CSP工艺生产低碳高强度汽车板力学性能特征及强化机理

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2005.02.055 第27卷第2期 北京科技大学学报 Vol.27 No.2 2005年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2005 CSP工艺生产低碳高强度汽车板 力学性能特征及强化机理 赵征志康永林于浩谷海容 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要研究了珠钢电炉CSP工艺生产低碳高强度汽车梁用钢板Z510L生产工艺、组织演 变、强化机理与组织性能之间的关系.通过光学显微镜、透射电镜和力学性能实验研究表明： ZJ510L显微组织随着轧制道次和冷却速度的增加而细化，最终铁素体晶粒尺寸约为5~6um: 析出的第二相粒子主要为Al,O,MnS和AN以及大量的碳化物，尺寸大多在20-I50nm之间： 成品板强度和延伸率较高，并具有良好的成形性能和低温冲击韧性.细晶强化是ZJ510L钢板 的主要强化方式， 关键词薄板坯连铸连轧；组织演变；强化机理；力学性能 分类号TG142.1 自美国Nucor钢铁公司1989年建成投产了 1ZJ510L钢板的开发与生产 世界第一条电炉一薄板坯连铸连轧生产线以来， CSP工艺技术以其特有的技术优点在世界各地 为了满足汽车梁用钢板的性能指标，通过几 得到广泛推广，迄今为止，国内外薄板坯连铸连 次现场试制工作，结合实际生产经验，确定其化 轧生产线约有30条之多，预计到2013年将由全 学成分（质量分数，%）为：C0.170.19,Si<0.50,Mm 世界各地的CSP工艺以及短流程钢厂的其他工 ≤1.40，P<0.020,S<0.008,Cu≤0.12，A1<0.040. 艺生产1亿6千万吨热轧薄板.近几年来，我国 珠钢CSP生产汽车梁用钢板的工艺流程为： 汽车工业发展迅速，随着资源、能源、环境保护的 150t电炉冶炼→LF炉精炼→连铸→6机架CVC 日益迫切要求，汽车减重、节能已成必然趋势，在 精轧机连轧→层流冷却→地下卷取·成品入库， 汽车上使用高强度钢板的比例也越来越大，因此 板坯厚度为50或60mm,宽度为1000-】380mm: 热轧高强度汽车用钢板有着广阔的市场空间. 拉坯速度为4.5-5.5m/mim;出炉温度为1050-1150 广州珠江钢铁有限贵任公司（珠钢）是我国第 ℃，终轧温度780840℃，卷取温度为520-640℃. 一个采用这种具有20世纪90年代先进水平的薄 2ZJ510L钢板的显微组织与力学 板坯连铸连轧新工艺、新技术的钢厂，也是国内 第一座采用短流程工艺生产热轧薄板的企业.结 性能 合汽车、农用车市场发展及用材的需求和珠钢 CSP生产线先进的工艺设备特点，珠钢与北京科 2.1显微组织 技大学合作，进行了高强度汽车梁用钢板开发研 从成品板上切取金相试样，在光学显微镜下 究工作，其开发研究成果无疑具有重大的经济效 观察其显微组织，图1为6.0mm和8.0mm两种 益和社会效益. 厚度规格Z510L钢板轧向的显微组织.可以看 出，热轧钢板的显微组织为均匀的多边形铁素体 和少量珠光体构成，珠光体组织呈岛状和支链状 收稿日期：20040409修回日期：2004-07-09 基金项目：国家自然科学基金资助项目No.50334010) 分布，ZJ510L钢板多边形铁素体组织细小，且较 作者简介：赵征志(1977—)，男，博士研究生 为均匀，平均晶粒尺寸约为56m,晶粒度为11

第 2 7 卷 第 2 期 2 0 0 5 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n iv e r s i yt o f s e i e n e e a n d eT e h n o l o gy B e ij i n g V b l . 2 7 N o . 2 A p .r 2 0 0 5 C S P 工艺 生产低碳高强度汽车板 力学 , ’lI 能特征 及强化机理 赵征志 康永林 于 浩 谷 海 容 北 京科 技大 学材料 科学 与工 程学 院 , 北京 10 00 83 摘 要 研 究 了珠钢 电炉 C S P 工艺 生产低 碳 高强 度汽 车梁 用钢 板 ZJ 5 10 L 生产 工艺 、 组 织演 变 、 强 化机 理与 组织 性 能之 间的关 系 . 通 过光 学显 微镜 、 透射 电镜 和力 学性 能实 验研 究表 明 : ZJ S OI L 显 微组 织 随着 轧制道 次和 冷却 速 度 的增 加而 细 化 , 最 终铁 素体 晶 粒 尺寸 约为 5一 6 林m ; 析 出的第 二相 粒子 主 要为 1A 2 O 3 , M 们 S 和 A NI 以及 大量 的碳化 物 , 尺寸 大多 在 20 一 150 nl 之 间 ; 成 品板强 度和 延伸 率较 高 , 并 具有 良好 的成 形性 能和 低温 冲击 韧性 . 细 晶强化 是 ZJ S OI L 钢板 的主 要强 化方 式 . 关键 词 薄板 坯连 铸连 轧 ; 组织演 变 ; 强 化机 理 ; 力学 性能 分 类号 T G 1 4 .2 1 自美 国 N u c or 钢 铁 公 司 1 9 89 年 建 成 投产 了 世 界第 一条 电炉 一 薄 板坯 连铸 连 轧 生产 线 以来 , C S P 工 艺 技术 以其 特 有 的 技术 优 点 在 世 界各 地 得 到广 泛推 广 . 迄 今为 止 , 国 内外 薄板 坯 连铸 连 轧 生产 线约 有 30 条 之 多 , 预 计 到 2 01 3 年 将 由全 世 界各 地 的 C S P 工艺 以及短 流 程钢 厂 的 其他 工 艺 生产 1 亿 6 千万 吨 热 轧薄 板 1[] . 近 几年 来 , 我 国 汽车 工业 发展 迅速 , 随着 资源 、 能源 、 环境 保 护 的 日益 迫切 要求 , 汽 车减 重 、 节 能 已成必 然趋 势 , 在 汽 车上使 用 高 强度钢 板 的 比例 也越 来越 大 , 因此 热 轧高 强 度汽 车 用钢 板 有着 广 阔的市 场 空 间降 , . 广州珠 江 钢铁 有 限责任 公 司 (珠钢 ) 是我 国第 一 个采 用这 种 具有 20 世纪 90 年代 先 进水 平 的薄 板 坯连 铸连 轧 新 工 艺 、 新 技术 的钢 厂 , 也 是 国 内 第 一座采 用 短流 程工 艺 生产 热轧 薄板 的 企业 . 结 合 汽 车 、 农 用 车 市 场 发 展及 用 材 的需 求 和珠 钢 C sP 生产 线 先进 的工 艺 设备 特 点 , 珠 钢与 北 京科 技 大学 合作 , 进 行 了 高 强度 汽 车梁用 钢 板 开发研 究工作 , 其 开 发研 究成 果无 疑 具有 重大 的经 济 效 益 和 社会 效 益 . 收稿 日期 : 2 0 04 一 0 4 ~ 0 9 修 回 日期 : 2 004 一 7一 9 基金项 目 : 国家 自然科 学基 金资 助项 目困 。 . 5 03 3 4 01 0) 作 者简 介 : 赵 征 志( 19 7 7一) , 男 , 博 士研 究生 1 Z 5J 1 0 L 钢板 的 开 发 与生 产 为 了满 足 汽车 梁 用钢 板 的性 能指 标 , 通 过几 次现 场试 制 工 作 , 结 合 实 际生 产经 验 , 确 定 其化 学成 分 (质 量 分 数 , % ) 为 : e o一 7一。一9 , 5 1< 0 . 50 , M n 三 1 . 4 0 , P < 0 . 02 0 , S < 0 . 0 0 8 , C u 二 0 . 12 , A I < 0 . 0 4 0 . 珠 钢 C S P 生产 汽 车 梁用 钢 板 的工 艺流 程 为 : 15 0 t 电炉 冶炼 ~ L F 炉精 炼 一 连铸 一 6 机 架 C V C 精轧 机连 轧 ~ 层流 冷 却~ 地下 卷取 ~ 成 品入 库 . 板坯 厚度 为 5 0 或 6 0 nmr , 宽度 为 1 0 0 0一 1 3 8 0 m ; 拉坯速 度 为 4 . 5一 5 . 5 m m/ i n ; 出炉温度 为 1 0 5 0一 1 15 0 ℃ , 终 轧温 度 7 8 0一 8 40 ℃ , 卷 取 温度 为 520 一 640 ℃ . 2 z 5J 1 0 1 钢 板 的 显 微组织 与 力学 性 能 .2 1 显微 组 织 从成 品 板上 切取 金 相试 样 , 在 光学 显微 镜 下 观 察其 显 微组 织 . 图 1 为 *6 0 ~ 和 8 . 0 m m 两 种 厚 度规 格 ZJ S 10 L 钢板 轧 向的显 微 组织 . 可 以 看 出 , 热 轧钢 板 的显微 组 织为 均匀 的 多边形 铁素 体 和 少量 珠光 体构 成 , 珠光 体 组织 呈 岛状和 支链 状 分 布 . z 5J 10 L 钢 板 多边 形 铁 素体 组 织细 小 , 且 较 为均匀 , 平 均 晶粒 尺寸 约 为 5一 6 林m , 晶 粒度 为 H DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 02. 055

228· 北京科技大学学报 2005年第2期 20m 图1CSP生产的ZJ510L钢板的显微组织.(a)6.0mm:b)8.0mm Fig.1 Microstructures of ZJ510L steel by CSP technology:(a)6.0 mm:(b)8.0 mm 级左右，带状组织12级 从CSP线生产ZJ510L钢板不同厚度规格板 2.2拉伸性能及冷弯性能 卷的力学性能的统计结果来看，ZJ510L钢板强度 珠钢电炉一CSP工艺生产的ZJ510L钢板力学 较高，屈服强度c,=415~460MPa,抗拉强度，= 性能如表1所示. 565~605MPa,延伸率均在26%-34%之间，而且 表1CSP生产ZJ510L钢板的力学性能 Table 1 Mechanical characteristics of ZJ510L steel by CSP technology 横向 纵向 h/mm G,/MPa o/MPa 81% o/o. G./MPa G/MPa % 4.5 445 580 34 0.77 440 575 3 0.77 6.0 450 600 26 0.75 460 605 26 0.76 6.0 460 605 27 0.76 455 605 29 0.75 8.0 435 585 26 0.74 430 575 28 0.75 8.0 440 585 26 0.76 425 570 28 0.75 10.0 415 565 26 0.73 435 580 26 0.75 ZJ510L钢板具有纵横向力学性能均匀，各向异性 表2CSP生产ZJ510L钢板的应变硬化指数n值 小的特点.成品板冷弯性能较好，达到了用户使 Table 2 Strain hardening exponent (n)of ZJ510L steel by CSP technology 用要求 牌号 厚度规格mm H值 另外，取8.0mm厚ZJ510L钢板进行了焊接 5.0 0.221 后的拉伸实验，其抗拉强度为575MPa,与钢板焊 ZJ510L 6.0 0.250 接前的抗拉强度相比变化不大，即钢板经焊接后 RHA490F 4.5 0.154 仍然有较好的力学性能. SM50 3.5 0.183 2.3应变硬化指数 应变硬化指数n值表示真实塑性应变随着真 得加工成形困难，为此，参考国外的方法，采用 实应力成比例增加的能力.在实际工程应用中， 自行制造的V型弯曲模具进行了板材回弹值的 n值反映金属材料在塑性变形过程中，形变强化 实验测定，见图2.本实验通过将试样弯曲成60° 能力的一种量度，是判断材料深冲压性能的一个 后卸载，测量板材的回弹值见表3.实验结果表 重要参数.在万能材料实验机上测定了ZJ510L钢 明，ZJ510L钢板回弹值较小，且随着钢板厚度的 板的横向n值，并与日本同等强度级别的大梁板 增加其回弹值逐渐减小，将10.0mm厚钢板压弯 RHA490F和SM50钢进行了比较，实验结果见 至60°后测得的平均回弹角仅为0.5°，完全满足用 表2.珠钢ZJ510L钢板的n值较高，均优于同等强 户使用要求， 度级别的日本大梁板RHA490F和SM50的n值. 2.5疲劳性能 2.4板材回弹值 疲劳是金属材料在交变或重复应力作用下， 在汽车用板材中，冲压成形时的回弹问题使 经过多次循环而破坏的现象，这是汽车零件和构

一 2 2 8 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 5 年 第 2 期 图 1 C S P 生产 的 Z J5 1 0L 钢板 的显 微组 织 . ( a ) 6 . o m m ; 伪) 8 . o m m F ig . 1 M i e ro s t r u c t . re s o f Z J 5 1 0 L s te e l b y C S P t e e h n o l o gy : ( a ) 6 . o m m ; (b ) 8 0 m m 级 左 右 , 带 状组 织 l 一2 级 . .2 2 拉伸 性 能 及冷 弯 性 能 珠钢 电炉 一 C S P 工 艺 生产 的 Z 5J 10 L 钢板 力 学 性 能 如表 1 所 示 . 从 c s P 线 生产 z 5J 1o L 钢 板 不 同厚 度 规格 板 卷 的力 学性 能 的统 计 结果 来看 , Z SJ 1OL 钢 板 强度 较 高 , 屈 服 强 度 as = 41 5一 4 60 M P a , 抗 拉 强度 氏 = 56 5一 60 5 M l 〕 a , 延 伸 率均 在 26 % 一3 4% 之 间 , 而且 表 1 c s P 生产 z 5J 10 L 钢板 的力学 性能 介b l e 1 M e c h a n i e a l e h a r a e t e ir s it e s o f Z J 5 10 L s抚 e l b y C S P t e e h n o l o gy h八们 n 刁 横 向 纵 向 氏 沪 叼 P a 口、加 IP a 澎 % . 601 . 0卜 68 内、气勺乙` 2 ù气气ù n 内八UCú7了ǎU 苦 7R ù、 é石U6 、éù卜J n 3 é气énU 0 咔乙滩 4 A 内勺山门 4 广O气J J 、 à气 . 氏低 0 7 7 氏瓜 I P a a 以M P a 夕 % 口;加、 0 7 7 产勺一、ù 5 `气J , , ō了 7 ; : 门n ù 0 、曰ù 466 门、 , 了 , 了 7 7 且 ; 甘r nUn à 0 八曰n 46 月白今`j, 月`了U一Ob 2 、ùénUù 门nO 0 八0 6 é卜气产 6 `J 心气ù气J nUn50 」气 苦 4 ù I ó 6叶t、讨,1. 10生丘a象05. 4 z SJ 10 L 钢 板具 有纵 横 向力 学性 能均 匀 , 各 向异 性 小 的特 点 . 成 品板冷 弯性 能较 好 , 达 到 了用 户使 用 要 求 . 另 外 , 取 .8 0 m m 厚 Z J 5 10 L 钢 板进 行 了焊接 后 的拉 伸 实验 , 其 抗 拉强度为 5 75 M aP , 与钢 板焊 接 前 的抗拉 强度 相 比变 化不 大 , 即钢 板 经焊 接后 仍 然有 较 好 的 力学 性 能 . 2 .3 应 变硬 化指 数 应变 硬 化指 数 n 值 表 示 真实 塑性 应 变 随着 真 实 应 力成 比例 增 加 的 能力 . 在 实 际 工程 应 用 中 , n 值 反 映金 属材 料 在 塑性 变 形过 程 中 , 形 变 强化 能力 的一种 量度 , 是判 断材料深 冲压 性 能 的一个 重 要参数 . 在万 能材料 实验 机 上测 定 了 Z SJ 1OL 钢 板 的横 向n 值 , 并 与 日本 同等强 度级 别 的大 梁板 Iu I A 4 9 o F 和 s M 5 o 钢 〔, ,进 行 了比 较 , 实验 结 果见 表 2 . 珠 钢 Z SJ 1 OL 钢 板 的 n 值较 高 , 均 优 于 同等 强 度 级别 的 日本 大 梁 板 R H A 4 9 OF 和 S M 50 的 n 值 . .2 4 板 材 回 弹值 在汽 车 用板 材 中 , 冲 压成 形 时 的回弹 问题 使 表 2 C S P 生 产 Z 5J 10 L 钢板 的应 变硬 化指 数 刀 值 aT b l e 2 S t r a i n h a r d e n i n g e x P o 血e n t 伪) o f Z 5J 10 L s et e l b y C S P et e h n o l o gy 牌 号 厚度规 格角 I l zl n 值 5刃 0 2 2 1 Z J 5 10 L 6 . 0 0 . 2 5 0 `气一J : 4 ,J R l 】A 4 9 0 F S M S O 0 . 15 4 0 、 18 3 得 加工 成 形 困难 . 为 此 , 参 考 国外 的 方法叫 , 采 用 自行 制 造 的 V 型 弯 曲模 具进 行 了 板 材 回 弹值 的 实验测 定 , 见 图 2 . 本 实验 通 过 将试 样 弯 曲成 6 0 后 卸载 , 测量 板 材 的 回弹值 见表 3 . 实验 结果 表 明 , Z SJ 1OL 钢 板 回弹值较小 , 且 随着 钢板 厚度 的 增加 其 回弹 值逐 渐 减小 , 将 10 . 0 ~ 厚钢 板 压 弯 至 60 “ 后 测得 的平均 回弹 角 仅为 0 . 5 。 , 完 全 满足 用 户使 用 要求 . .2 5 疲 劳 性 能 疲劳 是金 属 材料 在 交变 或 重 复应 力 作用 下 , 经过 多次 循环 而破坏 的现 象 , 这 是汽 车 零 件和 构

VoL.27 No.2 赵征志等：CSP工艺生产低碳高强度汽车板力学性能特征及强化机理 ·229 100 图2回弹值测最示意图及所用试样简图（单位：mm) Fig.2 Illustration of the amount of spring back and a test piece for testing(Unit:mm) 表3CSP生产ZJ510L钢板的回弹值 Table 3 Amount of spring back of ZJ510L steel by CSP technol- 00 ogy 80 厚度规格mm 回弹值() 0 6.0 3.0 60 8.0 18 10.0 0.5 20 40 ■Axv 件的主要失效形式.为此，在Amsler HFP5000高 ·SA ◇ 20 频疲劳实验机上进行了ZJ510L钢板轴向疲劳实 0 验.5.0mm厚钢板沿轧制方向制备成漏斗试样， -100-80-60-40-20 020 实验循环基数为1.0×10，采用升降法施加拉一拉 温度/℃ 图3不同实验温度下的冲击功4Av和断口纤维所占比例SA 型应力，频率为140H2左右，应力比率为0.1.实 Fig.3 Impact energy and fracture fibre percentage under differ- 验结果如表4所示，并与16MmL和T52L钢进行 ent test temperatures 对比.5.0mm厚ZJ510L钢板的疲劳极限为460 MPa,高于16MnL和TS2L钢，而其疲劳比率为 2.7试冲压实验及其应用 0.76,优于T52L钢，说明珠钢ZJ510L钢板的疲劳 在湖北二汽东风载重车公司，将厚度规格为 性能优良. 3.5mm的ZJ510L钢板冲压成5t和8t卡车横梁 如图4(a)所示，实验过程中冲压了上百件，所有 表4三种钢材的钢疲劳性能对比 Table 4 Fatigue characteristics of three steels 成形件全部合格，没有出现成形缺陷和表面裂纹 牌号厚度mm a/MPa o/MPa ado 等问题.在重庆红岩重型汽车厂，用ZJ510L钢板 ZJ510L 5.0 460 604 0.76 冲制红岩卡车纵梁见图4(b),以及不需退火工 16MnL 6.5 426 633 0.67 艺，冲制形状最复杂变形方向多维的发动机二横 T52L. 6.0 400 512 0.78 梁获得成功，一次冲成率达到98%以上，解决了 车厂用国内同类产品冲发动机二横梁需退火且 2.6系列低温冲击实验 强度指标不达标问题，通过近两年的开发研究， 珠钢生产Z刀510L钢板由于其化学成分均匀，性 为了评价ZJ510L钢板的低温韧性，在厚度规 格为6.0mm的ZJ510L钢板上取纵向小尺寸试样 能稳定，屈强比较低，具有良好的冷冲压成形性 5mm×10mm×55mm,进行室温至-100℃的夏比 能，达到了日本同类型钢板的内在质量要求，从 V型缺口系列温度冲击实验，测定其冲击吸收 而在多家汽车厂得到了广泛的应用 功，实验结果见图3.如以断口纤维比例为50%时 3ZJ510L钢板高强度因素分析 所对应的温度作为韧脆转变温度（记为FATT),可 以得出，厚度规格为6.0mmZJ510L钢板的韧脆 3.1洁净钢生产技术 转变温度在一60℃以下，这表明用此钢板制造的 跦钢在采用废钢为原料、短流程工艺、无真 汽车可以在寒冷的地区安全运行，文献研究表 空处理手段等不利条件下，通过优化配料、电炉 明，钢中带状组织是降低冲击韧性的重要原因之 全程泡沫渣控制、电炉终点控制、无渣出钢、优化 -,C,Si,S,P,N等元素也使钢板冲击韧性降低. 的精炼造渣制度和吹氩控制技术以及钙处理工

1 V 6 . 2 7 N o . 2 赵 征 志等 : C S 工艺P生产 低碳 高强 度 汽车 板 力学性 能特 征及 强化机 理 一 9 2 2 - 图 回 弹2值测 量示 意 图及所用 试样 简 图 单位 ( : m ) m F i g . I i 2 lh s t a r i t o n o f t h e a u m o n t o f s P r i u g b ac k a n d a e t s i t P e e e fo r t e s i t n 印 g n i t ) : m m 一尸一 . — . 勺甥或氢岁奄的国五连口 n é 0 U nO 八` U O 42 料A \ A \ 一、 à . 一 : / . : / 夕 / / : 了厂 4 00 勺` 丈 f/V 、 曰书交 表 3 C S 生产 P 5 1Z钢J 板0L的 回 弹值 a T b l e 3 A u m o n t o f s i P r n g b ae k o 5 f1Z J 0 L s e y tC Sd b P t e c h n o l - o y g 厚度规 格的I n l 回弹 值 ) (/o 6 . 0 3 0 乃 8 1 . 8 1 0 . 0 0 . 5 — . . 尸产 尸 件 的 主要 失 效形 式 . 为此 , 在 A l l l s l er 邵P 5 0 0 0 高 频 疲 劳实 验机 上 进 行 了 Z J S 1OL 钢 板 轴 向疲 劳 实 验 . 5 . 0 ~ 厚钢 板 沿 轧制 方 向制备 成漏 斗 试 样 , 实验 循 环基 数 为 1尔 1护 , 采 用升 降法 施 加拉 一 拉 型 应 力 , 频 率 为 14 O zH 左右 , 应 力 比 率 为 0 . 1 . 实 验 结果 如 表 4 所 示 , 并 与 16 M n L 和 T 5 2 L 钢进 行 对 比 , 5 . 0 ~ 厚 Z J 5 1 0 L 钢 板 的疲 劳 极 限 为 4 6 0 M aP , 高 于 16 Nlh L 和 T 52 L 钢 , 而 其疲 劳 比 率 为 0 . 7 6 , 优 于 T 52 L 钢 , 说 明珠钢 ZJ 5 1OL 钢 板 的疲 劳 性 能优 良 . 0 匕一 -上一 一 一一止 - 一一 - 一` 一- 以 - 一一 - -上一 -一` ` ~ 一 ~ - L- 一习 O 一 10 0 一 8 0 一 6 0 一 4 0 一 2 0 0 2 0 温 度 /℃ 图 3 不 同 实验 温度 下的 冲击功 A vK 和 断 口 纤维 所 占 比例 S A F ig · 3 I m P a c t e n e r gy a n d fr a c t u er fl b er P e cr e n t a ge u n d e r d i fe 卜 e n t t e s t t e m P e r a t u r e s 表 4 三种 钢材 的钢疲 劳性 能对 比 aT b l e 4 F a it g u e e h a r a c t e r i s it c s o f t h er e s t e e l s 牌 号 厚 度角I lr a 口加I P a 吓 声入I P a Z J S 10 L 5 . 0 4 6 0 6 0 4 16 M n L 6 . 5 4 2 6 6 3 3 T 5 2 L 6 卜 0 4 0 0 5 12 口夕氏 0 . 7 6 0 一 6 7 0 7 8 2 万 系列 低温 冲 击 实验 为 了评价 ZJ S 1OL 钢 板 的低 温韧 性 , 在 厚度 规 格 为 .6 0 ~ 的 Z J S 1 0 L 钢 板上 取 纵 向小尺 寸试 样 s m 义 10 m 巧 5 n l l ” , 进 行 室 温 至 一 10 0 oC 的夏 比 V 型缺 口 系 列温度 冲 击 实 验 , 测 定 其 冲 击吸 收 功 , 实验 结 果见 图 3 , 如 以断 口 纤维 比例 为 5 0% 时 所 对 应 的温 度作 为 韧脆 转变 温 度 (记 为 F AT )T , 可 以得 出 , 厚度 规 格 为 .6 O m m Z J 5 10 L 钢 板 的韧 脆 转变 温 度在 一 60 ℃ 以下 , 这表 明用 此钢 板 制造 的 汽 车 可 以在 寒 冷 的地 区 安全 运 行 . 文献研 究 表 明 , 钢 中带状 组织 是 降低 冲击 韧 性 的重要 原 因之 一 , c , is , s , P, N 等 元 素也 使 钢板 冲 击韧 性 降低〔习 . .2 7 试冲 压 实验 及 其应 用 在湖 北 二汽 东 风载 重车 公 司 , 将 厚度规 格 为 3 . 5 m l l l 的 Z J 5 10 L 钢 板 冲压 成 s t 和 s t 卡车 横 梁 如 图 4 (a) 所 示 , 实验 过 程 中冲 压 了 上 百件 , 所 有 成形 件全 部合 格 , 没 有 出现成 形缺 陷和表面 裂 纹 等 问题 . 在重 庆 红岩 重 型汽 车 厂 , 用 Z J S 1O L 钢 板 冲制 红 岩 卡车 纵 梁 见 图 4 (b) , 以及 不 需退 火 工 艺 , 冲 制形状 最 复杂 变形 方 向多 维 的发动机 二横 梁 获 得 成 功 , 一次 冲成 率 达 到 98 % 以上 , 解 决 了 车 厂用 国 内 同类 产 品冲 发 动 机 二横 梁 需 退 火 且 强度 指 标不 达 标 问题 . 通过 近 两年 的开 发研 究 , 珠 钢 生 产 Z J S IOL 钢 板 由于其 化 学成 分均 匀 , 性 能稳 定 , 屈 强 比 较低 , 具有 良好 的冷 冲 压成 形性 能 , 达 到 了 日本 同类 型 钢板 的 内在 质 量要 求 , 从 而在 多 家汽 车 厂得 到 了广 泛 的应 用 . 3 Z J 5 1 0 L 钢 板 高强 度 因 素 分 析 .3 1 洁净 钢 生产 技 术 珠 钢 在采 用 废钢 为原料 、 短流 程 工 艺 、 无真 空处 理 手段 等 不利 条 件 下 , 通 过优 化配 料 、 电炉 全 程泡 沫渣控制 、 电炉 终 点控制 、 无 渣 出钢 、 优化 的精 炼 造 渣 制度 和 吹 氢 控 制技 术 以 及钙 处理 工

·230· 北京科技大学学报 2005年第2期 (a)横梁 (b)纵梁 图4ZJ510L钢板冲压的成品件 Fig.4 Finished products of ZJ510L by punch:(a)cross beam (b)longitudinal beam 艺等一系列手段，使珠钢精炼结束时的钢水洁净 度达到一个较高的水平阿.研究表明：ZJ510L钢板 中夹杂物数量较少，尺寸细小，大部分夹杂物在 3m以下，呈球形分散分布，对钢板的不利影响 较小，故其塑性较高 3.2晶粒细化 在CSP工艺中，薄板坯在结晶器和冷凝器内 的冷却速度远大于传统工艺下的板坯，减少了粗 大的枝晶，所以其二次、三次枝晶间距更短，从而 得到形状较为规则、尺寸细小均匀的的原始铸态 组织（见图5），这为获得产品细晶粒组织提供了 有利条件. 研究表明，晶粒细化是珠钢低碳高强度汽车 板强度高的最主要的因素.对于CSP工艺，由于 原始铸坯薄、拉速快、冷却速度高、偏析小以及奥 氏体再结晶，使y→α相变前奥氏体晶粒细小；轧 制过程中由于道次压缩比相对较大，前五道次由 20m 于发生奥氏体再结晶，通过形变一再结晶使Y晶 粒不断细化，由奥氏体晶粒形成铁素体时，铁素 图5ZJ510L钢的显微组织，(a)铸还心部组织：(b)成品板板面 体优先在奥氏体晶界上形核，奥氏体品粒越细 组织 小，最终得到的铁素体晶粒尺寸也越小，最后一 Fig.5 Microstructures of ZJ510L steel:(a)slab center:(b)steel plate surface 道次，奥氏体晶粒沿着轧制方向伸长，在奥氏体 晶粒内部产生变形带，致使组织具有高位错密 的第二相析出粒子在晶界和晶内析出；研究发 度、位错发团和亚晶结构. 现，析出相主要有AlO,MnS和AN以及大量的 在轧后CSP层流冷却段的强力冷却过程中， 碳化物：Al,O,和MnS粒子的平均尺寸约在30nm 不仅由于奥氏体晶界面积的增加，提高了铁素体 至150nm之间；AN粒子的平均尺寸约在几纳米 的形核密度，而且也在形变带上出现大量铁素体 至几十纳米之间.图6(a)为ZJ510L钢板中析出物 晶核，这就进一步促进了铁素体晶粒的细化， 全貌，(b)和(C)为一颗AIN粒子的形貌及其衍射图 33纳米级粒子的析出 样，通过标定衍射图样分析为AIN粒子.CSP工 利用薄晶体透射和萃取复型分析技术在透 艺中弥散沉淀相的析出，极大的影响着产品的综 射电子显微镜下对EAF-CSP技术生产的低碳高 合力学性能.纳米级粒子可以阻碍原奥氏体和再 强汽车板ZJ510L进行观察发现，大量细小弥散 结晶奥氏体的晶粒长大，细化奥氏体晶粒，并作

. 2 3 0 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 5 年 第 2 期 ( a ) 横梁 图 4 z 5J 10 L 钢 板 冲压 的成 品 件 F ig . 4 F i n i s h e d P or d u` t s o f ZJ 5 1 0L b y P u n e h : ( a ) e or s s b e am ( b ) 纵梁 ( b ) l o n g i t u d i n a l b e a m 艺等 一系 列手 段 , 使 珠钢 精炼 结 束时 的钢 水洁 净 度达 到一 个较 高 的水平 f6] . 研 究表 明 : ZJ S I OL 钢 板 中夹 杂 物数 量 较 少 , 尺 寸细 小 , 大 部分 夹 杂物 在 3 林111 以下 , 呈球 形 分散 分布 , 对钢 板 的不利 影 响 较 小 , 故其 塑 性较 高 . .3 2 晶 粒细 化 在 C s P 工 艺 中 , 薄 板坯 在 结 晶器 和 冷凝 器 内 的冷 却速 度远 大 于传 统工 艺下 的板 坯 , 减 少 了 粗 大 的枝 晶 , 所 以其 二次 、 三 次枝 晶间距 更短 , 从 而 得 到 形状 较 为规则 、 尺 寸 细 小均匀 的的原 始铸 态 组织 (见 图 5 ) , 这 为获 得产 品细 晶粒 组 织提 供 了 有 利 条件 . 研 究 表 明 , 晶粒细 化是 珠钢 低 碳高强度 汽 车 板 强度 高 的最 主要 的因 素 . 对 于 C SP 工 艺 , 由于 原始铸 坯 薄 、 拉速 快 、 冷却 速度 高 、 偏析 小 以及 奥 氏体 再 结 晶 , 使 下~ a 相 变前 奥 氏 体 晶粒 细 小 ; 轧 制 过程 中 由于 道次 压缩 比相 对较 大 , 前 五道 次 由 于 发 生奥 氏 体再 结 晶 , 通 过 形变一 再 结 晶使丫晶 粒 不 断细 化 , 由奥 氏 体 晶粒 形 成铁 素 体 时 , 铁 素 体 优 先 在 奥 氏体 晶界 上 形 核 , 奥 氏体 晶粒 越细 小 , 最 终得 到 的铁 素 体 晶粒 尺 寸也 越 小 , 最 后 一 道 次 , 奥 氏 体 晶粒 沿着 轧制 方 向伸 长 , 在 奥 氏体 晶粒 内部产 生变 形 带 , 致使 组织 具 有 高 位错 密 度 、 位错 发 团和 亚 晶 结构口 , . 在 轧后 C S P 层 流 冷却 段 的 强力 冷 却过 程 中 , 不仅 由于奥 氏体 晶界 面 积 的增加 , 提高 了铁素体 的形核 密度 , 而 且 也在 形变 带上 出现 大 量铁 素体 晶核 , 这 就 进一 步 促进 了铁 素体 晶粒 的细 化 . 3 .3 纳 米级 粒子 的析 出 利 用 薄 晶体 透射 和 萃 取 复 型 分 析 技术 在 透 射 电子 显微 镜下 对 E A F一C sP 技术 生产 的低 碳高 强 汽 车板 zJ S 10 L 进 行观 察 发现 , 大 量细 小弥散 图 5 Z J 5 1 0 L 钢 的显 微组 织 . a( )铸 坯 心部组 织 ; ( b )成 品板 板面 组织 F i.g 5 M i e or s t r u e t u er s o f Z J 5 1 0 L s t e e l : ( a ) s l a b e e n t e r : ( b ) s t e e l P l o t e s u l」铂c e 的第 二 相析 出粒 子 在 晶界 和 晶 内析 出 ; 研 究发 现 , 析 出相 主 要有 1A 2 O 3 , MnS 和 AI N 以及 大量 的 碳化物 ; A 1 2 O 。 和 M l i S 粒子 的平 均 尺 寸约 在 30 nm 至 150 nm 之 间 ; A NI 粒 子 的平 均尺 寸 约 在 几纳 米 至几 十 纳 米之 间 . 图 6( a) 为 Z 5J 10L 钢 板 中析 出物 全貌 , (b )和 c( ) 为一 颗 A NI 粒 子 的形 貌及 其 衍射 图 样 , 通过 标 定衍 射 图样 分析 为 A NI 粒 子 . C S P 工 艺 中弥 散沉 淀相 的析 出 , 极 大 的影 响着 产 品的综 合 力学性 能 . 纳 米 级粒子可 以阻碍 原 奥 氏体和 再 结 晶奥 氏 体 的晶粒 长大 , 细 化奥 氏体 晶粒 , 并 作

Vol.27 No.2 赵征志等：CSP工艺生产低碳高强度汽车板力学性能特征及强化机理 ·231 022 000 222 200 250 0135防g每0是1底9 图6ZJ510L钢板中析出物全貌和一个AN粒子形貌及衍射图样.(a)析出物全貌：b)AN粒子形貌：(c)AN粒子衍射图样 Fig.6 Morphology of precipitates (a),micrograph (b)and diffraction pattern (c)of AIN 为铁素体的非自发形核核心，细化铁素体晶粒， 参考文献 并起到强化作用，另外，CSP工艺具有独特的合 [1]Pleschiutsching FP,Flemming G,Henning W,et al.The latest 金元素高固溶行为，部分未析出的微量元素保持 developments in CSP-technology.In:1999 CSM Annual Meet- 固溶状态，起到固溶强化作用. ing.Beijing,1999.19 [2]康永林.现代汽车板的质量控制与成形性.冶金工业出版 杜，1999.115 4结论 [3时晓光，刘立群，王东明，等.鞍钢1780机组汽车大梁板 A420L,A510L的研制与开发.鞍铜技术，2001(5)：33 (I)珠钢CSP线生产的低碳高强度汽车梁用 [4们大屋邦雄，铃木秀人，西野创一郎，等.自动车用钢板)形 钢板ZJ510L化学成分合理，生产工艺稳定；产品 状冻结性予测之天于4：钢种上心加工度心依存 强度高，各向性能均匀，波动小，具有良好的焊接 ~统一评价”x广么吻提案.塑性上加工，2002,43：40 性能、疲劳性能和低温冲击韧性，冲压成形性能 [)]刘宗昌，王贵，李强，等.化学成分和组织对23 MnCrNiMo 钢冲击韧性的影响.特殊钢，2001,22(4)：10 优良. [6王中丙，柴毅忠，陈贵江，等.低碳高强度(HSLC)热轧薄板 (2)ZJ510L钢板组织细化的主要原因是形变 的生产与研究进展.钢铁，2002,37（增刊）：679 使奥氏体产生再结晶细化和非再结晶强化：细品 [刀康永林，于浩，王克鲁，等.CSP低碳钢薄板组织演变及强 化机理研究.钢铁，2003,38(8)：20 强化是珠钢ZJ510L钢板的主要强化方式；第二 相粒子对晶粒细化和强化也有一定贡献， Mechanical properties and strengthening mechanism of high-strength low-carbon automobile steel plates produced by CSP technology ZHAO Zhengzhi,KANG Yonglin,YU Hao,GU Hairong Materials Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The process,microstructure evolution,strengthening mechanism and microstructure characteristics of high-strength low-carbon automobile steel plates(ZJ510L steel)by EAF-CSP technology at Zhujiang Steel of China were studied by optical microscope,TEM and mechanical property tests.It is shown that the microstructure of ZJ510L is refined by increasing the rolling pass and the cooling rate.The size range of final ferrite is about 5-6 um.Precipitates consist mainly of AlO,,MnS,AIN and lots of carbonide particles,and their size range is about 20 -150 nm.It is verified that ZJ510L steel possesses a good combination of strength and plasticity due to its fine microstructure and has excellent formability and notched bar impact strength.Refinement strengthening is the pri- mary strengthening mode. KEY WORDS compact strip production;microstructure evolution;strengthening mechanism;mechanical prop- erty

V b l 一 2 7 N o 一 2 赵 征 志等 : C S P 工艺 生产 低碳 高 强度 汽车板 力学性 能特 征及 强化 机理 一 2 3 1 - 图 6 Z J 5 1 0 L 钢 板 中析 出物 全貌 和一 个 A 州 粒子 形貌 及 衍射 图样 . (a) 析 出物 全貌 ; 伪) IA N 粒 子 形貌 ; ( c) A NI 粒 子衍 射图 样 F ig . 6 M o rP h o l o gy o f P er e ip i t a t e s ( a ) , m i e r o g r a P h 伪) a n d d if f r a c t i o n P a t t e r n ( c ) o f A NI 为铁 素体 的 非 自发 形核 核 心 , 细化 铁 素体 晶粒 , 并 起 到强 化 作用 . 另 外 , C S P 工艺 具有 独 特 的合 金 元素 高 固溶行 为 , 部 分未 析 出 的微 量 元素 保持 固溶状 态 , 起 到 固溶 强 化 作用 . 考 文 献 f Z J 4 结论 ( l) 珠 钢 C SP 线生 产 的低 碳 高 强度 汽 车梁 用 钢板 ZJ 5 1 OL 化 学 成分 合 理 , 生 产 工 艺稳 定 ; 产 品 强度 高 , 各 向性能 均匀 , 波 动 小 , 具有 良好 的焊 接 性 能 、 疲劳性 能和 低 温冲 击 韧 性 , 冲 压 成形 性 能 优 良 . (2 ) z SJ 10 L 钢 板 组 织细 化 的主 要 原 因是 形 变 使 奥 氏 体产 生 再结 晶细 化和 非 再结 晶 强化 ; 细 晶 强 化是 珠 钢 Z J S 10 L 钢 板 的主要 强 化 方 式 ; 第 二 相 粒子 对 晶 粒细 化 和强 化 也有 一 定 贡献 . [3 ] [4 ] P l e s c h i ut s e h in g F P , F l e m m访 g G , H e n l l】g w , e t a l . T h e l ate st de v e l o Pm e in s i n C S P 一 t e e h n o l o 卧 I n : 1 99 9 C S M nA nu al M e e t - i n g , B e ij 迈g , 19 9 9 , 19 康 永林 . 现 代汽 车板 的质 量控 制与成 形性 . 冶金 工 业 出版 社 , 19 9 9 . 1 15 时晓光 , 刘立 群 , 王 东 明 , 等 . 鞍钢 1 7 80 机组 汽车 大梁板 4A 2 0L , A s l0 L 的研 制与 开发 . 鞍 钢技 术 , 2 0 01 (5) : 3 大屋 邦雄 , 铃木 秀人 , 西 野创 一 郎 , 等 . 自动车 用钢板 。 形 状 冻 结性 予测 少 久 于 八 : 钢 种 丈 止 了 加工 度 匕 依 存 。 参l[] 含 ` · 统一评 价 少 另 广 八 。 提案 . 塑性 己 加 工 , 20 2 , 43 : 40 「5] 刘 宗 昌 , 王贵 , 李 强 , 等 . 化 学成 分和 组织对 23 M I】C rN I M 。 钢冲 击韧性 的影 响 . 特殊 钢 , 2 0 01 , 2 2 (4) : 10 6[] 王 中丙 , 柴毅 忠 , 陈贵江 , 等 . 低 碳高 强度 (H S L )C 热轧 薄板 的生产 与研 究进 展 . 钢铁 , 2 0 02 , 3 7( 增 刊) : 6 79 7[] 康永林 , 于 浩 , 王克 鲁 , 等 . C SP 低碳 钢薄板 组织 演变 及强 化 机理 研究 . 钢 铁 , 2 0 0 3 , 3 8 ( 8) : 2 0 M e e h an i c a l Pr o P e rt i e s an d s tr e n g ht e n i n g m e c h an i s m o f h i g h 一 s tr e n g ht l o w 一 e ar b o n a u t o m o b il e s t e e l P l at e s P r o d u e e d b y C S P t e c hn o l o g y Z 月只O hZ e 儿 gz ih, K咬万 G oY n娜in, YU H改。 , G U H 晚i or ng M at e r i a l s S e i e n e e an d E n g in e e r in g S e h o o l , IlJ l i v e r s ity o f s e i e n e e a n d eT e hn o l o gy B e ij 毗 , B e ij in g 10 O0 8 3 , Ch in a A B S T R A C T hT e P r o c e s s , m i c or s trU c t t j r e e vo lut i o n , s etr n g ht e mn g m e e h翻 s m a n d m i c or s trU c ot r e e h ar c t er i s t i e s o f h ig h 一s etr n g th l o 仆 e a r l 〕 on aut o m o b i l e s t e e l P l at e s (z J 5 10 L s t e e l ) b y E A F 一 C S P t e e hn o l o gy at Z huj i a l l g S t e e l o f Chi n a w e r e s ut d i e d b y o itP e a l m i cr o s e o P e , T E M an d m e ch an i e a l P r op e yrt t e s t s . ft 1 5 s h o wn ht at ht e m i e or s trU e trIJ e o f Z J 5 l 0 L i s r e if n e d by in c r e a s in g ht e r o l 1in g P a s s an d ht e c o o li n g r at e . hT e s i z e r an g e o f if n a l fe r it e i s ab o ut 5 一 6 卿 . P r e e iPit at e s e o n s i s t m a in ly o f A 1 2 O 3 , M 们 S , A NI an d l o t s o f e abr o in d e P a r t i e l e s , an d ht e i r s i z e r an g e i s ab o ut 20 一 15 0 nm . ft 1 5 v e r iif e d ht at Z J 5 10 L s t e e l P o s s e s s e s a g o o d c o m b in at i o n o f s tr e n g t l 〕 an d P l a s ti e iyt du e t o i t s if n e m i e r o s t ur c ltrL e 皿d h a s e x e e ll e nt fo mr ab i liyt an d n o t c h e d b ar 11l l P a c t s t r e n g t l l . R e if n e m ent s etr n g t h e n ign 1 5 ht e P r i - m a yr s忱 n g ht e n i n g m o de . K E Y WO R D S c o n 1 Pac t s t r iP P r o du ict o n : m i e r o s t r u c utr e e v o lut i o n ; s tr e n g t h e in g m e c h ian s m ; m e e h anl c a l P r o P - e r yt