IF钢的工艺性能及概述

IF钢的工艺、性能及应用概述,解晨2010-12-8,1IF刚简介1.1IF钢无间隙原子钢(Interstitialfreesteel)1.2IF钢的化学成分及特点所谓IF钢,是指在超低碳钢中加入微量的Ti、Nb,使钢中的碳、氮原子完全被固定成碳氮化合物,而钢中无间隙原子存在。由此可见,IF钢的化学成分特点主要有两条：（1）超低的碳、氮含量。(C0.005%,N0.003%)；(2)微量的Ti、Nb。Ti、Nb的添加是为了固定碳、氮原子,Ti、Nb的含量与碳、氮含量密切相关,Ti、Nb价格昂贵,在超低的碳、氮含量下加入微量Ti、Nb,经济上才是切实可行的。,1.3IF钢的显微组织IF钢的主要显微组织为：铁素体+析出物。图1.3.1图1.3.2,1.3.1IF钢中析出物形态,1.4目前IF钢的常用分类1.4.1Ti-IF钢就工艺参数而言,低的加热温度、高的卷取温度、高的退火温度和大的冷轧压下率有利于Ti-IF钢成形性能的提高。合金成分对Ti-IF钢延伸率的影响没有Nb-IF钢敏感,一般钛稳定钢延伸率较高;高的卷取温度和退火温度会得到粗大的TiC颗粒,因此强度级别低。对Ti-IF钢性能产生重要影响的TiS和Ti4C2S2等析出物一般在加热过程和热轧初始阶段就开始析出,所以工艺参数对Ti-IF钢影响不是很敏感,工艺过程的可操作性强,性能稳定。但是这种成分体系的钢平面各向异性大而且镀层抗粉化能力较差,不适用于镀锌板。,1.4.2Nb-IF钢与Ti-IF钢相比,由于细小NbC粒子析出,可以提高钢的强度,故Nb-IF钢具更高的强度水平。Nb的添加,改善钢的织构,各向异性值低,具有高的r平均值;Nb偏析到晶界,可防止冷加工脆性,可镀性和抗粉化性能较好。但由于Nb-IF钢中析出过程发生在热轧冷却阶段或退火阶段,故铌稳定IF钢对工艺参数比较敏感,而且Nb-IF钢较高的再结晶温度,使其不适合许多镀锌生产线。,1.4.3(Nb+Ti)-IF钢铌钛稳定的IF钢延伸率比Ti-IF钢低,但rm值和r45值都比较高,具有较强的可成形性。铌钛稳定IF钢比钛稳定钢具有较好的涂层粘附性,具有良好的合金化热镀锌钢板抗粉化,而且力学性能对工艺不敏感,整卷性能均匀,适合于在连续退火工艺下生产高强钢及热镀锌钢,也是电镀锌IF钢和热镀锌IF钢基板的最佳选择。,2IF钢的生产工艺一般的工艺流程为:铁水预处理氧气转炉炼钢真空脱碳连铸加热热轧控制冷却卷取(原料)酸洗冷轧退火。2.1IF钢的生产工艺分类目前热轧IF钢普遍采用工艺有两种：（1）传统热连轧,即连铸坯、加热、粗轧、精轧、冷却、卷取的生产工艺模式；（2）薄板坯连铸连轧工艺(thinslabcastingrolling),简称TSCR。,2.2两种生产工艺的区别这两种工艺的最大区别在于热轧原料的不同,由于TSCR所使用的原料不经过的再结晶过程,原始坯料的晶粒组织较传统坯料粗大,另外TSCR所用的坯料一般较薄,所以压缩比也小。由于上述的工艺特点的差比,所以传统热连轧与TSCR在原料的化学成份和生产控制工艺上也略有差别。,2.3IF钢的生产控制2.3.1原料的入炉温度以Ar1为标准可将装炉坯料分为热装和冷装。温度高于Ar1为热装,温度低于Ar1为冷装。坯料的热装对IF钢热轧板带晶粒的影响有:由于没有或很少组织经过相变,热装带钢的晶粒较冷装粗大;由于高温热装坯中Ti、Nb固溶量较高,热轧过程中起到细化晶粒的作用。理论上可采用较低的加热温度,较大的压下量,利用后一种情况的晶粒细化机理消除前一种情况所造成不利的影响。但由于IF钢对铸坯的表面缺陷和内部夹杂物要求十分严格,所以大多数厂家仍采用冷装坯。,2.3.2加热温度IF钢的终轧方式有两种即奥氏体区轧制、铁素区轧制,奥氏区轧制是无论精轧还是粗轧,轧制温度均在Ar3以上,而铁素体区轧制时粗轧温度在Ar3以上而精轧温度在Ar3以下,即在铁素体区轧制。由于终轧温度的不同,加热温度也有差别。传统工艺多采用奥低体区轧制,由于IF钢中含有Ti和Nb,Ti和Nb对钢再结晶性能的影响如下图1所示。由于钢中Ti和Nb存在致使IF钢的转变温度升高,为了使其充分奥氏体化,IF钢的出钢温度较普通钢高据某钢厂的实际生产数据表明,IF钢的出钢温度一般较普碳钢高20左右。由于铁素体轧制可以降低加热温度,节约能源,轧后产生粗大的二相粒子和细小铁素体晶粒,在随后的冷轧和退火处理过程中产生分布均匀和强的再结晶织构等优点,铁素体轧制技术作为一项新技术而得到广泛的应用。CSP生产中由于不存在的转变,所以可采用较低的加热温度和终轧温度,容易实现铁素体区轧制,生产一些薄规格的IF钢。,图1Nb、Ti对IF钢再结晶性能的影响,2.3.3终轧传统的终轧是在奥氏体区进行的,为了使热带晶粒细化,采用高的终轧压下率和终轧后快速冷却。IF钢在奥氏体再结晶区热轧时,其道次变形量不能太小,否则,就会产生奥氏体部分再结晶,形成混晶组织,对IF钢的深冲性能不利。在奥氏体再结晶区热轧总变形量越大,则在轧制时发生的形变再结晶次数越多,热轧后得到的铁素体晶粒就越均匀,越有利于得到等轴状的铁素体晶粒,研究表明晶粒呈等轴状时有利于IF钢深冲性能的提高。,2.3.4轧制过程中板带温差的控制IF钢对温度敏感性较强,轧制温度的均匀性直接影响到板带的形变和组织的均匀性,进而对后续加工与最终的性能组织产生较大的影响。在轧制过程中主要是控制板带宽度方向上的温差和头尾的温差。,2.3.5冷却与卷取温度在冷却过程中,碳、氮化合物随温度的降低而从基体中析出,形成析出物(第二相粒子),析出物不但直接决定间隙原子的清除,而且影响钢板的再结晶行为,粗大的析出物在退火过程中可以作为晶粒的形核质点从而促进再结晶,而细小的析出物则阻碍再结晶过程中晶界的迁移和长大,影响织构的发展,使钢板的r（塑性应变比）值降低。大量研究表明,IF钢的粗大稀疏的第二相粒子形态及均匀细小的铁素体晶粒是保证IF钢111织构充分发展、获得优异成形性能的重要条件。绝大部分第二相粒子是在热轧和卷取过程中析出的。卷取温度是控制第二相粒子形态的最后一个热轧工艺参数,它的变化将对第二相粒子的析出行为及铁素体晶粒产生很大的影响,因此对于最终卷取温度的控制至关最要。,2.3.6退火退火对IF钢最终的成形性能产生关键的影响。因为退火工艺参数的变化对再结晶织构的演变起关键的作用。目前冷轧后可通过3种途径实现IF钢的再结晶退火:(1)连续热镀锌;(2)连续退火;(3)罩式退火。连续退火和罩式退火的工艺参数比较见表1。早期IF钢主要采用罩式退火,随着连续退火和连续热镀锌技术的发展,目前国外IF钢趋向于采用连续退火,特别在日本。采用连续退火或连续热镀锌,可使IF钢各部分组织性能均匀,表面质量更好,并能很方便地控制退火工艺参数,但由于其初期投资大,因此目前国内主要以罩式退火为主。,3IF钢的合金元素和性能特点3.1IF钢的合金元素的含量C0.003；Si0.03；Mn：0.100.20；P0.006；S0.007；Al：0.020.05；Ti：0.040.08；O0.003；N0.004；Nb：0.060.25。,3.2合金元素对IF钢组织性能的影响碳含量对IF钢性能影响显著，降低C含量可显著降低IF钢的性能，每1ppm的C影响屈服强度1.5MPa。在C含量处于高水平控制时，降低C含量可使性能得到明显改善。硅是铁素体形成元素，有较强的固溶强化效果，可提高钢的强度。硅阻止碳化物形核长大，使“C”曲线右移，高碳时作用较大，所以可提高钢的淬透性。,锰能强化铁素体，有固溶强化作用，也使“C”曲线右移，故也能提高钢的淬透性。锰促进有害元素在晶界上的偏聚，所以提高钢的回火脆性。锰扩大区的作用较大，所以含锰量较大时，在室温下可获得奥氏体钢。钛、铌是最强的碳（氮）化合物形成元素，其作用相当于钒。如固溶于奥氏体提高淬透性作用很强，提高钢的回火稳定性，并有二次硬化作用，能有效地细化晶粒。Ti和Nb使IF钢中的间隙原子(C、N)得以消除，得到纯净的铁素体基体，从而消除间隙原子的不利影响，使钢具有高的r值。Ti在钢中首先形成TiN，液态或者钢液凝固过程中形成的TiN比较粗大，而且分布稀疏，并不能有效阻止晶粒长大，不能起到强化作用。钢液凝固以后析出细小的TiN颗粒很稳定，在热加工前的再加热过程中可抑制奥氏体的晶粒长大，从而细化组织。,N在钢中一般可使强度增加，硬度值上升，r值下降，并引起时效。但在用Ti微合金化的钢中，N可视为一种有价值的合金元素。因为稳定的细小弥散的TiN质点能防止通过反复再结晶而细化的奥氏体聚合。TiIF钢化学成分中Ti/N值稍低于理想化学配比时，细化奥氏体晶粒的效果最佳，此时TiN颗粒的尺寸最细小，最稳定。因钢中N含量适当时，比理想化学配比稍低的Ti量，限制了Ti在基体中的溶解度，减少了颗粒长大所必需的溶解原子扩散流，阻碍了TiN颗粒长大。固然，钢中实际Ti/N值过小，Ti含量严重不足，高温下TiN颗粒数目太少，阻碍奥氏体晶粒长大的作用有限。而Ti/N值过大，Ti大量溶入基体，一方面强化基体降低了韧性，另一方面，钢液中析出的TiN颗粒粗化，不能有效地阻碍奥氏体晶粒长大。,S对于绝大多数钢种而言是杂质元素，在钢中易偏析。S与钢中的Mn生成MnS，这种长条状夹杂物会影响钢的冲击性能，因此要求其元素含量越低越好。炼钢主要采用铁水脱硫的方法控制钢中S的含量，同时加入Ti。Ti与S的亲和力要强于Mn与S的亲和力，因此通过Ti的加入来控制硫化物夹杂的形态。随钢中Ti含量的增加，钢中Ti4C2S2化合物逐渐增多并取代MnS夹杂，即Ti的加入夺取了MnS中的S而与之形成更为稳定的Ti4C2S2，减少了MnS的析出。,P在IF钢中,以2种形式存在,一种是以置换型固溶原子形式存在；一种是以析出物形式存在的TiFeP。前一种形式以置换型固溶强化原子形式存在的P由于其原子半径与基体元素Fe相差较大，造成了点阵畸变，其应力场与位错应力场发生交互作用并阻碍位错的运动，从而起到了固溶强化的效果。以析出物形式存在的P尽管同样可起到强化作用,但与固溶强化相比,强化作用不明显.通过对高强IF钢析出物的观察发现,与IF钢相比,高强IF钢在卷取过程中,出现了新的析出相TiFeP,而这些细小的析出物在退火过程中提高了再结晶温度并对深冲性能不利.因而高强IF钢的热轧工艺制定不仅要考虑通过热轧工艺控制使C、N、S化物充分析出聚集长大,还应考虑到通过热轧工艺控制使TiFeP相不析出.然而由于两者不可能同时兼顾,所以导致了高强IF钢中由于TiFeP相在热轧卷取过程中析出使得深冲性能下降.,4IF的产生和发展状况4.1IF钢的发展过程高强度IF钢的发展经历了几个阶段。IF钢为了获得高的强度,传统地采用固溶强化机制,添加固溶强化元素Si、Mn和P。新日铁于20世纪80年代开发出了总延伸率为38.3%,n=0.24,r=1195，UTS=440MPa的高强度钢板。但是当IF钢只采用固溶强化时,由于缺乏晶界的强化,容易产生二次加工脆性。新日铁通过研究发现加入百万分之一的B元素可以阻止晶界脆性,但是鉴于B元素对r值方面的副作用其加入量必须要尽可能地少。固溶强化元素中,特别是Si严重损害深冲性能和涂层的表面质量,不适于用在需要复杂成型的外板零件。上世纪90年代前半期,NKK成功地开发了390440MPa级高强度冷轧板,主要采用Mn的固溶强化。该钢中,Mn不抑制热镀合金化涂层的粘接性,但是较高的Mn也产生不利的影响,如Mn在晶界上的偏聚增加钢的脆性断裂趋势;另外,锰在钢表面富集和局部氧化降低钢的表面性能。因此进一步改善此类钢的成型性能和热镀合金化涂层的表面质量受到限制。,近年来,NKK报道了一种新型的外板用高强度IF2SFHHITEN钢。此钢种不采用Si作为强化元素,同时降低Mn和P含量,其冶金学特征如图4.1所示,钢中相对较高的碳含量6010-6和适量的碳化物形成元素,如适量添加Nb形成的细小弥散分布的碳化物,有助于获得细小的铁素体晶粒。此钢通过细化晶粒强化、Nb(C,N)的弥散析出以及固溶强化来获得高的抗拉强度。此钢具有细晶粒结构,但是组织中包含独特的无析出物区域(图3),屈服强度几乎不增加。在热轧条件下获得细小的铁素体晶粒,有利于在冷轧条件下获得有利于深冲性能的111织构。该钢具有高的强度、好的深冲性能和很好的抗二次加工脆性,适合用作合金镀锌的基板材料。日本Nisshin公司研究开发抗拉强度高于390MPa的Nb固溶深冲合金化热镀锌Ti2IF高强钢。该钢在IF钢中复合添加Mn和P进行强化,并添加微量的B来实现晶界强化。,抗拉强度为440MPa级的Nb固溶深冲合金化热镀锌Ti2IF高强度钢已经在连续热镀锌(CGL)生产线上成功生产,r值约为115,抗粉化性能小于011gm-2。,4.2IF钢的国内外发展现状4.2.1国外现状在日本、北美和欧洲,高强度IF包括冷轧退火和热镀锌钢板已经被广泛的工业化生产;同时要求力学、成形性能和表面质量的热镀锌钢板的强度水平均已达到440MPa级别。而且在满足强度要求的同时,其深冲性能不断提高,以满足汽车工业对材料要求日益增长的需要。4.2.2国内现状目前,在高强度IF的生产中,国内可以批量供应340440MPa级别深冲冷轧钢板;强度级别小于390MPa热镀锌深冲钢板。其主要用途是外板和内板以及车身覆盖件,以达到零件减薄和提高抗凹陷性的目的。但是,在高强度IF钢的生产方面,国内与国际大型汽车板生产企业相比,存在许多不足之处。,国内高强度汽车板产量少,尤其是轿车用深冲高强度涂镀板等目前仍以进口为主,而且性能也很不稳定,并且钢板表明缺陷较多。总之,国内现有的高强度IF钢板产品在品种、质量和数量上都还需要加大力度进行改进。4.3IF钢的发展方向（1）以减重节能为目标的高强度钢板系列;（2）以提高成形性能为目标的深冲钢板系列;（3）以提高防腐能力为目标的镀层钢板系列。,参考文献：【1】岳峰,武会宾,赵爱民,包燕平,唐荻.退火温度对Ti-If钢中析出的影响研究.热加工工艺2008年第37卷22期【2】冉从锦,吴德润.IF刚的技术控制.梅山钢铁公司制造部【3】YUH,KangYL,XiongXY,etal.Quantitiveanalysisonstrengtheningmechanismofultra-thinhotstripoflowcarbonsteelproducedbyCSPtechinque.JUnivSciTechnolBeijing,2004,11(5):425【4】AbthonyJonesD.ReviewoftheDevelopmentandUseofULCSteelManufturebyCorusGroup(Wales)andCurrentChallengesforFurtherDevelopmentA,IFSteels2000ProceedsC.2000,55.【5】刘战英,周满春,王涛,刘相华,王国栋.IF钢铁素体区热轧工艺参数对深冲性能的影响.钢铁研究学报.2007年4月第19卷4期【6】李