連退工藝對Nb+B-IF鋼顯微組織與性能的影響

孫成錢，劉仁東，時曉光，韓斌，董毅，張宇

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

無間隙原子鋼（IF鋼）作為第三代深沖鋼板，具有高的塑性應變比、高的加工硬化指數和無時效性等特點，是當前沖壓級別最高的鋼板，廣泛應用于汽車制造及家電行業［1-2］。以IF鋼為基礎的超低碳鋼研究是目前沖壓鋼板研究的熱點，不僅包括冷軋和熱軋IF鋼板，還包括鍍鋅IF鋼板、高強度IF鋼板、超低碳BH鋼板等。目前發達國家已經廣泛使用440MPa級別的高強度IF鋼板，并且正在研究強度級別更高的深沖IF鋼［3］。

IF鋼的性能特點與析出物密切相關，鋼板中存在的析出物種類，數量和分布情況不僅影響C、N間隙原子的清除，還對軋制和退火過程中織構的形成和演變有影響，直接關系到鋼板的深沖性［4-5］。與傳統的IF鋼相比，細晶高強IF鋼的主要特點為：晶粒小、強度高、屈強比低和優良的成型性能。本文對不同加熱速率的試驗鋼顯微組織、性能和第二相粒子的形狀、大小、分布進行了研究。

1 試驗材料和方案

1.1 試驗材料

試驗鋼由鞍鋼鋼研院200 kg真空爐冶煉，最后合爐抽真空，澆鑄時要保證注流平穩不斷流，爐內多余鋼水要倒凈。碳含量為0.005 3%，是普通IF鋼的2倍多，鈮含量為0.051%，從而保證了Nb/C大于1。試驗鋼的化學成分見表1。

表1 試驗用鋼的化學成分（質量分數）%

1.2 試驗方案

軋制試驗在鞍鋼鋼研院熱軋、冷軋機進行,模擬退火工藝試驗在鞍鋼鋼研院連續退火鍍鋅模擬器上進行。試驗中采用奧氏體再結晶區控制軋制，試樣在箱式電爐中加熱至1 250℃，保溫30 min，出爐后在四輥試驗軋機上進行控制軋制。變形工藝：30 mm→20 mm→14 mm→10 mm→7 mm→4 mm，第一道次開軋溫度和第五道次終軋溫度控制范圍分別為1 150℃左右、880℃左右，軋后采用層流冷卻至650℃，將試樣放入箱式電爐中保溫，模擬卷取。連續退火工藝參數如圖1所示。

1.3 組織觀察

從試驗鋼中部切取金相試樣、TEM試樣，用金相試樣鑲嵌機將試樣鑲嵌好，依次在水砂紙及拋光布上打磨拋光后，用4%的硝酸酒精溶液浸蝕試樣表面，顯示其室溫組織；在ZEISS光學顯微鏡下觀察與軋向垂直的平面的顯微組織；透射電鏡中觀察析出物的微觀形貌等。

2 結果及討論

2.1 試驗鋼不同退火工藝金相組織及力學性能

壓下率為80%，退火溫度為850℃，退火時間為60 s時，不同加熱速率試驗鋼的顯微組織如圖2所示。

從圖2可以看出，鐵素體晶粒細小，形狀以等軸鐵素體為主，同時含有一定量細小的餅狀鐵素體。隨著加熱速率的提高，等軸狀鐵素體尺寸更加均勻，餅狀鐵素體數量增多，尺寸逐漸增大。表2為不同加熱速率下試驗鋼的力學性能，從表中可以看出，試驗鋼的屈服強度和抗拉強度均得到提高，屈服強度提高的幅度較大，在加熱速率為15℃/s時，屈服強度最大為 295.4 MPa，抗拉強度最大為474.8 MPa。加熱速率為5℃/s時，延伸率最高為38.4%，屈強比最低為0.552。試驗鋼的延伸率主要受晶粒尺寸和分布的影響，在較大的變形量下 (本試驗壓下率為80%)，試驗鋼的晶粒較細，且大小分布不均勻，這是延伸率降低的一個主要原因。雖然在加熱速率為5℃/s時，試驗鋼的抗拉強度和屈服強度不是最高，但其延伸率最高，屈強比最低，有利于細晶高強IF鋼深沖加工。

表2 不同加熱速率下試驗鋼的力學性能

加熱速率在2～15℃/s之間，隨著加熱速率的升高，試驗鋼的r值不斷升高，n值降低。在加熱速率為15℃/s時，r值最大為1.928，在加熱速率為2℃/s時，n值最大為0.271。塑性應變比和加工硬化指數是衡量深沖鋼板成型性能好壞的兩個重要指標。本試驗的細晶高強IF鋼的r值和n值普遍要比傳統高強IF鋼的要高，更加有利于改善細晶高強IF鋼的成型性能。

2.2 試驗鋼不同退火工藝下的微觀形貌

壓下率為80%，退火溫度為850℃，退火時間為60 s時不同加熱速率試驗鋼的二相粒子微觀形貌如圖3所示。

從圖3可以看出，較大二相粒子尺寸為70～80 nm，其形狀以方形、圓角方形為主，也有的為圓片形。較小二相粒子的尺寸為30～40 nm，其形狀以球狀、橢球狀為主，也有少量的為方形。隨著加熱速率的提高，無沉淀析出區的體積分數也隨之逐漸增大，形狀更加穩定。當加熱速率為15℃/s時，無沉淀析出區（PFZ）的寬度達到了 1.2 μm，如圖3（d）所示。

2.3 無沉淀析出區

汽車外面板特性要求之一是要有低的屈強比，強化IF鋼時，是靠固溶強化和析出強化，屈服強度會隨抗拉強度上升而上升，PFZ隨再結晶晶粒成長，在移動的晶界軌跡上殘留粗大的析出物，最后出現一個晶粒內有細小析出物區和稀疏的粗大析出物，兩個區域共存［6］。

合金成分中含有0.005 3%C和0.051%Nb的鋼在經過650℃卷取后，根據Trurkdongan得出的鈮碳化合物在鐵素體中溶解度理論，鋼中的鈮碳化合物將充分沉淀。因此，大量細小鈮碳化合物將抑制退火過程中的再結晶，并且晶粒的生長也將因沉淀相的釘扎作用而受到限制。可以認為，晶界周圍無沉淀區是在再結晶之后晶粒生長過程中形成的，因為其形狀與位置與前面提到的再結晶的晶粒邊界相類似。

圖4為壓下量80%、退火溫度850℃、退后時間60 s、加熱速率10℃/s退火試樣中細小沉淀的分布規律。從圖4（a）、（b）可以發現，相對粗大沉淀物的分布幾乎構成了晶粒的輪廓，某些粗大沉淀的排列與平行沉淀排列相伴并存。在這兩對排列的間距處，沒有發現細小沉淀，除了少量更加粗大的沉淀，近乎形成了一無沉淀區。由于這種所謂的無沉淀區總體上在晶粒邊界兩側形成，在晶粒邊界的一側很明顯地觀察到這些伴有細小沉淀的間隔。圖4（c）、（d）為PFZ 附近二相粒子的大小、形貌、分布及EDS圖片。在圖4（c）中分布著直徑在30 nm到50 nm的細小沉淀，其形狀以圓球狀、橢球狀為主，還有個別為長方形，并且通過EDS分析還發現了Nb和C的分布,因此該析出物為NbC。圖4（d）為PFZ內部粗大二相粒子，其形狀為圓角方形，尺寸為120 nm左右，通過EDS分析還發現了Nb和C、N的存在，因此該析出物為 Nb（CN）。

3 結論

（1）隨著加熱速率提高，鐵素體尺寸更加均勻，餅狀鐵素體數量增多。無沉淀析出區的體積分數也隨之逐漸增大，形狀更加穩定。

（2）隨著加熱速率的提高，試驗鋼屈服強度和抗拉強度有所提高，r值不斷提高，n值不斷降低。屈服強度最大為295.4 MPa，抗拉強度最大為474.8 MPa，r值最大為 1.928，n值最大為 0.271。

（3）經EDS分析，形狀為圓角方形，尺寸為120 nm左右的二相粒子為Nb（CN），形狀為圓球狀、橢球狀，尺寸為30～50 nm的二相粒子為NbC。

［1］ 李文彬，官軍．深沖鋼（IF鋼）的研究與發展概況［J］．冶金設備，2005（3）：32-33．

［2］ 馬鳴圖．我國汽車鋼板研究與應用進展 ［J］．鋼鐵，2001，36（8）：64-69．

［3］ 康永林．現代汽車板的質量控制與成形性［M］．北京：冶金工業出版社，1999．

［4］ H．Saitoh，K．Ushtoda，T．Senuma，et al．Structural and textural evolution during subsequent annealing of steel sheet hot-rolling in α Phase ［J］．The Iron and Steel Institute of Japan，1988：628-632．

［5］ Tither G，Garcia C．Precipitation Behavior and Solute Effects in Interstitial Steels，Proceedings of International Forum for Physical Metallurgy of IF Steels ［J］．ISIJ International,1994，(5)：293-322.

［6］ 大澤一典．析出物對超低碳IF鋼板的再結晶、晶粒長大行為的影響［J］．CAMPISIJ，1996．