冶金因素对IF 钢力学性能的影响.pdf

1 冶金因素对冶金因素对 IF 钢力学性能的影响钢力学性能的影响 Shunichi Hashimoto CBMM ASIA CO.,LTD. 1、前言、前言 在过去十年，脱气技术的发展与连续退火线使冷轧退火或热镀锌 IF（无间隙原子）钢的产量 迅速增加[1-3]。碳、氮含量的降低不仅使钢的力学性能得到改善，而且降低了 Nb 和/或 Ti 的加 入量从而降低了生产成本。此外，连续退火线上的高温退火也使提高了钢的力学性能和生产率。 最近，热镀锌 IF 钢的生产得到提高，改善了汽车面板的抗蚀性。 IF 钢最重要的特性是它的优越的深冲性能。本文将讨论冶金因素对力学性能尤其是各向异性 与 r 值的影响，也将讨论微合金化元素对镀锌 IF 钢薄板和高强度 IF 钢薄板表面情况的影响。 2、冶金因素对、冶金因素对 r 值的影响值的影响 自从 60 年代末开发出 IF 钢， 已有几种机理描叙如何获得高 r 值。 改善 r 值的 5 个重要的冶金 因素如下所述 1） 固碳、氮，成为稳定的析出物； 2） 退火过程中的晶粒长大； 3） 热带钢的晶粒细化； 4） 冷压下； 5） 热带钢中的织构。 本文将介绍这些因素对 r 值与织构形成的影响。 2.1 强碳化物形成元素的“净化”作用强碳化物形成元素的“净化”作用 Kokubo 等人[4]研究了碳化物形成元素 Zr、Cr、Mo,、V、Ti、Ta 与 Nb 对冷轧箱式退火钢薄 板的 r 影响，见表 1。热带钢在冷轧前进行再加热处理，使固溶的碳氮可能以碳化物和氮化物的 形式析出。 表 1 钢的化学成分wt No C Si Mn P S O N Zr Cr Mo V Ti Nb M/CNN* Zr 1 2 3 4 5 0.018 0.017 0.016 0.018 0.015 0.01 0.015 0.04 0.014 0.011 0.28 0.30 0.32 0.30 0.30 0.011 0.014 0.015 0.015 0.016 0.019 0.019 0.019 0.018 0.017 0.0015 0.0048 0.0048 0.0024 0.0033 0.0052 0.0051 0.0070 0.0054 0.0054 0.12 0.21 0.24 0.28 0.23 0.68 1.23 1.44 1.63 1.47 Cr 1 0.009 0.0050.33 0.015 0.0140.00440.0040 0.18 3.37 Mo 1 0.013 0.0050.31 0.016 0.0160.00290.0050 0.32 2.24 V 1 0.023 0.008 0.34 0.015 0.0180.00150.0044 0.33 2.94 Ti 1 0.020 0.0050.11 0.015 0.0150.00200.0043 0.12 1.24 Nb 1 0.013 0.006 0.29 0.015 0.0160.00900.0052 0.16 1.19 * 碳化物形成元素对CN的原子百分率 如图 1 所示，Nb、Ta、Ti 和 Zr 的添加效果比 V、 Mo 和 Cr 要好。冷轧前采取合适的再加热 温度，r 值显著增加。如图 2，当过量的 Ti 达到 0，也就是溶解的碳氮以碳化物和氮化物的形式 被“净化”, r-平均值急剧增加，接着逐渐增加。 2 图 1 热带钢中微合金化元素和退火温度对冷轧箱式退火钢薄板的 r 的影响[4]（再加热；盐浴 3 小时） 图 3 为碳化物在钢中的溶度积。表现 出高 r 值的元素如 Ta、Nb、Ti 和 Zr，溶度 积低；相反，低 r 值的元素如 V、Mo 和 Cr，溶度积高。 由这些结果可以得出在含 Ta、Nb、 Ti 或 Zr 的 IF 钢中，主要是由于添加了强 碳氮化物形成元素以及再加热而使冷轧前 溶解碳降到最低，不存在固溶碳，而获得 高 r 值。 Ti*Ti-4C3.43N 图 2 Ti* 与 r 平均值的关系[5] 图 3 碳化物在钢中的溶度积[4] r 平均 3 2.2 退火过程中的晶粒长大退火过程中的晶粒长大 图4给出r-平均值与晶粒度之间 的关系。对所有钢，随着晶粒度的 降低，r-平均值增加，特别是高 Ti 含量的 Ti-IF 钢具有更高的 r 值。传 统的 Nb-IF 钢与高 Ti 含量的 IF 钢一 样具有相同的 r 值与晶粒度的关系。 图中钢 B 是新开发的 Nb-IF 钢，其 化学成分为 0.0052C- 0.62Mn- 0.04P- 0.068Nb。这些结果表 明，随着晶粒长大，r 值增加，这应 该是由钢的纯净化、退火温度与析 出物的控制引起的。 2.2.1 纯净化纯净化 采用几种不同的真空熔炼钢来评价碳、氮与硫的纯净化对 Ti-IF 钢的 r-平均值的影响。 图 5 给出碳、 氮与硫含量对 80冷轧 850℃退火 90s 的薄板的 r-平均值的影响。 随着碳含量的 降低，r-平均值增加，钢中含 0.001C 时，r-平均值达到 2.6。在 0.002C- 0.001S- 0.005P- 0.025Ti 钢中，氮含量从 0.003降到 0.001，r-平均值从 2.0 增加到 2.4 。硫含量对 r-平均值的 影响与碳氮类似。硫含量降低，r-平均值从 2.0 增加到 2.4。在高纯净的 IF 钢中，认为在退火过程 中由于析出物 TiC、TiN 与 TiS 或 Ti4C2S2 减少而带来晶粒长大，使 r 值高。 图 6 给出碳和铌含量对 Nb-0.01Ti-IF 钢的力学性能和再结晶温度的影响。随着碳和铌含量 的降低，r-平均值与延伸率增加。高的 r-平均值与延伸率意味着退火板中通过 NbC 析出物的减少 而使晶粒长大。再结晶温度也随着碳和铌含量的降低而降低。 图 4 r-平均值与 ASTM 晶粒度的关系[6，7] 图 5 碳、氮和硫含量对 r-平均值的影响[8] 碳含量的影响0.005P-0.001S-0.001N-0.02-0.053Ti 氮含量的影响0.001C-0.005P-0.001S-0.025Ti 硫含量的影响 4 图 6 碳、铌含量对 Nb-0.01Ti-IF 钢的 r-平均值、延伸率和再结晶温度的影响[9] 图 7 给出氮含量对在 600℃卷取的 Nb-IF 与 Nb-Ti-IF 钢的影响。在这两种钢 中，随着氮含量的降低，r-平均值与延伸 率增加，而屈服强度降低。尤其对高的氮 含量， Nb-Ti-IF 钢比 Nb-IF 钢的值高。 这 些是由于在退火过程中氮化物如 AlN 和 NbN 减少使晶粒长大的结果。 2.2.2 高温退火高温退火 如图 4 所示， r-平均值与晶粒度有非常 紧密的联系。图 8 示出退火温度和退火时 间对 Ti-IF 的晶粒度和 r-平均值的影响。 退火温度升高， 晶粒尺寸与 r-平均值增大。 与退火温度相比，退火时间对晶粒尺寸与 r-平均值的影响要小。晶粒度与 r-平均值 相一致。就是说，高的 r-平均值是通过高 的退火温度得到的， 而不是长的退火时间。 2.2.3 析出物析出物 在 Ti-IF 钢中，不同类型的析出物如 TiN、 TiC、TiS、Ti4C2S2、MnS 等等对 r 值和其他力学性能有影响。对 TiC 和 TiN 已进行了长时间的研究，它们的作用前面 已经叙述。在日本，从 1990 到 1993 年在 ISIJ 对它们进行了系统的研究，并有了最 终的报告“IF 钢的物理冶金[11]”和“超 低碳无间隙钢的物理冶金专刊[12]” 。 图 7 氮对 Nb-IF 和 Nb-Ti-IF 钢力学性能的影响[9] 图 8 退火温度与时间对晶粒度和 r-平均值的影响[10] 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 5 Hashimoto[13]研究了析出物对碳含量小于 0.001的 Ti-IF 钢的 r-平均值的影响。图 9 给出板 坯再加热温度与 Mn 含量对 r-平均值的影响。 尽 管在 0.35Mn钢中 r 值没有随板坯再加热温度 变化而变化，但在 0.05Mn 钢中，随着再加热 温度的降低，r 值显著增加。0.05Mn 钢在低的 再加热温度下 r 值显著增加是由热带钢中的晶 粒细化以及冷轧退火板晶粒长大引起的，如图 10。 通过 TEM 观察与热计算来讨论热带钢冷轧 退火后析出物与晶粒长大的关系。如图 11 所示， 0.0008C- 0.05Mn- 0.022Ti 钢再加热温度为 1050℃热轧后析出物为 TiS， 它会使热带钢的晶粒 细小，冷轧退火后的晶粒中等程度长大。而再加 热温度为 1200℃，析出物为细小的 Ti4C2S2 ，该 析出物被认为是在热轧过程中和/或轧后析出的， 它使热带钢和冷轧退火后的薄板得到细小的晶粒。相反 0.0006C- 0.35Mn- 0.022Ti 钢在 1050℃和 1200℃再加热后，发现钢中有粗大的 MnS，结果热轧后热带钢中晶粒粗大。卷取后析 出的小的 TiC 颗粒抑制了冷轧退火板的晶粒长大。通过钢的化学成分、热带钢与冷轧退火板的析 出物以及晶粒长大特性的相互作用，决定了 r 值。 Yoshinaga 等人[14]也研究了 S、 Ti 含量以及板坯再加热温度对 Ti-IF 热带钢中硫化物析出行 为的影响并获得了 TiS 和 Ti4C2S2 的溶度积。 Tokunaga 等人[9]讨论了析出物对 Nb-IF 钢力学性能的影响。图 12 给出合金元素对 Nb-IF 图 9 板坯再加热温度对 r-平均值的影响[13] 图 10 板坯再加热温度对热带钢晶粒尺寸 和退火板晶粒尺寸的影响[13] 图 11 析出物计算的摩尔分数[13] 6 和 Nb-Ti-IF 钢力学性能的影响。对 Nb /C 原子比小于 1 的 Nb-IF 钢，在 720℃卷取时，最大 r-平 均值为 1.9，而延伸率为 48。另一方面，对 Nb-Ti-IF 钢，除了加 Nb，还添加了与 N 当量相同 的 Ti，与 Nb-IF 钢相比，有优越的 r-平均值和延伸率。尤其是，在正常的卷取温度 600℃下卷取， Nb-Ti-IF 钢的 r 值和延伸率的改善明显。 图 12 合金元素对 Nb-IF 和 Nb-0.01Ti-IF 钢力学性能的影响[9] 图 13 给出了 Ti 的加入量对 Nb-IF 钢 的力学性能、再结晶温度已经碳化物和氮 化物类型的影响，并与 Ti-IF 钢作了对比。 随着加入到Nb-IF钢中的Ti加入量接近于 N 当量，与仅加 Nb 的 Nb-IF 钢相比，尤 其在正常温度下卷取或高温卷取的卷取 端，钢的力学性能大幅度改善。这是因为 在 Nb-IF 钢中形成了大的立方形的 TiN 颗 粒而不是细小的 AlN 颗粒。如果 Ti 的加 入量超过了形成 TiN 的量， 多余的 Ti 形成 细小的 TiC 颗粒，从而与上面提到的情况 相比，屈服强度增加，而 r-平均值降低不 大。 如果 Ti 的加入量大大超过 N 当量和 C 含量，则该钢的力学特性将渐渐变得与 Ti-IF 钢差不多。 图 13 Ti 对 0.023 Nb-Ti-IF 钢力学性能的影响[9] 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 7 2.3 热带钢的晶粒细化热带钢的晶粒细化 图 14 给出 Ti-IF 钢的 r-平均值与热轧后晶粒尺寸的关系。 随着热带钢的晶粒尺寸减小， r-平均 值增加。如图 15 所示，r-平均值和退火薄板与热轧带钢的晶粒尺寸比相关。热轧后立即快冷或控 制热轧带钢的精轧温度对晶粒细化很有效。 图 14 r-平均值与热带钢的晶粒尺寸的关系[13] 图 15 退火板与热带钢的晶粒尺寸比率的影响 2.4 冷压下冷压下 冷轧压下量显著影响 r-平均值，如图 16 所示[15]。沸腾钢与 Al 镇静钢在大约 70的 压下量时 r-平均值最高， 分别为 1.4 和 1.8。 另 一方面，对超低碳 Ti-IF 钢，当其冷压下量超 过 80时，r-平均值最高，达到 2.1。然而， 由于受到冷轧机实际能力的限制，一般在 IF 钢生产中采用 80的压下量。 2.5 热带钢的织构控制热带钢的织构控制 当精轧温度降到 Ar3 点以下，由于冷轧 退火薄板中（100）织构的出现而使 r 值恶化。 然而， 如果在铁素体非再结晶区采用好的润滑 轧制，能得到比传统热轧与冷轧钢薄板更好的 r 值。表 2 给出了实验中两种钢的化学成分。采用 图 17 的轧制规程进行试验[16，17]。 表 2 化学成分wt[16，17] 钢 C Si Mn P S Al Nb Ti N 0.0045 0.02 0.21 0.015 0.006 0.041 0.06 T 0.0020 0.02 0.11 0.020 0.008 0.024 0.032 图 16 冷压下量对不同钢的 r-平均值的影响[15] 8 图 17 热轧实验规程[16，17] 图 18 热轧温度对非再结晶区分数的影响[16，17] 图 19 冷轧压下量和精轧温度对 r 值的影响[16，17] 图18给出了精轧温度与热带钢微观组织和由压缩型转变测试仪测出钢的Ar3 与 Ar1 点的关 系。对钢 N，在 820℃热轧未观察到再结晶晶粒，而钢 T 即使在 750℃热轧也可观察到少量的再 结晶晶粒。图 19 给出了精轧入口温度（FET）750℃（铁素体非再结晶区热轧）和 880℃时 r 值 与冷压下量的关系。对钢 N，FET 为 750℃时，冷压下量为 70到 80 r 值最高。而压下量为 90 或 93时 r 值反而差些。 对钢 T，FET 为 750℃时，压下量在 80-90之间 r 值在大，为 2.3。如 果 FET 为 880℃，压下量为 70 和 80，r-平均值显著降低，而当压下量达到 90时 r 值最大。 热轧温度对 （200） 极图的影响如图 20 所示。 当在 750℃热轧， 在冷轧薄板中出现了 RD// 纤 维织构。随着 FET 的提高，该织构非常少，并达到任意取向。热轧薄板在低 FET 获得的这种织 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 9 构，这会甚至在中等程度的压下量形成冷轧织构，而利于冷轧退火板中 //ND 织构的形成。 利用在铁素体非再结晶区的这种热轧技术，有可能在 70-80的冷轧压下量而获得材料能够达到 的最大 r 值。然而，必须提高的是，好的润滑条件可避免厚向织构的不单一性。 图 20 热轧温度对热轧钢 N 的（200）极图的影响[16，17] 3 Nb 和和 Ti 对镀锌对镀锌 IF 钢的抗粉化能力的影响钢的抗粉化能力的影响 如图 21 所示，在日本，冷轧薄板的产量在下降，相反，镀锌 IF 钢（GA）板的产量在明显 地增加。1998 年，镀锌 IF 钢板的产量首次超过冷轧板。对冷轧薄板，Ti-IF 钢用起来一点问题都 没有，然而，对热镀锌 IF 钢，仅加 Ti 的 Ti-IF 钢使用时表面就出现问题了。 图 22[18]比较了 Nb-Ti-IF 和 Ti-IF 钢抗粉化能力， 抗粉化能力由 45oV 型缺口弯曲试验测得。 同样重的涂层，Nb-Ti-IF 钢比和仅加 Ti 的 Ti-IF 钢粉化倾向要低得多。对汽车工业，要求涂层重 达 45g/m2，由于 Ti-IF 钢弱的抗粉化能力而无法使用。 Hisamatsu[19]和 Nishimoto 等人[20]指出，Ti-IF 钢镀锌表面的劣势是由“爆裂”行为以及快 的合金化速度引起的。图 23[19]给出“爆裂”行为的示意图。在镀锌过程中，Zn 扩散进入 Fe2Al5 层，接着扩散到 Ti-IF 钢干净的晶界并在晶界处形成 Fe-Zn 相互渗透的复合物（IMC） 。Fe-Zn 体 积膨胀，IMC 暴露了铁素体晶界，促进了在 Fe-Al 相互渗透的复合物中裂缝的产生。融化的 Zn 从裂缝处渗出，引起 Fe-Zn 快速反应及 Fe-Zn（IMC） “爆裂“。对 Nb-Ti-IF 钢，退火过程中固溶 C 的溶解制约了 Zn 的晶界扩散，从而限制了“爆裂” ，改善抗粉化能力。 10 4 高强高强 IF 钢钢 过去十年 ，在 IF 钢基础上开发出来具有优越成型性能的高强度冷轧薄板或热镀锌薄板主要 是通过固溶元素如 Si、Mn 或 P 来强化，如图 24[1]。如果加入太多的固溶元素，IF 钢中晶界强度 不足而对二次加工脆性敏感，这是 IF 固有的缺点。当用这种 IF 钢生产热镀锌板时，这些高含量 的元素，尤其是 Si，会恶化汽车面板要求的良好的涂层的表面质量和均匀附着性。 Yamada 等人[21]研究了具有优越深冲性能和抗二次加工脆性的高强度 IF 钢。图 25 给出了不 同 Si、 Mn 和 P 含量的几种不同类型的 IF 钢的抗拉强度与 r-平均值的关系。 抗拉强度相同时， Nb-Ti 或 Nb IF 钢比 Ti-IF 钢有更高的 r-平均值。 图 26 给出了几种钢的转变温度和 B 加入量对转变温度的影响。对所有钢而言，加入 B 确实 能改善抗脆性，但 Nb、Ti 复合 IF 钢比单独加 Nb 或 Ti 的 IF 钢效果更明显。由于 B 在 Nb-Ti 复 合 IF 钢与 Nb-IF 钢中存在的状态不同而呈现不同的作用。在 Nb-Ti 复合 IF 钢中，由于 N 以 TiN 的形式析出，B 就以固溶原子存在，因而抑制 P 在晶界偏析。同时，固溶 B 也强化了晶界本身。 而另一方面，在 Nb-IF 钢中，绝大部分 B 以 BN 的形式析出，因而固溶 N 量很小。Nb-Ti-IF 钢比 Ti-IF 钢具有好的抗脆性的原因是前者有少量的固溶 C 与 B 共同存在。固溶 C 抑制了 P 在晶界的 偏析而强化了晶界。 0 20 40 60 939495969798 Year Ratio C R G A H SS 图 21 日本 IF 生产比例的周期变化[2] 图 22 GA-IF 钢的粉化倾向[18] 图 23 “爆裂”行为的示意图[19] 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 11 图 24 高强度 IF 钢冶金过程示意图[7] 图 27 试验过程示意图[7] 如图 24，最近，Kitano 等人[7]研究了利用晶粒细化与析出强化和固溶强化。化学成分和试验 图 25 不同 IF 钢的 TS 与 r-平均的关系[21] 图 26 B 的加入对不同 IF 钢的转变温度的影响[21] 12 步骤分别在表 3 和图 27 中给出。表 3 中的钢 A 是传统的 Nb-IF 钢，其中 Nb 与 C 的化学配比较 高。钢 B 中 C 和 Nb 的加入量都比钢 A 中的要高很多，目的是达到晶粒细化和固溶强化的效果。 表 3 试验钢的化学成分wt[7] 钢 C Si Mn P N Nb Nb/Cat A 0.0020 0.02 0.66 0.043 0.0029 0.022 1.42 B 0.0052 0.01 0.62 0.0400 0.0032 0.068 1.69 图 28 给出了冷轧退火板的力学性能。晶粒细化与固溶强化共同作用使钢 B 的抗拉强度大约 提高了 30MPa。然而，钢 B 的屈强比 YP/TS 却比钢 A 低了 10，r-平均值高些，为 2.0。 图 29 给出了镀锌板的抗拉强度与抗二次加工脆性的转变温度的关系，采用冲杯卷边试验。从 图中可以看出，钢 B 比钢 A 的转变温度大约低了 50℃，这是晶粒细化作用的结果。 图 28 力学性能的比较[7] 图 29 开发的 IF 钢的转变温度[22] 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 13 5 结论结论 本文回顾了基本冶金因素对力学性能尤其是 r 值的影响并得出如下结论 1加入强碳、氮化物形成元素如 Nb、Ti 或 Zr 达到“净化”作用并选择合适的卷取温度是获得高 r 关键因素。 2 退火过程中晶粒长大， r-平均值增加。 钢的洁净化、 析出物的控制以及高温退火利于晶粒长大。 3 要得到高 r，也必须控制热带钢的晶粒尺寸、织构以及冷轧压下量。 4生产镀锌薄板，Nb 基 IF 钢是基础。 5 高 Nb 含量的 Nb-IF 钢或加 B 的 Nb-Ti-IF 钢都有良好的深冲性能和抗二次加工脆性性能。 参考文献参考文献 1H.Takechi; ISIJ Intenational,Vol.34 1994,p.１ 2H.Takechi;Proceedings of “IF Steels 2000”,p.1, June 5-7,2000,Pittsburgh 3O.Kwon et al;Proceedings of “IF Steels 2000”,p.111, June 5-7,2000,Pittsburgh 4I.Kokubo et al;Tetsu-to-Hagane,591973,p.469 5N.Takahashi et al;Tetsu-to-Hagane,681982,S588 6D.A.Karlyn et al;MWSP Ⅶ, The Metallurgical Society of AIME1969,p.127 7F.Kitano et al; ISIJ Intenational,Vol.41 2001,p.1402 8R.Yoda et al.;ISIJ Intenational,Vol.34 1994,p.70 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