高端車用熱成形鋼CR300MB的研發與應用

陳 波， 張繼國， 華永興， 尹樹春， 吳 磊， 梁振威， 孫 擴

(唐山鋼鐵集團有限公司， 河北 唐山 063000)

鋼的成形性能通常隨著強度的提高而下降，而熱成形鋼可以通過熱成形工藝，將成形和強化分為兩個步驟，用以生產超高強度零部件[1-8]。隨著高強鋼在汽車工業的不斷應用和發展，熱成形鋼正以超高強度、高安全性、高成形性及高減重效果等顯著優勢被汽車行業大量使用[9-17]。目前，鋼廠生產冷軋熱成形鋼時，在熱處理退火工藝路徑上主要有連續退火和罩式退火兩種，各鋼廠通常根據自身生產線設備特點、技術儲備和客戶特殊要求來選擇不同的技術路線，以開發適合客戶需求的熱成形鋼產品。某高端品牌汽車采用冷軋熱成形鋼CR300MB生產保險杠、A/B柱、車門防撞梁等安全部件和結構件，該材料熱沖壓前的抗拉強度一般在440 MPa以上，熱沖壓后的零件抗拉強度可以達到1300 MPa以上，大大提高了汽車零件的強度和安全系數。本文通過對酸軋后的冷硬態CR300MB鋼進行連續退火和罩式退火工藝模擬試驗，對比研究不同退火工藝下產品的顯微組織和力學性能。進而選擇罩式退火工藝生產高端車用熱成形鋼CR300MB，并成功進行了熱沖壓零件試制，為熱成形鋼CR300MB的研發生產和工業應用提供參考。

1 試驗材料及工藝模擬

1.1 材料制備

試驗用CR300MB鋼根據某高端車企標準進行化學成分設計，經冶煉、連鑄、熱軋后得到厚度為3.2 mm的熱軋原料鋼卷，熱軋工藝參數：加熱溫度1250 ℃，熱軋壓下率84.5%，終軋溫度890 ℃，卷取溫度650 ℃；熱軋原料卷再經酸洗連軋后得到1.4 mm厚度的冷硬鋼卷，冷軋壓下率為56%。CR300MB鋼實際化學成分如表1所示，符合客戶企業標準要求。根據企業標準要求，CR300MB熱成形鋼熱沖壓前的力學性能需滿足屈服強度Rp0.2≥300 MPa，抗拉強度Rm≥440 MPa，斷后伸長率A80≥20%；客戶現用進口材料熱沖壓前的實物力學性能：屈服強度為335 MPa、抗拉強度為496 MPa，斷后伸長率A80為25.5%。為確定CR300MB熱成形鋼冷硬鋼卷的熱處理工藝，從1.4 mm厚的冷硬鋼卷上取樣分別進行連續退火(CA)和罩式退火(BA)工藝模擬，其中連續退火試樣尺寸為600 mm×300 mm×1.4 mm，罩式退火試樣尺寸為200 mm×100 mm×1.4 mm，試樣長度方向為軋制方向。

表1 CR300MB鋼的實際化學成分(質量分數，%)Table 1 Actual chemical composition of the CR300MB steel (mass fraction, %)

1.2 退火工藝模擬

連續退火工藝模擬在CAS-300II帶鋼連續退火試驗機上進行，為深入研究不同連續退火工藝對退火后組織性能的影響，設計如表2所示的連續退火模擬工藝，加熱段溫度選擇720、740、760、780和800 ℃，緩冷段溫度選擇620、660 ℃，快冷段溫度選擇450、510 ℃，時效段溫度選擇400、430 ℃，終冷段溫度選擇90、120 ℃。連續退火模擬試驗過程中，在板料的不同位置焊接熱電偶進行實時溫度監測。

表2 模擬連續退火工藝參數Table 2 Parameters of the simulated continuous annealing processes

罩式退火工藝模擬在SX-4-10箱式電阻爐內進行，為保證試樣在退火過程中不發生氧化，爐內通入氮氣作為保護氣體。模擬罩式退火采用隨爐裝樣，升溫過程中，室溫至400 ℃自由加熱，溫度達到400 ℃后以30 ℃/h 加熱速度將2組試樣分別加熱至660 ℃和680 ℃，保溫10 h后緩冷至600 ℃，再快冷至室溫，如圖1所示。

圖1 模擬罩式退火工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of the simulated batch annealing process

對完成連續退火和罩式退火工藝模擬試驗的每個試樣，分別在退火試樣軋向的中部取φ10 mm金相試樣1個和標距為80 mm的拉伸試樣3個。金相試樣經粗磨、拋光、體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，采用徠卡DMI5000M光學顯微鏡和蔡司Ultra 55掃描電鏡觀察組織。拉伸試樣在Zwick/RoellZ100Xlinear全自動電子萬能拉伸試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速度為1 mm/min，拉伸結果取每個等效位置的3個試樣的平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 連續退火工藝模擬試驗結果

表3為不同連續退火工藝下CR300MB鋼的力學性能。可以看出，雖然5種工藝下試樣的力學性能都滿足標準要求，但與客戶現用進口材料相比，屈服強度和抗拉強度都整體偏高，斷后伸長率整體偏低。加熱溫度為740 ℃和760 ℃時，CR300MB鋼的強度相對較低而塑性較高，但屈服強度分別比進口材料高121 MPa 和115 MPa，抗拉強度分別高90 MPa和84 MPa。740 ℃和760 ℃連續退火后CR300MB鋼的顯微組織如圖2所示，可以看出，連續退火工藝下試樣晶粒比較粗大，多為細長的軋制變形晶粒，并且存在帶狀組織偏析。

表3 不同加熱溫度連續退火后CR300MB鋼的力學性能Table 3 Mechanical properties of the CR300MB steel continuous annealed at different heating temperatures

圖2 不同加熱溫度連續退火后CR300MB鋼的顯微組織Fig.2 Microstructure of the CR300MB steel continuous annealed at different heating temperatures(a) 740 ℃; (b) 760 ℃

2.2 罩式退火工藝模擬試驗結果

表4為不同溫度罩式退火后CR300MB鋼的力學性能，可以看出，加熱溫度為660 ℃和680 ℃時試樣的力學性能都滿足標準要求。比較而言，加熱溫度為680 ℃ 時試樣的屈服強度為374 MPa，抗拉強度為469 MPa，斷后伸長率為24.93%，綜合力學性能更接近進口材料的力學性能。圖3為660 ℃和680 ℃罩式退火后CR300MB鋼的顯微組織，由圖3可以看出，罩式退火工藝模擬的試樣晶粒比連續退火的細小，且晶粒大部分為等軸晶。

表4 不同溫度罩式退火后CR300MB鋼的力學性能Table 4 Mechanical properties of the CR300MB steel after batch annealing at different temperatures

圖3 不同溫度罩式退火后CR300MB鋼的顯微組織Fig.3 Microstructure of the CR300MB steel after batch annealing at different temperatures(a) 660 ℃; (b) 680 ℃

2.3 討論與退火工藝確定

比較連續退火和罩式退火兩種工藝的試驗結果，從力學性能來看，采用連續退火時CR300MB鋼的強度整體偏高，屈服強度Rp0.2為450～486 MPa，抗拉強度Rm為580～631 MPa，雖然也滿足屈服強度Rp0.2≥300 MPa、抗拉強度Rm≥440 MPa的標準要求，但與客戶現用進口材料實物的力學性能相比，屈服強度高115～151 MPa，抗拉強度高84～135 MPa，且斷后伸長率檢測值為20.01%～22.20%，也明顯低于進口材料的斷后伸長率(25.5%)。而采用罩式退火時，CR300MB鋼的屈服強度Rp0.2為366～374 MPa，抗拉強度Rm為469～480 MPa，強度明顯低于連續退火時CR300MB鋼的強度，且更接近進口材料實物的強度水平。罩式退火時CR300MB鋼的斷后伸長率A80為22.27%～24.93%，也顯著高于連續退火時的斷后伸長率，且更接近進口材料實物的水平。680 ℃罩式退火時CR300MB鋼的屈服強度為374 MPa，抗拉強度為469 MPa，斷后伸長率A80為24.93%，是所有退火工藝模擬試樣中綜合性能最優的，更接近進口材料實物的力學性能水平。

從顯微組織來看，采用連續退火時CR300MB鋼的組織晶粒比較粗大，多為細長的軋制變形晶粒，并且存在帶狀組織偏析；而采用罩式退火時CR300MB鋼的組織晶粒比較細小，晶粒大部分為等軸晶，有利于CR300MB鋼熱成形時組織轉變為均勻的馬氏體組織，也有利于提高熱成形后零件的強度和韌性。

綜合以上分析，CR300MB鋼采用680 ℃罩式退火工藝進行生產，材料的力學性能和顯微組織均最佳，更有利于后續的熱成形加工，因此確定采用680 ℃保溫10 h的罩式退火工藝進行CR300MB鋼的工業生產試制。

3 生產試制與應用

3.1 罩式退火工藝試生產

3.1.1 試制鋼卷的生產過程

對表1所示實際化學成分的CR300MB熱軋原料鋼卷進行罩式退火工業生產試驗，先將鋼卷酸軋為1.40 mm 厚的軋硬鋼卷，再經脫脂清洗后裝入罩式退火爐進行680 ℃保溫10 h的罩式退火，退火后出爐自然冷卻4天，然后進行平整、分卷、涂油和表面質量檢查，檢查結果未發現明顯的劃傷、壓痕、麻點、輥印及氧化色等缺陷，達到表面質量要求。

3.1.2 試制鋼卷的力學性能和顯微組織

分別從試制鋼卷成品的頭、中、尾部沿軋制方向(0°方向)、垂直于軋制方向(90°方向)以及與軋向成45°角方向(45°方向)取樣進行力學性能檢測，結果如表5所示。可以看出，鋼卷不同部位沿不同方向的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率均滿足標準要求，且工業試制實物的性能比罩式退火工藝模擬試樣的性能更接近進口材料實物的性能水平。因此，從力學性能來看，CR300MB鋼研發制定的罩式退火工藝是合適的。

表5 試制CR300MB鋼卷的力學性能Table 5 Mechanical properties of the trial-produced CR300MB steel coil

圖4為從試制鋼卷中部取樣，沿軋制方向剖面的顯微組織，為鐵素體和游離滲碳體，組織晶粒細小且大部分為等軸晶，且工業試制CR300MB鋼的顯微組織比罩式退火工藝模擬試樣的更佳。由此可見，從顯微組織來看，CR300MB鋼研發制定的罩式退火工藝也是合適的。

圖4 試制CR300MB鋼卷中部的顯微組織Fig.4 Microstructure in the middle of trial-produced CR300MB steel coil

3.2 零件試制與熱沖壓后的組織性能

3.2.1 零件熱沖壓試制及性能要求

熱沖壓試制零件為某高端車企某車型的后保險杠。首先將生產的1.4 mm厚CR300MB鋼卷開卷剪切成1.4 mm×1174 mm×230 mm的矩形片料，然后在模具上沖壓落料成零件需要的尺寸形狀，如圖5所示，再在熱成形零配件廠進行零件熱沖壓試制。零件熱沖壓工藝為加熱溫度930 ℃，保溫時間300 s，保壓壓力8000 kN，保壓時間10 s。經檢測，熱沖壓零件無開裂、起皺等質量問題。

圖5 試制零件落料形狀Fig.5 Blanking shape of the trial-produced part

根據企業生產標準要求，CR300MB鋼熱沖壓后的拉伸性能要求：屈服強度Rp0.2為1000～1300 MPa，抗拉強度Rm為1300～1700 MPa，斷后伸長率A50≥5%，熱沖壓后的彎曲性能需滿足表6所示要求，熱沖壓后的硬度要求為416～516 HV10，熱沖壓后的組織要求為馬氏體組織比例≥95%，脫碳層深度≤70 μm，不允許存在完全脫碳。

表6 CR300MB鋼熱沖壓后的彎曲性能要求Table 6 Bending property requirement of the CR300MB steel after hot forming

3.2.2 力學性能檢測

隨機取3個試制的熱成形零件，分別在零件中部同一位置取樣進行拉伸試驗、彎曲試驗和硬度測試。拉伸性能檢測結果如表7所示，可以看出，熱成形后零件的屈服強度為1085～1106 MPa，抗拉強度為1336～1470 MPa，斷后伸長率為5.30%～5.82%，均滿足標準要求。對拉伸試樣的斷口形貌進行觀察分析，發現斷口均為韌性斷裂特征，選取2個試樣的拉伸斷口形貌進行掃描電鏡觀察和微區化學成分分析，結果如圖6 及表8所示。從圖6可以看出，斷口處存在大量的韌窩，表明其在斷裂前發生了一定程度的塑性變形，隨著負載的增大和材料塑性變形量的增加，大量位錯進入到微孔之中，促使微孔逐漸長大，直到微孔聚合到臨界尺寸后形成裂紋，進而導致材料斷裂。圖6(a)的斷口形貌比較平整，主要由大小不一，淺而平的韌窩和夾雜組成，圖6(a)中有第二相的平面狀組織出現，由表8 所示圖譜1相應的EDS成分分析可知，其主要元素的質量分數(%)為37.61O、28.72Al、26.95Fe、4.15Ca和2.58Mg。由圖6(b)可以看到，韌窩周邊形成有較大塑性變形的白亮的撕裂棱，撕裂棱的取向與宏觀斷口方向一致。

表8 圖6中不同位置處的EDS分析(質量分數，%)Table 8 EDS analysis of the different positions in Fig.6 (mass fraction, %)

圖6 CR300MB鋼熱成形零件的拉伸斷口形貌(a)零件1;(b)零件2Fig.6 Tensile fracture morphologies of the CR300MB steel hot-formed parts(a) part 1; (b) part 2

表7 CR300MB鋼熱成形零件的力學性能Table 7 Mechanical properties of the CR300MB steel hot-formed parts

彎曲試樣從每個零件的正面和右側壁取樣，彎曲試驗結果如表9所示，可以看出，零件正面與右側壁的彎曲性能均滿足標準要求(厚度為0.7～1.55 mm時

表9 CR300MB鋼熱成形零件不同部位的彎曲角度Table 9 Bending angle at different positions of the CR300MB steel hot-formed parts

彎曲角度≥60°)，但零件正面與右側壁彎曲角度存在較大差異，這主要與熱沖壓及保壓淬火時零件這兩個部位所受應力狀態和組織轉變的差異等因素有關。

在每個零件上取3點進行硬度檢測，結果如表10所示，可以看出，零件的硬度差別不大，均滿足標準要求。

表10 CR300MB鋼熱成形零件的硬度Table 10 Hardness of the CR300MB steel hot-formed parts

3.2.3 顯微組織檢測

隨機取1個試制的熱成形零件，分別進行顯微組織檢測和脫碳層檢測，結果如圖7、圖8所示。由圖7可以看出，零件的顯微組織為馬氏體+少量殘留貝氏體，馬氏體體積分數為99.5%，滿足標準要求。由圖8 可以看出，零件表面不存在完全脫碳情況，均為半脫碳，檢測的3個位置的脫碳層深度分別為36.16、32.69和40.79 μm，滿足標準要求。

圖7 CR300MB鋼熱成形零件的顯微組織(a)和馬氏體分布(b)Fig.7 Microstructure(a) and martensite distribution(b) of the CR300MB steel hot-formed parts

圖8 CR300MB鋼熱成形零件表面脫碳層形貌Fig.8 Morphology of decarbonized layer of the CR300MB steel hot-formed parts

4 結論

1) 連續退火和罩式退火工藝模擬結果表明，從力學性能來看，兩種退火工藝模擬后CR300MB鋼試樣的力學性能均能滿足標準要求，但與進口材料實物性能比較，連續退火的強度偏高，斷后伸長率偏低，而罩式退火力學性能更接近進口材料實物的水平；從顯微組織來看，連續退火的組織晶粒比較粗大，多為細長的軋制變形晶粒且存在帶狀組織偏析；而罩式退火的組織晶粒比較細小，晶粒大部分為等軸晶。680 ℃罩式退火工藝模擬試樣的力學性能和顯微組織均最佳，更有利于后續的熱成形加工，因此確定采用680 ℃保溫10 h的罩式退火工藝開發生產冷軋熱成形鋼CR300MB。

2) 采用680 ℃退火10 h的罩式退火工藝工業試制的CR300MB熱成形鋼屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率均滿足標準要求，且工業試制產品的組織性能比罩式退火工藝模擬試樣的組織性能更優，基本達到進口材料實物水平，證明選定的CR300MB鋼罩退工藝是合適的。

3) 采用開發的CR300MB熱成形鋼進行零件試制，經過加熱溫度930 ℃，保溫時間300 s，保壓壓力8000 kN，保壓時間10 s的熱沖壓后，零件的力學性能、顯微組織及脫碳層深度均滿足標準要求，表明CR300MB熱成形鋼的開發和應用取得成功。