楊 麗，孫雅平*，李永亮，陳 彤，孫天昊

（1.唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 唐山 063001；2.唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司,河北 唐山 063016）

0 引言

隨著汽車輕量化的進(jìn)一步發(fā)展，熱沖壓成型用鋼逐漸引起人們的重視，材料需求量也逐年提升[1]。截止目前全國(guó)共有180 多條汽車零部件熱沖壓成型生產(chǎn)線，形成了具有多項(xiàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)。但是，由于對(duì)鋼水純凈度、化學(xué)成分和顯微組織均勻性要求較高，目前僅僅有WAMA、寶鋼、河鋼等少數(shù)企業(yè)具備生產(chǎn)能力[2]。

熱沖壓成型用鋼主要應(yīng)用于乘用車A 柱、B 柱、防撞梁等結(jié)構(gòu)件。由于采用高溫加熱和模具沖壓淬火，鋼板需要相對(duì)較高的C、Mn 含量來(lái)保證淬火后得到全馬氏體組織[3-4]。此外，還需要添加一定量的Cr 來(lái)提高鋼板的淬透性，保證強(qiáng)度。由于上述元素屬于易偏析元素，會(huì)導(dǎo)致鋼板發(fā)生偏析，降低顯微組織均勻性，進(jìn)而影響沖壓成型后零部件的性能穩(wěn)定性。例如，鋼水偏析導(dǎo)致的帶狀組織無(wú)法在熱軋-冷軋-退火工序有效消除，化學(xué)成分的不均勻性會(huì)導(dǎo)致鋼板在奧氏體相區(qū)的熱強(qiáng)度不一致，熱沖壓過(guò)程中就開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)而言反而比冷成型雙相鋼更高[5-6]。同時(shí)，由于化學(xué)成分不均勻性和顯微組織帶狀導(dǎo)致的各向異性在變形過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力還為使用過(guò)程中的延遲開(kāi)裂、疲勞斷裂埋下隱患[7]。此外，鋼板熱成型工藝溫度多為900～1 000 ℃，為防止顯微組織粗化，鋼中往往加入一定量的Ti 來(lái)細(xì)化組織。但是煉鋼鈣處理使TiN 提前沿著CaS 界面析出，形成粗大的復(fù)合夾雜物，不僅降低了TiN 的細(xì)化效果，還容易作為微裂紋萌生的界面，增加成型開(kāi)裂和延遲開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)[8-9]。隨著鋼板厚度的降低，粗大的TiNCaS 復(fù)合夾雜對(duì)鋼板厚度的尺寸效應(yīng)越來(lái)越顯著[10]，將極大地降低材料服役過(guò)程中承受拉-壓應(yīng)力時(shí)的疲勞壽命，導(dǎo)致服役周期縮短[11-13]。研究發(fā)現(xiàn)，向鋼水中添加稀土變質(zhì)劑，對(duì)高溫下形成的質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行包裹，可以有效降低顆粒狀?yuàn)A雜物的尺寸，起到改善材料塑性的作用[14-15]，但是目前變質(zhì)劑在熱沖壓成型用鋼夾雜物形貌領(lǐng)域的研究還較少。筆者以1 500 MPa 熱沖壓成型鋼為主要研究對(duì)象，研究了La-Ce 系稀土變質(zhì)劑對(duì)鋼中夾雜物形貌、尺寸的影響，并對(duì)鋼板的顯微組織和室溫塑性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，從而對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量改進(jìn)提供理論支撐。

1 試驗(yàn)材料和方法

國(guó)內(nèi)某鋼廠1 500 MPa 級(jí)熱沖壓成型鋼生產(chǎn)工藝為鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→LF 精煉→連鑄→熱軋至2.5 mm→冷軋1.0→退火。變質(zhì)劑化學(xué)成分La 1.13%、Ce 11.19%、Si 45.20%、Ca 11.34%，為防止稀土氧化，制備成?13 mm 的包金線，在LF 精煉工序通過(guò)喂絲形式加入，中包取樣利用化學(xué)分析法檢測(cè)成分如表1 所示，其中1#鋼未進(jìn)行變質(zhì)劑處理，2#鋼進(jìn)行變質(zhì)劑處理。

表1 試驗(yàn)鋼的主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical compositions of experimental steels%

沿垂直拉坯方向切取鑄坯，進(jìn)行低倍組織觀察；切取鑄坯、熱軋鋼卷（軋向）試樣，用線切割制成10 mm×10 mm 試樣，經(jīng)研磨、拋光后用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡(JSM-6701F)觀察鋼中夾雜物尺寸和分布形態(tài)；利用掃描電鏡自帶能譜儀對(duì)夾雜物的成分進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 鑄坯低倍組織

現(xiàn)場(chǎng)跟蹤顯示，稀土變質(zhì)劑對(duì)鑄坯表面質(zhì)量無(wú)明顯影響，熱態(tài)鑄坯表面質(zhì)量良好，未發(fā)現(xiàn)裂紋和凹坑等缺陷。對(duì)1#鋼和2#鋼鑄坯低倍組織（圖1）觀察發(fā)現(xiàn)，未進(jìn)行稀土變質(zhì)劑處理的1#鋼有明顯的宏觀偏析，屬于中碳錳鋼典型低倍特征；經(jīng)稀土變質(zhì)劑處理后2#試樣偏析幾乎完全消失，說(shuō)明變質(zhì)劑對(duì)鑄坯組織均勻性影響顯著。一般認(rèn)為宏觀偏析現(xiàn)象會(huì)通過(guò)“組織遺傳”行為遺傳給最終產(chǎn)品，造成不利影響，降低材料成型性能。尤其是隨著強(qiáng)度的提高，對(duì)性能均勻性的惡化加劇。通過(guò)添加稀土變質(zhì)劑改善鑄坯宏觀偏析，為優(yōu)化產(chǎn)品組織和性能均勻性提供了基礎(chǔ)保障。

圖1 22MnB5 鑄坯低倍組織Fig.1 Macro morphology of the continuous casting 22MnB5 slab

2.2 夾雜物形貌及分布狀態(tài)

利用光學(xué)顯微鏡對(duì)鑄坯、熱軋鋼卷（軋向）試樣進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖2 所示。對(duì)比圖2(a)、(b)可以發(fā)現(xiàn)，添加稀土變質(zhì)劑后，鑄坯中夾雜物密度并未降低，但是夾雜物尺寸顯著降低，變質(zhì)劑使質(zhì)點(diǎn)狀?yuàn)A雜物的分布狀態(tài)更加均勻彌散。在100 倍視場(chǎng)中統(tǒng)計(jì)顯示，未添加稀土變質(zhì)劑1#鋼中介于20～30 μm 的夾雜物約為10～15 個(gè)，而添加變質(zhì)劑后2#鋼種僅為1～3 個(gè)。

圖2 夾雜物形貌及分布狀態(tài)Fig.2 Morphology and distribution of nonmetallic inclusion in slab and hot-rolled plate

根據(jù)GB/T 1056-2005 對(duì)熱軋鋼卷（軋向）進(jìn)行夾雜物級(jí)別評(píng)定，結(jié)果如表2 所示。變質(zhì)劑對(duì)D類夾雜物影響最為明顯。添加變質(zhì)劑后，直徑介于8～13 μm 的D 類粗系夾雜物從2.0 級(jí)降低至0.5 級(jí)，直徑介于13～76 μm 的Ds 類夾雜物完全消失，部分質(zhì)點(diǎn)狀?yuàn)A雜物由于尺寸<3 μm，未被定義為D 類夾雜。

表2 稀土變質(zhì)劑對(duì)熱軋鋼卷非金屬夾雜物類型和評(píng)級(jí)的影響Table 2 Effect of rare earth modifier on the type and grade of nonmetallic inclusion

2.3 變質(zhì)劑對(duì)夾雜物塑性的影響

利用掃描電鏡對(duì)2#鋼鑄坯、熱軋鋼板中的夾雜物形態(tài)進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖3 所示。鑄坯中CaS表面被La、Ce 的氧化物包裹，結(jié)果如圖3(a)、(b)所示。一般認(rèn)為，高溫下形成的CaS 容易促進(jìn)與其晶體結(jié)構(gòu)相似的TiN 界面析出，形成大尺寸復(fù)合夾雜物。經(jīng)過(guò)稀土變質(zhì)劑處理以后，CaS 質(zhì)點(diǎn)被La-Ce氧化物包裹，阻礙了CaS 進(jìn)一步長(zhǎng)大。由于La、Ce 氧化物與TiN 晶體結(jié)構(gòu)的差異，隔斷了Ti、N 物質(zhì)傳輸，避免其在CaS 界面析出。同時(shí)，由于La、Ce 加入僅為0.001 0%～ 0.001 6%，稀土含量的控制避免了其自身夾雜物的長(zhǎng)大。由此可以推斷，上述三個(gè)因素是鋼中球狀?yuàn)A雜物（主要為D 類）尺寸變小的主要因素。

對(duì)熱軋鋼板中夾雜物觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)高溫軋制后依附在CaS 表面的La、Ce 氧化物發(fā)生了明顯的塑性變形，結(jié)果如圖3(c)、(d)所示。一般認(rèn)為，像A 類MnS 夾雜物的變形會(huì)惡化塑性，導(dǎo)致材料各向異性，尤其是寬度≥2 μm 的A 類夾雜對(duì)材料各向異性的影響最為顯著。但是作為鋼水變質(zhì)劑的La-Ce的加入不僅有效降低了大尺寸D 類夾雜物的數(shù)量，而且并未形成大尺寸的A 類夾雜物，其熱軋后寬度多在1 μm 以下。因此分析認(rèn)為，熱變形過(guò)程中La、Ce 氧化物的變形對(duì)鋼板塑性的影響可以忽略不計(jì)。

圖3 2#鋼種夾雜物隨熱變形行為的演化Fig.3 SEM observation and energy pattern of nonmetallic inclusion in 2# steel

3 機(jī)理分析

3.1 異質(zhì)形核機(jī)理

添加稀土改質(zhì)劑后，大顆粒D 類夾雜物數(shù)量降低的機(jī)理可以通過(guò)圖4 進(jìn)行說(shuō)明。由于CaS 的形成溫度約為2 200 ℃，高溫下鋼水中Ca、S 擴(kuò)散速度快，極易長(zhǎng)大，造成CaS 自身粗化；粗化后的CaS作為異質(zhì)形核的界面，還可以促進(jìn)TiN 的界面析出，這在經(jīng)過(guò)鈣處理的含Ti 鋼中是最常發(fā)生的現(xiàn)象，也是TiN 粗化的主要原因之一[16]；當(dāng)添加稀土變質(zhì)劑以后，La、Ce 迅速消耗鋼水中的O，形成La-Ce-O系夾雜，在CaS 界面析出，阻礙了Ca、S 物質(zhì)的傳輸，從而可以有效降低CaS 等高溫質(zhì)點(diǎn)的粗化，同時(shí)也避免了CaS-TiN 類復(fù)合夾雜物的過(guò)渡長(zhǎng)大。鋼液中形成的大量細(xì)小、彌散的高溫質(zhì)點(diǎn)細(xì)化了鑄態(tài)組織，對(duì)改善鑄坯宏觀偏析具有促進(jìn)作用。同時(shí)，稀土變質(zhì)劑的添加還降低了含Ti 鋼冶煉過(guò)程中鋼水鈣處理的工藝要求，對(duì)在改善水口結(jié)瘤方面具有顯著效果[17]。此外，由于La-Ce-O 系夾雜自身非氯化鈉結(jié)構(gòu)，因此TiN 無(wú)法在其界面上形核，TiN 只能在更低的溫度下獨(dú)立形核，也進(jìn)一步避免了TiN、CaS-TiN 系大尺寸復(fù)合夾雜的產(chǎn)生，提高了微合金元素鈦的利用效率和鋼水的純凈度。

圖4 稀土變質(zhì)劑對(duì)D 類夾雜物尺寸的影響機(jī)理示意Fig.4 Mechanism for the size change of D-type inclusion by rare earth modifier treatement

3.2 材料性能評(píng)價(jià)

利用光學(xué)顯微鏡和折彎試驗(yàn)機(jī)對(duì)連退后鋼板的顯微組織和塑性進(jìn)行了觀察和測(cè)試，結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知，添加稀土變質(zhì)劑以后，顯微組織得到了明顯的細(xì)化。分析認(rèn)為，這主要與大顆粒夾雜物的降低有關(guān)。隨著D 類大尺寸夾雜物的從10 μm 級(jí)別降低至1 μm 以內(nèi)，對(duì)鑄坯顯微組織的細(xì)化作用將顯著提高，由于鑄坯組織的遺傳性，使連退鋼板的顯微組織得到有效細(xì)化。同時(shí)，由于鋼板的顯微組織細(xì)化與大顆粒夾雜物的降低使得鋼板塑性變形過(guò)程中晶界協(xié)調(diào)變形的能力提高，微觀裂紋在大顆粒夾雜物界面萌生的幾率降低，折彎性能也獲得了極大的提升，從而改善塑性。對(duì)比1#、2#鋼冷彎可以發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)稀土變質(zhì)劑處理的1#沿軋向折彎有輕微隱裂，塑性明顯低于2#鋼板。室溫塑性的改善，對(duì)高溫?zé)釠_壓過(guò)程中塑性的改善以及隨后的延遲開(kāi)裂均具有一定的促進(jìn)作用。

圖5 稀土變質(zhì)劑對(duì)連退鋼板顯微組織和塑性的影響Fig.5 Influence of rare earth modifier on the microstructure and plastic property

4 結(jié)論

研究了La-Ce 系稀土變質(zhì)劑對(duì)1 500 MPa 級(jí)熱沖壓成型鋼中夾雜物形貌、尺寸的影響，并對(duì)最終產(chǎn)品的顯微組織和塑性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得到如下結(jié)論：

1）添加稀土變質(zhì)劑以后，鑄坯低倍偏析得到顯著改善。

2）與未添加稀土變質(zhì)劑的鋼板相比，D 類夾雜物的數(shù)量并未降低，但是尺寸明顯變小，主要與稀土氧化物對(duì)鋼水中高溫質(zhì)點(diǎn)的包裹并阻礙其長(zhǎng)大相關(guān)。

3）通過(guò)稀土變質(zhì)劑的添加，鋼板的顯微組織得到顯著細(xì)化，室溫塑性得到了極大改善，冷彎隱裂現(xiàn)象消失。