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1、高强度超深冲薄板钢引言钢是汽车工业中最重要的材料，因为它的成本相对较低并可满足各种各样的 要求。节约燃料和保障安全要求提高钢的强度。其他方面如轿车式样、制造过程 的容易性，则需要超深冲级别（EDDQ）的薄板钢。如图1所示（1,2）,大多数提高 汽车钢板强度的传统方法都降低深冲性能（用r值表示）。但是，在无间隙原子 钢基础上，具有优异成形性的高强度薄板钢已开发出来，对这种材料的需求正稳 步增长。含磷摊垮確化IF钢IF钢1.5200绷 DEC1DgQa1000抗拉强度,N/rnm3图1:各种薄极钳的强摩和成形性双相钢 n*12lr fl 0.3_7来癖 一書曲钢n伽IF钢的市场对应用无间隙原子钢改
2、善薄板钢的冷成形性的可能性人们已经了解将近三 十年了。在日本，从八十年代初期开始，已出现了 IF钢产量的显著增长，其 总产量每三年增长一倍以上。在其它工业发达国家也有类似的趋势（1）。这种稳步 增长在世界范围内持续， 1995年产量达到约 1500 万吨。这种显著发展来源于现 代炼钢工艺的进步，利用 RH 脱气工艺，有时与吹氧相结合，可以大量生产很低 间隙元素含量的钢种，碳、氮含量分别低于30ppm的水平。如此低的间隙元素含 量只需相当少的稳定元素，因此可降低合金成本。但是 IF 钢在应用上有所突破 的主要影响因素有：1）1）薄板钢的连续退火与批量退火相比，有省时节能的优点，其应用相当 普及。
3、还有由于这一工艺的更为均匀一致的处理条件减少了钢板长度和 宽度方向及板卷与板卷之间的力学性能的波动。然而，较快的加热速率 不允许采用传统的AIN织构控制技术，从而导致了传统成分的EDDQ钢的 成形性不足。而无间隙原子钢，无论采用批量退火或连续退火工艺，都 可以获得高的 r 值和高的应变硬化能力（4）。2）2）对于镀锌或镀其它金属的涂层薄板钢，连续退火也是热浸镀线上的标 准工艺路线。这种防腐薄板钢产品在汽车工业中的应用增长很快，全世 界已经安装了许多新的这样的生产线。这些生产线一般不能得到再结晶 后渗碳体的析出（即所称的连续退火线的过时效部分）。因为无间隙原子 状态自然保证无时效倾向，IF钢适合
4、于镀锌生产线和其它带钢生产工艺 路线。3）3）大型整体化部件导致了冲压车间生产效率的显著提高和生产设备的减 少，因为减少了冲压次数和焊接道次。报导的一个例子是车门整体件（5）， 它只用一张深冲性能优异的IF钢大块薄板，来代替使用六个部件的传统 方法，因此，除了生产效率的提高外，冲模成本减少了 20%。应用于这 种整体化部件的薄板钢所需的成形性只有采用IF钢才能满足。IF钢的物理冶金图2（6,7）说明r值以指数关系随碳含量降低而升高，并且当间隙元素碳、氮 被铌固定时，这一趋势更为明显。因此，降低间隙元素含量水平是至关重要的。在八十年代初期，标准的炼钢工艺所达到的碳含量的最低水平为80ppm，因
5、而需要大量的稳定元素。这时典型的IF钢倾向于用钛作稳定元素，典型的加入 量高达0.12%（8）。用钛作稳定元素是基于经济因素的考虑，因为钛的碳化物的原 子比Me/C较铌有利，同时钛铁的价格也较铌铁便宜。钢中间隙元素含量较低时, 钛的优势大幅度下降。图3显示出当碳元素被钛或铌稳定时在现代IF钢中观察到的各种化合物的 析出开始温度。钛对下列元素具有高的活化性，其活化性高低依次为氧、氮、硫、 碳和磷。在真空处理过的A1镇静钢中，在高温时即在凝固期间或在5-铁素体区 域，首先形成的是TiN。然后，与总的硫、钛和锰含量有关，通常是形成TiS。 硫化钛在奥氏体区域吸收碳并转变成碳硫化钛。这种反应最近才被详
6、细研究（9）， 似乎优先形成的是碳硫化钛而不是MnS和TiC。因此为了 Ti能完全稳定住碳元 素，钛的加入量至少需要固定N、S和C的化学比的数量。这可从原子量比计算 出来：%Ti=48/14x%N+48/12x%C（1）在有剩余自由钛的情况下，在铁素体区域可能形成铁钛的磷化物。当用铌稳定住碳元素时，硫将被锰固定，氮被铝固定。因为这两种元素已存 在于钢中，因此需要的铌含量只是与碳相关的化学比量。%Nb=93/12x%C根据固溶度积NbC只在丫 /a相变期间或相变后形成。如果有剩余的固溶铌 存在，发现有几种好处（9），当然这些研究还在继续（10）。根据现代 IF 钢中有关非 金属元素的典型含量，即
7、 30ppm C、35ppm N 和 80ppm S 可计算出，欲获得 IF 状态，钢中至少需要0.036%Ti或0.023%Nb。这样低的稳定元素量，对两个元素 来说，其合金成本不高。由于当钛含量高于 0.025%时，各种表面缺陷如泡疤、 毛刺、条纹等更加严重，因此，双元稳定化即用钛固定氮、用铌固定碳，越来越 重要。还有在带钢热轧期间钛和铌形成化合物的不同规律对产品最终性能也会产 生影响。在铌稳定钢中，在热带轧机终轧机组的最后变形阶段再结晶过程的延迟 （11）和常规冷速下Y /a相变温度降低约20C（12）,这两个特点与尺寸较大的铌原 子的溶质拖曳作用有关。因而相变时更多的有效的铁素体形核导
8、致晶粒细化。具 有较细晶粒的热轧带钢在一定程度的冷轧压下量下具有较高的r值和较低的Ar 值（13）。人们早已知道， IF 钢中应用铌可以提高平面各向同性（14），因此在 EDDQ 钢中有利于减少制耳现象。而钛稳定钢有较高的延伸率，因此，双元稳定的低间 隙原子钢可得到冷成形性能的最佳组合，上述结果概括于图4中。图&不同稳定化方案对现代工F钢冷成形性的影响Gj 20p57n N)高强度IF钢或高强度超低碳钢无间隙原子钢的拉伸性能相当低，其屈服强度约为 150MPa，抗拉强度约 300MPa。IF钢通过合金化开发出来的具有优良深冲和伸张成形性能的新型超低 碳高强度薄板钢已经进入市场。实际上,较图1所
9、示的强度更高的钢正在研制中。 这些钢并非都要求无间隙原子，因此超低碳钢的名称更为确切。铌稳定的热轧带材固有的细晶粒尺寸在一定程度上遗传给了再结晶退火薄 板钢，因而导致强度有所提高。这就是高强度超低碳钢采用铌微合金化的原因之 一。只有完全再结晶的材料才有好的冷成形性能，而这一过程的反应动力学与碳 氮化物的粗化有关，因而碳氮化物析出强化不能用来提高EDDQ钢的强度。因此, 固溶强化作为一种强化机制在此被采用。与之有关的固溶强化元素是锰和硅，每 0.1%Si相应增加10N/mm2。磷提高强度的效果要大一个数量级，在铌稳定钢中， 每0.1%P增加抗拉强度100N/mm2,而在钛稳定钢中，强度的提高要稍
10、少一点，见 图5(。钛钢较低的强化效果可以用FeTiP相的形成从而减弱了磷的固溶强化作 用来解释。除了细化晶粒外，这也是优先用铌而不用钛稳定碳的一个原因。图5：磷在陆或Ti稳定的IF钢中的强化作用磷的一个负作用是其向晶界扩散的倾向而引发脆性。这种作用在无间隙原子钢中 非常明显，因为IF钢中没有以固溶原子形式存在的碳，而这种碳可以优先占据 晶界从而强化晶界。没有另外加磷的IF钢，在批量退火后，这种脆性已经相当 显著。即使在连续退火循环很短的时间内，高强度EDDQ钢中的一般含磷量也能 引起晶界脆性。为了避免晶界脆性，在高强度超低碳钢中添加硼已经是普遍的做 法（16）,图6显示了用一种特殊冲击试验所
11、得的结果。硼也是一种间隙元素，显 示出可以成功地阻止磷的晶界偏析。Nb微合金化的细晶粒（大的晶界面积）钢 中的硼的这种作用进一步增加。因此铌除了具有强化效果外，还有助于降低磷引 起的脆性。抗拉强度，N/m昭图丸 连续退火高强度超低碳薄板钢的洙拉杯冲击试验结果当采用镀锌或镀锌合金化时，钢中通常必须不含硅。表11）给出了热浸镀 锌高强度IF钢的生产数据，说明该钢有很好的平面同性。表1：热浸镀锌高强度IF钢的化学成分和力学性能化学成分力学性能30ppm C, 30ppm N,屈服强度220N/mm20.35%Mn,0.05%P抗拉强度390N/mm20.03%Al,0.035%Nb延伸率637%0.
12、02%Ti,lOppmBr-值1.9r-值0.1n-值0.21薄板钢的烘烤硬化很受汽车制造业的欢迎，因为可以采用相对较低的冲压 力，而可保证最终产品的高强度，既冲压成型和油漆烘烤后产生强化效果。烘烤 硬化引起间隙原子锁定位错的 Contrell 效应，因此钢中需要一定量的不应低于 5ppm 的溶质碳（16）。为此，一种可能的方法是在生产超低碳钢时，控制稳定碳元 素的添加量稍稍低于化学配比。这一方法要求非常精确的熔炼技术，特别是因为 在真空处理和板坯连铸之间的增碳常常有微小的变化。这一技术有一个不利因 素，即在连续退火过程开始时存在的即便如此低水平的溶质碳也阻碍有利织构的 形成，从而影响 r 值
13、（17）。图7（ 18）示出了高强度超深冲薄板钢由于烘烤硬化屈服强度额外增加约 50N/mm2的工艺路线。此钢的合金设计基于碳被铌完全固定，因而冷轧后钢板呈 现IF状态。如前面已经谈到，NbC在相当低的温度下，即在铁素体区域形成。 如果连续退火工艺采用较高的温度，即高于冷轧板完全再结晶的温度，则 NbC 可被部分固溶。在此固溶处理后的快速冷却可保证几个 ppm 的碳保留在固溶体 中，从而引起烘烤硬化。钢在这种状态下不是完全的无间隙原子状态，但是对冷 成形性有利的织构被保留下来。口预应变钢伽咖 ms w Ktwif i-ILUXil拈轧L：丈压下畫 高勰躍覆y-i结论近年来，无间隙原子钢已有相当
14、大的市场，特别是在汽车工业，主要用途为 镀锌或镀锌合金化的连续退火的超深冲薄板钢。从前，由于成本的原因，仅用钛 来稳定间隙元素。随着现代IF钢的碳含量越来越低，这个问题已解决。从成本、 表面质量和成形性能的综合考虑来看，加入和氮化学配比量的钛以及和碳化学配 比量的铌可得到最佳配合。汽车工业的另一要求是减轻重量，这就需要高强度薄板材料。由于大多数高 强度薄板钢的成形性较差，它们的应用受到限制。基于超低碳方案，高强度超深 冲并具有好的平面同性的薄板钢已被开发出来。由于较好的性能和采用烘烤硬化 的可能性，这种高强度超低碳薄板钢采用铌稳定化已是常用的做法。IF 钢和超低碳钢的多品种和性能优势有助于钢保
15、持其作为最经济材料的地 位。参考文献I. 1. K. Hulka and F. Heis terkamp, St ahl and Eisen 110(1990), No.9, p.65-682.2. H. Takechi, data presented in Dusseldorf, 1990, see reference 13.3. J. A. Elias andR.E. Hook, Mechanical Workingand Steel ProcessingIX, TMS of AIME, New York(NY), 1970, p.348-3684. 4. H.-J. Junius, W.Bleck, W.Muschenborn and C.Stra 0burger, Stahl undEisen 108(1988), No.20, p.931-9385.5. H. Takechi, Steel Today and Tomorrow, Oct.-Dec.1994, p.5-86.6. W.B. Hutechinson and K. Ushida, Scand. J. Metall. 13,1984, p.269-2757.7. T. Obara, S. Satoh, M.Nishida and T. Irie,
