水淬冷卻速度很高,因此冷軋馬氏體鋼板通常只需要采用添加一定量的Mn滿足淬硬需求。硼也可以用于提高鋼的淬硬性,研究表明硼含量增加能提高鋼淬火后的強度[1-2]。圖1所示為硼對鋼力學性能的影響,可以看到w(B)在0.001%以上時,鋼的淬火強度有明顯提高,但繼續提高w(B),強度進一步的提升幅度不大。

圖1 硼含量對鋼淬火后力學性能的影響Fig.1 Influence of boron content on mechanical properties

硼提高淬硬性的原理和Mn、Cr、Mo等合金元素不同:硼提高淬硬性的作用原理是在奧氏體晶界偏聚,抑制鐵素體在晶界的形核,將鐵素體的轉變溫區推向低溫,從而提高了淬硬性。實際應用中,硼只能提高端淬試驗中鋼在近水端的淬硬性,而不能提高遠水端的淬硬性,因此,硼不能使厚工件很好的淬火,但對于薄板能起到較好的提高淬火性能的作用[3]。

硼提高淬硬性的成本較其他合金元素低,如圖2所示[4]。通過加硼可以減少其他合金元素的添加,從而降低成本。

圖2 不同合金元素提高淬硬性的成本比較Fig.2 Cost comparison for improving hardenability

本文以冷軋馬氏體鋼板為研究對象,研究錳、硼含量對冷軋板水淬力學性能和組織的影響,探索錳、硼在水淬馬氏體鋼中的合理含量,以期為硼在超高強度鋼板中的應用提供參考。

2 試驗材料及試驗方法

試驗用鋼成分如表1所示。試驗用鋼分為4組,第一組A1、A2、A3中硼作為殘余元素存在,用于比較Mn對淬硬性的影響;第二組包括B1、B2、B3是基于w(B)為0.002 5%的基礎上,比較Mn對性能的影響;第三組包括A3、C1、C2、B3、C3,是基于較高的錳含量(w(Mn)為1.65%)基礎上,用于研究硼含量對試驗用鋼性能的影響;第四組包括A2、B2和D1,是基于較低的錳含量(w(Mn)為1.05%)基礎上,用于研究硼含量對試驗用鋼性能的影響。

表1 試驗用鋼的成分Table 1 Chemical compositions of the experimental steels %

試驗用鋼采用50 kg的真空熔煉爐冶煉,經模鑄、鍛造、熱軋、酸洗和冷軋后進行實驗室退火模擬。熱軋工藝為1 200 ℃加熱、860 ℃終軋、560 ℃箱式爐保溫1 h隨爐冷卻12 h模擬卷取,熱軋板厚度為2.8 mm;酸洗和冷軋得到1.2 mm厚度冷軋鋼板;連續退火模擬采用Siemens VAI制造的連續退火模擬裝置,試樣尺寸為450 mm×150 mm×1.2 mm;鋼板退火工藝采用10 K/s加熱到840 ℃保溫80 s,然后以3K/s冷卻到750 ℃后,快速進入水槽淬火,750 ℃至350 ℃的平均冷速為750 K/s,然后在200 ℃進行240 s回火。拉伸試驗采用JIS5#板狀拉伸試樣,沿軋制方向在Instron拉伸試驗機拉伸。顯微組織采用4%的硝酸酒精進行顯示。

3 試驗結果及分析

圖3所示為在不添加硼(殘余w(B)為0.000 3%)的情況下,錳含量對淬火回火后冷軋鋼板強度的影響。可以看到,屈服和抗拉強度均隨錳含量提高而迅速提高。從圖4的組織可以看出,含錳約1.05%的試驗用鋼組織中含有較多的鐵素體,在1.65%的錳含量條件下,組織基本以馬氏體為主。可見,在不添加硼的情況下,要獲得接近全馬氏體的組織,鋼中至少需要添加1.65%的Mn。

圖3 w(B)為0.000 3%的條件下Mn含量對水淬鋼板強度的影響 Fig.3 Effect on Mn content on the tensile strength of water quenched steels at w(B)of 0.000 3%

圖4 w(B)為0.000 3%的條件下不同Mn含量的淬火組織 Fig.4 Microstructure of the water quenched steels at various Mn contents and w(B) of 0.000 3%

圖5所示為冷軋鋼板在添加0.002 5%硼的情況下,錳含量對鋼板淬火回火后的強度的影響。可以看到,強度隨錳含量提高而明顯提高。與圖3在同等的錳含量下進行比較,加硼后鋼的強度都有了一定提高,但幅度不大。從圖6的組織可以看出,在1.65%的錳含量條件下,金相組織中基本上看不到鐵素體。錳含量較低時,淬火組織仍含有較多的鐵素體。可見,在錳含量較低的情況下,加0.002 5%B不能得到全馬氏體的組織。

圖5 w(B)為0.002 5%的條件下Mn含量對水淬鋼板性能的影響Fig.5 Effect on Mn content on the tensile properties of water quenched steels at w(B) of 0.002 5%

圖 6 w(B)為0.002 5%的條件下不同Mn含量的淬火組織 Fig.6 Microstructure of the water quenched steels at various Mn contents and w(B) of 0.002 5%

圖7所示為w(Mn)為1.65%的情況下,硼含量對冷軋板淬火回火后的強度的影響。可以看到,雖然加1.65%的Mn已經可以獲得全馬氏體的淬火組織,但在此基礎上加硼仍對鋼的強度有一定的提高,特別是添加0.002%以上的硼,對鋼淬火后的屈服強度和抗拉強度均有明顯提高。 從圖8的組織可以看到,組織差別不大,均為全馬氏體組織。

圖7 w(Mn)為1.65%的條件下硼含量對鋼板性能的影響 Fig.7 Effect of boron content on the tensile properties of water quenched steels at w(Mn)of 1.65%

圖8 w(Mn)為1.65%的條件下不同硼含量的淬火組織Fig.8 Microstructure of the water quenched steels at various boron contents and w(Mn)of 1.65%

圖9所示為w(Mn)為1.05%的情況下,硼含量對淬火回火后冷軋板的強度的影響。可以看到,加硼對鋼的強度有一定提高,但在硼含量低于0.003%時,試驗鋼的淬火強度提高不多。當硼含量達到0.003 6%以上時,試驗用鋼淬火后的屈服強度和抗拉強度有較大幅度的提高。 圖10為相應的組織,可以看到當硼含量為0.003 6%時,試驗用鋼淬火后的組織基本不含鐵素體。

圖9 w(Mn)為1.05%的條件下硼含量對鋼板性能的影響 Fig.9 Effect of boron content on the tensile properties of water quenched steels at w(Mn)of 1.05%

圖10 w(Mn)為1.05%的條件下不同硼含量的淬火組織 Fig.10 Microstructure of the water quenched steels at various boron contents and w(Mn)of 1.05%

冷軋馬氏體鋼板的成分設計需要控制碳當量,通常參考使用如式(1)的碳當量公式:

Ceq=w(C)+w(Si)/30+w(Mn)/6+

w(Nb)/5+w(Cu)/15+w(Ni)/15+

w(Cr)/5+w(V)/5

(1)

該碳當量公式沒有考慮硼的影響,對于加硼鋼見式(2)[5]:

Pcm=w(C)+w(Si)/30+w(Mn)/20+

w(Cu)/20+w(Ni)/60+w(Cr)/20+

w(Mo)/15+w(V)/10+5w(B)

(2)

分別用以上兩個碳當量公式計算各試驗用鋼的碳當量并計算抗拉強度和碳當量的比值,得到圖11的結果。可以看到,單獨加錳的試驗用鋼中,A3的TS/Ceq值最高;添加錳、硼的試驗用鋼中,D1的TS/Pcm值最高。可見,單獨加1.65%的錳或者采用1.05%Mn+0.003 6%B的合金化方案,具有較好的強度和碳當量的平衡,可以作為水淬冷軋馬氏體鋼板合金進一步優化的基礎。

圖11 各試驗用鋼的抗拉強度和碳當量(Ceq和Pcm)的比值Fig.11 Tensile strength to carbon equivalence ratio of the experimental steels

4 結論

在本文特定的試驗條件下,得到如下結果:

(1) 試驗用鋼在不加硼的情況下,至少需要加入1.65%Mn才能獲得接近全馬氏體的淬火組織,此時試驗用鋼淬火后的組織僅含少量鐵素體,強度達到1 300 MPa。

(2) 試驗用鋼加0.002%以上的硼可以明顯提高冷軋鋼板水淬后的拉伸強度,提高幅度和試驗用鋼的錳含量有關。

(3) 在試驗用鋼含1.65%錳時,硼含量高于0.002%時,強度有明顯的提升,此時金相組織基本不含鐵素體,為馬氏體組織。

(4) 當試驗用鋼含1.05%Mn時,只有硼含量達到0.003 6%時,才能基本消除鐵素體的存在,獲得全馬氏體的水淬組織。硼含量較低時,淬火組織中含有較多的鐵素體。