连退工艺对Nb+B-IF钢显微组织与性能的影响

孙成钱，刘仁东，时晓光，韩斌，董毅，张宇

（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）

无间隙原子钢（IF钢）作为第三代深冲钢板，具有高的塑性应变比、高的加工硬化指数和无时效性等特点，是当前冲压级别最高的钢板，广泛应用于汽车制造及家电行业［1-2］。以IF钢为基础的超低碳钢研究是目前冲压钢板研究的热点，不仅包括冷轧和热轧IF钢板，还包括镀锌IF钢板、高强度IF钢板、超低碳BH钢板等。目前发达国家已经广泛使用440MPa级别的高强度IF钢板，并且正在研究强度级别更高的深冲IF钢［3］。

IF钢的性能特点与析出物密切相关，钢板中存在的析出物种类，数量和分布情况不仅影响C、N间隙原子的清除，还对轧制和退火过程中织构的形成和演变有影响，直接关系到钢板的深冲性［4-5］。与传统的IF钢相比，细晶高强IF钢的主要特点为：晶粒小、强度高、屈强比低和优良的成型性能。本文对不同加热速率的试验钢显微组织、性能和第二相粒子的形状、大小、分布进行了研究。

1 试验材料和方案

1.1 试验材料

试验钢由鞍钢钢研院200 kg真空炉冶炼，最后合炉抽真空，浇铸时要保证注流平稳不断流，炉内多余钢水要倒净。碳含量为0.005 3%，是普通IF钢的2倍多，铌含量为0.051%，从而保证了Nb/C大于1。试验钢的化学成分见表1。

表1 试验用钢的化学成分（质量分数）%

1.2 试验方案

轧制试验在鞍钢钢研院热轧、冷轧机进行,模拟退火工艺试验在鞍钢钢研院连续退火镀锌模拟器上进行。试验中采用奥氏体再结晶区控制轧制，试样在箱式电炉中加热至1 250℃，保温30 min，出炉后在四辊试验轧机上进行控制轧制。变形工艺：30 mm→20 mm→14 mm→10 mm→7 mm→4 mm，第一道次开轧温度和第五道次终轧温度控制范围分别为1 150℃左右、880℃左右，轧后采用层流冷却至650℃，将试样放入箱式电炉中保温，模拟卷取。连续退火工艺参数如图1所示。

1.3 组织观察

从试验钢中部切取金相试样、TEM试样，用金相试样镶嵌机将试样镶嵌好，依次在水砂纸及抛光布上打磨抛光后，用4%的硝酸酒精溶液浸蚀试样表面，显示其室温组织；在ZEISS光学显微镜下观察与轧向垂直的平面的显微组织；透射电镜中观察析出物的微观形貌等。

2 结果及讨论

2.1 试验钢不同退火工艺金相组织及力学性能

压下率为80%，退火温度为850℃，退火时间为60 s时，不同加热速率试验钢的显微组织如图2所示。

从图2可以看出，铁素体晶粒细小，形状以等轴铁素体为主，同时含有一定量细小的饼状铁素体。随着加热速率的提高，等轴状铁素体尺寸更加均匀，饼状铁素体数量增多，尺寸逐渐增大。表2为不同加热速率下试验钢的力学性能，从表中可以看出，试验钢的屈服强度和抗拉强度均得到提高，屈服强度提高的幅度较大，在加热速率为15℃/s时，屈服强度最大为 295.4 MPa，抗拉强度最大为474.8 MPa。加热速率为5℃/s时，延伸率最高为38.4%，屈强比最低为0.552。试验钢的延伸率主要受晶粒尺寸和分布的影响，在较大的变形量下 (本试验压下率为80%)，试验钢的晶粒较细，且大小分布不均匀，这是延伸率降低的一个主要原因。虽然在加热速率为5℃/s时，试验钢的抗拉强度和屈服强度不是最高，但其延伸率最高，屈强比最低，有利于细晶高强IF钢深冲加工。

表2 不同加热速率下试验钢的力学性能

加热速率在2～15℃/s之间，随着加热速率的升高，试验钢的r值不断升高，n值降低。在加热速率为15℃/s时，r值最大为1.928，在加热速率为2℃/s时，n值最大为0.271。塑性应变比和加工硬化指数是衡量深冲钢板成型性能好坏的两个重要指标。本试验的细晶高强IF钢的r值和n值普遍要比传统高强IF钢的要高，更加有利于改善细晶高强IF钢的成型性能。

2.2 试验钢不同退火工艺下的微观形貌

压下率为80%，退火温度为850℃，退火时间为60 s时不同加热速率试验钢的二相粒子微观形貌如图3所示。

从图3可以看出，较大二相粒子尺寸为70～80 nm，其形状以方形、圆角方形为主，也有的为圆片形。较小二相粒子的尺寸为30～40 nm，其形状以球状、椭球状为主，也有少量的为方形。随着加热速率的提高，无沉淀析出区的体积分数也随之逐渐增大，形状更加稳定。当加热速率为15℃/s时，无沉淀析出区（PFZ）的宽度达到了 1.2 μm，如图3（d）所示。

2.3 无沉淀析出区

汽车外面板特性要求之一是要有低的屈强比，强化IF钢时，是靠固溶强化和析出强化，屈服强度会随抗拉强度上升而上升，PFZ随再结晶晶粒成长，在移动的晶界轨迹上残留粗大的析出物，最后出现一个晶粒内有细小析出物区和稀疏的粗大析出物，两个区域共存［6］。

合金成分中含有0.005 3%C和0.051%Nb的钢在经过650℃卷取后，根据Trurkdongan得出的铌碳化合物在铁素体中溶解度理论，钢中的铌碳化合物将充分沉淀。因此，大量细小铌碳化合物将抑制退火过程中的再结晶，并且晶粒的生长也将因沉淀相的钉扎作用而受到限制。可以认为，晶界周围无沉淀区是在再结晶之后晶粒生长过程中形成的，因为其形状与位置与前面提到的再结晶的晶粒边界相类似。

图4为压下量80%、退火温度850℃、退后时间60 s、加热速率10℃/s退火试样中细小沉淀的分布规律。从图4（a）、（b）可以发现，相对粗大沉淀物的分布几乎构成了晶粒的轮廓，某些粗大沉淀的排列与平行沉淀排列相伴并存。在这两对排列的间距处，没有发现细小沉淀，除了少量更加粗大的沉淀，近乎形成了一无沉淀区。由于这种所谓的无沉淀区总体上在晶粒边界两侧形成，在晶粒边界的一侧很明显地观察到这些伴有细小沉淀的间隔。图4（c）、（d）为PFZ 附近二相粒子的大小、形貌、分布及EDS图片。在图4（c）中分布着直径在30 nm到50 nm的细小沉淀，其形状以圆球状、椭球状为主，还有个别为长方形，并且通过EDS分析还发现了Nb和C的分布,因此该析出物为NbC。图4（d）为PFZ内部粗大二相粒子，其形状为圆角方形，尺寸为120 nm左右，通过EDS分析还发现了Nb和C、N的存在，因此该析出物为 Nb（CN）。

3 结论

（1）随着加热速率提高，铁素体尺寸更加均匀，饼状铁素体数量增多。无沉淀析出区的体积分数也随之逐渐增大，形状更加稳定。

（2）随着加热速率的提高，试验钢屈服强度和抗拉强度有所提高，r值不断提高，n值不断降低。屈服强度最大为295.4 MPa，抗拉强度最大为474.8 MPa，r值最大为 1.928，n值最大为 0.271。

（3）经EDS分析，形状为圆角方形，尺寸为120 nm左右的二相粒子为Nb（CN），形状为圆球状、椭球状，尺寸为30～50 nm的二相粒子为NbC。

［1］ 李文彬，官军．深冲钢（IF钢）的研究与发展概况［J］．冶金设备，2005（3）：32-33．

［2］ 马鸣图．我国汽车钢板研究与应用进展 ［J］．钢铁，2001，36（8）：64-69．

［3］ 康永林．现代汽车板的质量控制与成形性［M］．北京：冶金工业出版社，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］ 大泽一典．析出物对超低碳IF钢板的再结晶、晶粒长大行为的影响［J］．CAMPISIJ，1996．