汽车用低合金高强度钢成分及控冷工艺.docx
- 文档编号:3881590
- 上传时间:2022-11-26
- 格式:DOCX
- 页数:11
- 大小:70.03KB
汽车用低合金高强度钢成分及控冷工艺.docx
《汽车用低合金高强度钢成分及控冷工艺.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《汽车用低合金高强度钢成分及控冷工艺.docx(11页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
汽车用低合金高强度钢成分及控冷工艺
第30卷第12期
2006年12月
机械工程材料
Materials
for
Mechanical
Engineering
V01.30
No.12
Dec.2006
汽车用低合金高强度钢成分及控冷工艺
张爱文,郑磊
(宝山钢铁股份有限公司研究院,上海201900)
摘要:
对铌、钛微合金化低碳锰系汽车用低合金高强度钢的成分、控冷工艺对其组织与力学性能的影响进行了试验研究。
结果表明:
卷取温度降低,钢的强度上升,伸长率下降,组织由铁素体+珠光体向贝氏体、马氏体转变;高温卷取时铌、钒对强度的贡献较明显,低温卷取时碳的贡献较大;对含O.06%~O.11%碳的锰一铌一钛系低合金高强度钢,同一成分采用不同的控冷工艺可以达到S550MC与S700MC两个级别的性能要求。
关键词:
低合金高强度钢;控轧控冷;分段冷却
中图分类号:
TGl42.1
文献标识码:
A
文章编号:
1000一3738(2006)12-0011一03
ChemicalCompositionsandCoolingProcessesofHighStrength
LowAUoy
Steelfbr
Aut|咖Obile
ZHANGAi-wen,ZHENGLei
(BaosteelResearchInstitute,Shanghai201900,China)
Abstr北t:
Theeffectof
chemicalcompositionsand
c∞1ing
processes
on
micmstructureandmechanical
propertiesoflowcarbonand
nmganese
containingniobiumandtitaniurnmicro_aUoyedadvancedhighstrengthlow
anoysteels{brautomobilewerestudiedinlaboratory.
Themicrostructurechangedfromferritepluspearlite
to
bainiteandmartensite,andthestrengthincreasedwhen出eelonga“ondecreasedwiththedecreasingofcoilingtemperature.Thestrengthincrementofthesheetcoiled
at
high
t咖perature
ismuchh培herthanthatcoiled
at
lower
tenlperature
due
to
thecontdbutionofNbandV,w.hilethefunctionofcarbonwent
to
theopposite.Thetwo
differentstrengthclasssteelss550MCandS700MCcan
bemanufacturedbydifferentc00lingprocesses诵th
steelof
the
s锄e
chemicalcompositionabouto.06%一O.11%carbon,andalsomanganese,niobiumandtitaniumadded
KeywOrds:
highstreugth10walloysteel(HSLAS);controlledrollingandc001ing;step诵secoolingprocess
0引言
传统汽车用低合金高强度钢以低碳锰系或硅锰系为基础,通过添加铬和钼等贵金属元素以及铌、钒、钛等微合金化元素并结合先进的生产工艺,使其在较低的碳当量下具有较高的强度和塑性,满足汽车制造对强度、塑性和韧性以及其它方面的要求。
目前汽车用低合金高强度钢强度级别主要在抗拉强度500MPa以下,随着汽车工业的发展以及能源、环境问题的加剧,对车辆节能和安全性的要求越来越高,传统汽车用低合金高强度钢已不能满足要求,先进低合金高强度钢应运而生[1’2]。
与传统的低合金高强度钢的固溶强化、析出强化和细晶强化等强
收稿日期:
2005—12—12;修订日期:
2006-03.02
作者简介:
张爱文(1972一),男,安徽铜陵人,研究员。
硕士。
化机制不同,先进低合金高强度钢主要采用相变强化与细晶强化,兼具高强度和良好成形性,特别是加工硬化指数高,有利于提高冲击过程中的能量吸收,在减重的同时保证安全性[3]。
宝钢即将于2007年投产的三热轧1
880mm
机组具备强冷、多种水冷模式和低温卷取的设备优势。
为了充分发挥其优势,作者在试验室研究中采用低成本的合金设计、严格控制轧制及控冷过程以及多种冷却工艺来生产不同钢级的S550MC和S700MC先进低合金高强度钢,并研究了成分设计、控冷工艺对其组织与性能的影响。
1试样制备与试验方法
用50kg真空感应炉冶炼了五种试验钢,其化
学成分见表1。
表1中碳当量计算采用国际焊接学会公式Ceq一伽(C)+硼(Mn)/6+[叫(Cr)+硼(Mo)
・
・
张爱文,等:
汽车用低合金高强度钢成分及控冷工艺
+硼(V)]/5+[硼(Cu)+叫(Ni)]/15;焊接裂纹敏感指数采用日本ITO公式P。
一叫(C)+硼(si)/30+l硼(Mn)+鲫(Cu)+硼(Cr)】/20+叫(Ni)/60+训(Mo)/15+硼(V)/10+5砌(B)。
钢锭锻造成30mm厚坯料,加热到1200℃保温45min,在乒370mm轧机上进行再结晶区(1100~980℃)与未再结晶区(940~800℃)两段控轧,其中再结晶区轧制压下率大于70%,未再结晶区轧制压下率大于60%,终轧温度为800~880℃,成品板厚3mm。
轧后采用加速冷却、直接淬火及分段冷却三种水冷工艺将钢板冷却到200~600℃卷取并放入相同温度的炉子保温30min,然后随炉冷却模拟工业生产时钢卷的冷却过程。
其中分段冷却是指轧后迅速水冷至一中间温度(约500~800℃)空冷一段时间(2~60s)后再水冷至一定温度卷取。
在钢板上取金相试样,经研磨抛光后用4%硝酸酒精腐蚀,用LeicaMEF4A型光学显微镜观察纵向组织;制备80mm定标距的JISNo.13A试样用
SCI。
132型500kN拉伸试验机测定其强度和伸长
率,所有数据均为2个试样的平均值。
表1试验钢的化学成分(质量分数/%)T铀.1
Ch咖i龃I咖p鸺itio吣ofst∞lS(ma辎/%)
2试验结果与讨论
2.1化学成分对钢力学性能的影响2.1.1微合金元素铌、钒的影响
Q1~Q3试验钢以碳一锰一钛为基础,添加铌以及复合添加铌和钒。
图1中200℃卷取采用直接淬火工艺,其它卷取温度均采用加速冷却工艺。
由图1可见,在高温卷取时添加铌与复合添加铌和钒能显著提高钢的强度。
这是因为高温卷取时它们的碳化物能充分析出产生强化;而随着卷取温度的降低,合金元素在钢中的扩散系数减小,碳化物来不及析出强化,故添加铌或复合添加铌、钒对强度的贡献逐渐减少;采用直接淬火冷却工艺在200℃卷取时,添加铌几乎不能提高强度,而复合添加铌、钒还能使强度有一定程度的提高,当然这时铌、钒对强度的贡献比高温卷取时已减少很多。
低温卷取尤其是200℃卷
取时钢的强度主要取决于碳的固溶强化和马氏体相变强化。
总体来说添加铌后Q2钢的伸长率与Q1钢的伸长率基本相当,复合添加铌、钒的Q3钢的伸长率最低。
:
兰燕
,∥一n
.+Q2垒,一一“‘
:
“一薯:
乏彭多爿
、I护掣
。
≮漆杂
;≮鑫蓉一爿
~~☆~…200
300
400
500
600
卷取温厦/℃
图l微合金元素对力学性能的影响
n舀1
Effect
ofIIlicm
all唧IIg
deⅡ吼ts蛐腿dIaIIi咖p雌rtjes
2.1.2碳、锰含量的影响
Q4钢在Q3钢基础上添加了o.26%的锰,Q5钢在Q3钢基础上添加了o.02%的碳和o.29%的锰,其它元素含量基本相同。
图2所采用的卷取温度与工艺同图1。
由图2可见,在卷取温度一定时,碳含量和锰含量的增加使钢在低温卷取时强度上升,在高温卷取时对强度影响不大,而伸长率下降。
如在高温600℃卷取时碳含量和锰含量的变化对强度几乎没有影响,这时钢的强度主要由微合金元素铌、钒决定;随着卷取温度的降低,碳、锰含量增加对
强度的贡献逐渐增大,尤其是采用直接淬火冷却工艺在200℃卷取时,碳、锰含量增加后Q5钢强度显著提高,而单独增加锰含量的Q4钢在整个卷取温度范围内强度与Q3钢相当,这说明淬火马氏体组织中碳含量对强度的贡献最大也最关键。
虽然高碳含量在低温卷取时能使强度显著增加,但碳含量提高后伸长率降低,所以不能单纯依靠提高碳含量来增加强度。
2.2控冷工艺对组织和性能的影响2.2.1卷取温度对组织的影响
由图3可见,随着卷取温度的降低,Q2钢组织由铁素体(F)+珠光体(P)向贝氏体(B)、马氏体(M)转变。
另外在采用加速冷却工艺温度介于500~300℃之间或采用分段冷却工艺温度介于400~200℃之间卷取时部分试验钢出现以上三类组织中
5
5
5
O0
OO
O
O
2,加舳∞∞砌加装\。
∞弋
叠毫\o《
盂毫\g《
瓣半晕毯氍氧辐赵想蹬唾
张爱文,等:
汽车用低合金高强度钢成分及控冷工艺
25
瓣摹,。
姒、
I)
圭寸
5
鏊萋蒸≥
囊
嗵毒
;一一一Q4
步一歹
+Q5
,一7/,口
:
多彭象彳/
-j沁~.
k
200400
600
卷取温度/℃
图2碳、锰含量对力学性能的影响
n舀2
E仃ectof
cafb吼柚d删哪卿e辩∞ntent吼
m∞haIIic出pmperti嚣
的两类混合组织;而在采用直接淬火工艺200℃卷取时基本上全部为低碳板条马氏体组织。
2.2.2冷却工艺对组织和性能的影响
由表2可见,采用加速冷却工艺在600~350℃卷取时,Q2钢性能满足低合金高强度S550MC钢的要求;采用分段冷却工艺在350℃卷取时,可以使钢的强度比采用加速冷却工艺有较大幅度增加,虽然伸长率稍有下降,但性能可满足S700MC钢的要求;采用分段冷却工艺在200℃卷取时钢的性能满足马氏体MP900钢的要求。
对分段冷却工艺而言,中间停留空冷一段时间的目的是让变形奥氏体进行回复以及控制其中碳化物析出和选择性析出某些相,以使最终的组织与力学性能满足要求。
TRIP钢就是采用这种工艺以获得强度和伸长率的良好结
(a)加速冷却至6∞℃卷取
(b)加速冷却至4∞℃卷取(c)直接淬火至2∞℃卷取
图3
Q2钢不同卷取温度下的典型组织
n舀3
0p“caJInicmgmplIs
at
m侬唧t00il啦t咖pemtIl啷ofst蚀l啦
合。
文献[4]报道了一种TMCP-RPC工艺(弛豫一析出一控制相变),采用这种工艺钢的强度和韧性均有大幅提高,能获得贝氏体与马氏体的混合组织。
作者采用的工艺与前者不同的是轧制后先水冷至一定温度进行弛豫析出,然后继续水冷,而前者是轧制后即进行弛豫析出再水冷,虽然工艺不同,但弛豫析出过程的作用相似。
200℃卷取时,采用直接淬火工艺能使碳最大程度固溶于基体中,获得过饱和固溶体马氏体单一组织,因而强度最高,但伸长率很低;而采用分段冷却工艺后,无论中间停留空冷温度高低都使钢先期进入铁素体/贝氏体形成区间,析出部分铁素体/贝氏体和碳化物,奥氏体中碳的过饱和度降低,导致随后马氏体强度降低。
且弛豫-析出一控制相变过程也使组织细化,伸长率提高,原因是先析出的铁素体/贝氏体分割了原始奥氏体晶粒,使马氏体在更小的奥氏体晶粒内部形成,从而细化马氏体板条[4|。
总体来说,用Q2钢的成分来生产S550MC与S700MC两个级别的低合金高强度钢最为合适。
表2
C12钢在不同冷却工艺下的组织与力学性能Tab.2
Micr惦tnl曲l他andⅡleclIanicalpmpeni酋ofsteel
∞陆di渤嗍t删diIIg胛嘲螂
2.3满足不同钢级的成分与控冷工艺
由以上对Q1~Q5钢的成分及控冷工艺研究结果可知,单独添加铌和微量钛的Q2钢,合金元素成本相对较低,性能满足低合金高强度S550MC钢与S700MC钢的要求。
另外由表1可见,此钢的碳当量和焊接裂纹敏感指数相对较低,加上此钢可以在
(下转第18页)
・
】3・
∞∞∞∞∞
∞∞
加∞∞∞加∞
∞
闫桂玲,等:
平均应力对50钢超高周疲劳性能的影响
系虽仍能描述超声频率加载下低周和高周(<107次)范围内拉伸平均应力对50钢疲劳性能的影响,但是不能用来描述超声频率加载下超高周范围内拉伸和弯曲平均应力对50钢疲劳性能的影响。
3结论
(1)超声频率加载下平均应力对50钢超高周疲劳性能有显著影响,在应力幅相同的情况下,随着平均应力的增大,疲劳寿命降低。
(2)在长寿命(高周和超高周)阶段,含有平均应力的三点弯曲疲劳SN曲线及非对称拉压疲劳S—N曲线与对称拉压超声疲劳S—N曲线具有相同的趋势和规律,三者均可用Basquin方程来描述。
(3)常规疲劳用于描述平均应力影响的Mor—row关系仍能描述超声频率加载下高周疲劳(<107次)范围内拉伸平均应力对50钢疲劳性能的影响,但是不能描述超声频率加载下超高周范围内拉伸平均应力和弯曲平均应力对50钢疲劳性能的影响。
(4)常规疲劳用于描述平均应力影响的Good—man模型仍能很好地描述超声频率加载下一定寿命的应力幅值和平均应力的配合。
此时用Gerber模型估计一定寿命下应力幅值和平均应力的配合偏于
危险,用Soderberg模型估计则偏于保守。
参考文献:
[1]sureshS材料的疲劳(Ⅱ)[M].北京:
国防工业出版社,
1999.152—243.
[2]whngQY。
BemrdJ
Y,Bathias
c,P£口z.Gigacyclefatigueof
fe玎ous
alloys[刀.FatigueandFmctureofEngineer啦Materi—
alsandstructures,1999,22:
667—672.
[3]闰桂玲,王弘,高庆.超声频率加载下50#车轴钢超长寿命疲
劳性能研究[J].中国铁道科学,2004,25(2):
78—81.
[4]王弘,高庆.超声疲劳试验方法在40cr钢疲劳性能研究中的
应用口].机械工程材料,2003,27(12):
29—31.
[5]王弘,高庆.缺口应力集中对40Cr钢高周疲劳性能的影响
[J].机械工程材料,2004,28(8);12—14.
[6]王弘,高庆.超声疲劳扭转试样谐振长度的解析法计算[J].
西南交通大学学报,2001,36(6):
595—598.
[7]闰桂玲,王弘,高庆.超声疲劳试验方法及其应用口].力学
与实践,2004,26(6):
25—29.
[8]王弘.40Cr、50车轴钢超高周疲劳性能研究及疲劳断裂机理
探讨[A].西南交通大学博士论文集[c].成都:
西南交通大
学,2004.
[9]闫桂玲.非对称超高周疲劳试验研究[A].西南交通大学硕士学位论文[c].成都:
西南交通大学,2005.
[10]束德林.工程材料力学性能[M].北京:
机械工业出版社,
2003.112—138.
(上接第13页)
不同的冷却工艺下获得不同钢级的性能,因此通过进一步试验,最终以同一成分(含o.06%~o.11%碳的硅一锰一铌一钛系钢)、不同的卷取温度(600~200℃)和不同的冷却工艺(加速冷却、分段冷却和直接淬火)生产了低合金高强度S550MC和S700MC钢和马氏体MP900钢多钢级品种,改变了以往提高钢级性能主要依靠添加合金元素尤其是贵重合金元素(铜、镍、铬和钼等)的通用做法,有望实现以比较低的成本来满足高钢级品种的性能要求。
3结论
(1)随着卷取温度的降低,试验钢的强度上升,伸长率下降;冷却工艺对试验钢的强度和塑性影响较大。
(2)随着卷取温度的降低,试验钢的组织逐渐由高温卷取时的铁素体+珠光体向中温卷取时的贝氏体和低温卷取时的马氏体转变;部分卷取温度和工艺情况下可以获得三类组织中两类的混合组织;而采用直接淬火冷却工艺则钢的组织几乎全为低碳
板条马氏体。
(3)同一成分o.06%~o.11%碳的硅一锰一铌一钛系钢通过加速冷却和分段冷却控冷工艺可以分别达到低合金高强度S550MC钢、S700MC钢和马氏体MP900钢的性能要求,改变了以往提高钢级性能主要依靠添加合金元素的通用做法,有望实现以比较低的成本来满足高钢级品种的性能要求。
参考文献:
[1]
JeanneauM,PichantP.Tl豫trendsofsteeIproductsinthe
european
automotive
industry[A].The55thcongressof
ABM
[c].Br配i1:
LaRevuede
M色tallurgie,2000.1399—1408.
[2]
Yukihisa
Kuriya眦,Manabu
Takahashi,
Hiroshi
Ohashi.
Trendofcar、^陀ightreductionusinghigh.strengthsteel[J].
Automotive
Engineering,200l,55(4):
51—57.
[3]
Takehide
sENuMA,PhySi∞lmetallurgy
of
modemhIgh
strengthsteelsheets口].IsUIntematioflal,2001,41(6):
520
一532.
[4]尚成嘉,杨善武,王学敏,等.RPc对800MPa级低合金高强
度钢的影响[J].北京科技大学学报,2002,24(2):
129一132.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 汽车 合金 强度 成分 工艺