熱軋卷冷卻方式對冷軋低合金高強鋼H800L性能的影響

0 引言

節能減排是汽車行業發展面臨的重大問題，輕量化設計是未來汽車行業發展的必經之路，而高強鋼的開發及推廣是解決上述問題的必然手段。世界各大鋼鐵企業及科研院所積極開展汽車先進高強鋼的研發及應用推廣，其中低合金高強鋼（HSLA）是近年汽車高強鋼開發最成功的鋼種之一。國標GB/T20564.4—2010《汽車用高強度冷連軋鋼板及鋼帶第4部分：低合金高強度鋼》中最高級別牌號為CR420LA。面對汽車輕量化需求及高強鋼發展趨勢，各鋼廠積極開發更高級別牌號，制定各自企業標準，其中典型牌號包括ΔH500L 、H800L等，主要應用于座椅滑軌、門檻件及防撞梁等結構件，市場需求廣泛。

目前，冷軋低合金高強鋼相關研究主要集中在連退熱處理工藝對組織性能的影響及冷軋板材成型數值模擬、成型過程質量分析等方面。典型鋼種H800L采用Nb-Ti復合的微合金成分設計，在熱軋及連退工藝過程中第二相析出行為對溫度敏感性更高。低合金高強鋼生產工藝流程長，連退產品性能與熱卷及退火態顯微組織、析出物形態密切相關。生產實踐發現，熱卷下線冷卻方式對冷軋低合金高強鋼性能影響顯著，但相關機理研究鮮有報道。

本論文以冷軋低合金高強鋼H800L為研究對象，結合產線質量問題開展機理研究，實現高強鋼的穩定化生產。

1問題概況

某鋼廠采用“260t頂底復吹轉爐 LF 精煉$$ 板坯連鑄 2250mm 熱連軋 ?2180mm 酸軋1680 連續退火”工藝路徑生產冷軋低合金高強鋼 ΠH800L ，化學成分控制范圍見表1。低碳成分設計保證良好焊接性能，硅是鐵素體形成元素，促進鐵素體相變的發生，具有固溶強化作用，同時提高碳在奧氏體和鐵素體中的活度，一定程度上提高滲碳體在鐵素體中析出的開始溫度，抑制連退階段滲碳體的析出，進而促進微合金元素第二相的彌散析出；錳是典型的奧氏體穩定元素，可以延遲珠光體和貝氏體相變，同時具有固溶強化作用；采用Nb-Ti復合的微合金成分體系，其中固溶鈮對奧氏體晶界具有拖曳作用，可細化奧氏體晶粒，同時與鈦可形成第二相，起到彌散強化作用。

低合金高強鋼H800L在2250熱連軋主線下線后分別按照擋風墻（保溫耐火材料制造）內緩冷（ ^12h ）、庫區自然冷卻2種冷卻方式堆垛，如圖1所示。厚度為 3.3mm 的熱板經過酸軋（壓下率為 50% ）軋制 1.65mm 后進行連退熱處理，最終連退產品性能存在明顯差異，見表2，其中，A為伸長率。由表2可知，擋風墻內緩冷熱卷對應連退卷屈服強度 R_p0.2 為 493～574MPa 、抗拉強度 R_m 為 609～675MPa ，兩者均明顯低于庫區內自然冷卻熱卷對應的連退卷。庫區自然冷卻模式最終產品性能均滿足標準要求，而擋風墻內緩冷模式最終產品強度指標均不合格，造成批量產品降級。

表1H800L化學成分（質量分數）

圖1熱卷下線冷卻方式

表2H800L熱卷不同下線冷卻方式的連退產品性能

2 原因分析與討論

2.1熱卷板顯微組織及力學性能對比

設定低合金高強鋼 Π_H800L 熱連軋卷取溫度為600^°C ，不同下線冷卻方式熱卷板顯微組織形貌如圖2所示。擋風墻內緩冷熱卷顯微組織由多邊形鐵素體、晶界少量黑色塊狀珠光體和晶界、晶內析出的粒狀碳化物組成；庫區自然冷卻熱卷晶界處析出碳化物明顯增多，鐵素體晶粒顯著細化。采用截距法測定擋風墻內緩冷與庫區自然冷卻模式晶粒尺寸分別為 2.3～3.5μm 和 1.6～2.8μm 相應熱卷力學性能見表3。庫區自然冷卻熱卷顯微組織與擋風墻內緩冷熱卷存在明顯差異，主要由于擋風墻內緩冷，鐵素體相變的排碳作用形成局部碳偏聚，在低冷卻速率下發生珠光體相變，珠光體相變釋放熱量，加之擋風墻內緩冷，使得相變鐵素體晶粒進一步長大，與此同時鋼基體析出的粒狀碳化物數量明顯減少。

圖2熱板顯微組織形貌

表3不同下線冷卻方式熱軋卷性能

取熱卷帶中板寬1/4位置板料進行砂紙打磨至 0.0026mm 、機械拋光后采用 4% （體積分數）硝酸酒精深腐蝕以實現第二相析出物與鋼基體分離，后續進行噴碳制備碳復型。采用美國FEI公司TECNAIF20場發射透射電鏡對2種下線冷卻方式熱卷板進行第二相析出物分析，加速電壓為200kV ，點分辨率為 0.2nm ，信息分辨率為0.24nm ，分別觀察碳復型上的第二相析出物形貌并進行能譜分析。

不同下線冷卻方式的熱卷板第二相析出物復型形貌及能譜分析結果分別如圖3和圖4所示。圖3（a）中析出物尺寸為 32～140nm ，圖3（b）中析出物尺寸為 17～61nm 。擋風墻內緩冷促進了第二相析出物長大，發生第二相析出物的Ostwald熟化，即過飽和固溶體沉淀析出后期，析出相顆粒大小并不相同，較小顆粒析出物消溶而較大顆粒析出物繼續長大，導致析出物平均尺寸增大，同時析出物數量顯著減少。庫區自然冷卻熱卷冷卻速率高于擋風墻內熱卷，快速溫降使得第二相析出物來不及發生Ostwald熟化而更加細小彌散。擋風墻內緩冷熱卷中粗大的第二相析出物對相變鐵素體晶粒抑制作用較弱，有利于鐵素體晶粒長大，如圖2（a）所示。庫區自然冷卻熱卷中細小彌散析出物對相變鐵素體晶界釘扎作用較強，有效細化熱板顯微組織，如圖2（b）所示。對2種下線冷卻方式的熱卷板復型第二相進行能譜分析，結果如圖4所示，結果顯示析出物成分相同，均為NbTiC復合析出物。由于H800L采用Nb-Ti復合微合金成分體系，且鈦質量分數較高，達到 0.05%～0.08% ，在鑄壞凝固過程固定氮元素，液析氮化鈦的尺寸一般為微米數量級，遠超復型中第二相析出物尺寸。另外，TiC與NbC在奧氏體和鐵素體中的固溶度積很接近，在 2250mm 熱連軋粗軋和精軋控軋控冷過程中同時析出形成NbTiC復合析出物。

圖3第二相析出物復型形貌

圖4第二相析出物能譜分析

2.2 酸軋軋制力對比

不同下線冷卻方式典型熱卷在酸軋過程中軋制力的對比如圖5所示。庫區自然冷卻熱卷酸軋軋制力為 19.3～22.0MN ，熱卷帶頭至帶尾軋制力整體呈現降低趨勢，局部出現輕微波動。與卷取機芯軸接觸部位軋制力最高，可達到 22.0MN ，由于熱軋主線高溫帶鋼與芯軸接觸激冷促進晶粒細化，卷取初期微合金第二相并未大量析出，隨著與芯軸部位接觸的熱卷內圈發生回溫，促使第二相粒子大量析出，細晶強化與第二相彌散強化共同作用下使得板料強度最高、軋制力達到最大值。擋風墻內緩冷熱卷酸軋軋制力較庫區自然冷卻熱卷整體低約3.5MN，帶頭和帶尾軋制力偏高，中部呈現低軋制力下的規律波動，這主要受帶頭接觸芯軸激冷、帶尾與空氣接觸快速冷卻及中部保溫緩冷促進鐵素體晶粒長大及第二相粒子熟化的影響。不同下線冷卻方式對應酸軋軋制力差異與熱卷顯微組織、性能具有對應關系。

2.3連退板顯微組織對比

通常低強度級別低合金高強鋼采用細晶強化、析出強化機制保證強度，而高級別H800L強化機制不同于低級別牌號，通過連退工序半退火工藝使冷軋加工硬化的冷硬組織實現部分再結晶提高塑性，而半退火態纖維組織保留大量畸變能及形變位錯，匹配第二相析出強化與細晶強化是高強度的保障。熱卷不同下線冷卻方式的H800L連退板顯微組織形貌如圖6所示。擋風墻內緩冷熱卷對應的連退板顯微組織中冷軋鐵素體纖維狀組織出現明顯再結晶及再結晶晶粒長大現象，如圖6（a）中實線區域所示，再結晶比例達到 50% 以上。另外，保存了部分未再結晶組織，如圖6（a）中虛線區域所示。庫區自然冷卻熱卷對應的連退板顯微組織主要為具有典型軋制金屬流變特征的鐵素體纖維狀組織，部分區域發生再結晶，但是再結晶晶粒并未明顯長大，該種組織為H800L理想組織。

透射電鏡高腳環形暗場探頭（HADDF）拍攝的連退板高角環形暗場像如圖7所示。其中黑色襯底為碳膜成像，白色亮點為微合金第二相析出物。對比可知，擋風墻內緩冷促使第二相發生Ostwald熟化，微合金第二相析出物粒徑增大，尺寸為 27～84nm ，數量顯著減少；庫區自然冷卻熱卷對應連退板中第二相析出物更加彌散細小，尺寸為 4～37nm 。

圖5不同下線冷卻方式典型熱卷酸軋軋制力對比

上述連退板顯微組織差異，根本原因是微合金第二相析出物的粒徑大小及數量對連續退火工序加熱、均熱過程中鐵素體纖維狀組織再結晶及形核后晶界遷移的抑制作用不同。其中，庫區自然冷卻模式下細小彌散的第二相析出物能有效阻止或推遲軋硬態鐵素體再結晶行為，對再結晶形核晶界遷移的抑制作用更顯著。2種冷卻模式下的冷軋板在退火過程中晶界及晶內均析出大量的細小粒狀碳化物，可阻礙變形過程中位錯滑移，對強度提升起到積極作用。

圖7連退板第二相析出物TEM形貌

2.4機理分析

結合上述熱板、冷板顯微組織、力學性能及第二相析出物、酸軋軋制力對比情況，2種熱卷下線冷卻方式對連退產品性能差異性影響的主要原因如下：1）擋風墻內緩冷促進鐵素體相變，排碳作用形成的局部碳偏聚促使珠光體相變釋放熱量，同時促進微合金第二相析出物發生Ostwald熟化，使得第二相NbTiC顆粒長大，對相變鐵素體晶界的釘扎作用減弱，綜合作用下使得熱板鐵素體晶粒顯著長大。經冷軋變形后的冷硬卷在半退火過程中大顆粒NbTiC對具有軋制金屬流變特征的冷硬態鐵素體纖維組織的再結晶過程無明顯抑制作用，連退組織出現大量多邊形鐵素體，導致連退產品強度大幅降低、性能不合格。2）庫區自然冷卻模式下熱板微合金第二相析出物更加細小彌散，對相變鐵素體晶界的釘扎作用較強，可細化鐵素體晶粒，同時對冷軋鐵素體纖維組織在半退火過程中的再結晶行為具有顯著抑制，連退產品為儲存大量畸變能、形變位錯的具有典型金屬流變特征的半退火組織，實現強度與塑性的良好匹配。

3結論

1）不同熱卷下線冷卻方式對微合金第二相析出物NbTiC大小、數量的影響導致了冷軋低合金高強鋼H800L性能顯著性差異。

2）擋風墻內緩冷促進局部碳偏聚發生珠光體相變釋放熱量，同時使得微合金第二相析出物NbTiC熟化，促使熱板鐵素體晶粒長大；大顆粒NbTiC對冷軋鐵素體纖維狀組織再結晶無明顯抑制作用，連退組織出現大量多邊形鐵素體，這是導致連退板性能不合格的根本原因。

3）庫區自然冷卻模式使得第二相析出物更加細小彌散，細化熱板顯微組織，對冷軋鐵素體纖維組織的半退火再結晶行為具有抑制作用，獲得具有大量畸變能、形變位錯的半退火組織是保證高強度的關鍵。

本文摘自《鋼鐵》2025年第5期