对IF钢组织性能影响因素的分析

对对 IF 钢组织性能影响因素的分析钢组织性能影响因素的分析 IF钢 Interstitial Free Steel 又叫无间隙原子钢 是继沸腾钢与铝镇静钢之后 自动化工业广泛应用的又一代深冲用钢 IF钢的特点是含碳量很低 加入Ti和 Nb之后 形成Ti和Nb的C N化合物 由于钢中无间隙原子 而使其具有优异 的深冲性能 高塑性应变比 高延伸率 高硬化指数以及较低的屈强比 并具 有优异的非时效性 因此被誉为第三代超深重用钢而广泛应用于汽车制造等行 业 1 IF钢按添加的微合金元素不同 通常分为Ti IF钢 Nb IF钢和 Nb Ti 一IF钢 影响IF钢组织性能的因素有很多 总结起来有两大类 一是材质本身 的因素 包括所含化学成分的影响 二是加工工艺的影响 下面分别就两方面 的影响因素予以具体阐述 首先 介绍一下IF钢的成型性及其评价 一 IF钢的成型性及其评价 汽车用钢板几乎全部经过冲压成型 所以成型性的好坏是材料面临的首要 问题 所谓成型性是指钢板在承受变形过程中抵抗失效的能力 它除了与材料 本身特性有关外还与变形条件有关 评价钢板成型性能的指标有两大类 即基 本成型性能指标和模拟成型性能指标 前者是对材料本身性能的反映 取决于 材料生产过程中的冶金因素 后者是对材料在某种变形条件下成型性能的反映 与具体的变形工艺有关 与上述两大类成型性能指标相对应的实验方法中 应 用最广泛的的成型性能实验是单向拉伸实验 而Swift冲杯实验 扩孔实验 极 限拱高实验都是模拟成型性能实验 单向拉伸实验获得两个主要的基本成型指标 加工硬化指数 n值 和塑性应 变比 r值 同时还可获得屈服强度 Ys 拉伸强度 Ts 和延伸率等 加工硬化指数 n值 是钢板在塑性变形过程中形变强化能力的一种量度 是 评价板材在拉胀时成形性能的指标 钢板在成形过程中 变形大的部位首先硬 化 n值越高 硬化程度越强 变形越困难 促使变形小的部位的金属向变形大 的部位流动 使整体钢板变形区域均匀 从而提高了钢板的成形性能 r值是将金属薄板单轴拉伸到产生均匀塑性变形时 试样标距内宽度方向的 真应变与厚度方向的真实应变之比 其大小标志了薄板深冲性能的好坏 它反 映了薄板承受拉力时抵抗厚度变薄的能力 是薄板塑性各向异性的一种量度 r 越大 成型性越好 IF钢冷轧产品多用于冲压变形非常复杂的深拉延成形件和 胀形一深拉成形件 影响其成形性能的最主要的指标是塑性应变比 r值 r值高 表示钢板在冲压变形时不易在厚度方向变形 即不易减薄 而冲裂时是先变薄 再断裂 不易变薄即不易断裂 表示钢板具有良好的成形性能 r值越小 钢板 厚度方向越容易变薄 即越容易冲裂 r值大小与钢板的织构有关 111 织构 是提高r值的有利织构 对于钢板 当轧制变形量较大时 会出现择优取向 即 大部分 或相当多的一部分 晶粒之间至少有一个晶面或者晶向相互平行或者接 近平行起来 产生形变织构 钢的退火再结晶是一个形核及长大的过程 核在 什么位置生成及那些核最终长大很大程度受到变形晶粒取向的影响 所以 钢 在再结晶后会生成再结晶织构 或称作退火织构 相关研究和生产实践均证实 冷轧板的r值高低主要取决于钢板的织构 111 织构愈强 100 织构愈弱则r值 愈高 在深冲冷轧板的生产中 从成分设计 冶炼 热轧 冷轧到连续退火各 工艺环节中无不考虑到在最终产品中充分获得 111 类型织构 所谓有利织构 以 保证深冲性能 织构控制是钢冷轧产品生产中的核心问题 钢板中具有 111 取 样的晶粒的体积比越大 r值越高 2 总之 由单向拉伸性能试验所确定的r值和n值能很好地衡量材料成型性的 好坏 r值和n值愈高 材料的成型性愈好 二 化学成分对IF钢性能的影响 1 IF钢存在微量固溶碳时对其力学性能的影响 1 对钢板r值的影响 3 当IF钢存在微量固溶碳时对再结晶织构有严重的影响 随着钢中固溶碳的 增加 111 织构急剧减弱 100 增强 r值下降 主要原因是在连续退火过程 中 随着固溶碳的增加 再结晶形核率增加而晶粒长大速度不变 从而导致非 111 取向晶粒的形核增加 最终造成钢板的具有 111 取向晶粒数量减少 r值 变小 2 对钢板时效性的影响 IF钢的一个主要特征就是无时效性 但钢中出现微量固溶碳时 会产生应 变时效 平整具有一定的变形量 会在钢板中产生一定数量的位错 钢板放置 一段时间后 钢中固溶的碳会向位错处扩散 碳和位错相互作用形成柯氏气团 造成应变时效 从而使钢板的屈服强度增加 成形性能下降 更为重要的是 当冲压零件的变形量或零件的某一区域变形量介于1 5 10 时 零件表面可 能会出现拉伸应变痕 严重的降低零件的表面质量 3 对冷轧板n值的影响 4 影响n值的主要因素是钢板的纯净度及铁素体晶粒大小 为了获得高的n值 必须提高钢板的纯净度 即减少钢中碳的含量 4 对晶粒度的影响 若IF钢在连退时存在微量固溶碳会提高再结晶形核率而长大速率不变 从 而使晶粒细化 理想的晶粒度应控制在7 8级左右 晶粒细化会使钢板的成形 性能下降 会造成钢板的屈服强度升高 屈强比升高 n值和r值均减小 5 对屈服强度的影响 造成屈服强度偏高的主要原因是晶粒细小 但钢中出现微量固溶碳时对屈 服强度也会产生明显的影响 碳 氮等间隙固溶元素产生的固溶强化效果远远 大于任何置换固溶元素 因为间隙固溶能更大程度的使钢板内部产生晶格畸变 从而使屈服强度升高 总之 IF钢存在微量固溶碳时 将对钢板织构的类型产生严重的影响 使 111 织构急剧减弱 l00 增强 r值下降 成形性能变差 还能导致钢板的应 变时效 另外 微量固溶碳会导致冷轧板晶粒细化 产生固溶强化 使钢板屈 服强度升高 屈强比升高 n值下降 2 氮 N 元素的影响 一般氮在钢中使屈服强度和抗拉强度增加 硬度上升 r值下降并引起时效 对于冲压用钢 氮的作用和碳元素一样 主要是造成屈服效应和应变时效 但 如果工艺控制不当 氮会和钛 铝等形成带棱角的夹杂物 对冲压有不利影响 对于深冲用钢 要尽量降低氮的含量 3 Ti Nb含量对IF钢性能的影响 5 为了提高深冲性 钢中碳 氮含量应尽可能低 C 0 008 N 0 008 特别是固溶碳 氮含量 Ti Nb是控制固溶碳 氮含量最有效的元素 Ti是强 碳化物和氮化物形成元素 能减少钢中固溶碳或固溶氮的数量 但同时 过剩 Ti的增加会使钢板的再结晶温度提高 且钢板的力学性能的平面各向异性增大 因此为了确保优先产生对深冲性有利的 111 织构 应添加适量的钛 以 0 01 0 20 为宜 Nb也是强碳化物和氮化物形成元素 能减少钢中固溶碳 和氮的含量 从而有助于在精轧前产生细晶粒 但Huall01研究Ti Nb IF钢中 铌的影响后认为 铌在Ti Nb IF钢中对于析出的影响并不大 因此铌对IF钢的 影响主要应以固溶铌而不是析出物来考虑 处在铁素体晶界和亚晶界上的固溶 铌 有利于形成高强的织构 另外 固溶铌可以增强钢板的抗粉化性能和改善 二次加工脆性 但如Nb 0 04 就会提高再结晶温度且会使钢板的力学性能对 生产工艺参数比较敏感 因此铌含量应控制在0 001 0 04 之间 图1为 Ti Nb含量对IF钢再结晶性能的影响曲线 4 铝 A1 元素的影响 在优质冲压钢中铝是作为脱氧剂加入的 主要用于去除吹氧冶炼时溶在钢 液 中的氧 同时铝作为定氧剂 抑制氮在铁素体内的固溶 消除应变时效 提高 低温塑性 图1 Ti Nb含量对IF钢再结晶性能的影响 5 氧 O 元素的影响 氧是炼钢中不可缺少的元素 但是氧与其它许多元素的亲和力强 易在钢 中 形成各种夹杂物 这些夹杂物对钢的性能有不利影响 氧含量过高也会影响其 它 元素的效果 例如向钢中添加Ti以固定碳和氮时 如果O 0 015 则钢的 100 织构弱 r值较高 但是当O 0 015 时 则 111 织构强度突然下降 r值也突 然下降 6 硫 S 元素的影响 6 硫在深冲钢中是有害元素 应尽可能的降低IF钢中硫的含量 硫通常在钢 中 形成硫化物如MnS TiS Ti NbS等 根据国外对IF钢的分析结果 IF钢的硫含 量均控制在0 008 以下 硫在铁水预处理后可降至0 01 左右 然后经转炉吹 炼降硫30 50 时 IF钢中的硫可降至0 005 0 007 的水平 7 Zr的影响 Chang等探讨了锆对再结晶和织构的作用 结果表明Zr C原子比大于1时 Zr促进了 111 和 111 织构的发展 因此有利于深冲性能的提高 8 P的影响 7 P是固溶强化铁素体的元素 与其它置换式合金元素相比 它是提高铁素 体强度最高的元素 抗拉强度为340 400MPa级的超深冲高强度钢板都离不开 P 其含量通常在0 04 0 09 之间 然而在IF钢中由于C N被固定而使晶界 清洁 P易于向晶界偏析 晶界处的P含量可比基体中的P含量高10多倍 容易 引起二次加工脆化 另一方面 P在提高强度的同时却使钢的r值降低 这主要 是由于P含量的增加使 111 ND取向织构减弱 100 ND取向织构加强 造成的 热镀锌时 P对镀层的相结构也有很大的影响 它使合金化速度降低 抑制了合金化 9 Si的影响 Si的固溶强化作用仅次于P 但在浸镀性方面存在很多问题 故很少用于镀 层钢 这主要是由于Si比Fe活泼 在热镀锌退火炉的直接燃烧加热段中 很容 易在钢板表面形成一层Si的氧化物 在还原段中又不能彻底还原 从而形成了 随机分布的岛状Si的氧化物 成为柱状组织的形核源 影响了镀层的附着力 当钢中的Si含量大于0 3 时 镀层的附着力就会明显下降 Si与P一样 使合金 化反应显着推迟 10 Mn的影响 Mn是热镀锌高强度IF钢板的主要合金元素之一 因Mn强化IF钢对深冲脆性 较不敏感 且相对Si而言 Mn对镀层附着力的影响较小 所以对于强化级别在 390MPa以上的IF钢多用P和Mn复合添加的方式 但若Mn过高会降低再结晶开 始 温度且产生针状铁素体而使延伸力和r值急剧下降 所以 其加入量通常在 0 2 1 6 之间 11 B的影响 少量的硼可抑制磷在晶界处的偏析而强化晶界 同时使脆性转变温度降低 但硼有降低r值 提高再结晶温度的倾向 因而B的加入量不宜太高 一般在 0 001 0 002 之间 综上所述 IF钢中不同的化学成分对钢的性能有不同的影响 我们应该综 合考虑这些元素的作用 做好IF钢的成分设计 除了成分外 IF钢的加工工艺 对钢的性能也有极其重要的影响 三 IF钢的冶金工艺流程介绍以及加工工艺对IF钢性能的影响 1 IF钢的冶金工艺流程 IF钢的冶金工艺流程见图2 冶金工艺流程的每一步工序 从成份控制到热 轧 冷轧 退火 平整等 都影响IF钢的最终性能 在冶金工艺控制中 为了 获得优异的深冲性能 下面三个因素最为关键 8 发展强的 111 退火织构 以获得高的深冲性 获得足够粗大均匀的铁素体晶粒 以获得低的RsRb和高 的加工硬化指数 n 控制第二相粒子 碳 氮化物 的析出 以控制时效效应 改善塑性 图2 IF钢的冶金工艺流程 上述各个工艺过程对IF钢性能影响的程度也是不同的 按影响程度的大小 依次是冶炼 退火 热轧 冷轧 各个过程的技术要点如表1所示 表1 IF钢的生产工艺要点 各个工艺流程的特点分别为 1 冶炼工艺特点 成份是IF钢性能的先决因素 IF钢的冶炼工艺主要是解决脱碳和防止增碳 降氮和防止增氮 纯净度控制及微合金化 对深冲钢研究的一个重要结论是 随 固溶C的增加 再结晶织构 111 组分急剧减少 严重损害r值 固溶N有着与固 溶C相似的作用 IF钢生产通过真空脱气使C N含量尽量低 既可以得到高的r 值 又可以减少Ti Nb合金消耗 2 热轧工艺特点 热轧工艺是得到良好IF钢质量的重要环节 IF钢要获得良好超深冲性能促 进 ND 111 织构的形成 热轧工艺采用低温加热 低温终轧 铁素体区润滑 轧制 高的终轧压下率 轧后迅速冷却和高温卷取的控制方法 以获得高的板 带组 织性能 图3表示促进有利于深冲性能的ND 111 织构形成的IF钢生产过程 控制原理 图3 促进ND 织构形成的生产过程控制原理 3 冷轧工艺特点 冷轧对退火后IF钢深冲性能影响的主要因素是冷轧总的压下率 在适当成 份 和合理的热轧之后 保证充分的冷轧压下量是获得高的r值的重要条件 冷轧压 下率增加 111 织构密度增加 特别是 111 增加最显着对IF钢 r值随 冷轧压下率增加而单调增加 直到压下量高达90 4 退火工艺特点 9 IF钢需要较高的退火温度 对加热速度不敏感 添加的微合金元素 Ti Nb Ti Nb 不同 要求的退火温度不同 采用的退火方式不同 退火工艺 也不同 罩式退火的冷点温度一般控制为680 710 保温时间越长 越有利于 深冲性能 连续退火温度一般控制为830 870 保温l 2分钟 IF钢连续退火不 需要过时效处理 连续退火采用较高的退火温度 以促进 111 织构发展 有利 于深冲性能的提高 但是必须低于相变点 当退火温度高于再结晶温度时 退 火时间大于某个临界值 退火时间对深冲性能的影响不大 2 工艺控制对组织性能的影响 1 热轧及卷取温度的影响 10 IF钢在热轧过程中要发生第二相粒子的固溶和析出 奥氏体的形变和再结 晶 相变 如果在 区终轧时甚至产生铁素体形变和再结晶 热轧板的微观 组织和析出物的形态对最终性能有很大影响 热轧得到细小均匀铁素体晶粒和 粗大的析出物有利于r值和塑性的提高 细小弥散的析出物阻碍再结晶和晶粒长 大 降低r值 对给定成份的IF钢 热轧工艺参数 板坯加热温度 轧制速度 压 下量 卷取温度等 决定了热轧板的组织和析出物形貌 a 板坯加热温度 SRT 在板坯加热过程中要发生第二相粒子的溶解 碳氮化物的溶解 或析出 与 温度及钢中C N Ti Nb A1的含量有关 由溶度积来控制 Sotoh等人研究 了在1000 和1250 加热时碳氮化物溶解情况 其结果是 NbC在1000 完全 溶解 AlN在1250 完全溶解 而Ti CN 在1250 尚未完全溶解 而且Ti IF钢 中Ti CN 微粒在1250 加热温度下比在1000 加热温度下更细小 弥散 显然 加热时未溶解的碳氮化物必定粗大 所以低温加热容易得到粗大的析出物 特 别是对Ti IF钢 因此不难理解低温加热对r值有利 尤其对Ti IF钢 有的研究认 为 随钢中Nb Ti含量增加 板坯加热温度对r值的影响减小 总之 在IF钢生 产中采取低温加热是有利的 尤其是在Ti Nb加入量较少的情况下 b 终轧温度 FT 许多研究者研究了终轧温度对Ti IF钢的影响 尽管他们的结果存在一些差 异 但都发现终轧温度对Ti IF钢的r值影响很小 而对Nb IF钢 桥本等人发现 终轧温度对r值有明显影响 随着终轧温度下降 r值明显提高 特别是在Nb C 原子比较低时 对Nb C原子比较低的钢 低温终轧易于发生形变诱导析出 并使析出物粗化和使铁素体晶粒细化 Gupta等人发现 终轧温度对Nb Ti IF钢 r值的影响比对Ti IF钢要显着 在835 920 之间 随终轧温度上升 r值增加 并在约900 处r值有一峰值 c 铁素体区润滑热轧 近几年 为了降低生产成本 同时获得具有良好成形性能的热轧板 IF钢 铁素体区热轧正逐渐被用来生产薄钢板以替代传统的冷轧退火工艺 铁素体区 热轧与冷轧工艺相比较 提高了生产效率 降低了能耗 提高了产品的表面质 量 传统热轧工艺和铁素体区轧制工艺的比较见图4 图4 传统热轧工艺和铁素体区轧制工艺的比较 织构分析表明 铁素体区润滑热轧的IF钢具有较强的 111 ND再结晶 织构组分 铁素体区轧制时的润滑条件对低碳加Ti冷轧钢板r值和n值有较显着 的影响 通过热轧润滑技术 生产出了r值达到3 0的超级深冲钢 11 d 卷取温度 CT 根据已有的研究结果 多数观点认为 随卷取温度升高 再结晶温度下降 r值提高 卷取温度对Nb IF钢的影响显着 并且随过剩钛 Ti 增加 对Ti IF钢卷 取温度的影响减小 这些影响的原因在于 高温卷取有利于碳氮化物的析出和 粗化 特别是在较低温度 热轧后 下发生的析出 NbC的析出温度比Ti CN 的低 所以卷取温度对Nb IF钢的影响大 但另一方面 若卷取温度太高则导致 a 由于产生更多的氧化铁皮使酸洗效率下降 尤其是当卷取温度CT 700 时 这种现象更明显 b 由于冷速不均使板卷的头尾性能较差 最初的IF钢是Ti IF钢和Nb IF钢 而Ti IF钢在合金化成本上比Nb IF钢低 且具有良好的成形性 由于Ti IF钢再结晶温度低 退火温度也较低 如果在钢 坯加热和热轧时采用低温卷取 可产生DDQ级Ti IF钢 Nb Ti IF钢热镀锌层 具有良好的抗粉化性能 其热轧卷取温度也与单独加Ti或Nb不同 从降低生产 成本和控制带卷全长性能均匀性考虑 采取钢坯低温加热 低温卷取是有利的 通常由于析出处理在卷取过程中完成 因此IF钢的性能随卷取温度变化 而卷 取温度沿整个带卷长度并不均匀 带卷头部温度高 尾部温度低 这两部分的 性能不如中间部分 这一现象在卷取温度高于700 时更为明显 在IF钢生产中 究竟应采取 高温卷取 还是 低温卷取 各种文献说法不一 一般来说 用罩式退火生产深冲铝镇静钢其热轧卷取温度最低 CT为550 600 用连续 退火生产深冲铝镇静钢 其卷取温度最高 CT为700 750 生产Ti IF钢采用 的卷取温度居中 CT为650 700 生产Nb IF钢和Nb Ti IF钢选用较高的卷取 温度 CT680 750 2 冷轧及退火工艺对钢板性能的影响 12 a 冷轧压下量对钢板性能的影响 冷轧对退火后IF钢深冲性能影响的主要因素是冷轧总压下率 在适当的成 分和合理的热轧之后 保证充分的冷轧压下量是获得高的r值的重要条件 对IF 钢r值随冷轧压下率增加而单调增加 直至压下率高达90 在实际生产中 为 了获得高的r值普遍采用的压下率均大于75 但由于设备能力的限制 压下率 一般不超过85 b 退火工艺的影响 在冷轧薄板生产过程中 再结晶退火是一个关键的工艺环节 薄板在退火 过程中经历回复 再结晶和晶粒长大三个过程 均影响着成品板的性能 首先 从冷轧钢板的硬度值随加热温度和保温时间的变化可以大致看出再结晶过程材 料组织的变化 两种IF钢再结晶退火后的硬度变化规律是 当温度高于580 时 Ti十Nb IF钢的硬度值开始急剧下降 此时钢板开始发生回复和再结晶过程 温 度在580 和700 之间 该温度区内再结晶过程进行激烈 再结晶晶粒大量形 核并长大 硬度值下降很快 当温度超过700 以后 随着温度的继续升高 硬 度值下降不大 此时钢板内的冷加工组织已完全消除 晶粒已完全再结晶 对 于Ti IF钢 根据硬度的变化可知 其再结晶开始 终了均比Ti Nb IF钢有所延 迟 当温度在高于590 时 硬度值才开始急剧下降 曲线在590 720 之间 硬度值下降很快 之后 随温度值的升高硬度变化很小 这说明钢在720 已全 部再结晶 Ti IF钢在600 左右时 硬度值下降一半 而Ti Nb IF钢大约在比 600 低5 10 左右时 硬度才下降一半 根据常规再结晶温度定义 可以得 出该条件下Ti IF钢的名义再结晶温度在600 610 之间 Ti Nb IF钢在 590 600 之间 冷轧IF钢板在720 保温再结晶退火过程中 硬度随保温时间的改变而变化 的规律 在整个保温过程中 Ti Nb IF Ti IF钢硬度值变化不大 并且硬度均 较低 说明以低速连续升温到720 的过程中 IF钢板内的晶粒已经全部发生再 结晶 当保温时间达1h时 钢板的硬度值已降到最低值 此时保温时闻再延长 其硬度值基本不变 由此可以看出 在IF钢退火过程中 退火温度是最关键的 因 素 当钢板内晶粒充分再结晶后 保温时间的影响很小 从Ti Nb IF和Ti IF钢再结晶过程中的硬度及金相组织变化规律可以得出 IF钢在罩式退火过程中 当加温到700 保温2h后 或当连续加热到720 以 上不保温 此时 冷轧板内晶粒会全部发生再结晶 且晶粒已基本为等轴 比 较这两种不同成份不同工艺的IF钢冷轧板在相同的退火条件下硬度值及金相组 织变化规律发现 Ti IF钢板的再结晶开始温度 结束温度都相应的较Ti Nb IF 钢板略高 大约高5 10 左右 热轧卷取温度是影响再结晶过程的一个重要工 艺参数 导致再结晶温度下降 高温卷取有利于碳氮化合物的析出和粗化 特 别是对在较低温度发生的析出 如NbC 它的析出温度低于Ti C N 这样更 有利于降低加Nb钢的再结晶温度 因而 认为热轧卷取温度的升高是导致Ti IF 钢比Ti Nb IF钢再结晶延迟的主要原因 许多研究指出 加Ti或加Nb都提高超 低碳钢的再结晶温度 四 结语 IF钢从冶炼到最终成品 需要经过多道生产工序 每道工序的质量都直接 关系到其最终的组织和性能 IF钢的生产不仅需要精良的设备做保证 更需要 对其生产工艺与生产技术进行深入的研究与认识 借助于现代化的管理手段来 实施 针对影响IF钢组织性能的各因素 我们可以调整IF钢的成分设计和工艺 流程 以期得到性能良好的IF钢 微合金超深冲钢 IF钢 与低碳深冲钢板材生产 有许多共同的冶金学特点 可充分借鉴低碳深冲钢板材冲压成形性能研究 开 发 生产的经验 结合微合金深冲板固有的特点 采用以理论计算和模拟为基 础 基础实验为先导 工艺实验为主体 与各种先进分析手段相结合的研究方 法 以提高IF钢组织稳定性 减小性能参数分散度 降低屈强比 提高冷轧板 材的r值及n值 通过合理的成分设计