包钢新型低成本700MPa级复相钢的研究和试制

包钢新型低成本700MPa级复相钢的研究和试制刘彦春1，2刘元磊3张广义3刘相华1井溢农2（1、东北大学博士后流动站，辽宁沈阳110006；2、包钢博士后工作站，内蒙古包头014010；3、山东东岳专用汽车制造有限公司技术部山东济宁272000）摘要介绍包钢一种新型低成本700MPa级高强复相钢板的试制情况；在包钢薄板坯连铸连轧生产线（CSP）上，通过添加微量合金元素Cr，控制热连轧后先共析铁素体析出量，利用复相化及相变强化机制，使试验钢获得良好的强、塑综合性能，强塑积（Rm×A50）达19000以上，用于一款新型轻量化自卸车车厢板的试制。

关键词低成本，复相钢，相变强化，轻量化，自卸车引言针对汽车制造行业日趋提高的轻量化技术要求，2012年2月，东北大学、包钢和山东东岳专用汽车制造有限公司（以下简称东岳公司），联合开发试制了一种低成本700MPa级高强度、高成形性能的复相钢带（Complex Phase Steel），专门用于东岳公司一款轻量化概念自卸车的设计制造。

在当前钢材市场低利润的严峻形势下，综合考虑钢厂制造成本和汽车制造商原材料采购成本，决定采用“不依赖合金元素添加量”的强化机制，即：细晶强化和相变强化[1，2，3]，来降低新产品制造成本，同时为钢厂及下游用户创造新的利润空间，在激烈的市场竞争中，实现双赢。

本文简要介绍包钢新型低成本700MPa级高强钢板的试制情况，在包钢技术中心Formastor-F型热膨胀仪上进行热模拟试验，测定试验钢的连续冷却转变曲线（CCT），研究微量Cr对γ→α先共析转变的抑制作用，并以此为依据，控制700MPa级复相钢微观组织中塑性相和强化相的比例；工业试验在包钢薄板坯连铸连轧生产线（CSP）上进行，采用控制轧制和控制冷却工艺，使试验钢获得了良好的强、塑综合性能，其中：抗拉强度达735MPa以上，延伸率（A50）达25%以上，小批量50吨供东岳公司新款轻量化概念自卸车设计、制造及路试。

1 热模拟实验及结果1.1 热模拟实验过程为研究微量Cr对γ→α先共析转变的影响规律，采用表1中两种成分实验钢进行对比实验，试验钢为包钢技术中心150公斤真空炉冶炼。

表1 实验钢实测化学成分（质量分数，%）两种试验钢钢坯经锻造、轧制成8厚两种实验钢板样，沿轧制方向，加工成Φ3×10mm热模拟试样若干。

实验在日本富士电波公司Formastor-F膨胀仪上进行，分别将两组试样以10℃/s的速度加热至900℃，保温10分钟，再分别以1、2、4、8、16和32℃/s的冷却速度降至200℃。

记录连续降温过程中的“温度-膨胀量”曲线，在电偶下2mm处截断，制取金相试样，用4%硝酸酒精溶液腐蚀，在Zeiss显微镜及图像分析仪上观察微观组织并拍摄照片，图1为热模拟实验工艺示意图。

时间，s图1 热模拟实验工艺示意图1.2 热模拟实验结果图2为不同冷却速度下两种实验钢的光学显微组织。

图2中（a-1）至（e-1）依次为1#试样在1、4、8、16和32℃/s冷却速度的微观组织；图2中（a-2）至（e-2）依次为2#试样在1、4、8、16和32℃/s冷却速度的微观组织。

(a-1) (a-2) (b-1) (b-2) (c-1) (c-2) (d-1) (d-2)(e-1) (e-2)图2 不同冷速下两实验钢光学显微组织，其中，（a-1）至（e-1）为1#试样，冷速依次为1、4、8、16和32℃/s；（a-2）至（e-2）为2#试样，冷速依次为1、4、8、16和32℃/s。

从图2（a-1）和（a-2）中看出，在1℃/s冷却速度下，两实验钢在先共析转变温度范围内，转变时间或C原子扩散时间均较充分，先共析铁素体为等轴状晶粒。

铁素体体积分数均在90%以上，接近平衡态体积分数，即：1-[C]/0.77。

微量的Cr并未明显表现出减缓或抑制奥氏体分解速度的作用。

从图2（b-1）和（b-2）中看出，4℃/s 冷速下，冷却速度加快，过冷度增加，铁素体形核能增加，单位体积内铁素体形核数量增加；虽然较快的冷速对铁素体长大起抑制作用或减缓作用，但由于单位体积内，铁素体晶粒数量的增多，铁素体晶粒长大的极限体积明显被减小，因此，扩散型的先共析转变仍然很充分，两实验钢的铁素体晶粒仍为等轴状。

在较快的冷却速度下，Cr原子对奥氏体分解（先共析转变）的抑制作用或减缓作用表现出来。

从图2（c-1）和（c-2）中看出，在8℃/s 冷速下，随着冷速进一步提高，先共析转变铁素体晶粒被进一步细化。

对比两实验钢微观组织，含Cr实验钢中先共析铁素体仍为等轴状，剩余奥氏体转变产物增多，剩余奥氏体体积相对较低冷速条件下显著减小，但与同冷速条件下的不含Cr钢相比，空间体积仍较大，多数为等轴状，且体积分数相对较多；不含Cr实验钢中剩余奥氏体空间体积较小，形态不规则。

其中，2#含Cr实验钢中先共析铁素体体积分数为85%，1#不含Cr实验钢中先共析铁素体体积分数92%。

Cr表现出对先共析转变的抑制作用。

从图2（d-1）和（d-2）中看出，在16℃/s 冷速下，两实验钢组织形态区别明显，1#不含Cr实验钢中铁素体体积分数仍在90%以上，2#含Cr 实验钢中铁素体体积分数降至约80%；当冷速提高至32℃/s时，1#不含Cr实验钢中铁素体体积分数仍在90%以上，含Cr实验钢中铁素体体积分数降至约70%，如图2（e-1）和（e-2）。

另外，在大冷速下，等轴状铁素体减少，针状铁素体量增加。

1.3 微量Cr的作用Cr在钢中可与Fe形成连续固溶体，缩小奥氏体相区域；Cr可与C形成多种化合物，与C的亲合力大于铁、锰，低于钨、钼；Cr还能使珠光体和奥氏体中C的极限溶解度降低，减缓奥氏体分解速度，并提高钢的淬透性。

图3（a）为两实验钢CCT曲线，Cr的加入使贝氏体转变区间向左“移动”，先共析转变温度区间略有提高，表现出缩小奥氏体相区域的作用。

图3（b）为两实验钢铁素体体积分数与冷却速度的关系，随着冷却速度提高，2#含Cr钢铁素体量明显减少，剩余奥氏体量随之增加，这就表现出减缓奥氏体分解速度（先共析转变）的作用。

温度，℃铁素体体积分数，%冷却速度，℃/s（b）图3 实验钢CCT曲线及铁素体体积分数与冷却速度的关系根据实验结果，实验钢中添加微量的合金元素Cr，可在较快的冷却速度条件下，抑制先共析转变，降低铁素体的体积分数，这就为提高第二相（强化相）体积分数，提高抗拉强度提供了可能。

2 工业试验过程及结果2.1 工业试验过程工业试验在包钢薄板坯连铸连轧生产线（CSP）进行，工艺路线为：铁水预处理，210吨转炉顶底复合吹炼，LF精炼处理，薄板坯连铸，隧道炉内均热，7机架热连轧，轧后冷却采用层流冷却，强力冷却，随后卷取，如图4。

图4 包钢薄板坯连铸连轧生产线工艺装备简图表2为两种化学成分试验钢冶炼控制范围，均采用低碳成分设计，其中，1#试验钢为添加Cr ，2#试验钢添加微量Cr 。

薄板坯厚度为67mm ，经隧道炉均热，出炉温度约为1100℃，终轧温度约830℃，层流冷却后温度为500℃，卷取温度为120℃，成品厚度为4mm 。

在带钢尾部开卷取样，制成标准拉伸试样，测量力学性能；以4%硝酸酒精溶液腐蚀金相试样，用LEO 扫描电子显微镜拍摄微观组织照片。

表2 包钢热轧双相钢化学成分控制范围序号 C Si Mn Cr Ti P S 1# ≤0.07 ≤0.55 ≤1.60 —— ≤0.02 ≤0.015 ≤0.010 2#≤0.07≤0.55≤1.60≤0.40≤0.02≤0.015≤0.0102.2 工业试验结果 2.2.1 力学性能表3为试验钢实测力学性能。

含Cr 钢屈服和抗拉强度相对较高，延伸率比不含Cr 钢略有下降，试验钢强塑积（Rm×A 50）均超过19000，钢材具有可观的强、塑综合性能。

表3试验双相钢实测力学性能2.2.2 微观组织图5为两种试验钢微观组织扫描电镜照片，其中，图5（a ）为1#不含Cr 试验钢，图5（b ）为2#含Cr 试验钢，可以看出，不含Cr 试验钢中先共析铁素体为多边形，约占75%，贝氏体体积分数相对较少，约占25%；含Cr 钢中先共析铁素体为针状，约占50%，贝氏体约占50%。

这与热模拟试验的结果是一致的，Cr表现出对先共析转变的抑制作用，减少了先共析转变产物的体积分数，增加了第二相体积分数。

图5 两种试验钢微观组织扫描电镜照片，其中，（a）1#试验钢，（b）2#试验钢2.3.3 强化机理根据试验钢的组织和性能结果，先共析转变后，剩余奥氏体转变产物的体积分数、组织形态，决定了钢材的最终抗拉强度指标。

本文试制的700MPa级钢，采取组织复相化，来同时获得强度和塑性，即通过先共析转变，获得塑性较好的多边形铁素体及针状铁素体，通过增加贝氏体体积分数，获得较高的抗拉强度，其强化机制属于相变强化。

Cr在本文研制的700MPa级钢中的主要作用，并不是固溶强化，而是抑制先共析铁素体析出，增加第二相（强化相）的比例。

3 结论（1）在C-Mn系钢成分基础上，添加微量合金元素Cr，在CSP线上采用控轧控冷工艺，试制出一种低成本700MPa级高强复相钢，抗拉强度达735MPa，延伸率达25%；（2）在C-Mn钢中，添加微量的Cr，可以抑制先共析转变，减少先共析铁素体析出量，增加剩余奥氏体转变产物（第二相）的体积分数；（3）利用微合金化和工艺控制等手段，控制钢中强化相和塑性相的比例，实现组织复相化，可以获得理想的强、塑综合性能。

参考文献[1] 金志浩等. 环境材料的先进性与相对性[J]. 兰州大学学报, 1996, 32: 17~21.[2] 刘江龙. 环境材料导论[M]. 北京, 冶金工业出版社, 1999.[3] 王天民. 生态环境材料[M]. 天津, 天津大学出版社, 2000.。