冷軋深沖用鋼生產工藝改進

馬孝娟，胡洪林，盧鵬程

（寶鋼集團八鋼公司制造管理部）

1 前言

冷軋深沖用鋼板具有良好的力學性能和良好的成型性，使其在汽車用鋼領域中得到了長足的發展和廣泛的運用。由于汽車工業對冷軋鋼板的質量要求越來越高，具有優異成型性的冷軋深沖用鋼才能滿足用戶對汽車用鋼加工成型的要求。八鋼公司為適應市場的需要，開發了用冷軋低碳鋼生產深沖用鋼板，試制后其力學性能和金相組織均合格，但供用戶使用后出現開裂現象，為此對該產品成分進行了分析，對生產工藝進行了改進。

2 冷軋深沖用鋼的試制

2.1 冷軋深沖用鋼試制工藝

冷軋深沖用鋼的試制采用化學成分（質量分數）為C 0.025%、Mn 0.18%、Si 0.02%、Al 0.045%、Ti 0.017%的冷軋低碳鋼。熱軋采用1190～1250℃的板坯加熱溫度、880℃的終軋溫度、570℃的卷取溫度，冷軋軋機采用68%～73%的壓下率，罩式爐采用710℃的退火溫度。

2.2 試制結果

試制了厚度規格0.8～1.0mm五組材料，力學性能達到了標準對深沖用鋼的要求[1]。

表1 試制產品的力學性能

成品的金相組織見圖1，組織為鐵素體+球粒狀滲碳體，晶粒大小均勻，晶粒度7級，球粒狀滲碳體顆粒明顯較少，并且分布彌散，組織狀態較好。

圖1 改進前試制產品的金相組織×500

2.3 用戶使用結果分析

用戶使用試制的冷軋板沖壓輪胎蓋板發生開裂（見圖2），從開裂處斷面形貌（見圖3）可見，斷口處的最終斷裂帶與冷軋板厚度相比明顯減薄，說明材料在沖壓加工過程中減薄后發生了開裂。

圖2 試制冷軋板沖壓開裂圖

圖3 試制冷軋板沖壓開裂斷口形貌

分析用戶試用的結果：采用低碳鋼成分生產的深沖用鋼不能滿足用戶使用要求，由斷口可見材料在減薄后最終開裂。

試制的力學性能r值為1.5～1.7，n值為0.214～0.221。n值、r值是表示冷軋板沖壓性能的主要指標，其中r值是塑性應變比，是拉伸試驗中真實寬度應變與真實厚度應變的比值r=εb/εt。εb為寬度方向的塑性應變；εt為厚度方向的塑性應變比[2]。它是表示材料抵抗厚度方向減薄能力的指標，在沖壓變形過程中r值越高，材料越不易在厚度方向發展變形，抗厚度方向的減薄能力越強。塑性應變比r值與含碳量關系見圖4[3]，由圖4可見隨著含碳量的增加，塑性應變比r值顯著減小，碳含量是影響r值的決定性因素。通過工藝分析及對比，為提高r值決定采用超低碳的IF鋼試制冷軋沖壓用鋼。

圖4 塑性應變比r與碳含量的關系

應變硬化指數n值是反映板材塑性變形過程中形變強化的能力[9]，明顯下降。因此n值越大，板材變形能力越大。

3 改進后的生產工藝試制

IF鋼是在超低碳鋼(C<0.005%)中加入一定比例的Ti，使鋼中固溶C和N的含量降到0.01%以下，使鐵素體得到深層次的凈化，從而得到良好的深沖性能。IF鋼具有強烈的{111}織構，r值大于1.8，可用于復雜形狀的沖壓件[4]。

3.1 化學成分控制

IF鋼即無間隙原子鋼，超低碳是其顯著特點，一般含碳量C<0.005%，IF鋼中即使有少量C固溶也會導致r值下降，并且產生固溶強化使屈服強度升高，屈強比升高，n值下降，N對鋼的有害作用與C類似，在超低碳鋼中加入一定量的Ti將鋼中的間隙原子C、N固定成碳化物、氮化物，避免C、N原子固溶[4]。Mn含量增加屈服強度會上升，Mn太低材料也將失去防止鋼的熱脆的能力。Al是作為脫氧劑加入鋼中的，加入適量的鋁可將氧和氮固定在Al2O3和AlN中，同時還有利于形成{111}織構，利于提高材料的沖壓性能[3]。綜合考慮后試制采用的IF鋼的化學成分（質量分數）：C≤0.002%、Mn為0.1%～0.2%、Si≤0.03%、P≤0.015、S≤0.012%、Al為0.03%～0.06%、Ti為0.04%～0.06%、N≤0.003%。

3.2 熱軋工藝控制

熱軋工藝對IF鋼的最終性能有很大的影響。熱軋工序采用低的板坯加熱溫度。有利于保障熱軋后產生粗大的二相粒子和細小鐵素體晶粒；高的終軋溫度有利于形成均勻的等軸鐵素體組織；高的卷取溫度有利于r值的提高，但高溫卷取會導致氧化鐵皮厚，酸洗工序效率低，而IF鋼本身有較好的沖壓性能，因此采用670℃的卷取溫度。熱軋得到細小均勻的鐵素體組織和粗大的析出物有利于形成強烈的{111}織構和提高r值，細小彌散的析出物阻礙再結晶和晶粒長大,對r值不利[5、6]。試制IF鋼采用1130℃板坯加熱溫度，920℃終軋溫度和670℃的卷取溫度。

3.3 冷軋工藝

IF鋼的r值隨著冷軋壓下率的增加而增加[7]，在考慮材料的綜合力學性能、冷軋軋機的能力、原料卷的厚度，冷軋深沖用鋼DC04的變形率為75%～80%。

冷軋鋼帶的退火處理是為了消除加工過程中產生的加工硬化和殘余應力；通過退火的再結晶使晶粒具有要求的大小和形狀，改善材料的組織結構，從而改善鋼帶的力學性能。研究表明[8]，Ti-IF鋼在600～680℃開始再結晶過程，加熱溫度超過680℃基本完成再結晶過程，罩式退火爐卷心溫度比控制溫度低，為保證鋼卷的充分退火和經濟性將罩式爐退火控制溫度設為730℃。

3.4 工藝改進后檢測結果

（1）力學性能的檢測。采用超低碳IF鋼試制材料厚度規格為0.7～1.0mm，材料力學性能見表6，由表6可見工藝改進后，屈服強度明顯下降，n、r值顯著提高。

表2 工藝改進后試制產品的力學性能

（2）金相組織檢測。改進工藝后試制的產品金相組織（圖5）為鐵素體，晶粒度7～8級，組織均勻。夾雜物有B類（氧化鋁類）和D類（氧化物類）夾雜物，B類最高0.5級，D類最高1.5級。

圖5 工藝改進后產品金相組織×100

3.5 用戶使用情況

改進后產品用戶試用后反饋：該批材料無開裂、起皺等質量缺陷，基本滿足沖壓車間生產要求。

3.6 試進后結果分析

采用IF鋼化學成分和相應軋制工藝后，材質為超低碳無間隙原子鋼，組織中未見球粒狀滲碳體。材料的r值明顯提高，達到了2.3～2.5，大大提高了冷軋材料的抗減薄能力，使鋼板在沖壓成型過程中不易開裂。n值由0.214～0.221提高至0.24～0.27，同時屈服強度，由170～195MPa下降至140～160MPa。屈服強度降低，加工時所需成形力小，回彈小。改進后試制的材料能夠滿足用戶的沖壓使用要求。

4 結束語

冷軋深沖壓用IF鋼改進后沖壓性能得到了改善。屈服強度降低后，材料的彈性變形階段縮短，材料容易屈服，成型后彈性回復小，有利于材料成型。n值提高，材料均勻變形的能力提高。r值高材料的抗變薄能力強，具有良好的沖壓成型性能。

采用了超低碳的無間隙原子IF鋼材質生產冷軋深沖用鋼，高的塑性應變比、高的應變硬化指數、低的屈服強度，使材料具有優良的成型性能，最終產品滿足了用戶的使用要求。

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