锰和硼对冷轧钢板水淬性能的影响

朱晓东,薛 鹏,李 伟,王俊峰

(1.宝山钢铁股份有限公司中央研究院,上海 201999;2.汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室(宝钢),上海 201999)

1 概述

水槽淬火对厚度为1.0 mm的冷轧钢板冷却速度可达1 000 K/s,是连续退火生产冷轧马氏体钢板的主要淬火方式。由于水淬冷却速度很高,因此冷轧马氏体钢板通常只需要采用添加一定量的Mn满足淬硬需求。硼也可以用于提高钢的淬硬性,研究表明硼含量增加能提高钢淬火后的强度[1-2]。图1所示为硼对钢力学性能的影响,可以看到w(B)在0.001%以上时,钢的淬火强度有明显提高,但继续提高w(B),强度进一步的提升幅度不大。

图1 硼含量对钢淬火后力学性能的影响Fig.1 Influence of boron content on mechanical properties

硼提高淬硬性的原理和Mn、Cr、Mo等合金元素不同:硼提高淬硬性的作用原理是在奥氏体晶界偏聚,抑制铁素体在晶界的形核,将铁素体的转变温区推向低温,从而提高了淬硬性。实际应用中,硼只能提高端淬试验中钢在近水端的淬硬性,而不能提高远水端的淬硬性,因此,硼不能使厚工件很好的淬火,但对于薄板能起到较好的提高淬火性能的作用[3]。

硼提高淬硬性的成本较其他合金元素低,如图2所示[4]。通过加硼可以减少其他合金元素的添加,从而降低成本。

图2 不同合金元素提高淬硬性的成本比较Fig.2 Cost comparison for improving hardenability

本文以冷轧马氏体钢板为研究对象,研究锰、硼含量对冷轧板水淬力学性能和组织的影响,探索锰、硼在水淬马氏体钢中的合理含量,以期为硼在超高强度钢板中的应用提供参考。

2 试验材料及试验方法

试验用钢成分如表1所示。试验用钢分为4组,第一组A1、A2、A3中硼作为残余元素存在,用于比较Mn对淬硬性的影响;第二组包括B1、B2、B3是基于w(B)为0.002 5%的基础上,比较Mn对性能的影响;第三组包括A3、C1、C2、B3、C3,是基于较高的锰含量(w(Mn)为1.65%)基础上,用于研究硼含量对试验用钢性能的影响;第四组包括A2、B2和D1,是基于较低的锰含量(w(Mn)为1.05%)基础上,用于研究硼含量对试验用钢性能的影响。

表1 试验用钢的成分Table 1 Chemical compositions of the experimental steels %

试验用钢采用50 kg的真空熔炼炉冶炼,经模铸、锻造、热轧、酸洗和冷轧后进行实验室退火模拟。热轧工艺为1 200 ℃加热、860 ℃终轧、560 ℃箱式炉保温1 h随炉冷却12 h模拟卷取,热轧板厚度为2.8 mm;酸洗和冷轧得到1.2 mm厚度冷轧钢板;连续退火模拟采用Siemens VAI制造的连续退火模拟装置,试样尺寸为450 mm×150 mm×1.2 mm;钢板退火工艺采用10 K/s加热到840 ℃保温80 s,然后以3K/s冷却到750 ℃后,快速进入水槽淬火,750 ℃至350 ℃的平均冷速为750 K/s,然后在200 ℃进行240 s回火。拉伸试验采用JIS5#板状拉伸试样,沿轧制方向在Instron拉伸试验机拉伸。显微组织采用4%的硝酸酒精进行显示。

3 试验结果及分析

图3所示为在不添加硼(残余w(B)为0.000 3%)的情况下,锰含量对淬火回火后冷轧钢板强度的影响。可以看到,屈服和抗拉强度均随锰含量提高而迅速提高。从图4的组织可以看出,含锰约1.05%的试验用钢组织中含有较多的铁素体,在1.65%的锰含量条件下,组织基本以马氏体为主。可见,在不添加硼的情况下,要获得接近全马氏体的组织,钢中至少需要添加1.65%的Mn。

图3 w(B)为0.000 3%的条件下Mn含量对水淬钢板强度的影响 Fig.3 Effect on Mn content on the tensile strength of water quenched steels at w(B)of 0.000 3%

图4 w(B)为0.000 3%的条件下不同Mn含量的淬火组织 Fig.4 Microstructure of the water quenched steels at various Mn contents and w(B) of 0.000 3%

图5所示为冷轧钢板在添加0.002 5%硼的情况下,锰含量对钢板淬火回火后的强度的影响。可以看到,强度随锰含量提高而明显提高。与图3在同等的锰含量下进行比较,加硼后钢的强度都有了一定提高,但幅度不大。从图6的组织可以看出,在1.65%的锰含量条件下,金相组织中基本上看不到铁素体。锰含量较低时,淬火组织仍含有较多的铁素体。可见,在锰含量较低的情况下,加0.002 5%B不能得到全马氏体的组织。

图5 w(B)为0.002 5%的条件下Mn含量对水淬钢板性能的影响Fig.5 Effect on Mn content on the tensile properties of water quenched steels at w(B) of 0.002 5%

图 6 w(B)为0.002 5%的条件下不同Mn含量的淬火组织 Fig.6 Microstructure of the water quenched steels at various Mn contents and w(B) of 0.002 5%

图7所示为w(Mn)为1.65%的情况下,硼含量对冷轧板淬火回火后的强度的影响。可以看到,虽然加1.65%的Mn已经可以获得全马氏体的淬火组织,但在此基础上加硼仍对钢的强度有一定的提高,特别是添加0.002%以上的硼,对钢淬火后的屈服强度和抗拉强度均有明显提高。 从图8的组织可以看到,组织差别不大,均为全马氏体组织。

图7 w(Mn)为1.65%的条件下硼含量对钢板性能的影响 Fig.7 Effect of boron content on the tensile properties of water quenched steels at w(Mn)of 1.65%

图8 w(Mn)为1.65%的条件下不同硼含量的淬火组织Fig.8 Microstructure of the water quenched steels at various boron contents and w(Mn)of 1.65%

图9所示为w(Mn)为1.05%的情况下,硼含量对淬火回火后冷轧板的强度的影响。可以看到,加硼对钢的强度有一定提高,但在硼含量低于0.003%时,试验钢的淬火强度提高不多。当硼含量达到0.003 6%以上时,试验用钢淬火后的屈服强度和抗拉强度有较大幅度的提高。 图10为相应的组织,可以看到当硼含量为0.003 6%时,试验用钢淬火后的组织基本不含铁素体。

图9 w(Mn)为1.05%的条件下硼含量对钢板性能的影响 Fig.9 Effect of boron content on the tensile properties of water quenched steels at w(Mn)of 1.05%

图10 w(Mn)为1.05%的条件下不同硼含量的淬火组织 Fig.10 Microstructure of the water quenched steels at various boron contents and w(Mn)of 1.05%

冷轧马氏体钢板的成分设计需要控制碳当量,通常参考使用如式(1)的碳当量公式:

Ceq=w(C)+w(Si)/30+w(Mn)/6+

w(Nb)/5+w(Cu)/15+w(Ni)/15+

w(Cr)/5+w(V)/5

(1)

该碳当量公式没有考虑硼的影响,对于加硼钢见式(2)[5]:

Pcm=w(C)+w(Si)/30+w(Mn)/20+

w(Cu)/20+w(Ni)/60+w(Cr)/20+

w(Mo)/15+w(V)/10+5w(B)

(2)

分别用以上两个碳当量公式计算各试验用钢的碳当量并计算抗拉强度和碳当量的比值,得到图11的结果。可以看到,单独加锰的试验用钢中,A3的TS/Ceq值最高;添加锰、硼的试验用钢中,D1的TS/Pcm值最高。可见,单独加1.65%的锰或者采用1.05%Mn+0.003 6%B的合金化方案,具有较好的强度和碳当量的平衡,可以作为水淬冷轧马氏体钢板合金进一步优化的基础。

图11 各试验用钢的抗拉强度和碳当量(Ceq和Pcm)的比值Fig.11 Tensile strength to carbon equivalence ratio of the experimental steels

4 结论

在本文特定的试验条件下,得到如下结果:

(1) 试验用钢在不加硼的情况下,至少需要加入1.65%Mn才能获得接近全马氏体的淬火组织,此时试验用钢淬火后的组织仅含少量铁素体,强度达到1 300 MPa。

(2) 试验用钢加0.002%以上的硼可以明显提高冷轧钢板水淬后的拉伸强度,提高幅度和试验用钢的锰含量有关。

(3) 在试验用钢含1.65%锰时,硼含量高于0.002%时,强度有明显的提升,此时金相组织基本不含铁素体,为马氏体组织。

(4) 当试验用钢含1.05%Mn时,只有硼含量达到0.003 6%时,才能基本消除铁素体的存在,获得全马氏体的水淬组织。硼含量较低时,淬火组织中含有较多的铁素体。