鈮對熱軋酸洗鋼板組織和性能的影響

孫成錢 時曉光 董 毅 劉仁東 徐榮杰 張 宇

(鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009)

近年來，隨著汽車業的高速發展，汽車制造商對鋼鐵材料性能的個性化要求日益提高。作為車輛的重要組成部件，汽車底盤部件和車輪等由于形狀復雜，且在制造過程中需要進行包括拉伸翻邊、彎曲、擴孔等成形方式，因此對鋼板的成形性能，尤其是擴孔性能(延伸凸緣性能)提出了較高的要求[1- 4]。

熱軋酸洗鋼板是在熱連軋機上熱軋，隨后經酸洗機組酸洗去除氧化鐵皮，其表面質量和性能介于熱軋鋼板和冷軋鋼板之間，可部分替代熱軋鋼板和冷軋鋼板[5- 7]。目前鋼鐵市場行情嚴峻，熱軋酸洗鋼板的表面質量比熱軋鋼板好，在保證表面質量和使用性能的前提下，可使用戶的生產成本降低，對于鋼鐵企業來說，也是確保盈利的產品之一。

本文通過1 780 mm熱連軋機熱軋和1 700 mm酸洗機組酸洗，試制了含鈮和不含鈮兩種成分的鋼板，并研究了添加鈮對鋼板的組織和性能的影響。

1 試制鋼板的化學成分及試制工藝

兩種試制鋼板的化學成分見表1。

試制鋼板在1 780 mm熱連軋機上熱軋，隨后在1 700 mm酸洗機組上酸洗試制。試制工藝路線為：鐵水預處理→轉爐冶煉→爐外精煉→連鑄→加熱→軋制→層流冷卻→卷取- 開卷- 酸洗- 卷取。具體工藝參數為：將厚度為230 mm的連鑄坯加熱至1 250 ℃，保溫約2 h后熱軋，精軋的終軋溫度為880～900 ℃，鋼板出精軋機組后以大于50 ℃/s的冷速冷卻至660～690 ℃卷取，然后鹽酸酸洗，成品鋼板的厚度為3.0 mm。

表1 試制鋼板的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical compositions of the trial- produced steel plates (mass fraction) %

鋼板經熱軋及酸洗、卷取后，沿其1/4寬度處切取試塊，并制備金相試樣、拉伸試樣及擴孔試樣。金相試樣經研磨、拋光及4%硝酸酒精腐蝕后，采用光學顯微鏡對其顯微組織進行觀察分析。利用碳膜萃取復型技術制備投射電鏡樣品，在Tecnai G220型透射電鏡上觀察析出物的形貌和分布，并采用X射線能量色散譜儀分析析出物成分。沿鋼板縱向截取標準拉伸試樣，標距為50 mm，采用Z100型電子拉伸試驗機進行拉伸試驗。切取100 mm×100 mm的正方形試件， 并在試件中心沖制φ10 mm的圓孔，在ITC SP225萬能板材成型試驗機上進行擴孔試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 鈮的添加對鋼板顯微組織的影響

含鈮和不含鈮鋼板經熱軋及酸洗后的顯微組織見圖1。由圖1可知，兩種成分試制鋼板的顯微組織均由鐵素體和珠光體組成。由于化學成分的不同，鋼板的組織形貌具有一定的差異。與不含鈮鋼相比，含鈮鋼中的鐵素體含量較多，珠光體含量較少，且晶粒更加細小。含鈮鋼中添加了Nb元素，在高溫時Nb固溶于奧氏體基體中，能夠抑制奧氏體晶粒長大[8]，細化原始奧氏體晶粒并最終達到細化鐵素體晶粒的作用；同時，Nb元素的添加能夠提高鋼的未再結晶溫度，使鋼在熱軋機組的后部機架處于未再結晶區，增加應變積累，提高奧氏體向鐵素體轉變驅動力，細化鋼板組織；此外，Nb與C元素形成的NbC析出能夠提高鐵素體基體強度。

圖2為在透射電鏡下觀察到的含鈮鋼中的析出物形貌，能譜分析顯示為Nb的碳化物NbC，析出物呈圓形和橢圓形，尺寸約20 nm，主要分布于鐵素體基體中。NbC的析出有利于鋼板的屈服強度和擴孔性能的提高。

圖1 試制鋼板的顯微組織Fig.1 Microstructures of the trial- produced steel plates

圖2 含鈮鋼中析出物形貌及其能譜分析Fig.2 Morphologies and energy spectrum analysis of precipitates in Nb containing steel

2.2 鈮的添加對鋼板力學性能及擴孔性能的影響

試制鋼板的力學性能及擴孔性能檢測結果見表2。

由表2可知，兩種試制鋼板的力學性能良好，抗拉強度高于460 MPa，屈服強度達到310 MPa以上，斷后伸長率高于34%。含鈮鋼的屈服強度比不含鈮鋼高約40 MPa，但斷后伸長率差異不大，這主要是由于Nb元素的細晶強化和析出強化作用所導致。另外，含鈮鋼的擴孔率也明顯高于不含鈮鋼的，提高了約1倍。這是由于，一方面Nb元素細化了鋼板的組織，晶界數量增多，鋼板開裂時位錯滑移貫穿晶界需要克服的晶界能增加，使開裂難度增大，有利于擴孔率的提高；另一方面，鐵素體基體上彌散分布的細小NbC通過析出強化提高了鐵素體基體的強度，縮小了鐵素體與珠光體兩相的強度差，從而提高了鋼板的擴孔性能。

表2 試制鋼板的力學性能和擴孔率Table 2 Mechanical properties and hole expanding ratio of the trial- produced steel plates

3 應用

試生產的含鈮和不含鈮鋼板已在某汽車廠成功沖壓成汽車零件，如圖3所示。

4 結論

圖3 含鈮和不含鈮鋼板沖壓的汽車零件Fig.3 Automotive parts made from the trial- produced steel plates with and without Nb by stamping

(1)通過1 780 mm熱連軋機熱軋和1 700 mm酸洗機組酸洗試制的含鈮和不含鈮兩種成分的鋼板的顯微組織主要由鐵素體和珠光體組成，抗拉強度高于460 MPa，屈服強度達到310 MPa以上，斷后伸長率高于34%。

(2)Nb元素的添加，除細化了鋼板的組織外，還提高了鐵素體基體的強度，縮小了鐵素體與珠光體的強度差。與不含鈮鋼相比，含鈮鋼的屈服強度和擴孔率分別提高了約40 MPa和1倍。