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        連退工藝對Nb+B-IF鋼顯微組織與性能的影響

        2015-12-04 07:15:18孫成錢劉仁東時曉光韓斌董毅張宇
        鞍鋼技術 2015年4期
        關鍵詞:再結(jié)晶細小鐵素體

        孫成錢,劉仁東,時曉光,韓斌,董毅,張宇

        (鞍鋼集團鋼鐵研究院,遼寧 鞍山 114009)

        無間隙原子鋼(IF鋼)作為第三代深沖鋼板,具有高的塑性應變比、高的加工硬化指數(shù)和無時效性等特點,是當前沖壓級別最高的鋼板,廣泛應用于汽車制造及家電行業(yè)[1-2]。以IF鋼為基礎的超低碳鋼研究是目前沖壓鋼板研究的熱點,不僅包括冷軋和熱軋IF鋼板,還包括鍍鋅IF鋼板、高強度IF鋼板、超低碳BH鋼板等。目前發(fā)達國家已經(jīng)廣泛使用440MPa級別的高強度IF鋼板,并且正在研究強度級別更高的深沖IF鋼[3]。

        IF鋼的性能特點與析出物密切相關,鋼板中存在的析出物種類,數(shù)量和分布情況不僅影響C、N間隙原子的清除,還對軋制和退火過程中織構的形成和演變有影響,直接關系到鋼板的深沖性[4-5]。與傳統(tǒng)的IF鋼相比,細晶高強IF鋼的主要特點為:晶粒小、強度高、屈強比低和優(yōu)良的成型性能。本文對不同加熱速率的試驗鋼顯微組織、性能和第二相粒子的形狀、大小、分布進行了研究。

        1 試驗材料和方案

        1.1 試驗材料

        試驗鋼由鞍鋼鋼研院200 kg真空爐冶煉,最后合爐抽真空,澆鑄時要保證注流平穩(wěn)不斷流,爐內(nèi)多余鋼水要倒凈。碳含量為0.005 3%,是普通IF鋼的2倍多,鈮含量為0.051%,從而保證了Nb/C大于1。試驗鋼的化學成分見表1。

        表1 試驗用鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù))%

        1.2 試驗方案

        軋制試驗在鞍鋼鋼研院熱軋、冷軋機進行,模擬退火工藝試驗在鞍鋼鋼研院連續(xù)退火鍍鋅模擬器上進行。試驗中采用奧氏體再結(jié)晶區(qū)控制軋制,試樣在箱式電爐中加熱至1 250℃,保溫30 min,出爐后在四輥試驗軋機上進行控制軋制。變形工藝:30 mm→20 mm→14 mm→10 mm→7 mm→4 mm,第一道次開軋溫度和第五道次終軋溫度控制范圍分別為1 150℃左右、880℃左右,軋后采用層流冷卻至650℃,將試樣放入箱式電爐中保溫,模擬卷取。連續(xù)退火工藝參數(shù)如圖1所示。

        1.3 組織觀察

        從試驗鋼中部切取金相試樣、TEM試樣,用金相試樣鑲嵌機將試樣鑲嵌好,依次在水砂紙及拋光布上打磨拋光后,用4%的硝酸酒精溶液浸蝕試樣表面,顯示其室溫組織;在ZEISS光學顯微鏡下觀察與軋向垂直的平面的顯微組織;透射電鏡中觀察析出物的微觀形貌等。

        2 結(jié)果及討論

        2.1 試驗鋼不同退火工藝金相組織及力學性能

        壓下率為80%,退火溫度為850℃,退火時間為60 s時,不同加熱速率試驗鋼的顯微組織如圖2所示。

        從圖2可以看出,鐵素體晶粒細小,形狀以等軸鐵素體為主,同時含有一定量細小的餅狀鐵素體。隨著加熱速率的提高,等軸狀鐵素體尺寸更加均勻,餅狀鐵素體數(shù)量增多,尺寸逐漸增大。表2為不同加熱速率下試驗鋼的力學性能,從表中可以看出,試驗鋼的屈服強度和抗拉強度均得到提高,屈服強度提高的幅度較大,在加熱速率為15℃/s時,屈服強度最大為 295.4 MPa,抗拉強度最大為474.8 MPa。加熱速率為5℃/s時,延伸率最高為38.4%,屈強比最低為0.552。試驗鋼的延伸率主要受晶粒尺寸和分布的影響,在較大的變形量下 (本試驗壓下率為80%),試驗鋼的晶粒較細,且大小分布不均勻,這是延伸率降低的一個主要原因。雖然在加熱速率為5℃/s時,試驗鋼的抗拉強度和屈服強度不是最高,但其延伸率最高,屈強比最低,有利于細晶高強IF鋼深沖加工。

        表2 不同加熱速率下試驗鋼的力學性能

        加熱速率在2~15℃/s之間,隨著加熱速率的升高,試驗鋼的r值不斷升高,n值降低。在加熱速率為15℃/s時,r值最大為1.928,在加熱速率為2℃/s時,n值最大為0.271。塑性應變比和加工硬化指數(shù)是衡量深沖鋼板成型性能好壞的兩個重要指標。本試驗的細晶高強IF鋼的r值和n值普遍要比傳統(tǒng)高強IF鋼的要高,更加有利于改善細晶高強IF鋼的成型性能。

        2.2 試驗鋼不同退火工藝下的微觀形貌

        壓下率為80%,退火溫度為850℃,退火時間為60 s時不同加熱速率試驗鋼的二相粒子微觀形貌如圖3所示。

        從圖3可以看出,較大二相粒子尺寸為70~80 nm,其形狀以方形、圓角方形為主,也有的為圓片形。較小二相粒子的尺寸為30~40 nm,其形狀以球狀、橢球狀為主,也有少量的為方形。隨著加熱速率的提高,無沉淀析出區(qū)的體積分數(shù)也隨之逐漸增大,形狀更加穩(wěn)定。當加熱速率為15℃/s時,無沉淀析出區(qū)(PFZ)的寬度達到了 1.2 μm,如圖3(d)所示。

        2.3 無沉淀析出區(qū)

        汽車外面板特性要求之一是要有低的屈強比,強化IF鋼時,是靠固溶強化和析出強化,屈服強度會隨抗拉強度上升而上升,PFZ隨再結(jié)晶晶粒成長,在移動的晶界軌跡上殘留粗大的析出物,最后出現(xiàn)一個晶粒內(nèi)有細小析出物區(qū)和稀疏的粗大析出物,兩個區(qū)域共存[6]。

        合金成分中含有0.005 3%C和0.051%Nb的鋼在經(jīng)過650℃卷取后,根據(jù)Trurkdongan得出的鈮碳化合物在鐵素體中溶解度理論,鋼中的鈮碳化合物將充分沉淀。因此,大量細小鈮碳化合物將抑制退火過程中的再結(jié)晶,并且晶粒的生長也將因沉淀相的釘扎作用而受到限制??梢哉J為,晶界周圍無沉淀區(qū)是在再結(jié)晶之后晶粒生長過程中形成的,因為其形狀與位置與前面提到的再結(jié)晶的晶粒邊界相類似。

        圖4為壓下量80%、退火溫度850℃、退后時間60 s、加熱速率10℃/s退火試樣中細小沉淀的分布規(guī)律。從圖4(a)、(b)可以發(fā)現(xiàn),相對粗大沉淀物的分布幾乎構成了晶粒的輪廓,某些粗大沉淀的排列與平行沉淀排列相伴并存。在這兩對排列的間距處,沒有發(fā)現(xiàn)細小沉淀,除了少量更加粗大的沉淀,近乎形成了一無沉淀區(qū)。由于這種所謂的無沉淀區(qū)總體上在晶粒邊界兩側(cè)形成,在晶粒邊界的一側(cè)很明顯地觀察到這些伴有細小沉淀的間隔。圖4(c)、(d)為PFZ 附近二相粒子的大小、形貌、分布及EDS圖片。在圖4(c)中分布著直徑在30 nm到50 nm的細小沉淀,其形狀以圓球狀、橢球狀為主,還有個別為長方形,并且通過EDS分析還發(fā)現(xiàn)了Nb和C的分布,因此該析出物為NbC。圖4(d)為PFZ內(nèi)部粗大二相粒子,其形狀為圓角方形,尺寸為120 nm左右,通過EDS分析還發(fā)現(xiàn)了Nb和C、N的存在,因此該析出物為 Nb(CN)。

        3 結(jié)論

        (1)隨著加熱速率提高,鐵素體尺寸更加均勻,餅狀鐵素體數(shù)量增多。無沉淀析出區(qū)的體積分數(shù)也隨之逐漸增大,形狀更加穩(wěn)定。

        (2)隨著加熱速率的提高,試驗鋼屈服強度和抗拉強度有所提高,r值不斷提高,n值不斷降低。屈服強度最大為295.4 MPa,抗拉強度最大為474.8 MPa,r值最大為 1.928,n值最大為 0.271。

        (3)經(jīng)EDS分析,形狀為圓角方形,尺寸為120 nm左右的二相粒子為Nb(CN),形狀為圓球狀、橢球狀,尺寸為30~50 nm的二相粒子為NbC。

        [1] 李文彬,官軍.深沖鋼(IF鋼)的研究與發(fā)展概況[J].冶金設備,2005(3):32-33.

        [2] 馬鳴圖.我國汽車鋼板研究與應用進展 [J].鋼鐵,2001,36(8):64-69.

        [3] 康永林.現(xiàn)代汽車板的質(zhì)量控制與成形性[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1999.

        [4] H.Saitoh,K.Ushtoda,T.Senuma,et al.Structural and textural evolution during subsequent annealing of steel sheet hot-rolling in α Phase [J].The Iron and Steel Institute of Japan,1988:628-632.

        [5] Tither G,Garcia C.Precipitation Behavior and Solute Effects in Interstitial Steels,Proceedings of International Forum for Physical Metallurgy of IF Steels [J].ISIJ International,1994,(5):293-322.

        [6] 大澤一典.析出物對超低碳IF鋼板的再結(jié)晶、晶粒長大行為的影響[J].CAMPISIJ,1996.

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