Si對580 MPa級熱軋高擴孔鋼組織性能及表面質量的影響

郭子峰 張 衍 李秋寒 郭 佳 馮 軍 趙 青

（1.首鋼集團有限公司技術研究院薄板所，北京 100043；2.綠色可循環鋼鐵流程北京市重點實驗室，北京 100043；3.北京首鋼股份有限公司制造部，河北遷安 064404）

熱軋酸洗板是介于冷軋板和熱軋板之間的中間產品，它具有接近冷板的表面質量，同時保持著熱軋產品的力學性能，已經廣泛用于汽車、家電和機械等行業，市場需求量大［1-3］。高擴孔鋼作為先進高強度鋼的典型鋼種，是目前熱軋酸洗板研究的熱點之一，具有優異的成形性能和良好的疲勞性能，用于制造乘用車的副車架、控制臂等核心零部件，有助于整車輕量化、安全化［4］。

表面質量不僅是產品生產控制的基礎，更影響了用戶的生產工藝，部分使用環境苛刻的零件要求光學檢驗無缺陷。隨著汽車、家電工業的迅速發展，用戶對熱軋酸洗帶鋼表面質量的要求越來越高。高等級表面的熱軋酸洗高擴孔鋼的難點在于成分體系選擇以及連鑄、熱軋、酸洗等多工序控制。

Si作為鋼鐵材料常用的強化元素，幾乎可全部固溶于鐵素體中，能夠顯著提高鋼的強度，且有利于獲得高的疲勞強度。然而研究發現［5］，由于Si為選擇性氧化，高溫氧化時在FeO與基體界面上形成2FeO／SiO2（鐵橄欖石相），鐵橄欖石相成熔融狀態后便會以楔形侵入基體，形成錯綜復雜的特殊結構的鱗層，導致表面形成“紅鐵皮”缺陷，影響產品的外觀質量。

本文重點研究了Si元素對熱軋580 MPa級高擴孔鋼（580HE）的組織、性能及表面質量的影響，并對其作用機制進行了探討，以期為提高580HE鋼的生產工藝水平和產品質量提供試驗依據。

1 試驗材料與方法

為了滿足客戶對產品表面質量的需求，本著經濟工業生產的目的，首鋼580 MPa級高擴孔鋼采用C-Mn-Nb-Ti成分體系，通過中溫卷取獲得鐵素體和貝氏體雙相組織。Mn是高擴孔鋼中常用的合金元素，可有效提高奧氏體的淬透性，并降低鐵素體中的固溶碳量，從而提高鋼的延性。Nb不僅能夠延遲再結晶，同時對冷卻過程中的奧氏體向鐵素體轉變具有一定的抑制作用，且在鐵素體轉變過程中析出的碳氮化物，能抑制轉變的鐵素體晶粒長大，細化鐵素體晶粒。Ti元素具有廉價、高效的特點，在熱連軋和卷取后析出的Ti（C，N）粒子非常細小，能產生強烈的沉淀強化效應。

首鋼580 MPa級熱軋高擴孔鋼的化學成分設計如表1所示，并將高Si、低Si含量的高擴孔鋼分別編為1號和2號。

表1 580 MPa級熱軋高擴孔鋼的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical compositions of the 580 MPa grade hot-rolled steel with high hole expansion ratio（mass fraction） %

熱軋580HE鋼的生產工序為：鐵水預處理→轉爐→LF精煉處理→RH精煉處理→板坯澆注→加熱爐→高壓水粗除鱗→粗軋→高壓水精除鱗→精軋→層流分段冷卻→卷取。帶鋼成品厚度為3 mm。熱軋卷取后，距離帶鋼尾部15 m取樣，在寬度1／4處橫向切取3根拉伸試樣。按照 GB／T 228.1—2010規定，在德國Zwick Z100型電子萬能材料試驗機上進行拉伸試驗，彈性階段至屈服階段采用0.000 25 s-1的應變速率，測定屈服強度或塑性延伸強度后，采用0.006 7 s-1的應變速率，取3根試樣的平均值。

在帶鋼寬度1／4處切取尺寸為20 mm×15 mm金相試樣，研磨、拋光后，用體積分數為4%的硝酸酒精溶液浸蝕，使用萊卡DM6000M光學顯微鏡、蔡司EVO MA15掃描電鏡進行組織觀察，使用JEM-2000FX型透射電鏡對微觀組織及位錯形態進行觀察。軋制后、卷取前利用在線表面檢測系統拍攝帶鋼上下表面圖像。

擴孔率試驗根據GB／T 15825.4—2008進行，擴孔試樣尺寸為100 mm×100 mm，中間預制直徑d0為10 mm的沖孔。沖孔時將毛刺邊緣朝向凹模孔，啟動試驗機把錐頭凸模壓入預制孔，凸模運動速度為1 mm／s，當裂紋穿過預制孔整個厚度邊緣時沖孔試驗停止。擴孔率取3個試樣擴孔試驗的平均值。擴孔率λ表達式為：

式中：df為出現破斷時的孔徑，d0為初始孔徑。

2 試驗結果

2.1 力學性能

不同Si含量的580 MPa級熱軋高擴孔鋼的力學性能測試結果見表2。由表2可知，兩種試驗鋼的力學性能良好，均滿足標準要求。其中Si含量較高的1號鋼的屈強強度和抗拉強度較高，分別達到了568和615 MPa，擴孔性能良好，擴孔率達到了82%。Si含量較低的2號鋼的屈服強度和抗拉強度分別降低了26和13 MPa，屈強比降低至0.90，擴孔率降低至76%。

表2 580 MPa級熱軋高擴孔鋼的力學性能Table 2 Mechanical properties of the 580 MPa grade hot-rolled steel with high hole expansion ratio

2.2 顯微組織

不同Si含量的580 MPa級熱軋高擴孔鋼的OM和SEM像如圖1所示。可見兩種試驗鋼的組織均為鐵素體加粒狀貝氏體，其中白色相為鐵素體，黑色相為粒狀貝氏體。相比于2號鋼，1號鋼的鐵素體晶粒略細，且整體組織均勻性更好。通過Image Tool圖像處理軟件計算得到1號和2號鋼中的貝氏體體積分數分別為7.5%和9.8%。

圖1 580 MPa級熱軋高擴孔鋼的顯微組織Fig.1 Microstructures of the 580 MPa grade hot-rolled steelswith high hole expansion ratio

不同Si含量的580 MPa級熱軋高擴孔鋼鐵素體中位錯組態的TEM像如圖2所示。可以看出，兩種試驗鋼鐵素體中的位錯密度均不高。其中1號鋼中的位錯密度較高，呈密集的網狀，相互交割、纏繞在一起。

2.3 氧化鐵皮形態及表面質量

圖3為不同Si含量的580 MPa級熱軋高擴孔鋼的典型氧化鐵皮截面形貌。可以看出，2號鋼表面的氧化鐵皮厚度在6～8μm之間，1號鋼表面的氧化鐵皮厚度約為9～17μm，且氧化鐵皮與基體界面不規則，呈凹凸狀。對氧化鐵皮進行能譜分析，結果如表3所示，主要含有 O、Si、Mn、Fe等元素，且1號鋼的氧化鐵皮中的Si含量明顯高于2號鋼的。

圖2 580 MPa級熱軋高擴孔鋼中鐵素體的TEM形貌Fig.2 TEM morphologies of ferrite in the 580 MPa grade hot-rolled steelswith high hole expansion ratio

圖3 580 MPa級熱軋高擴孔鋼表面的氧化鐵皮截面形貌Fig.3 Cross-sectionalmorphologies of oxide scales on the surface of the 580 MPa grade hot-rolled steelswith high hole expansion ratio

表3 氧化鐵皮能譜分析結果Table 3 Energy spectrum analysis of oxide scales

不同Si含量的580 MPa級熱軋高擴孔鋼表面紅銹的典型分布如圖4所示。可以看出，Si含量較高的1號鋼表面的紅銹數量較多，2號鋼表面僅見少量紅銹。

3 討論及分析

Si是低碳鋼中最經濟的強化元素之一，它通過影響相變、組織等影響鋼材的性能，其在鋼鐵材料中有益作用的研究已開展較多［6-7］。Si是非碳化物形成元素，幾乎不溶于Fe3C中，抑制了貝氏體形成所需的貧碳區的形成，從而導致貝氏體的數量減少，這與圖1的結果一致。對1號、2號鋼中鐵素體的位錯組態的觀察發現，較高Si含量鋼中的位錯密度較高，推斷為較高含量的Si原子引起更大的晶格畸變所引起的。

圖4 580 MPa級熱軋高擴孔鋼表面紅銹的典型分布Fig.4 Typical red scale on the surface of the 580 MPa grade hot-rolled steelswith high hole expansion ratio

熱軋高擴孔鋼的強化機制主要有固溶強化、細晶強化、沉淀強化和相變強化等。屈服強度主要與軟質相鐵素體相關，固溶強化、細晶強化等的作用明顯。這些因素對屈服強度σy的影響可以用式（2）來表達［8］：

式中：σy為屈服強度；σ0為基體點陣阻力即P-N力；△σm為固溶強化的作用；△σt為沉淀強化的增量；△σv為位錯強化的作用；D為晶粒直徑；K1為晶粒尺寸系數。

△σm固溶強化的作用如式（3）所示：

式中［M］為固溶于鐵素體基體中溶質（C、N、Si和Mn）的質量分數，%。

根據式（3），當Si含量增加時，固溶強化作用明顯增大。Si作為增加碳在奧氏體中活度的元素，可顯著促進碳由鐵素體向奧氏體內擴散，增加了鐵素體的形核率，從而細化了體素體，起到了有效的細晶強化作用。因此，Si含量的增加可顯著提高580 MPa級熱軋高擴孔鋼的屈服強度，這與表2結果一致。雖然Si含量的增加細化了鐵素體晶粒，但基體中硬質相粒狀貝氏體的數量減少，削弱了對抗拉強度的貢獻，導致試驗鋼的抗拉強度增加較少。

擴孔性能是關鍵的成形性能指標之一，反映了鋼板抵抗翻邊變形過程中局部開裂的能力，主要受基體組織硬度差的影響［10-11］。Si含量較高時，鐵素體晶粒尺寸較小，且固溶強化作用增大，使得鐵素體硬度提高，導致鐵素體與貝氏體兩相之間的硬度差減小，提高了材料的成形極限和各相之間的協調變形能力，抑制了裂紋的擴展（如圖5所示），有利于擴孔率的提高，最終導致Si含量高的1號鋼的擴孔率高于2號鋼。

當高擴孔鋼中的Si含量較低時，結合界面附近的氧化鐵皮層中無明顯的Si元素富集，使得氧化鐵皮的致密度及與帶鋼基體的黏附性下降，在除鱗過程中FeO層去除的概率增大，從而減少了紅鐵皮缺陷。

圖5 1號鋼中裂紋擴展路徑Fig.5 Crack propagation path in steel No.1

4 結論

（1）580 MPa級熱軋高擴孔鋼的基體組織為鐵素體和粒狀貝氏體。Si含量較高的試驗鋼中鐵素體晶粒尺寸小且均勻性較好，位錯密度較高，但貝氏體含量較少。

（2）Si含量較高的試驗鋼的屈強強度和抗拉強度分別達到了568和615 MPa，擴孔率為82%。Si含量較低的試驗鋼的屈服強度和抗拉強度分別降低了26和13 MPa，擴孔率降低至76%。

（3）Si含量較高的試驗鋼的氧化鐵皮厚度約為9～17μm，且氧化鐵皮與基體界面不規則，呈凹凸狀，熱軋鋼帶表面有明顯的紅銹。Si含量較低的試驗鋼的氧化鐵皮厚度為6～8μm，鋼帶表面僅見少量的紅銹。

（4）Si元素具有明顯的固溶強化和細晶強化作用，Si含量的增加可明顯提高熱軋高擴孔鋼的屈服強度，并縮小了鐵素體與貝氏體兩相之間的硬度差，有利于擴孔率的提高。