宝钢热轧TRIP钢和热轧DP钢的研发.docx

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宝钢热轧TRIP钢和热轧DP钢的研发

郑　芳，郑　磊，刘孝荣，唐文军

（宝钢研究院，上海　２０１９００）

摘要：

简要介绍了在宝钢１８８０ｍｍ热连轧厂建设的同时，热轧ＴＲＩＰ钢和热轧ＤＰ钢等热轧先进高强度钢开发的情况。

相对于以往的高强度热轧产品言，这类钢种在具有高强度的同时可具有好的塑性。

实验室试验和工业试制的结果表明：

采用“以水代合金”的设计思想，通过经济、合理的成分设计，结合有效的轧后分段控制冷却技术，可得到不同比例的软硬相组织，通过调整不同相比例可得到高强度和良好的塑性配合的力学性能。

０　前言

对车辆减重节能及安全性的要求日益提高，促进了先进高强度钢（ＡＨＳＳ）的发展［１］。

由于具备优良的强塑综合性能，ＴＲＩＰ（ＴＲａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎＩｎｄｕｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｉｔｙ）钢和ＤＰ钢（ＤｕａｌＰｈａｓｅ，双相钢）是先进高强度钢的重要组成［２］。

早期的ＴＲＩＰ钢和ＤＰ钢由于需含较高的镍、铬等贵重合金，使其应用受到限制［３－４］。

随着人们对绿色冶金和循环经济的重视，如何有效利用资源、降低制造成本、充分利用“水作为合金元素”的新理念，用经济的合金设计、结合控轧及终轧后的控制冷却来生产先进高强钢已成为技术发展的主流。

宝钢结合１８８０ｍｍ热连轧厂的建设进行热轧先进高强度钢产品的开发。

采用经济、合理的成分设计和不同的轧后分段冷却制度，在实验室获得了不同强度级别先进高强度钢，并在工业性试生产中得到验证。

本文重点介绍热轧ＴＲＩＰ钢和热轧ＤＰ钢的实验室研究和工业性试生产情况。

本研究开发的目标产品是满足ＧＭＷ３３９９标准的热轧ＴＲＩＰ６００、ＴＲＩＰ８００和ＤＰ６００、ＤＰ８００等先进高强度钢，其要求的性能指标如表１所示，需具有良好的强塑综合性能。

１　实验室研究

１．１　试验材料和试验方法

在实验室用５０ｋｇ真空感应炉冶炼试验用ＴＲＩＰ钢和ＤＰ钢，成分经济，含碳、硅、锰，其成分范围见表２。

在实验室３７０热轧试验机组上进行热轧试验和随后的分段式控冷试验，其中粗轧总压下率和精轧总压下率分别大于７０％和６０％。

从轧制好的试验薄板上制备金相试样，用ＯＬＹＭＰＵＳ－ＰＭＧ３型号的金相显微镜观察纵向金相组织；采用ＯＸＦＯＲＤＩＮＣＡ型背散射电子衍射仪（ＥＢＳＤ）、ＪＥＯＬ６４６０ＬＶ型号扫描电镜和日本理学ＲＩＮＴ２５００／ＰＣ型Ｘ－射线能谱衍射仪对典型的组织进行定性与定量分析。

制备ＪＩＳＮｏ．５拉伸试样，试样有效标距为５０ｍｍ，在ＳＣＬ１３０型５００ｋＮ拉伸试验机进行拉伸性能试验以测定试验钢的强度、延伸率和ｎ值等力学性能。

１．２　ＴＲＩＰ钢实验室研究结果与讨论

１．２．１　显微组织与ＴＲＩＰ钢性能的关系

采用金相显微镜、ＥＢＳＤ和Ｘ－射线衍射仪对试验钢的分析结果表明，显微组织是由“铁素体＋贝氏体（含马氏体）＋残余奥氏体”组成，具有典型的ＴＲＩＰ特征。

表３列出不同成分试验钢组织和性能的关系，随着ＴＲＩＰ钢中的铁素体含量降低、贝氏体（含马氏体）和残余奥氏体含量增加，ＴＲＩＰ钢的强度和强塑积ＴＳ·Ｔ．ＥＬ值上升。

１．２．２　碳与硅和锰含量对ＴＲＩＰ钢力学性能的影响

图１反映了碳含量对热轧ＴＲＩＰ钢力学性能的影响。

在工艺条件相近的情况下，硅和锰含量分别为２．０％和１．５％，当碳含量从０．０９％增加到０．２５％时，反映ＴＲＩＰ钢性能的强塑积指标，在０．０９％～０．１５％碳含量范围内，随碳含量增加强塑积的变化不大；但当碳含量超过０．１５％时，抗拉强度随碳含量增加而增加的幅度加大，而延伸率下降较缓，其强塑积随之提高，达到２５４８０ＭＰａ％。

这主要是因为碳对降低钢的Ｍｓ点、提高残余奥氏体的稳定性作用明显。

对比表３的数据可以看到，当碳含量从０．１１％提高到０．１９％时，试验钢中的残余奥氏体从４．７％增加到８．５％。

这表明碳含量对提高ＴＲＩＰ钢的强塑性综合指标有重要影响。

除碳以外，锰也是扩大奥氏体区的元素，一般认为，在热轧ＴＲＩＰ钢中增加锰含量有助于降低马氏体转变温度Ｍｓ，提高残余奥氏体的稳定性，有利于增加室温下的残余奥氏体含量。

但本研究表明，碳含量不同，增加锰元素对ＴＲＩＰ钢的力学性能影响作用不同。

在碳含量较低时，如０．０９％～０．１１％Ｃ，提高锰含量可在不降低延伸率的情况下提高钢的强度，进而提高试验钢的强塑积；在碳含量相对较高时，如为０．１６％Ｃ时，锰含量提高可提高钢的强度，但引起延伸率的明显下降，对强塑积并无显著的改善。

可见，锰含量对热轧ＴＲＩＰ钢拉伸性能的影响与其碳含量的水平有关。

从不同碳含量情况下锰含量对热轧ＴＲＩＰ试验钢拉伸性能的试验结果来看，可以认为在碳含量较低时，适当增加锰含量可提高残余奥氏体的稳定性；但在碳含量较高时，如果锰含量过高，在拉伸性能上表现为抗拉强度显著增加，而延伸率下降，钢的强塑积无明显改善或有所降低。

因此，需要根据ＴＲＩＰ钢的不同强度等级和碳含量的多少确定锰含量的范围。

硅含量影响试验钢的拉伸性能。

在碳和锰含量相同时，提高硅含量可在对延伸率影响较小的情况下显著提高ＴＲＩＰ钢的抗拉强度，进而提高钢的强塑积。

１．２．３　轧后分段冷却制度对热轧ＴＲＩＰ钢力学性能的影响

在实验室研究了分段冷却中间缓冷温度、中间缓冷时间和卷取温度对ＴＲＩＰ钢力学性能的影响。

试验结果表明，以大于２０℃／ｓ的冷速快速冷却至中间温度停留２～１０ｓ，再以不低于５０℃／ｓ的冷速冷却至贝氏体转变温度，等温适当时间后空冷或卷取成钢卷后空冷，可以获得合适的组织与性能。

１．２．４　实验室热轧ＴＲＩＰ６００和热轧ＴＲＩＰ８００试验钢的力学性能

通过调整碳、硅、锰含量，在相应的轧制和冷却条件下可以获得强塑积达２１８３３ＭＰａ％的６００ＭＰａ级热轧ＴＲＩＰ钢和强塑积达２４６５０ＭＰａ％的８００ＭＰａ级的热轧ＴＲＩＰ钢，力学性能如表４所示，满足表１所示的ＧＭＷ３３９９标准要求。

１．３　ＤＰ钢实验室研究结果与讨论

１．３．１　硅含量和中间缓冷温度对力学性能的影响

实验室研究了不同硅含量对热轧ＤＰ钢的力学性能影响。

Ｄ１１、Ｄ２和Ｄ１３钢的碳和锰含量基本相同，但硅含量分别为０．７０％、１．００％和１．４９％。

经过相同的轧制和冷却工艺，其性能不同，表明硅对热轧ＤＰ钢的影响复杂。

图２为硅对热轧ＤＰ钢力学性能的影响，在不同中间缓冷温度下，增加硅含量对试验ＤＰ钢的组织和力学性能的影响规律有所不同。

中间缓冷温度为７００℃时，增加硅含量可使试验钢的屈服强度和抗拉强度增加，延伸率上升，屈强比降低。

这是由于硅属于置换型合金元素，通过固溶强化可提高钢的强度；同时硅是铁素体形成元素，在热轧ＤＰ钢的轧后缓冷阶段中硅主要促进铁素体生成，通过相变时成分的再分布，使碳向未转变的奥氏体中富集，进而提高奥氏体的淬透性能，有利于在第二阶段快速冷却阶段中形成马氏体。

中间温度为７８０℃左右，硅含量较高钢的抗拉强度低于硅含量较低的钢。

图２中，含硅较高的Ｄ１３试验钢延伸率较高，而抗拉强度低于Ｄ１１试验钢。

这是由于硅提高了铁素体相转变温度，在７８０℃时，所形成的铁素体量不够多，奥氏体在接下来的冷却过程中转变为贝氏体。

Ｄ１１和Ｄ１３试验钢在此中间缓冷温度时组织均为铁素体和贝氏体，Ｄ１３钢的铁素体百分含量高于Ｄ１１钢，贝氏体含量较低，因此Ｄ１３钢的抗拉强度较低。

中间缓冷温度对热轧ＤＰ钢的强度、延伸率和屈强比性能影响非常关键。

由图２还可知，当缓冷温度为７００℃时，屈强比低，延伸率较高，综合性能优异，符合ＤＰ钢性能要求；但当缓冷温度为６５０℃时，屈服强度高，抗拉强度低，导致屈强比过高，不符合ＤＰ钢性能要求；当缓冷温度为７８０℃时，屈强比较高，不符合ＤＰ钢性能要求。

因此，适当的中间缓冷温度应该为７００℃左右。

１．３．２　锰含量对ＤＰ钢力学性能的影响

图３为锰含量变化对力学性能的影响。

随着锰含量的增加，抗拉强度增加，延伸率下降，当锰含量为１．５０％时，屈服强度和屈强比最小，综合性能最优。

锰含量较低时，铁素体相变后的残余奥氏体不稳定，在冷却过程中容易相变为贝氏体组织，不能得到ＤＰ钢要求的铁素体和马氏体钢组织。

由图４（ａ）可知，当锰含量为１．２０％时，试验钢组织为铁素体和贝氏体。

但如果锰含量过高，将会过分稳定奥氏体，抑制硅元素促进铁素体析出的作用，使铁素体析出的百分含量低，残余奥氏体的碳含量减少，反而降低了缓冷后钢的淬透性。

由图４（ｃ）可知，当锰含量为１．８０％时，组织为含量较低的铁素体、较高含量的贝氏体和少量的马氏体。

只有当锰含量合适时，如锰含量为１．５０％时，可获得如图４（ｂ）的铁素体＋马氏体ＤＰ钢双相组织。

１．３．３　实验室热轧ＤＰ６００和热轧ＤＰ８００试验钢的力学性能

试验结果表明，终轧后以不低于２０℃／ｓ的冷速先冷却至６５０～７５０℃的温度停留２～１０ｓ，再以不低于５０℃／ｓ的冷速冷却到低于２００℃的冷却终止温度并卷取成钢卷。

通过调整碳、硅、锰含量，通过热轧后分段控制冷却工艺，可获得性能优异的６００ＭＰａ级和８００ＭＰａ级热轧ＤＰ钢，具有高的延伸率和低的屈强比，延伸率分别达到２５．５％和２０．０％，屈强比分别为０．５２～０．５４和０．５４～０．５８，性能满足表１所示的ＧＭＷ３３９９标准要求，如表５所示。

２　工业试制

在实验室研究结果的基础上，结合宝钢１８８０ｍｍ热连轧机组功能考核，进行热轧ＴＲＩＰ６００钢和热轧ＤＰ６００钢的工业试制。

２．１　热轧ＴＲＩＰ６００钢试制结果

对终轧温度和轧后分段冷却工艺控制在设定范围内的钢卷进行实物分析。

组织为铁素体、贝氏体组织、少量马氏体和少量残余奥氏体，如图５为试制ＴＲＩＰ６００钢金相照片。

屈服强度为４１０、４２０ＭＰａ抗拉强度为７１０、７０５ＭＰａ，５０ｍｍ标距时延伸率为３１．４％，达到了开发目标要求，如表６所示。

２．２　ＤＰ钢试生产结果

试生产ＤＰ６００钢卷中，如果轧后分段冷却控制在设定范围内，可获得ＤＰ６００钢组织与性能要求。

最终组织为等轴铁素体和马氏体，如图６所示为试制ＤＰ６００钢的金相照片。

屈服强度为４０９ＭＰａ，抗拉强度为７０３ＭＰａ，５０ｍｍ标距时延伸率为２５．３％，屈强比０．５８，符合设计要求，如表６所示。

３　结论

宝钢开发的ＴＲＩＰ和ＤＰ钢具备成分简单、经济合理的特点，实现了“以水代合金”的设计理念。

化学成分相同，通过不同的轧后分段冷却制度，可获得不同组织与性能的试验钢，试制出性能优异的热轧ＴＲＩＰ和热轧ＤＰ钢。

工业试制的热轧ＴＲＩＰ６００钢，具有铁素体＋贝氏体（含马氏体）＋残余奥氏体组织，强塑积达２２０１０ＭＰａ％，综合性能优异。

工业试制的热轧ＤＰ６００钢，具有典型的铁素体和马氏体ＤＰ钢组织，可获得高的延伸率和低的屈强比，延伸率为２５％，屈强比为０．５８。

参考文献

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