铌对热轧酸洗钢板组织和性能的影响

孙成钱 时晓光 董 毅 刘仁东 徐荣杰 张 宇

(鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009)

近年来，随着汽车业的高速发展，汽车制造商对钢铁材料性能的个性化要求日益提高。作为车辆的重要组成部件，汽车底盘部件和车轮等由于形状复杂，且在制造过程中需要进行包括拉伸翻边、弯曲、扩孔等成形方式，因此对钢板的成形性能，尤其是扩孔性能(延伸凸缘性能)提出了较高的要求[1- 4]。

热轧酸洗钢板是在热连轧机上热轧，随后经酸洗机组酸洗去除氧化铁皮，其表面质量和性能介于热轧钢板和冷轧钢板之间，可部分替代热轧钢板和冷轧钢板[5- 7]。目前钢铁市场行情严峻，热轧酸洗钢板的表面质量比热轧钢板好，在保证表面质量和使用性能的前提下，可使用户的生产成本降低，对于钢铁企业来说，也是确保盈利的产品之一。

本文通过1 780 mm热连轧机热轧和1 700 mm酸洗机组酸洗，试制了含铌和不含铌两种成分的钢板，并研究了添加铌对钢板的组织和性能的影响。

1 试制钢板的化学成分及试制工艺

两种试制钢板的化学成分见表1。

试制钢板在1 780 mm热连轧机上热轧，随后在1 700 mm酸洗机组上酸洗试制。试制工艺路线为：铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼→连铸→加热→轧制→层流冷却→卷取- 开卷- 酸洗- 卷取。具体工艺参数为：将厚度为230 mm的连铸坯加热至1 250 ℃，保温约2 h后热轧，精轧的终轧温度为880～900 ℃，钢板出精轧机组后以大于50 ℃/s的冷速冷却至660～690 ℃卷取，然后盐酸酸洗，成品钢板的厚度为3.0 mm。

表1 试制钢板的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical compositions of the trial- produced steel plates (mass fraction) %

钢板经热轧及酸洗、卷取后，沿其1/4宽度处切取试块，并制备金相试样、拉伸试样及扩孔试样。金相试样经研磨、抛光及4%硝酸酒精腐蚀后，采用光学显微镜对其显微组织进行观察分析。利用碳膜萃取复型技术制备投射电镜样品，在Tecnai G220型透射电镜上观察析出物的形貌和分布，并采用X射线能量色散谱仪分析析出物成分。沿钢板纵向截取标准拉伸试样，标距为50 mm，采用Z100型电子拉伸试验机进行拉伸试验。切取100 mm×100 mm的正方形试件， 并在试件中心冲制φ10 mm的圆孔，在ITC SP225万能板材成型试验机上进行扩孔试验。

2 试验结果与分析

2.1 铌的添加对钢板显微组织的影响

含铌和不含铌钢板经热轧及酸洗后的显微组织见图1。由图1可知，两种成分试制钢板的显微组织均由铁素体和珠光体组成。由于化学成分的不同，钢板的组织形貌具有一定的差异。与不含铌钢相比，含铌钢中的铁素体含量较多，珠光体含量较少，且晶粒更加细小。含铌钢中添加了Nb元素，在高温时Nb固溶于奥氏体基体中，能够抑制奥氏体晶粒长大[8]，细化原始奥氏体晶粒并最终达到细化铁素体晶粒的作用；同时，Nb元素的添加能够提高钢的未再结晶温度，使钢在热轧机组的后部机架处于未再结晶区，增加应变积累，提高奥氏体向铁素体转变驱动力，细化钢板组织；此外，Nb与C元素形成的NbC析出能够提高铁素体基体强度。

图2为在透射电镜下观察到的含铌钢中的析出物形貌，能谱分析显示为Nb的碳化物NbC，析出物呈圆形和椭圆形，尺寸约20 nm，主要分布于铁素体基体中。NbC的析出有利于钢板的屈服强度和扩孔性能的提高。

图1 试制钢板的显微组织Fig.1 Microstructures of the trial- produced steel plates

图2 含铌钢中析出物形貌及其能谱分析Fig.2 Morphologies and energy spectrum analysis of precipitates in Nb containing steel

2.2 铌的添加对钢板力学性能及扩孔性能的影响

试制钢板的力学性能及扩孔性能检测结果见表2。

由表2可知，两种试制钢板的力学性能良好，抗拉强度高于460 MPa，屈服强度达到310 MPa以上，断后伸长率高于34%。含铌钢的屈服强度比不含铌钢高约40 MPa，但断后伸长率差异不大，这主要是由于Nb元素的细晶强化和析出强化作用所导致。另外，含铌钢的扩孔率也明显高于不含铌钢的，提高了约1倍。这是由于，一方面Nb元素细化了钢板的组织，晶界数量增多，钢板开裂时位错滑移贯穿晶界需要克服的晶界能增加，使开裂难度增大，有利于扩孔率的提高；另一方面，铁素体基体上弥散分布的细小NbC通过析出强化提高了铁素体基体的强度，缩小了铁素体与珠光体两相的强度差，从而提高了钢板的扩孔性能。

表2 试制钢板的力学性能和扩孔率Table 2 Mechanical properties and hole expanding ratio of the trial- produced steel plates

3 应用

试生产的含铌和不含铌钢板已在某汽车厂成功冲压成汽车零件，如图3所示。

4 结论

图3 含铌和不含铌钢板冲压的汽车零件Fig.3 Automotive parts made from the trial- produced steel plates with and without Nb by stamping

(1)通过1 780 mm热连轧机热轧和1 700 mm酸洗机组酸洗试制的含铌和不含铌两种成分的钢板的显微组织主要由铁素体和珠光体组成，抗拉强度高于460 MPa，屈服强度达到310 MPa以上，断后伸长率高于34%。

(2)Nb元素的添加，除细化了钢板的组织外，还提高了铁素体基体的强度，缩小了铁素体与珠光体的强度差。与不含铌钢相比，含铌钢的屈服强度和扩孔率分别提高了约40 MPa和1倍。