超高强度冷轧耐候马氏体钢的组织与性能

刘志伟 郭晓宏 张瑞琦 刘凤莲 金泽宏 严平沅

(1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司市场营销中心，辽宁鞍山 114002)

超高强度冷轧耐候马氏体钢的组织与性能

刘志伟1郭晓宏1张瑞琦1刘凤莲1金泽宏2严平沅1

(1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司市场营销中心，辽宁鞍山 114002)

介绍了采用鞍钢常规喷气冷却连续退火机组试制一种冷轧超高强耐候马氏体钢的工艺流程，并使用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪及室温拉伸试验等手段对其显微组织和力学性能进行了表征。结果表明，试验钢组织由板条马氏体和少量残留奥氏体组成，马氏体有明显的分解现象，同时在马氏体基体中有大量弥散分布的渗碳体和碳化物析出。试验钢的综合力学性能良好，屈服强度可达1 039 MPa，抗拉强度达到1 131 MPa，断后伸长率A50为9.0%。通过微合金元素V和Ti的沉淀强化和细晶强化作用，试验钢的强度提高。

马氏体钢 耐候 连续退火 组织 性能

同汽车钢板的发展趋势相似，集装箱业用钢板也在向高强度、轻量化方向发展。采用超高强度热轧耐候钢板作骨架、超高强度冷轧耐候钢板作面板生产的集装箱，与常规强度热轧耐候钢板生产的产品相比，强度增加了一倍，而重量只为原来的80%左右，迎合了用户日益发展的需求。然而，由于受到热轧机组厚度方面的限制，采用热轧生产的耐候钢板的厚度一般较厚。

强度级别超过1 000 MPa的先进超高强钢一般通过带有水淬单元的连续退火生产线生产。世界上具有水冷却功能的连续退火机组很少，比较著名的有日本的JFE和瑞典的SSAB[1]；国内目前只有宝钢的超高强冷轧钢带专用生产线拥有自主开发的水淬和气雾冷却技术，其典型的生产工艺为加热、均热、缓冷、水淬、酸洗、再加热和回火等过程[2- 3]。本文针对鞍钢常规喷气冷却连续退火机组，对一种超高强冷轧耐候马氏体钢进行了研制，并对其组织和性能进行了研究。

1 试验材料与过程

1.1 试验材料

冷轧马氏体钢多采用水淬连退机组生产。而本文试验钢是基于常规喷气冷却的连退线，同时要求耐腐蚀性，所以成分设计中选择在碳锰钢基础上添加微合金元素和耐腐蚀性元素，具体化学成分见表1。

1.2 轧制工艺

表1 试验用钢化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of tested steel(mass fraction) %

热轧加热温度为1 230 ℃，终轧温度控制在910～950 ℃，卷取温度控制在600～650 ℃，热轧板的最终厚度为2.75～3.00 mm，热轧板酸洗后经五机架连轧至1.2 mm厚，冷轧压下率为56.4%～60.0%。

1.3 连续退火工艺

根据LINSEIS L78 RITA相变仪测出的试验钢相变点(Ac1=711 ℃，Ac3=857 ℃，Ms=406 ℃)，并结合现场设备能力，制定连续退火工艺参数，如图1所示。具体为：临界区加热温度850 ℃，保温134 s，以11 ℃/s的冷却速率缓慢冷却到700 ℃，然后以46 ℃/s的冷却速率快冷到240 ℃，再加热到400 ℃，过时效545 s后空冷至室温。

图1 连续退火工艺示意图Fig.1 Schematic of the continuous annealing process

1.4 检测方法

从连续退火后的试验钢板上沿轧制方向制备标距为50 mm的拉伸试样，在ZWICK/ROELL- Z100材料电子万能拉伸试验机上进行力学性能测试；金相试样采用4%硝酸酒精溶液侵蚀，在OLYMPUS- PMG3光学显微镜和QUANTA扫描电镜下观察显微组织；制备双喷减薄试样和萃取复型试样，在Tecnai G2 20型透射电子显微镜上观察试样的微观组织结构和析出物形貌。采用X`PERT PRO型X射线衍射仪进行物相分析，选用Co靶、管电压35 kV、管电流40 mA。

2 试验结果

2.1 力学性能

图2为试验钢的工程应力- 工程应变曲线。可见，试验钢的屈服强度为1 039 MPa，抗拉强度为1 131 MPa，断后伸长率为9.0%，均达到了目标要求(Rp0.2≥1 000 MPa，Rm≥1 100 MPa，A50≥5%)。

图2 试验钢的工程应力- 工程应变曲线Fig.2 Engineering stress- engineering strain curves of tested steel

2.2 微观组织

图3为试验钢的光学和SEM形貌。图3表明，试验钢的微观组织为马氏体，呈板条状。

图4为试验钢的TEM形貌。TEM结果表明，经过400 ℃回火处理后，试验钢组织中马氏体呈板条状，马氏体有明显的分解现象，且边缘变得模糊，同时在马氏体基体上析出大量的薄片状或薄膜状碳化物。

图3 试验钢的显微组织Fig.3 Microstructures of tested steel

图4 试验钢中(a)板条马氏体、(b)分解的析条马氏体和(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

图5为试验钢析出相的TEM照片及其能谱。由图5可见，试验钢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近似球形的合金渗碳体FeMnCrVC，以及大量尺寸小于20 nm的圆形VC粒子。

2.4 XRD分析

图6为试验钢的X射线衍射图谱，其主要物相为α- Fe和γ- Fe，γ- Fe的质量分数为2.1%。

3 分析与讨论

在钢中加入Nb、V、Ti等微合金强碳化物形成元素，通过微合金碳氮化物的析出强化和细晶强化来实现钢的强韧化，是提高钢力学性能的有效方法之一[4]。由于V具有较高的溶解度，所以在高温奥氏体区基本处于固溶状态。当在高温溶入固溶体时，会提高钢的淬透性。另外V提高淬火钢的回火稳定性，当钢中含V量达到一定量时，会产生强烈的二次硬化效应。Ti在高温奥氏体区形成稳定细小弥散的TiN质点，TiN能防止通过反复再结晶而细化的奥氏体聚合，起抑制原始奥氏体晶粒长大的作用。V- Ti复合添加，一方面可以提高析出粒子的热稳定性，另一方面可以大大降低成本，有利于实现沉淀强化型高强钢的开发与应用。Speer等提出的淬火- 碳分配(Q & P)工艺，使淬火钢中含有马氏体基体以提高强度。为使淬火钢具有更高的强度，引入复杂碳化物沉淀强化机制，改造Q- P工艺，发展出淬火- 碳分配- 回火(沉淀)(Q- P- T)新工艺。和Q- P工艺阻碍碳化物析出不同，在Q- P- T钢中加入碳化物形成元素， 在Q- P- T处理中使马氏体基体中析出碳化物，以进一步增加钢的强度[5]。鞍钢工业生产的超高强度冷轧耐候钢板借鉴先进的Q- P- T工艺，添加微合金元素V和Ti，钢板经快冷段冷却后再加热到一定温度进行过时效，以获得一定量的合金渗碳体和碳化物，进一步提高了钢板的强度。

图5 试验钢析出相的TEM观察和能谱分析Fig.5 TEM images and energy spectrum analysis of the precipitates in tested steel

图6 试验钢的X射线衍射图谱Fig.6 XRD pattern of tested steel

4 结论

(1)通过合理的成分设计并配以适宜的热轧工艺和连退工艺，获得的试验钢综合力学性能良好，屈服强度可达1 039 MPa，抗拉强度达到1 131 MPa，断后伸长率A50为9.0%，完全满足用户使用要求。

(2)试验钢组织由板条马氏体和少量的残留奥氏体组成，马氏体有明显的分解现象，同时在马氏体基体中有大量弥散分布的渗碳体和碳化物析出。

(3)通过微合金元素V和Ti的沉淀强化和细晶强化作用，提高了试验钢的强度。

[1] 孟庆格，李俊，徐德超. 过时效处理对冷轧超高强马氏体钢板组织与性能的影响[J]. 金属热处理, 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] 朱晓东. 连续退火工艺对冷轧马氏体钢板力学性能的影响[J]. 钢铁, 2012, 47(4): 84- 88.

[4] 康俊雨, 孙新军, 李昭东, 等. Ti- V复合低碳钢在回火过程中MC型碳化物的析出与强化行为[J]. 钢铁研究学报, 2015, 27(8), 50- 54.

[5] 徐祖耀. 用于超高强度钢的淬火- 碳分配- 回火(沉淀)(Q- P- T)[J]. 热处理, 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

刘志伟，男，硕士，高级工程师，主要从事集装箱用钢和铁路车辆用钢的研制，Email：aglzw@126.com