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浙江宏盛特钢有限公司热轧双相钢的轧制工艺研究分析
发布者: 发布时间:2020/3/4 阅读:48

  简要说明了热轧双相钢组织及生产特点,并结合热轧双相钢的生产介绍了工艺条件对碳-硅-锰-铬-钼系双相钢组织性能的影响及工艺参数的确定。近年来,随着汽车向节能、减重和安全性方向发展,热轧双相钢以其高强度和高成形性能,已广泛地用于制造汽车加强板、车轮、底盘、保险杠、车体各种框架等构件。可减轻重量20~30%,符合汽车材料轻量化、高性能、安全环保节能的发展主题,逐渐成为汽车用钢的首选钢种之一。


一、双相钢的组织特点

   双相钢是指低碳钢或低碳合金钢经过临界区热处理或控制轧制工艺而得到的,主要由铁素体+少量(体积分数小于20%)马氏体(M)组成的先进高强度钢。普通的高强钢是通过控制轧制细化晶粒,并通过微合金元素的碳氮化物的析出来强化基体,而双相钢是在纯净的铁素体晶界或晶内弥散分布着较硬的马氏体相,因此其强度与韧性得到了很好的协调。双相钢的塑性和强度分别由铁素体和马氏体相的比例来决定,其力学性能特点:

1. 应力—应变曲线无不连续屈服现象;

2. 具有高的加工硬化速率,尤其是初始加工硬化速率;

3. 低的屈服强度和高的抗拉强度;

4. 较高的延伸率。


二、热轧双相钢的生产工艺

采用合适的化学成分,控制带钢终轧温度、冷却速度及卷取温度获得铁素体+马氏体双相组织,这种双相钢称为热轧双相钢,可分为两类:

1. 低温卷取型

   其原理是在终轧后的冷却过程中完成大部分的A→F相变(约80%),而在此后的快冷阶段迅速将钢带冷却至Ms点以下卷取,得F+M组织。卷取温度一般低于300℃,避免贝氏体形成,同时也避免了铁素体的时效和马氏体的自回火。其特点是减少了合金元素含量降低了成本,但对工艺参数控制要求严格,尤其是终轧后的冷却工序,控制较困难,且需要采用较大功率的卷取设备,目前只有日本的新日铁、川崎制铁等厂几应用这种工艺,国内采用较少。图1为低温卷取冷却工艺图。

 

2. 中温卷取型

   其原理是适当加入Cr、Mo等合金元素提高奥氏体在常规卷取温度范围内的稳定性,在其连续冷却过程中,介于A→F和A→B转变的温度区间内有一个奥氏体亚稳无相变区间。终轧后的钢板在连续冷却过程中先完成大部分的A→F相变(约80%),并在“卷取窗口”温度内进行无相变卷取,在卷取完后空冷到室温的过程中残余奥氏体转变为马氏体,最终获得F+M两相组织。这种轧制方法的卷取温度为500~600℃。如图为中温卷取冷却工艺图。

   这种工艺要求双相钢的CCT曲线应具备2个条件:(1)介于A→F和A→B转变之间有一个奥氏体亚稳区以满足工艺需要的“卷取窗口”。由于珠光体转变曲线大幅度右移产生了较宽的铁素体析出区,即CRmax和CRmin之间还要有一个较宽的“速度窗口”。“卷取窗口”要求纵向温度差Δt≥80℃;“速度窗口”要求PS/PF75≥10。(2)贝氏体转变区的右侧端部应封口,否则组织中将出现贝氏体组织(图2)。图2中PS和PF75分别表示开始产生P和75%PF所需时间,CRmax和CRmin分别表示开始产生75%PF和P所需冷却速度。终轧后只要冷却速度在CRmax和CRmin的“速度窗口”之间的冷却到“卷取窗口”温度进行卷取就可获得合格的双相组织。


三、DP590热轧双相钢生产工艺确定

1. 成分设计

   采用中温卷取型热轧法生产,故必须添加Cr、Mo等合金元素提高奥氏体在常规卷取温度范围内的稳定性以利于工艺控制,故本钢DP590双相钢选用C-Si-Mn-Cr-Mo系,化学成分见表1。合金元素对组织、性能及生产工艺的影响如下:

 a. 碳元素主要用于形成所需数量的马氏体和保证钢的强度,同时要考虑焊接性等性能。

 b. 硅元素可以扩大Fe-C相图的α+γ区,使临界区处理的温度范围加宽,改善双相钢的工艺性能,有利于保持双相钢强度、延性等性能的稳定性和重现性。

 c. 锰是典型的奥氏体稳定化元素,显著提高钢的淬透性,并起到固溶强化和细化铁素体晶粒的作用,可显著推迟珠光体转变以及贝氏体转变。

  d. 铬是中强碳化物形成元素,显著提高钢的淬透性,不仅能强烈推迟珠光体转变和贝氏体转变,而且扩大了“卷取窗口”。此外铬可促进碳向奥氏体扩散,并可降低铁素体的屈服强度,有利于获得低屈服强度的双相钢。

  e. 钼也是中强碳化物形成元素,对临界区加热时所形成的奥氏体的淬透性有良好的影响,可推迟珠光体转变,有利于采用常规轧制工艺来获得双相组织,Mo还可以降低屈服强度,提高抗拉强度,同时保持延伸性基本不变。


 2. 热轧工艺

 a. 加热工艺

    细化奥氏体晶粒最有效的方法之一是降低板坯的加热温度,为此DP590级双相钢的加热温度确定为1200±20℃。

 b. 终轧温度

   终轧温度对热轧双相钢性能的影响与钢中的合金元素种类及含量有关。对应一定成分的合金,有一个最佳的终轧温度范围,在此范围内双相钢的屈服强度和屈强比较低,均匀延伸率和总延伸率较高。为了得到F+M双相组织及较高的综合力学性能,终轧温度应略高于或低于Ar3值。一般控制在为800~900℃,在此温度范围内双相钢屈强比小于0.7。

 c. 卷取温度

   卷取温度大于600℃时钢板组织中产生珠光体,卷取温度小于500℃时钢板组织中出现贝氏体,两者都可能使屈强比大于0.7。而卷取温度在500~600℃奥氏体亚稳区范围内则可得到铁素体+马氏体双相组织,屈强比可控制在0.7以内。

 d. 冷却工艺

  在热轧双相钢中,终轧后的冷却模式(两段式和三段式)的选择、各段冷却速度、各段冷却起始温度、间隔空冷温度及时间的控制对铁素体晶粒的大小和马氏体的形态、分布、含量都有重要影响,直接影响双相钢力学性能与工艺性能。双相钢中铁素体的析出量决定其塑性和屈服强度,因此,必须精确控制双相钢中铁素体的含量或体积分数。间隔空冷温度和时间的严格控制是获得所需铁素体体积分数的关键。间隔空冷时间过长,显微组织中铁素体的比例过高,快冷后得到的马氏体组织比例太少;而空冷时间过短,显微组织中铁素体的比例太低,快冷后得到的马氏体组织比例太高,均满足不了双相钢强度与韧性协调的特性。如图所示当两段水冷间隔空冷时间从5s延长到7~8s,铁素体体积分数可从60%增加到双相钢要求的80%以上。由于本钢1700热连轧层流冷却具有较强的冷却能力,故DP590的生产采用了对控冷能力要求较高的三段控制冷却工艺。图是厚度6mm带钢冷却工艺的控制过程。带钢经800~900℃温度终轧后空冷1~2s,以40~50℃/s的冷速使带钢冷却到730℃,进入铁素体区域空冷7~12s至700℃,带钢在此区域完成大部分(80%~90%)铁素体转变,再以50~60℃/s的冷速快速冷却到600℃,以避开珠光体转变。出层流冷却区后空冷2~4s至500~600℃卷取,残余奥氏体在卷完后的空冷过程中转变成体积分数为10%~20%马氏体。其典型冷却工艺控制如图。


四、产品的力学性能分析及微观组织

  表为本钢DP590级热轧双相钢3~6mm各种规格产品实测力学性能与日本标准JISG-3134对应产品SPFH-590Y比较情况。由于拉伸曲线上均无屈服点或屈服平台,屈服强度(ReL)取均匀变形最初处的应力值(Rp0.2)。从表2中可以看出,屈强均低于0.68,而抗拉强度较高,均大于590MPa,n值高达0.21,表明产品具有较高的初始加工硬化速率。数据显明,厚3~6mm规格产品力学性能超过日本标准JISG-3134中对应牌号热轧双相钢SPFH-590Y的各项指标要求。

   图为6mm规格钢板拉伸曲线,其拉伸曲线呈平滑的拱形,无屈服点伸长,能够防止钢板在加工过程中产生吕德斯带,避免了钢板在深加工过程中表面褶皱的产生,表明钢板具有良好的冲压成形性能。双相钢无屈服平台的原因是马氏体形成时,与原剩余奥氏体相比体积增加较大且膨胀迅速,将周围铁素体晶粒压迫变形,同时在变形的铁素体晶粒内,与马氏体相邻的晶界附近,形成大量的可动位错又称林位错,因此双相钢拉伸变形时,有足够的可动位错,无需通过位错“脱钉”过程来积累可动位错,因此拉伸曲线上没有屈服现象。但如果马氏体含量较少,则可能无法形成足够多的可动位错,拉伸曲线仍有屈服现象,且抗拉强度较低。

   图为3mm和6mm两种规格的DP590级双相钢以LEPERA试剂(1%Na2S2O5水溶液+4%苦味酸酒精溶液)腐蚀金相试样,用LEICA图分析仪拍摄的微观组织,马氏体经LEPERA试剂腐蚀后呈亮白色,铁素体呈灰色,组织中主要为多边形铁素体+岛状马氏体,其中灰色组织为铁素体,白色组织为马氏体(伴有微量贝氏体)。采用网格法统计出马氏体体积分数约为15%;铁素体晶粒平均直径为5~9μm,马氏体大小不一分布于铁素体晶粒间。


六、产品应用

   长春一汽四环汽车股份有限公司采用本钢生产的DP590级热轧双相钢取代Q235(B)制造“起亚”轿车车轮,重量减轻13%,疲劳寿命达到Q235(B)的2倍。东风汽车公司用590MPa级双相钢生产EQ140汽车车箱横梁,使钢板厚度由原来的3.5mm减薄至3.0mm,取得了可观的经济效益。使用情况表明,本钢生产的DP590的热轧双相钢冲压成形性能很好,在制作车箱横梁、轮辐等汽车零部件时未出现任何开裂、焊接性能不好等现象,冲压合格率达100%,得到了用户的好评。


七、结论

  1. 热轧双相钢的生产有中温卷取和低温卷取两种形式,低温卷取对工艺要求严格,要采用较大功率的卷取设备,中温卷取虽然由于添加合金使得成本高于低温卷取,但可在常规的卷取温度范围内卷取,应用较为普遍。

  2. 成份设计和控制冷却是热轧双相钢生产的两个关健环节,成份设计确定了双相钢的CCT曲线型式,而控制冷却正是根据CCT曲线确定相应的冷却工艺,获得所需双相组织。

  3. 本文介绍的本钢DP590级热轧双相钢化学成份和轧制工艺设计合理,产品性能良好,已经在国内相关汽车厂家获得广泛应用。
 

 

 
 

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