硼抑制超低碳高強含磷鋼裂紋的研究

賈啟超

（鞍山鋼鐵集團公司規劃發展部，遼寧 鞍山114021）

在汽車用鋼中，鋼板用量占到汽車鋼材總用量的55%～80%。在全球經濟危機的影響下，從降低成本考慮，冷軋汽車板在汽車用鋼中仍占有較大比重，其主要品種有深沖（IF）鋼系列、加磷高強鋼系列、BH鋼系列、低合金高強鋼系列等四大類型［1］。不同的汽車部件對應不同的用途要求，具有不同的性能。加磷高強鋼是在低碳鋼或超低碳鋼中，通過添加最大不超過0.12%的磷等固溶強化元素來提高鋼的強度［2］。超低碳含磷鋼可使汽車沖壓件的厚度適當減薄，能降低汽車自重，同時沒有烘烤硬化鋼容易出現的滑移線桔皮紋現象，即可用于制作車門外板、發動機覆蓋板等覆蓋件，又可制作橫梁、縱梁等加強件和結構件，因此在汽車上的應用極其廣泛。

在生產設計高強超低碳鋼時，需要在超低碳鋼種成分設計時添加較高含量的P元素來提高鋼的屈服強度和抗拉強度，較多磷元素的加入使鋼具有一定的低溫脆性，導致鋼板易出現沖壓裂現象。為了抑制裂紋的產生，在鋼中需要加入硼等素。本文通過對含硼和不含硼產品進行試驗對比，對超低碳含磷鋼中硼對裂紋的抑制作用進行研究。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料化學成分如表1所示。

表1 試驗鋼的化學成分（質量分數）%

1.2 鋼板拉伸試驗

1.2.1 熱軋制度

用高溫感應爐分別冶煉含B和不含B鋼各25 kg的鑄坯，然后鍛成橫截面為80 mm×50 mm的鍛坯。加熱溫度1 100℃，開軋溫度1 050℃，終軋溫度850℃，然后以10℃／s的速度冷卻至730℃，然后卷取。冷軋板最終厚度為1.0 mm，退火后進行拉伸性能檢驗。

1.2.2 拉伸試驗

采用Geleeber-3800模擬試驗機將這兩種鋼的樣品進行連續退火熱模擬，每個樣品號取5個樣片，樣片加工成拉伸試樣為50 mm標距的標準拉伸試樣，拉伸速度為3 mm/min，拉伸試驗結果列入表2。

表2 拉伸試驗結果

從表2看出，含硼產品屈服強度和抗拉強度升高，延伸率降低；無硼產品屈服強度和抗拉強度較低，但延伸率較高。含硼產品n值和r值均高于無硼產品，可見適量加入硼，可使含磷IF鋼的n值和r值改善。

1.3 沖壓試驗

兩種成分的試樣板經退火成為冷軋成品后再進行沖壓試驗，將試驗斷口放至電鏡掃描儀下進行觀察，發現含硼和無硼產品斷口形貌明顯不同，見圖1。

從圖1可以看出，無硼B250P1產品和含硼B250P2產品的斷口完全不同，無硼產品在沖壓過程中出現沿晶脆性斷裂冰糖狀斷口形貌；含硼產品則是韌性斷口，沒有出現脆斷現象，斷口纖維狀組織區域明顯。由此表明，硼對脆性斷裂有著一定的抑制作用。硼的原子半徑低于P的原子半徑，有著優先占領晶界的優勢。P在晶界處偏聚會使鋼產生晶界隔離脆斷，形成冰糖狀脆性斷口。硼的加入使得硼優先占領晶界處的空位，和晶界處的大量位錯糾葛一起，迫使鋼中P元素離開晶界在晶內完成固溶強化，與部分Ti反應生成一定量（TiFeP）化合物在晶內，避免了晶界承受過多的P元素偏聚。同時硼在晶界有著非偏聚的特性，當鋼中硼含量小于0.003%時，在晶界處不會形成Fe23C2B6的網狀析出物［3］，從而使晶界處無偏聚脆斷風險。

2 機理分析

2.1 金相分析

針對兩種不同的產品進行機理檢驗分析，無硼和含硼樣片的金相圖見圖2。

從圖2可以看出，無硼和含硼樣品的基體組織均為鐵素體組織，含硼樣品的晶粒尺寸更加細小均勻。因為沒有多余的C參與到晶界的固化和形成上，所以晶界不清晰。這樣的晶界結構，P的偏聚會加劇弱化晶界的結合力，所以無硼試樣沒有硼和碳元素在晶界的固化作用，會使得晶界結合力因磷的偏聚弱化形成冰糖狀脆性斷裂。硼的加入則避免P在晶界處的偏聚，提高了晶界處非密排原子的結合度，硼抑制了P對晶界的弱化，避免了P在晶界的偏聚所引起的沿晶脆斷。

2.2 透射電鏡分析

通過透射電鏡觀察無硼B250P1產品和含硼B250P2產品的二相粒子的狀況，無硼和含硼試樣二相粒子分布情況見圖3。通過分析硼對二相粒子分布狀況的影響，進一步解析其對性能的影響。

從圖3可以看出，硼的加入使P的固溶增加，避免了P在晶界的偏聚，使得P的固溶強化能力增強，從而加強了部分Ti反應，生成了一定量的（TiFeP）化合物在晶內，形成的細小TiC二相粒子在晶界處與硼相互作用，固化晶界。在透射電鏡下，可以看到有較多的細小二相粒子生成，部分聚集在晶界處。相比無硼試樣，其二相粒子相對粗大些。TiC與硼元素在晶界處糾葛位錯，從而拖拽晶界移動，從而起到細化晶粒，同時進一步提高產品強度和抗斷裂能力的作用。硼在避免P晶界偏聚的同時，也避免了冰糖狀脆裂的發生。

2.3 織構分析

對無硼和含硼的樣品進行織構分析，以找出對沖壓性能的不同影響。兩種試樣恒φ45°ODF截面圖見圖4。

無硼B250P1產品試樣織構主要為{111}＜110＞強度為 1.6、{111}＜112＞強度為 1.7，{001}＜110＞強度為 2.2，見圖 5（a）；含硼 B250P2 產品試樣織構主要為{111}＜112＞強度為 4.9，見圖 5（b）。含硼B250P2產品提高了鋼的可沖壓性能，使得鋼的{111}＜112＞強度較高。可見P在晶界偏聚，沒有硼的幫助，無法形成良好的沖壓織構。而含硼B250P2產品避免了P在晶界的偏聚，提高了鋼的可沖壓性能。

3 結論

（1）硼元素的添加可以避免P在晶界上的偏聚，細化鋼中的二相粒子，提高鋼的可沖壓性能。

（2）鋼中TiC與硼元素可以起到細化晶粒的作用，同時提高產品強度和抗斷裂的能力。

［1］ 高洪剛，劉明輝，康海軍.國內汽車用冷軋板產品概況［J］.本鋼技術，2009（5）：29-33.

［2］ 張留洪.冷軋薄板的性能及用途分類綜述［J］.江西冶金，2010（10）： 46-49.

［3］ 郭達人.50B鋼的晶界析出物及脆化機理的初步探討［J］.金屬熱處理，1996（10）： 37-38.