高强度深冲if钢的研究进展

高强度深冲if钢的研究进展

随着汽车行业的快速发展，考虑到汽车行业对环保、汽车车身轻量化等特点的变化，对优异低冲性能和高强度if钢的需求将增加。了解高强度深冲IF钢在国内外的研究进展情况,对研制开发更高强度级别的IF钢有着重要参考意义。1深冲钢板的发展方向超低碳无间隙原子钢(IF钢)中的C、N被超过化学当量比的Ti或Nb稳定,所以IF钢不但具有优良的拉伸性能和优异的成形性能,而且还具有无时效性能,非常适合用作汽车钢板。IF钢覆盖了目前汽车用钢板强度的大部分级别。IF钢的出现扩大了深冲钢板的使用范围,归纳起来其发展方向为:①以减重节能为目标的高强度钢板系列;②以提高成形性能为目标的深冲钢板系列;③以提高防腐能力为目标的镀层钢板系列。表1列出了IF钢应用的例子。随着汽车工业减重、节能和提高安全性要求的提高,IF钢的强度也进一步提高。目前国际上开发的高强度IF钢强度级别有340MPa、390MPa和440MPa,品种涉及冷轧钢板、热镀锌钢板及合金化热镀锌钢板。抗拉强度在340～370MPa的IF钢已经广泛应用于汽车外板、内板和结构件等。2高强度钢的国内外生产状况2.1热镀锌钢板的生产在日本、北美和欧洲,高强度IF包括冷轧退火和热镀锌钢板已经被广泛的工业化生产;同时要求力学、成形性能和表面质量的热镀锌钢板的强度水平均已达到440MPa级别。而且在满足强度要求的同时,其深冲性能不断提高,以满足汽车工业对材料要求日益增长的需要。2.2高强度汽车板目前,在高强度IF的生产中,国内可以批量供应340～440MPa级别深冲冷轧钢板;强度级别小于390MPa热镀锌深冲钢板。其主要用途是外板和内板以及车身覆盖件,以达到零件减薄和提高抗凹陷性的目的。但是,在高强度IF钢的生产方面,国内与国际大型汽车板生产企业相比,存在许多不足之处。国内高强度汽车板产量少,尤其是轿车用深冲高强度涂镀板等目前仍以进口为主,而且性能也很不稳定,并且钢板表明缺陷较多。总之,国内现有的高强度IF钢板产品在品种、质量和数量上都还需要加大力度进行改进。3高强度if钢组件3.1ti+nb-if钢的制备与软IF钢相似,高强度IF钢利用Ti和Nb作为稳定化元素固定钢中的C和N原子。按添加稳定化元素不同,目前工业生产的IF钢有3种,即单一添加Ti-IF钢、单一添加Nb-IF钢和复合添加钛铌的(Ti+Nb)-IF钢。IF钢生产过程中,炼钢和连铸期间氮、碳和硫含量的控制是生产IF钢的第一步,另一个关键的冶金过程就是通过析出反应除去基体中溶质氮和碳。最基本C和N的净化相关反应式如:Ti+N→TiN,Ti+C→TiC,Nb+N→NbN,Nb+C→NbC,Al+N→AlN,Ti+S→TiS。根据IF钢钢种的不同,稳定化元素稳定碳和氮的析出反应有所不同。3.1.1传统稳定观点对于Ti-IF钢,一般通过Ti+N→TiN或Al+N→AlN形成TiN或AlN析出有效去除固溶体中的溶质氮。然而如要稳定钢中的碳,根据钢中成分不同,其稳定碳的析出行为是有差异的。据文献资料所述,对于原子比为S∶C∶N=1∶1∶1的钛稳定钢,随着温度降低,传统上认为其析出顺序为TiN、TiS、Ti4C2S2和TiC。使IF钢完全稳定所需钛的质量百分比(Tist)表示为:Tist=3.42N+1.5S+4C。传统的稳定观点见图1。对于成分在化学计量线之上的钢来说(Ti*/C=4,Ti*=Tit-3.42N-1.5S+Nb/1.94,其中,Tit表示总Ti量)有充足的钛使碳稳定,然而是否得到完全稳定还取决于反应动力学。上述这些研究没有考虑Ti4C2S2(或称H相)形成机制及其稳定C的重要性。Hua等人的工作表明,H相不是单独的形核长大的,而是由TiS的变化形成的。该工作提出了热轧条件下所含硫化物主要为9R-TiS的IF钢的稳定图(图2)。在加热过程和热轧过程中,TiS会和C反应生成Ti4C2S2,这样,C含量减少,生成细小TiC颗粒的机会就少了。粗大的Ti4C2S2颗粒对钢的延伸率和n值有利,并能促进(111)织构的形成,利于提高r值。3.1.2al+naln对于Nb-IF钢,由于Al和N结合的能力比Nb强,所以溶质原子N和Al通过反应式Al+N→AlN生成AlN净化N;而溶质原子C则和Nb结合生成NbC而除掉。3.1.3复合碳硫化的碱土工业生产的大部分Nb和T稳定化钢不仅依赖钛使间隙原子稳定,铌作为析出物所起的作用也必须加以考虑。根据传统方法,添加钛是为了与氮和硫结合,而添加铌是为了和碳结合(需要的铌量用Nbst表示),其关系式为:Tist=3.42N+1.5S,Nbst=7.74C根据传统方法,主要析出物将是TiN、TiS、Ti4C2S2和NbC。在复合碳硫化物中,也可能存在铌,即(TiNb)4C2S2。在这种情况下,析出情况与图2所示的钛稳定钢相似。可能出现NbC或H相,这取决于合金成分和热轧期间热分布情况。3.2si在提高if钢力学性能中的应用传统高强度IF钢主要是通过向强度级别为270MPa级的超低碳IF钢中添加Si、Mn、P和B等固溶元素来进行强化。这些强化元素对力学性能的贡献见表2。P对提高IF钢的强度也很有效,但含P钢在深冲后表现出二次加工脆性,这种现象与变形试样在加负荷后的脆性断裂有关。添加B可以促进晶间断裂向延性断裂转变,导致韧-脆转变温度降低,而且添加B可以强化晶界,改善P在晶界偏析引起的二次加工脆性。Si的固溶强化效果仅次于P,但是添加Si之后,钢板几乎不适合合金化热镀锌。Mn不抑制热镀合金化涂层的粘接性,但是较高的Mn也产生不利的影响。3.3再结晶织构的影响IF钢优异的深冲性能主要来源于其具有(111)织构,r平均值的大小主要与薄钢板组织中晶粒的织构有关,{111}织构越强,{100}织构越弱,则r平均值越高。高强度IF钢中,r值具有特定的平面各向异性,置换固溶强化的高强度IF钢中,一般r0°值比r45°和r90°值要小。文献研究表明,强的热轧织构和高的冷轧压下率会在再结晶后产生强的{554}<225>成分峰,而这个成分峰与弱的α纤维的共同作用对各向异性的产生起到促进作用,这两者的作用可得到高的r45°值。深冲性能的提高通常可归因于退火后γ纤维<111>//ND再结晶织构的存在,但是对于含铌IF钢中,这种织构的由来一直存有争议,Hutchinson等指出:充分控制热带晶粒大小和热轧带钢织构对提高最终退火材料可成形性非常重要,热轧期间的工艺参数影响相变织构和热轧带钢显微组织。实际上,钢经卷取后铁素体组织中存在的织构将强烈依赖于接近Ar3相变温度的奥氏体织构,所以,影响奥氏体组织的因素也相应会对织构产生影响,例如文献中指出,热轧板中存在适当分散的Nb(C、N)析出物,推迟奥氏体再结晶,可导致明显的{111}<uvw>退火织构的产生。含铌IF钢生产中,控制影响相变织构因素,其中包括化学成分,TMP条件和奥氏体显微组织状态,使{111}<uvw>织构占主导地位,是提高rm值,获得优良的深冲性能的关键。3.4不同成分体系中的if钢的性能特性不同成分体系IF钢有着各自的特点。3.4.1延伸率和出料量就工艺参数而言,低的加热温度、高的卷取温度、高的退火温度和大的冷轧压下率有利于Ti-IF钢成形性能的提高。合金成分对Ti-IF钢延伸率的影响没有Nb-IF钢敏感,一般钛稳定钢延伸率较高;高的卷取温度和退火温度会得到粗大的TiC颗粒,因此强度级别低。对Ti-IF钢性能产生重要影响的TiS和Ti4C2S2等析出物一般在加热过程和热轧初始阶段就开始析出,所以工艺参数对Ti-IF钢影响不是很敏感,工艺过程的可操作性强,性能稳定。但是这种成分体系的钢平面各向异性大而且镀层抗粉化能力较差,不适用于镀锌板。3.4.2nb添加量与Ti-IF钢相比,由于细小NbC粒子析出,可以提高钢的强度,故Nb-IF钢具更高的强度水平。Nb的添加,改善钢的织构,各向异性值低,具有高的r平均值;Nb偏析到晶界,可防止冷加工脆性,可镀性和抗粉化性能较好。但由于Nb-IF钢中析出过程发生在热轧冷却阶段或退火阶段,故铌稳定IF钢对工艺参数比较敏感,而且Nb-IF钢较高的再结晶温度,使其不适合许多镀锌生产线。3.4.3可成形性原则铌钛稳定的IF钢延伸率比Ti-IF钢低,但rm值和r45°值都比较高,具有较强的可成形性。铌钛稳定IF钢比钛稳定钢具有较好的涂层粘附性,具有良好的合金化热镀锌钢板抗粉化,而且力学性能对工艺不敏感,整卷性能均匀,适合于在连续退火工艺下生产高强钢及热镀锌钢,也是电镀锌IF钢和热镀锌IF钢基板的最佳选择。4试验研究中的高等化钢高强度IF钢的发展是顺应汽车工业车辆减重及高耐蚀性能要求的。在保证深冲性能的要求下,IF钢向着高强度和涂镀化方向发展。高强度IF钢的发展经历了几个阶段。IF钢为了获得高的强度,传统地采用固溶强化机制,添加固溶强化元素Si、Mn和P。新日铁于20世纪80年代开发出了总延伸率为38.3%,n=0.24,r=1.95UTS=440MPa的高强度钢板。但是当IF钢只采用固溶强化时,由于缺乏晶界的强化,容易产生二次加工脆性。新日铁通过研究发现加入百万分之一的B元素可以阻止晶界脆性,但是鉴于B元素对r值方面的副作用其加入量必须要尽可能地少。固溶强化元素中,特别是Si严重损害深冲性能和涂层的表面质量,不适于用在需要复杂成型的外板零件。文献中提到,上世纪90年代前半期,NKK成功地开发了390～440MPa级高强度冷轧板,主要采用Mn的固溶强化。典型化学成分(质量分数,%)见表3,镀锌板力学性能见表4。该钢中,Mn不抑制热镀合金化涂层的粘接性,但是较高的Mn也产生不利的影响,如Mn在晶界上的偏聚增加钢的脆性断裂趋势;另外,锰在钢表面富集和局部氧化降低钢的表面性能。因此进一步改善此类钢的成型性能和热镀合金化涂层的表面质量受到限制。近年来,NKK报道了一种新型的外板用高强度IF-SFHHITEN钢。此钢种不采用Si作为强化元素,同时降低Mn和P含量,其冶金学特征如图3所示,钢中相对较高的碳含量60×10-6和适量的碳化物形成元素,如适量添加Nb形成的细小弥散分布的碳化物,有助于获得细小的铁素体晶粒。此钢通过细化晶粒强化、Nb(C,N)的弥散析出以及固溶强化来获得高的抗拉强度。此钢具有细晶粒结构,但是组织中包含独特的无析出物区域(图4),屈服强度几乎不增加。在热轧条件下获得细小的铁素体晶粒,有利于在冷轧条件下获得有利于深冲性能的{111}织构。该钢具有高的强度、好的深冲性能和很好的抗二次加工脆性,适合用作合金镀锌的基板材料。新开发钢种的440MPa冷轧钢板及其热镀锌板性能情况见表5。日本Nisshin公司研究开发抗拉强度高于390MPa的Nb固溶深冲合金化热镀锌Ti-IF高强钢。该钢在IF钢中复合添加Mn和P进行强化,并添加微量的B来实现晶界强化,化学成分(质量分数,%)见表6。研究表明,550℃的低温卷曲热轧板具有贝氏体-铁素体组织,表现出强的纤维织构,从近{111}<112>到{211}<011>,从{100}<011>到{211}<011>,这导致{554}<225>方向织构的形成,并改善合金化热镀锌Ti-IF高强度钢的深冲性能。抗拉强度为440MPa级的Nb固溶深冲合金化热镀锌Ti-IF高强度钢已经在连续热镀锌