Nb超低碳烘烤硬化钢的组织和性能研究

孙方义 吴青松

(武钢研究院 湖北 武汉:430080)

超低碳烘烤硬化钢是在超低碳钢的基础上通过特殊的成分和工艺控制,钢板基体中固溶少量的C、N等间隙原子,钢板在冲压过程中钢基的位错密度增加,经涂漆烘烤,C、N等间隙原子向位错附近扩散,即通过应变时效提高钢的屈服强度,最终使涂漆烘烤后的零件具有较高的抗凹陷性。BH钢板在交货状态下有较低的屈服强度和高的n值、r值,有利于钢板成形,成形后经过约170℃的烘烤时效处理使屈服强度得到一定程度的提高,这种特性刚好与车身生产工艺及使用性能要求一致,因而BH钢作为轿车外覆盖件得到广泛应用[1-3]。

烘烤硬化钢的BH值反映的是钢中的间隙固溶碳、氮原子所产生的热时效现象,其具有的烘烤硬化特性实质上同常温时效性一样都属于应变时效机理[4]。作为批量应用的钢板,钢板的自然时效倾向同样重要,发生自然时效后的钢板在冲压时表面将出现滑移线缺陷,而太高的BH值容易引起钢板过早的自然时效,鉴于此,本文研究了Nb超低碳BH钢组织和性能,并研究了不同BH值钢板的自然时效倾向,以期对BH钢的生产和产品应用有所帮助。

1 试料条件及试验

试验材料为工业生产的冷轧板,板厚0.7mm的Nb超低碳烘烤硬化钢WH180B,板坯经热轧后酸洗冷轧,冷轧总压下率80%,820℃高温连续退火,平整延伸率按1.4%控制。取热轧和冷轧成品分别进行金相组织和织构分析,织构测试试样尺寸为20mm×30 mm,长边平行于轧向,织构测试在X射线衍射仪上采用反射法测得不完整极图,再由计算机采集的极图数据推算出ODF值,绘出ODF截面图,计算γ取向线的织构分布。

为了研究钢板的时效倾向,选取了不同BH值的5卷钢板在室温条件下进行自然时效试验,分别测试了自然时效1～6个月后BH2值变化,BH2值的测试按照 GB/T 24174-2009的规定进行,试料的化学成分如表1所示。

2 结果与讨论

2.1 组织与织构

热轧态钢板的屈服强度260～280MPa,组织为铁素体,晶粒度为8～9级,典型的热轧金相组织如图1(a)所示;WH180B硬化钢热轧板屈服强度在260～280MPa,有利于连续退火采用高的均热温度,进而获得较高的烘烤硬化值,实践结果表明,在高温退火条件下,冷轧退火后的再结晶铁素体组织晶粒度8～9级,典型的冷轧成品金相组织如图1(b)所示,符合冷轧成品屈服强度180～240MPa的目标设计,钢板的r90≥1.9、n90≥0.20,具有良好的成形性能,同时BH2值的集中区域在35～50MPa的范围内,烘烤硬化性能优良,处在理想的烘烤硬化钢的应用范围[5]。

表1 试料的化学成分(wt%)

图1 钢的热轧及冷轧成品金相组织

从实验的热轧板、冷轧态、成品板的反极图(见图2)可以看出,热轧板织构很弱,热轧原料经过冷轧总压下率达到80%的轧钢后,钢板具有较强的织构,存在旋转立方{100}<110>和γ-纤维织构(< 111>//ND),有利于再结晶退火后获得良好的成形性能[6]。成品板主要为γ-纤维织构 ,从图3成品0、45度恒PH2图可见强点在其附近的(557)<43,,30>和(665)<35,35,86>上,保证了钢板具有优良的成形性能。

图2 反极图

图3 成品0、45度恒PH2图

2.2 室温时效实验

在室温条件下存放,烘烤硬化钢的力学性能会随着储存时间的延长和温度的升高而恶化(注:本次试验是在3月～8月进行,室温25～35℃)。通过本轮实验可以看出,BH2值高的钢板在制造完成后两个月内性能较不稳定,且随着BH2值的增大稳定性变差,图4中①～⑤分别代表BH2值由低到高的5卷钢。

图4 (a)(b)(c)试验钢板室温时效性能变化趋势, (d)成品钢板C含量与BH2值的关系

随着室温时效时间的延长,试验钢板的屈服强度随着钢板BH2值的降低呈上升趋势,钢板的BH2值稳定后,钢板的屈服强度也随之稳定,这主要是钢中固溶C析出的影响,当析出的驱动力不足时,钢板的各项指标也基本趋于稳定。钢板的BH2值在2个月内变化最大,尤其是BH2值在65MPa以上的钢板,在生产完成后的1～2个月后,时效的影响已明显的体现在钢板的性能指标上,BH2值下降幅度达到20MPa,如图4的④、⑤号样所示。BH2值在50MPa以下的钢板抗时效能力强,BH2值随时效时间的变化曲线较为平滑,如①、②号试样。对比各钢板所对应的化学成分,在其它化学元素一致的条件下,③、④、⑤号试样的(C含量在 0.0029%～0.0031%)烘烤硬化值的下降幅度明显大于①、②号试样(C含量0.001%～0.0017%),说明C含量的低的钢板性能稳定性强于C含量相对高的钢板。如图4(b)中钢卷①～④所示,时效对WH180B钢的成形性能指标r值的影响随存放时间的增加有恶化的趋势,但⑤号钢卷的 r值在烘烤硬化值下降的同时而呈现上升趋势,产生这种现象的可能原因是在包含加热、退火保温、缓冷的连续退火第一阶段钢板得到了有利于成形的织构,而在包括快速冷却、过时效处理的连续退火第二阶段,快冷段冷却速率过快保留了钢中较多的固溶C,由于在时效过程中固溶C的析出导致钢板烘烤硬化值和 r值的波动,对于WH180B钢固溶C的析出还有待深入研究。

总体上讲,钢板在存放6个月的条件下仍具有优良的成形性能指标,这对保证钢板冲压成形质量起到非常有益的作用。BH2值在25MPa～35MPa的钢卷在室温条件下放置6个月,各项性能指标几乎不发生变化,利于用户使用和保存,但BH2值指标偏低;BH2值在35MPa～50MPa的钢卷综合性能最为优良;BH2值在65MPa以上的钢卷在生产完成1个月后,时效的影响逐步体现到钢板力学性能上,钢板的力学性能开始恶化,BH2值越高,钢板力学性能恶化的程度越明显,部分综合性能不良的钢板在生产完成2～3月之间使用可能会出现拉伸应变痕。

3 结论

(1)热轧板织构很弱,热轧原料经过冷轧总压下率达到80%的轧钢后,具有较强的织构,存在旋转立方{100}<110>和γ-纤维织构(<111>//ND)。

(2)820℃高温连续退火后试验钢板的成品晶粒度在8～9级,成品板主要为γ-纤维织构,保证了钢板的成形性能。

(3)BH2值控制在35～50MPa的钢板综合性能最为理想,在热轧及退火工艺稳定的条件下,降低C含量更容易获得良好的时效性能。

[1] 李东升,李雪峰,周贤宾.汽车板材烘烤硬化特性的研究[J].金属成形工艺,2001,19(2):14-17.

[2] 康永林,陈继平,刘光明,等.汽车用冷轧超低碳烘烤硬化钢板的组织性能与析出[J].中国冶金,2008,18(3):14-21.

[3] 江海涛,康永林,于 浩.烘烤硬化汽车钢板的开发与研究进展[J].汽车工艺与材料,2005,(3):54-57.

[4] 张继诚,符仁钰,张 梅,等.新型汽车钢板的BH值与预应变量的关系[J].上海金属,2006,28(6):18-21.

[5] 康永林,孙建林.高强度薄钢板研究的新进展及其在汽车上的应用[J].钢铁,2002,37(5):65-70.

[6] 赵 虎,康永林,刘光明,等.超低碳烘烤硬化钢板的织构[J].钢铁研究学报,2007,19(11):47-50;59.