1、宝钢冷轧马氏体钢板的研发现状和应用 朱晓东 薛鹏 李伟 宝山钢铁股份有限公司研究院 汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室(宝钢) 摘 要： 冷轧马氏体钢板属于超高强度的先进高强钢, 有利于实现汽车结构件的减重。冷轧马氏体钢板按照抗拉强度分级, 从最低 980 MPa 到最高 1 700 MPa 级别, 通常用于汽车保险杠、车门防撞杆、门槛加强件等截面零件的制造, 通常的成形方式为辊压。宝钢冷轧马氏体钢的研发开始于 2006 年, 并在 2009 年开始商业化供货部分级别的产品。到 2015 年, 宝钢已经商业化供货了 9801 400 MPa级的冷轧马氏体钢板, 1 500 MPa 级马氏体钢
2、商业可供, 并且工业试制成功了 1 700 MPa 冷轧马氏体钢板。依据宝钢冷轧马氏体钢板的产品和技术现状, 对马氏体钢板产品的技术特点和应用进行了探讨, 以期对马氏体钢板的研究和应用提供一些参考。关键词： 冷轧; 马氏体钢板; 汽车用钢; 作者简介：朱晓东 教授级高工 1966 年生 1998 年毕业于北京科技大学现从事汽车用钢研究 电话 26645604 E-收稿日期：2017-04-07Status of the development and application of Baosteels cold rolled martensitic steel sheetsZHU Xiaodon
3、g XUE Peng LI Wei Research Institute, Baoshan Iron Abstract： Cold rolled martensitic steel sheets have been increasingly applied to facilitate the required light weighting of car-bodys structural parts, because of their unique attribute of ultra high strength. The grades of cold rolled martensitic s
4、teel sheets range from 980 MPa to maximum 1 700 MPa, and the main application includes the making of various fixed-cross-section components like bumper beams, door beams and door sills. Baosteel started development of cold rolled martensitic steels in 2006 and commercialized some grades in 2009. By
5、2015, Baosteel has commercialized 980-1 400 MPa grades cold rolled martensitic steel sheets, and 1 500 MPa as well as 1 700 MPa has also been industrially produced. The current status of the products and applications of cold rolled martensitic steels are summarized and analysed to confer some refere
6、nces to assist the research and correct application of these martensitic steel sheets.Keyword： cold rolled; martensitic steel sheet; steel for car-making; Received： 2017-04-071 概述2005 年以后, 中国市场汽车用钢受车身减重要求驱动, 先进高强钢的应用越来越多, 从 2010 年开始, 冷轧马氏体钢板也逐步得到应用。和其他类型的先进高强钢相比, 马氏体钢板强度更高, 减重潜力更大, 在一些特定的应用领域获得了成功,
7、如汽车前后保险杠、门槛加强件等这些等截面的汽车零部件, 加工方式则多为辊压。冷轧马氏体钢板按照抗拉强度分级, 有 980、1 180、1 300、1 400、1 500 和 1 700 MPa 等, 除 980 和 1180 MPa 级之外, 其他的强度级别均为别的先进高强钢难以达到的强度。冷轧马氏体钢板依靠快速淬火获得马氏体组织和高强度, 因此, 合金元素含量不高, 主要成分通常以 C-Si-Mn 为基础, 再添加少量的微合金元素以细化晶粒改善性能。所以, 虽然马氏体钢板最终强度高, 但淬火前的硬度并不高, 热轧和冷轧的变形抗力并不大, 轧制难度低于同强度级别的其他先进高强钢。冷轧马氏体钢板
8、通常采用具备水淬功能的连续退火机组生产, 水淬最大冷却速度可达 1 000 K/s 以上1。冷轧马氏体钢的主要组织是马氏体, 马氏体的含量和强度级别有关。当抗拉强度较低时, 如 980 或 1 180 MPa 的马氏体钢, 组织中含有一定量的铁素体, 其中 980 MPa 的马氏体钢有时也被称为水淬的 980DP 或 1 000DP。当抗拉强度达到 1 300 MPa 以上时, 马氏体钢的组织基本上全部由马氏体组成。从应用角度看, 马氏体钢板的基本成形方式是冷弯, 冷弯角度一般均不超过90。马氏体钢的成形性可以用最小不开裂的弯角半径衡量。延迟开裂是马氏体钢应用的另外一项重要指标, 是指超高强钢
9、在应力和腐蚀性介质的作用下, 逐步发生裂纹萌生和扩展的过程。钢的强度越高, 其延迟开裂的倾向越明显。延迟开裂的风险可能使高强钢零件在服役过程中悄然发生失效, 给应用带来风险。宝钢冷轧马氏体钢板的研发始于 2006 年, 2009 年工业试制成功多个级别的冷轧马氏体钢板。经过多年的研究、生产和应用, 宝钢的冷轧马氏体钢板已经广泛用于汽车结构件和安全件的制造。本文将以宝钢冷轧马氏体钢板的生产应用实践为基础, 从组织、性能和延迟开裂等方面说明马氏体钢的产品特点和应用中需注意的问题, 以期对超高强度马氏体钢板的研究和应用提供一些参考。2 宝钢冷轧马氏体钢的工艺和产品现状2.1 宝钢冷轧马氏体钢的工艺特
10、点宝钢冷轧马氏体钢通过有水淬功能的连续退火机组生产, 采用的工艺属于典型的“淬火回火 (QT) ”型工艺, 重要的工艺过程包括均热 (奥氏体化) 、缓冷、水淬和回火等。在均热过程中, 组织完全转变为奥氏体;水淬则保证奥氏体能够转变为马氏体;回火阶段则用于改善马氏体的硬度和成形性。水淬的优势是冷速高, 利用水淬可以最大限度节约合金元素。水淬过程中如果形成蒸汽膜, 会造成冷速降低。图 1 为水温对钢板水淬瞬时冷却速度曲线的影响。可以看到, 当水温低于 36时, 冷却速度曲线的形状呈单峰状, 表明没有明显的蒸汽膜形成;当水温提高到 50时, 冷速降低, 冷却速度曲线的形状也发生了变化, 冷却速度有两
11、个瞬时高点, 两个高点之间出现了一个冷速低点, 表明有明显的蒸汽膜形成。蒸汽膜形成的判断依据参考文献2-4的研究结果。可见, 水温控制对于淬火冷却速度的保证是非常重要的。图 1 不同水温下冷轧马氏体钢板 (1.2 mm) 的瞬时冷却速度 Fig.1 Simultaneous water cooling rates of the cold rolled martensitic steel sheet (1.2 mm) at different water temperatures 下载原图水淬过程中入水温度也非常重要。图 2 是水淬入水温度对 C-Si-Mn 成分的钢板性能的影响。可以看到, 随
12、着入水温度的提高, 钢的强度呈现单调上升的趋势。图 3 中的组织, 也反映出同样的趋势, 即入水温度越高, 马氏体含量越高。可见, 入水温度一方面对强度的影响很大, 需要精确控制;另一方面, 也可以作为调节淬火钢板强度的一个工艺手段。此外, 回火也对马氏体钢的强度起到一定的影响, 如图 4 所示。2.2 宝钢冷轧马氏体钢的基本特点和成形表 1 是宝钢冷轧马氏体钢产品系列和典型性能, 各级别中除了 1 700 MPa 级外, 均可以商业供货。980 和 1 180 MPa 级是较低级别的马氏体钢板, 其组织中含有一定量的铁素体。这两个级别的冷轧马氏体钢的性能和宝钢高屈服的冷轧双相钢的性能相近,
13、可以相互代用。1 300 MPa 级的马氏体钢是中等强度级别的冷轧马氏体钢, 当其实际强度偏下限时, 组织中也会含有一定量的铁素体相, 但当强度偏上限时, 组织中就基本不含铁素体了。1 400 MPa 及其以上级别的冷轧马氏体钢属于高强度级别的冷轧马氏体钢, 组织中基本不含铁素体。图 5是不同级别冷轧马氏体钢板的典型组织。图 2 水淬入水温度对冷轧马氏体钢板的强度的影响 Fig.2 Effect of water quenching temperature on the strength of cold rolled martensitic steel sheet 下载原图图 3 水淬入水温度
14、对冷轧马氏体钢板组织的影响 Fig.3 Effect of water quenching temperature on the microstructure of cold rolled martensitic steel sheet 下载原图图 4 过时效温度对冷轧马氏体钢板强度的影响 Fig.4 Effect of over-aging temperature on the strength of cold rolled martensitic steel sheet 下载原图冷轧马氏体钢板是通过水淬冷却的, 超快速冷却再加上马氏体的快速形成, 不可避免地会造成钢板内部较大的残余应力。最
15、终马氏体钢板的板形会有别于其他钢板, 钢板表面会有许多波长较小的浪型凸起, 称为硬化瓢曲 (图 6) , 这种现象随钢板厚度变薄而加剧。硬化瓢曲是冷轧马氏体钢板特有的板形特征, 无法从根本上消除。这种硬化瓢曲一般不影响实际辊压成形零件的外观, 如图7 所示。对于板形和外观要求极高的应用, 最好不要选用冷轧马氏体钢板。通常钢厂推荐马氏体钢板的 90内弯角半径为 4 倍板厚, 依据此弯曲规范设计和加工零件能够保证所有级别的冷轧马氏体钢顺利应用。事实上, 不同强度级别的冷轧马氏体钢板的弯曲变形能力有所不同, 低强度级别的马氏体钢弯曲性能更好, 具备较小弯角半径下的变形能力, 如表 2 所示。需要着重
16、说明的是, 马氏体钢在实际应用中, 除了成形, 还需要留有进一步变形的余地和考虑延迟开裂的可能。因此, 从安全角度, 实际的弯角半径必须要大于马氏体钢板的最小不开裂弯角半径, 并且越大越好。表 3 中推荐的马氏体钢 90弯曲的内弯角半径是宝钢对马氏体多年研究和应用得到的结果, 强烈建议按照推荐的弯角半径进行成形。反而言之, 如果设计的弯角半径低于推荐的弯角半径, 则存在一定的应用风险。表 1 宝钢冷轧马氏体钢板的典型性能和性能相近的双相钢 Table 1 Typical mechanical properties of Baosteels martensitic steel sheets an
17、d comparable dual phase steel grades 下载原表 图 5 商业生产的冷轧马氏体钢板的组织 Fig.5 Microstructures of commercially produced martensitic steel sheets 下载原图图 6 商业生产的冷轧马氏体钢板的硬化瓢曲 (1 300 MPa, 1.2 mm) Fig.6 Surface buckle of commercially produced martensitic steel sheet (1 300 MPa, 1.2 mm) 下载原图图 7 冷轧马氏体钢板辊压制成的零件外观 Fig.7
18、 Car components fabricated with cold rolled martensitic steel sheets 下载原图2.3 冷轧马氏体钢应用中延迟开裂的控制冷轧马氏体钢板的应用中, 延迟开裂的控制是应用的关键。延迟开裂取决于两大关键要素, 即残余应力和氢的入侵。图 8 是测试延迟开裂的试验过程的示意图5。可以看出, 弯曲变形和螺栓固定的目的是制造残余应力, 盐酸浸泡的目的是为了加速氢的入侵。关于应力和氢的影响可以参考图 9 的研究结果, 可以看到, 内应力大和氢含量高都是不利的因素6。表 2 宝钢冷轧马氏体钢板的 90弯曲性能和推荐使用的弯曲 r 角半径 Tabl
19、e 2 Right-angle bending property of Baosteels martensitic steel sheets and recommended applicable inner bending radius 下载原表 图 8 钢板延迟开裂研究的试验过程 Fig.8 Experimental procedures for testing delayed fracture resistance of steel sheets 下载原图图 9 延迟开裂门槛应力和氢含量的关系 Fig.9 Correlation between criticalfracture stres
20、s and concentration of hydrogen 下载原图在实际应用中, 为了避免零件发生延迟开裂, 必须关注零件的内部残余应力和腐蚀性介质侵蚀两个方面。必须强调的是, 马氏体钢板制成的零件不能进行酸洗。图 10 的研究结果表明, 酸液浸泡造成氢在钢板内的加速聚集, 工业酸洗用的陈旧酸液中含有大量的 Fe Cl2, 造成的氢聚集速度和程度惊人, 极易导致零件的延迟开裂。在强酸的作用下, 延迟开裂极易发生在应力集中的变形区域, 造成零件开裂, 如图 11 所示。图 1 0 不同的酸液对马氏体钢氢聚集的影响 (试验材料:980 MPa 马氏体钢) Fig.10 Effect of a
21、cid solution content on the concentration of hydrogen (tested with 980 MPa martensitic steel sheet) 下载原图使用马氏体钢板制造零件, 还要控制零件成形后的残余应力大小。图 12 为一个简单实用的监测零件残余应力的方法, 切断零件局部后, 使应力释放。如果钢板的回弹很小, 则表明零件加工过程中很好地控制了残余应力。除了零件制造过程的残余应力外, 应力还来源于零件服役过程。如果零件长期受到大的外加载荷, 导致内应力上升过高, 同样会加大延迟开裂发生的可能。由此可见, 马氏体钢板最好不要用于服役过程中
22、承受载荷较大的零件。马氏体钢板制造的零部件, 必须进行零件的延迟开裂评估, 在规定的酸液中浸泡规定的时间不开裂, 才算达到了延迟开裂评估标准的要求。图 1 1 7%盐酸酸液浸泡后延迟开裂发生在残余应力高的变形区 Fig.11 Delayed fracture observed at heavily deformed zone after immersion in 7%HCl 下载原图图 1 2 应力释放监测零件残余应力的方法 Fig.12 Residual stress monitored by local stress relief 下载原图2.4 冷轧马氏体钢应用中常见焊接缺陷及其控制用马
23、氏体钢制造闭口零件, 焊接是必不可少的工序。焊接相当于对马氏体钢板进行了一次局部热处理, 对局部的组织和性能影响很大, 甚至会影响到零件整体的性能。电阻点焊是冷轧马氏体钢板辊压成形时通常采用的焊接方式, 工艺过程为:上下两个焊轮压住焊缝两侧的钢板, 焊轮随着零件的运动而同步滚动, 每隔一定的时间或间距, 释放一个电脉冲, 完成对零件的焊接。电阻点焊过程熔核区附近材料经历了高温甚至熔化和随后的冷却, 对焊点周围的组织和性能影响很大。从图 13 可以看到, 焊后空冷, 焊后软化区很宽, 软化区硬度很低。这种过宽的软化区极易导致局部的应变集中, 从而导致零件的局部开裂, 如图 14 (a) 所示。解
24、决的办法是焊后立即水冷, 这样软化区宽度大大减小, 硬度也有所提高, 见图 13。在同样变形条件下, 避免了局部的开裂, 图 14 (b) 。图 1 3 焊后冷却方式对熔核区附近显微硬度的影响 Fig.13 Effect of post-weld cooling on the micro-hardness of the nugget and adjacent zones 下载原图图 1 4 焊后冷却方式不同导致的保险杠弯圆结果的不同 Fig.14 Different results under different post-weld cooling conditions after bumpe
25、r sweeping 下载原图高频感应焊是另外一种常用的焊接方式, 通常用于方管和圆管的焊接。高频感应焊接时, 熔化的金属从焊缝挤出形成焊瘤, 钢板在高温下受外力作用对焊在一起。图 15 所示是高频感应焊最常见的缺陷, 即焊接接头的钢板未完全焊合, 存在一个明显的开口裂缝。这个裂缝极易成为后续开裂的裂纹源, 因此采用高频感应焊接, 必须关注此类焊接问题, 以免在应用中留下安全隐患。此外, 在高频感应焊时, 还应关注焊缝处的过热和过烧的可能。图 16 是 1 700 MPa 级马氏体钢高频感应焊的焊缝组织, 可以看到沿焊缝中心线组织粗大无序, 类似魏氏铁素体组织。对焊缝进行杯突试验, 裂纹完全沿
26、焊缝扩展, 断口观察可以看到典型的过烧型的断口, 如图 17 所示。图 1 5 高频感应焊接接头和焊缝附近的开口裂缝 Fig.15 High frequency induction welding joint and the open crack at the joint 下载原图图 1 6 高频感应焊接焊缝附近的粗大组织 Fig.16 Coarse Widmanstatten-like microstructure at the induction welding seam 下载原图3 结论(1) 宝钢经过多年的研发、生产和应用实践, 已经实现了 980、1 180、1 300和 1 400
27、 MPa 级冷轧马氏体钢板的商业供货;1 500 MPa 级的商业可供, 工业试制成功 1 700 MPa 冷轧马氏体钢。(2) 宝钢冷轧马氏体钢板通过水淬生产, 水温、入水温度和过时效温度都是影响和调节马氏体钢性能的重要因素或工艺手段。(3) 冷轧马氏体钢板的主要成形是弯曲变形, 零件的设计弯角半径除保证成形外, 还要留下进一步变形的余地和考虑延迟开裂的可能。因此, 强烈建议按照宝钢推荐的弯角半径对马氏体钢板进行弯曲变形。图 1 7 高频感应焊缝断口形貌 Fig.17 Fracture surface morphology of the induction welding seam 下载原图
28、(4) 延迟开裂与残余应力和氢聚集两个因素有关, 因此, 冷轧马氏体钢板制成的零件不能进行酸洗, 并且成形过程中要注意零件残余应力的控制。并且需要按照标准评估其延迟开裂特性, 合格后方能批量应用。(5) 冷轧马氏体钢的焊接相当于对马氏体钢重新进行了一次局部热处理, 因此, 焊接热输入量和焊后冷却都必须适当控制, 焊后局部组织过硬、过软、过脆都对零件性能不利。高频焊焊接接头结合不良造成的开口裂缝对零件的功能危害很大, 需要设法避免并提高监测频度。参考文献1Nakaoka K, Araki K, Kubotera H.Development of water quenching technique
29、 for cold rolled steel stripJ.Tetsu-toHagane, 1976 (6) :30-39. 2周澍, 陈乃录, 张伟民, 等.水在不同温度和流速下冷却能力的测量J.金属热处理, 2008, 33 (6) :69-72. 3夏立芳.金属热处理工艺学M.5 版.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2012:34-40. 4潘健生, 胡明娟.热处理工艺学M.北京:高等教育出版社, 2009:83-110. 5SATO M, UTSUMI Y, WATANABE K.Ultra-high-strength, quench-type, hot-rolled steel sheets of 1620MPa grade for automobile door impact beamsJ.KOBELCO TECHNOLOGY REVIEW, 2008, 28:13-17. 6Mohrbacher H.Delayed cracking in ultra-high strength automotive steels:damage mechanisms and remedies by microstructural engineeringJ.Materials Science and Technology, 2008, 24:1744-1755.
