超深冲IF钢研究的最新进展.doc

超深冲IF钢研究的最新进展马衍伟王先进(北京科技大学)摘要本文介绍了IF钢的发展状况及国际上关于IF钢研究所取得的最新成果，主要包括：当前IF钢物理冶金学研究的热点，如探求深冲极限、废钢的回收利用以及二相粒子等；IF钢新品种开发的进展；IF钢生产应用中出现的新问题。关键词IF钢超深冲性再结晶织构析出物ADVANCES IN INTERSTITIAL FREE(IF) STEELSMA YanweiWANG Xianjin(University of Science and Technology Beijing)ABSTRACTThe development of intersitial-free steel for extra-deep drawing (IF steel) is reviewed and discussed with regard to the following topics: development of metallurgy of IF steel ; new products based on IF steel; new problems in IF steel application.KEY WORDSIF steel, extra-deep drawing, recrystallization texture, precipitate1前言近年来随着汽车工业的迅速发展和汽车市场的激烈竞争，对汽车板的深冲性、耐蚀性和高强度性能等要求越来越高，从而促使对强度高和深冲性能良好的表面处理钢板的需求量大幅度增加，同时IF钢的产量也逐年上升。1994年世界IF钢的年产量已超过1000万 t。以IF钢为基础发展起来的深冲热镀锌IF钢板、深冲高强度IF钢板、深冲高强度烘烤硬化(BH)IF钢板等系列，已形成了第三代汽车冲压用钢。IF钢的生产已经成为一个国家汽车用钢板的标志。降低生产成本并开发物美价廉的品种是目前IF钢研究和生产的趋势。2有关IF钢的物理冶金学不断深化2.1化学成分由于碳、氮含量决定了最终产品的性能和添加钛、铌量的多少，故不断降低碳、氮含量是钢铁厂家追求的目标之一。近几年，随着炼钢生产技术的进步，如提高RH真空脱气技术、耐材改质技术、连铸中防止增碳技术、转炉底吹Ar和CO2、促进除氮及防止吸氮技术、气泡和夹杂物消除控制技术等，经济而稳定地大批量生产IF钢已经成为现实。日本炼钢厂碳精炼极限随时间推移的情况见图11，1983年预测的下限碳含量能够很快得以实现，归因于精炼和真空脱气技术的迅速发展。目前完全可以生产C0.002 %的超低碳钢，因而在此情况下利用微合金化技术来控制晶粒尺寸是目前IF钢研究的重要课题之一。图 1碳含量随时间的变化关系1Fig.1The periodic change in the lower limit of carbon in steelmaking1秋末治报道了生产Super EDDQ Ti+Nb复合处理钢板的一种新方法2。他们对铌、钛进行了最佳优化组合，发现当加钛量为0.01 %、加铌量为0.005 %时，可以获得值2.5、伸长率为52 %的具有超深冲性能的钢板。在这种钢板中，钛的0.01 %的加入量是这样分配的：其中0.006 %Ti用来固定0.0015 %N；加入约0.005 %Nb控制织构，固定后形成NbC的碳约为0.001 %，这0.001 %C以外的其余部分由约0.004 %Ti来固定。这主要是考虑到，若热轧过程中NbC析出量太大，退火后的晶粒就很细，从而导致伸长率下降。另外Ti+Nb-IF钢中少量的铌(0.005 %)，可使IF钢在没有降低伸长率的前提下改善值，特别是r45值。而在Ti-IF钢中，尽管钛含量增加，但在热轧中也不能形成显著的细晶粒，因而产品的r45值并不高。研究表明3，在Ti-IF钢中，虽然增加过剩钛可改善或使Ti-IF钢的性能保持不变，然而随着过剩钛的增加，钢板的再结晶温度会升高。过剩钛从0.01 %增加到0.04 %，使再结晶温度升高了近25 ，达745 。Ti+Nb-IF钢也有类似现象。因此对于Ti-IF钢，过剩钛一般以0.02 %0.04 %为宜。Ti+Nb-IF钢的过剩铌(固定碳以后的量)宜小于0.02 %。因此，微合金化的原则是在固定热轧钢板中固溶碳、氮的前提下，尽量使最终产品的晶粒尺寸最大，使伸长率与值之间达到最佳平衡。另一方面，有关杂质元素对IF钢性能影响的研究工作也在不断进行。对于Ti-IF钢，当在给定终轧温度或固溶钛含量的情况下，随着磷的增加钢板的再结晶温度也增加，这是由于磷对晶界的固溶拖拽作用所致。而氮、碳对再结晶特性无任何影响。另外氮、硫损害值，而磷对值的增加有利4。在Ti-IF钢中降硫可以增加固溶碳量，减小晶粒长大阻力，提高伸长率。Hamart O5等报道了在IF钢板中锰和磷对析出物TiFeP的影响，而TiFeP又强烈影响退火钢板的最终性能。Yoon J B5 等认为随着硫含量的增加，Ti-IF钢的抗鳞斑特性和搪瓷粘附性都有明显提高。Chang S K5 等探讨了锆对再结晶和织构的作用，发现Zr/C原子比大于1时，锆促进了111110111112织构的发展。2.2二相粒子早期的研究一般认为二相粒子为以下几种：AlN、TiN、TiS、TiC、Nb(C，N)，而最近研究表明3，7，Ti4C2S2是另一种较重要的析出物，它在退火钢板中对控制固溶碳含量起着重要作用。当然二相粒子的大小、分布及量的多少会受到冷轧工艺和退火工艺的影响，但是热轧工艺过程中形成的第二相粒子是基础和主要的。关于这些析出相的行为及其对性能的影响是目前IF钢基础研究的热点之一。IF钢热轧板材中第二相粒子的组成情况，见表13。析出物的大小随Ti、Ti+Nb、Nb-IF钢依次减小，其密度却呈上升趋势。在Ti+Nb-IF和Ti-IF钢中以粗大TiN为主，Nb-IF钢的析出物均匀细小，密度较高。研究还表明1，Ti-IF钢中的析出物比Nb-IF钢具有较低的固溶度，这就导致了Ti-IF钢二相粒子的析出温度比Nb-IF钢更高，且尺寸更为粗大。表 1热轧板中二相粒子的组成情况Table 1Summary of STEM analysis of IF hot band钢种合金元素二相粒子TiTi,STiNTiSTi4S2C2Ti(C,N)Ti+NbTi,Nb,STi(C,N)TiNTiSTi-Nb-SNbTi,NbTiNNb(C,N)对于Ti-IF钢，二相粒子的析出规律为TiNTiSTi4C2S2MnSTiC3。除TiC外，其它二相粒子均为高温析出相。TiN的析出温度最高，在液态已经出现；随着温度降低，约1360 左右，硫化物开始出现；当1260 时，TiS的量达到最大值，同时Ti4C2S2开始析出，这说明从1260 开始，TiS开始向Ti4C2S2转变；当温度低于1050 时，以Ti4C2S2为主，在1050 以上，硫化物以MnS和TiS为主7。TiC析出是在区进行。低的板坯加热温度促使析出物由TiS+细小的TiC向Ti4C2S2转化，而且Ti4C2S2是在区形成，尺寸一般为0.10.2 m，大于在区形成的TiC(0.010.03 m)。因此，降低板坯加热温度可以有效抑制细小第二相TiC的产生2，8。众多研究表明，二相粒子的大小和分布对再结晶和织构的发展有重要的影响。具有粗大析出物的IF钢不仅具有强烈的111织构和很高的值，而且还表现出较高的晶界移动特性。阻碍111再结晶织构发展的主要机制是细小弥散分布的第二相粒子对晶界迁移的钉扎作用。细小密集的析出物并不损害111取向上晶粒的回复和形核3。但是分布在晶界上的这些粒子所产生的钉扎力会阻碍晶粒的长大。钉扎力与二相粒子的数量成正比，与平均尺寸成反比。如果111方向上的晶粒生长受到抑制，那么其它方向特别是100方向的晶粒就会迅速长大，从而导致值下降。显而易见，二相粒子的分布越粗大稀疏，那么晶界上的钉扎力也就越小，这样就相应促进了111再结晶织构的发展。由于退火再结晶过程中固溶元素的固溶拖拽作用或大角度边界上的粒子钉扎作用3，使得IF钢发生再结晶需较高的加热温度，需要说明的是二相粒子的大小、分布直接决定着钉扎力和拖拽力的大小。对于Nb-IF钢，由于其析出物比Ti-IF钢更均匀细小，那么Nb-IF钢晶界上的粒子钉扎作用和拖拽力要远大于Ti-IF钢，从而导致Nb-IF钢的再结晶温度较高。总之，IF钢中再结晶的推迟作用起因于大角度边界上第二相粒子产生的阻碍力，而这种机制对再结晶晶粒的长大具有重要作用。2.3再结晶织构研究的进展关于初始再结晶织构的形成机制，Urabe和Jonas3提出了沿110轴方向的定向生长机制，认为110取向转变可以下列几种形式出现：9、11、19a、27a、33a、33c，其中a、c指与110轴间的旋转取向。但Lindh和 Hutchinson B3认为定向形核起主要作用。经对比分析后，Peter Gangli3认为两种模型存在事实上的互补性，它们依次在起作用。定向形核一般出现在110N.D纤维上，这是由于这些晶粒中往往具有极高的储存能；而定向生长模型与沿110方向的转动有关。文献3认为：在再结晶初期(0 %66 %)，新生成的再结晶织构为织构，与此同时形变组织中的组分才被消耗，这说明IF钢中111再结晶织构是从形变的111晶粒中形成与发展的；在再结晶后期(66 %100 %)，形变织构中组分才开始消失，与此同时，再结晶织构中取向略有加强并生成一些其它取向。据此可推测，如果将冷轧织构调整成强的织构及弱的织构，那么可望退火后获得更高的值。2.4工艺过程的优化为了提高钢板的深冲性能，众多研究者对工艺的优化进行了不懈的努力。表2是新日铁公司的工艺优化过程7。首先热轧时必须保证晶粒细化，一般采取的具体措施是终轧温度刚好略高于Ar3和终轧后立即快速冷却。当热轧满足这两个条件时，晶粒尺寸约为20 m，而常规热轧后的晶粒尺寸则为40 m左右。故使最终产品的值提高0.2 左右1。其次通过降低板坯加热温度来获得粗大稀疏的二相粒子。最后退火再结晶过程应尽量提高晶粒长大的驱动力，故高温退火是必要的。2.5探求极限深冲特性一般将深冲钢板分为CQ、DQ、DDQ、EDDQ四个级别，目前工业生产的IF钢(EDDQ)的值通常在22.5之间。随着汽车制造业对开发更高深冲性能钢板的需求，目前正在开发所谓的超深冲加工用钢(Super-EDDQ)，其值一般2.5。图2给出了各个深冲级别的性能范围2。开发Super-EDDQ级IF钢的途径有两条：优化工艺及成分；新的工艺途径。新日铁采用了优化工艺及成分途径，其所用措施见表2，性能见表3。北京科技大学在实验室采用了新的工艺途径，其思想是在冷轧前作好织构准备，先获得强的织构和弱的织构，通过111织构的遗传性，在最终产品中获得极强的111织构和极高的值9。由于冷轧钢板的深冲性能随钢的高纯度化而提 表 2新日铁公司生产Super-EDDQ级钢板的工艺Table 2Basic metallurgical principles for producing super formable steel sheet in Nippon Steel Corp.炼钢热轧冷轧连续退火1.高纯度：C0.002 %，N0.002 %2.合适的钛添加量1.低温板坯加热温度2.轧制温度略高于Ar33.终轧后快速冷却高的压下率高的退火温度高，能否生产出值在3.0以上、伸长率60 %以上、比Super-EDDQ更高级别的钢板，现已成为不少研究者追求的目标。 表 3新日铁公司生产的Super-EDDQ级钢板的性能Table 3Tensile properties of steel sheets板厚/mmYS/MPaTS/MPaEl/%rn0.811627353.82.630.2781.212127156.82.630.2721.612628057.22.580.273图 2冷轧钢板等级与力学性能2Fig.2Schematic illustration of tensile properties of various grades sheet steels2CQ商用；DQ冲压加工用；DDQ深冲加工用；EDDQ高深冲加工用；Super-EDDQ超深冲加工用2.6二次加工脆性的研究由于IF钢的晶界上没有固溶的碳和氮，因而晶界强度低，极易发生断裂，尤其在初始冷加工时这种趋势更强烈。考虑到第二次变形工艺，韧脆性转变温度以低于-40 为好。而且在IF钢中随着合金元素的增加，钢板的冷加工脆性温度升高。另外由于铌的固溶度比TiC的大，因而Nb-IF钢在阻止冷加工脆性方面比Ti-IF钢有更好的抵抗能力。硼的少量加入，可以使其在晶界处快速偏析而起强化作用5，还可抑制磷在晶界处的偏析。退火方式对冷加工脆性也有很大影响。连续退火的产品，其脆性转变温度达-100 ，而钢板经罩式退火处理后的脆性转变温度仅-25 3，因此对于罩式退火，必须采取措施提高加工脆性的抵抗力。研究表明3，5，卷取温度对脆性转变温度也有影响。在500650 之间卷取时脆性转变温度不变，700 卷取时脆性转变温度升高。而且高温卷取(600700 )组织主要沿晶界断裂，而低温卷取呈解理断理，主要是因为第二相的析出减少了固溶碳量，促使磷在晶界偏析，脆化了晶界。2.7废钢的回收利用研究最新研究动向之一是使用回收的废钢生产深冲用钢板的研究10。文献10报道了Cu、Ni、Cr、Sn等混入元素，当其存在量增加时，钢板伸长率及值均变差，而不同种类元素的影响也有很大差别。今后若想不断增大利用废钢生产深冲钢板的比重，就需要更详细、深入地研究混入元素对组织、性能的影响。3超低碳钢系列的发展80年代以来，世界汽车工业朝着减重、节能、防腐、防噪音的方向发展，其中以减重和节能为目标的高强度板、以防腐为目标的各种新型镀锌板、以防噪音为目标的减振复合板、以使轿车外观更为漂亮的镜面板等都是研制的热点，特别是一些具有综合性能的汽车板如超深冲高强板、超低碳高强度BH板等的开发更为引人瞩目。总之，超低碳钢系列是在IF钢基础上发展起来的，它大大拓宽了IF钢的应用范围，形成了第三代汽车冲压用钢板。目前国外开发的IF钢品种如下：冷轧超深冲IF钢板；超深冲高强IF钢板；超低碳BH钢板；涂镀层钢板；超低碳热轧深冲钢板；超低碳热轧拉延板；IF铁素体不锈钢；超深冲搪瓷IF钢；铜基高强IF钢板。4超低碳钢生产应用中的新问题(1) 冷加工脆性该问题及防范措施见2.6节。(2) 粉化问题指在冲压过程中镀层破损、粉碎或在模具上粘结。粉化性取决于原始Zn-Fe边界上相及1相的厚度。(3) 焊接性能IF钢在焊接部位有较大的热影响区，以致造成疲劳性能低。与软钢相比，高强度热镀锌板由于高强度和有镀锌层而使焊接性变差。(4) 平整表面形貌转移能力由于IF钢的强度低，小的平整量往往因轧制力小而得不到希望的粗糙度。参考文献1Takechi H. Metallurgical Aspects on Industrial Free Sheet Steel From Industrial Viewpoint. ISIJ Int.，1994, 34(1): 18.2秋末治.深冲用冷轧钢板的开发与展望.日本金属学会报，1994，33(1)：5559.3The Iron and Steel Institute of Japan. International Forum for Physical Metallurgy of IF Steels. Tokyo,1994,May： 1011.4Yoda R, Tsukatani I, Inoue T, et al. Effect of Chemical Composition on Recrystallization Behavior and r Value in Ti-added Ultra Low Carbon Sheet Steel.ISIJ Int., 1994, 34(1):70 76.5The Mechanical Working and Steel Processing Division of Iron and Steel Society(USA). 38th MWSP Conf. Proc.