梁 文 吳 潤 劉 斌 胡 俊 劉永前 周和榮

(1.武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北武漢 430081； 2.武鋼研究院，湖北武漢 430080)

FB60雙相鋼卷材擴孔性能波動原因分析

梁 文1,2吳 潤1劉 斌1,2胡 俊2劉永前2周和榮1

(1.武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北武漢 430081； 2.武鋼研究院，湖北武漢 430080)

擴孔性能波動一直是雙相鋼卷材生產(chǎn)中的難題。分析了某廠FB60雙相鋼卷材擴孔性能波動的原因。結(jié)果顯示，在生產(chǎn)過程中，由于采用升速軋制模式，導致鋼卷的卷取溫度不均勻，卷材尾部卷取溫度升高，從而產(chǎn)生了更多的珠光體。不同組織之間的變形率差異較大，導致FB60鋼卷材的擴孔性能降低。通過采用“短坯+準恒速軋制模式”，提高了FB60鋼整卷卷材的擴孔性能，擴孔率達到了98%以上。

FB60雙相鋼 卷材 擴孔性能 準恒速軋制

降低車身重量、提高整車的安全性是現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的方向。先進高強度鋼 (Advanced High Strength Steel，AHSS) 板材兼具高強度和易成形等優(yōu)點，已成為近年來汽車用高強度鋼板開發(fā)和使用的熱點。而在汽車行走部件和底盤結(jié)構(gòu)件的制造過程中需經(jīng)歷翻邊和擴孔工序，要求鋼材具有良好的擴孔性能。鐵素體/珠光體類型的鋼板強度不足，鐵素體/馬氏體雙相(FMDP)鋼擴孔性能較差。當FMDP鋼中的馬氏體被貝氏體取代時，兩相的強度差減小，擴孔性能提高，因此鐵素體/貝氏體雙相鋼(FBDP)已成為汽車車輪和底盤用鋼的重要材料[1- 2]。目前國內(nèi)汽車制造企業(yè)主要采用進口的FBDP，而國內(nèi)的同類產(chǎn)品存在擴孔性能波動大等問題，限制了先進高強度汽車用鋼的國產(chǎn)化進程，因此對FBDP鋼的擴孔性能進行研究具有重要意義。

某汽車配套廠，現(xiàn)采用規(guī)格為2.5 mm的熱軋FB60雙相鋼生產(chǎn)汽車底盤結(jié)構(gòu)件。其生產(chǎn)工藝為：熱連軋鋼卷—酸洗—平整橫切—下料—沖孔—擴孔—焊接—涂裝。然而在擴孔工藝環(huán)節(jié)，部分鋼板出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象，嚴重影響了產(chǎn)品的成品率。

1 原因分析

1.1 化學成分

FB60雙相鋼的化學成分如表1所示。

表1 FB60雙相鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)) Table 1 Chemical composition of the FB60 dual- phase steel (mass fraction) %

1.2 力學性能和擴孔性能

在擴孔合格和開裂的卷材上取樣，分別標為1號、2號。

將1、2號試樣加工成80 mm的定標距試樣，按GB/T 228.1在拉伸試驗機(日本島津AG- IS100KN)上進行拉伸試驗。將1、2號試樣加工成100 mm×100 mm試片，在其中心沖制出φ10 mm的孔，按照GB/T 24524—2009的要求，在BCS- 50AR萬能薄板成型試驗機上進行擴孔試驗，采用公式λ=(dh-d0)/d0計算擴孔率，式中d0、dh分別為擴孔前、后孔的平均直徑。試樣的力學性能和擴孔性能見表2。

1.3 組織及析出物

將1、2號試樣磨制拋光并經(jīng)硝酸酒精試劑浸蝕后，分別在光學顯微鏡(OLYMPUS GX71)下觀察組織和夾雜物，結(jié)果如表3和圖1所示。對1、2號試樣中析出物的形貌采用碳萃取復型方法，用JEM- 2100F型透射電鏡觀察其中的析出相，用INCA能譜儀對析出相進行成分分析，結(jié)果如表3和圖2所示。

表2 FB60鋼卷材的力學性能和擴孔性能Table 2 Mechanical properties and hole- expanding ability of the FB60 steel coil

表3 FB60鋼卷材的組織及析出相 Table 3 Microstructures and precipitates in the FB60 steel coil

注：B0.5表示鏈狀氧化物0.5級，D1表示球形氧化物1級。

圖1 1號(a)和2號(b)試樣的顯微組織Fig.1 Microstructures of the samples No.1(a) and No.2(b)

圖2 1號(a)和2號(b)試樣的析出物形貌及成分Fig.2 Morphologies and constituents of precipitate in the samples No.1(a) and No.2(b)

1.4 擴孔試樣分析

在1、2號擴孔試樣主裂紋附近切取10 mm×10 mm的試片，用酒精清洗。同時在擴孔試樣中心孔附近取樣(見圖3)、鑲嵌和磨制拋光，經(jīng)硝酸酒精試劑浸蝕后，分別在FEI Quanta 400掃描電鏡下對擴孔試樣裂紋和截面進行掃描分析，其中裂紋斷口的形貌如圖4(a)所示， 截面上微孔的形貌如圖4(b)所示。

圖3 擴孔試樣取樣示意圖Fig.3 Schematic diagram of cutting samples from the hole- expanded sample

2 分析與討論

1、2號試樣屬于同一卷產(chǎn)品，化學成分相同。由表2可知，1、2號試樣強度接近，2號試樣略高10 MPa。表3表明，1、2號試樣的夾雜物無區(qū)別，顯微組織也基本相同，都以B+F為主，含少量P，但2號試樣的P量略多，且呈塊狀。1、2號試樣析出物的區(qū)別較大，2號試樣的析出物數(shù)量明顯多于1號試樣。關(guān)于擴孔性能，1號試樣擴孔率比2號試樣高20%，在用戶的實際使用中影響非常明顯。

文獻[2- 4]指出，相同強度級別、相同厚度的產(chǎn)品，影響其擴孔性能的三個主要因素分別為鋼材純凈度、組織以及孔的加工方式。而1、2號試樣屬于同一卷產(chǎn)品，強度級別、厚度、鋼材純凈度都相同，組織均為B+F+P，且都是采用沖孔方式加工，可以認為主要的影響因素相同，但它們的擴孔性能差別較大。圖4(b)所示的是擴孔后的試樣中心孔附近的截面形貌，圖中亮點為滲碳體。由于生產(chǎn)中采用沖孔加工， 中心孔附近存在大量形變組織，引起加工硬化而成為擴孔時發(fā)生開裂的薄弱部位。擴孔過程中，中心孔附近首先發(fā)生塑性變形，鐵素體硬度低，珠光體中的滲碳體硬度高，不同組織的可變形性能有差異，因此在鐵素體/滲碳體界面首先產(chǎn)生微孔。隨著變形的加劇，微孔聚集擴大，最終形成宏觀裂紋[5]。擴孔試驗在常溫下進行，且FB60鋼屬于低碳鋼，具有良好的塑性，因此宏觀裂紋呈現(xiàn)出韌窩特征，為典型的韌性斷裂，見圖4(a)。

圖4 擴孔試樣裂紋斷口(a)和擴孔截面上的微孔的形貌(b)Fig.4 Micrograghs of (a) crack fracture and (b) pores in cross- section of the hole- expanded sample

對于1、2號試樣，雖然組織均為B+F+P，但是2號試樣組織中的珠光體多，擴孔過程中更容易產(chǎn)生空洞，從而引發(fā)貫穿裂紋，即其擴孔率低。FB60高擴孔鋼普遍采用兩段式冷卻工藝進行生產(chǎn)，即以“水冷+空冷+水冷”的模式進行冷卻。查詢該鋼卷的生產(chǎn)工藝可知，該鋼卷頭部的卷取溫度為450 ℃，軋鋼過程采用升速軋制，軋制速度越來越快，導致鋼板在水冷段的時間大大縮短，冷卻效果降低，到卷材尾部時卷取溫度已升高至510 ℃，而1、2號試樣正好分別對應于軋材的頭部和尾部，導致卷材擴孔性能差別較大。

3 改進措施

由上述分析可知，卷取溫度過高是兩段式冷卻工藝生產(chǎn)FB60鋼卷材擴孔性能不合格的主要原因。而造成此現(xiàn)象則是升速軋制模式所致。升速軋制模式引起整卷卷材擴孔性能波動也是FBDP鋼生產(chǎn)的難題之一，因此選擇合理的軋制速率是FB60鋼卷材擴孔性能穩(wěn)定的關(guān)鍵。

在生產(chǎn)過程中，F(xiàn)B60鋼采用準恒速軋制模式，即將軋制加速度控制在0.005 m/s2，基本可保證整卷卷材的軋制速度為恒速，同時采用短坯生產(chǎn)，從而保證整個鋼卷的卷取溫度控制在±20 ℃。

4 實施效果

采取上述措施后，F(xiàn)BDP鋼整卷卷材的卷取溫度控制精度得到極大提高，整卷溫度波動可控制在±20 ℃。卷取溫度的精確控制，確保了整卷卷材擴孔性能的穩(wěn)定，從鋼卷頭、中、尾三個部位分別取樣進行力學性能和擴孔性能檢驗，強度波動在20 MPa以內(nèi)，擴孔率均≥98%，效果理想，見表4。

表4 改進軋制工藝后FB60鋼卷材的力學性能和擴孔性能Table 4 Mechanical properties and hole- expanding ability of FB60 steel coil produced by an improved rolling process

5 結(jié)論

(1)鐵素體/珠光體的可變形性能不同是引發(fā)FB60雙相鋼卷材擴孔開裂的直接原因。

(2)軋鋼過程中的升速軋制模式是造成FB60鋼整卷卷材擴孔性能波動的主要原因。

(3)采用“短坯+準恒速軋制”模式，提高了整卷卷材擴孔工藝的穩(wěn)定性，可以使FB60鋼整卷卷材的擴孔率波動減小，擴孔率可達98%以上。

[1] 沈鑫琚，裴新華，唐帥，等. 卷取溫度對熱軋F/B雙相鋼組織性能的影響[J]. 東北大學學報(自然科學版), 2014, 35(8)：1120- 1124．

[2] 陳繼平，董玉慶，錢健清，等. 熱軋馬氏體和貝氏體雙相鋼擴孔性能及機理[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2014, 45(2)：395- 400.

[3] FANG X, FAN Z, RALPH B，et al. Effects of tempering temperature on tensile and hole expansion properties of a C- Mn steel[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2003, 132(1- 3): 215- 218.

[4] 代曉莉，郭佳，李飛，等. 580 MPa級熱軋高擴孔鋼的組織與性能[J]. 上海金屬, 2015, 37(1)：23- 27.

[5] 丁昊，丁樺，唐正友，等. 熱軋FB擴孔鋼的組織性能研究[J]. 軋鋼, 2008, 25(3)：16- 21.

收修改稿日期：2016- 09- 20

AnalysisontheUnstableHole-expandingAbilityofFB60Dual-phaseSteelCoil

Liang Wen1,2Wu Run1Liu Bin1,2Hu Jun2Liu Yongqian2Zhou Herong1

(1. Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan Hubei 430081, China; 2. Research and Development Center of WISCO, Wuhan Hubei 430080, China)

Unstable hole- expanding ability was always a difficult problem in the dual- phase steel coil production. The reason why FB60 dual- phase steel coil exhibited the unstable hole- expanding property was analyzed. From the analysis it showed that the coiling temperature of coil was nonuniform，that is, the coiling temperature was higher in the coil tail than in other parts, due to the use of an accelerating rolling mode to produce the coil, thus forming more pearlite in the coil. The unstable hole- expanding ability of the FB60 steel coil was attributed to greater difference between in deformation rate for various microstructures. The use of a “short slab + constant- speed rolling mode” has increased the hole- expanding property of the whole FB60 steel coil, with the hole- expanding ratio amounting to 98% or more.

FB60 dual- phase steel, coil, hole- expanding ability, constant- speed rolling

國家科技基礎(chǔ)條件平臺汽車腐蝕專題；湖北省自然科學基金資助項目(No.2014CFB799)

梁文，男，工程師，博士在讀，主要從事高強度汽車鋼的研發(fā)，Email：15972996369@163.com