CSP工艺对热成形钢氢致延迟开裂性能影响

陈勇 周桂峰

（1.宝钢股份中央研究院（武钢有限技术中心），武汉 430080）

1 前言

当前成形钢已经广泛应用于汽车安全构件，满足轻量化和安全性要求[1]，其主要构件包括A柱、B 柱防撞梁等，全球热成形零部件数量已经突破5 亿件。但是热成形钢强度高达1 500 MPa，延迟开裂问题就成为制约其应用的瓶颈，如何降低开裂敏感性就成为各大汽车厂和研发机构的研究重点。研究表明，钢中添加适量的微合金元素如Nb、V 和Ti 等可以有效提升高强钢的抗氢性能，主要在于它们在钢中生成纳米级的析出相，这些细小的析出相是良好的高能氢陷阱，能够有效钉扎钢中的氢[2]。Nb 和V 属于贵重合金，因此如何有效地发挥微合金元素的作用是一个关键的问题。与传统热轧工艺比，薄板坯连铸连轧（Compact Strip Production，CSP）工艺有许多特点，薄板坯连铸过程中凝固和冷却速度快，能有效抑制钢中液析TiN 产生，薄板坯直接轧制，只发生γ→α转变的过程，钢中微合金元素的固溶度会更高[3-4]，会使得CSP 产品中的析出相更多更细小[5]。使用CSP 工艺生产热成形钢为抗延迟开裂性能提供了一条新的生产方法。

2 材料制备和试验方法

本试验使用相同成分设计在不同工艺路线生产同一种热成形钢WHF1500。

a.使用150 t 转炉冶炼，通过CSP 连铸连轧获得成品（以下称WHF1500-CSP）。

b.150 t 转炉冶炼后使用传统热轧+冷轧获得成品（以下称WHF1500-L），2 种钢的化学成份见表1，将钢板加热到奥氏体化并保温5～6 min，在平板模具上淬火，抛丸处理去除钢板表面氧化铁皮。2 种钢基本力学性能见表2。

表1 化学成份（质量分数） %

表2 两种钢的基本力学性能

试验分析结果如下。

a.金相分析。将试样经过使用金相砂纸逐级打磨到1200号后抛光，用3%硝酸酒精试剂腐蚀剂观察金相组织，使用苦味酸腐蚀观察原奥氏体晶粒度。

b.透射电镜分析。观察淬火前后两种钢的析出相，并对析出物的大小分布进行统计分析。

c.恒应力试验。将钢板加工成恒应力试样（图1），试样表面打磨到1200 号砂纸，使用应力环完成加载试验。试验溶液为0.2 mol/L NaOH+硫脲，加载应力的同时使用电化学动态充氢，充氢电流为1 mA/cm2、2 mA/cm2、4 mA/cm2，以200 h 为试验截止时间，记录每一个应力下试样的断裂时间，直到在某个应力下200 h 不发生断裂，计算钢的延迟断裂临界应力值σc，为了确保临界应力值的准确性，σc还应该满足下列条件。

式中，σy为发生断裂的最小应力；σn为不发生断裂最大应力。

图1 恒应力试样

d.氢渗透试验。将淬火后的试样加工为尺寸3 cm×3 cm，双面打磨并抛光，试样厚度约为1.3 mm；氢渗透试验装置示意图见图2，阴极侧溶液为0.2 mol/L NaOH 溶液+硫脲；阳极侧溶液为0.2 mol/L NaOH，阳极侧施加电位+0.2 V(vs.SEC)。充氢电流密度为2 mA/cm2，测量氢扩散聚集曲线，计算扩散动力学参数及氢浓度。

式中，A 为试样表面积；d 为试样厚度；F 为法拉第常数；I∞为稳定时的电流；J∞为稳定时氢摩尔通量；t0.63为滞后时间；Deff为有效扩散系数；C0为钢中氢浓度；NT为氢陷阱密度；NL为晶格氢陷阱密度；DL为晶格氢扩散系数；参考α-Fe DL为1.28×10-4cm2/S，NL为7.52×1022/cm3，Eb为0.3 eV[2]。

3 试验结果

3.1 金相组织分析

图3 给 出 了WHF1500-CSP 和WHF1500-L 淬火后金相组织及原奥氏体晶粒度照片，由图3a 和3b 可以看出，两种钢均为板条马氏体。图3c 和图3d 为淬火后2 种钢的原奥氏体晶粒度，由图3c 和图3d 可以看到，WHF1500-CSP 原奥氏体晶粒更加细小，晶粒度等级为11 级，WHF1500-L 为10 级。

图2 氢渗透装置示意

图3 WHF1500-CSP与WHF1500-L淬火后金相组织

3.2 析出相对比分析

图4a 和 图4b 为WHF1500-CSP 和WHF1500-L热成形淬火前钢中观察到的析出相，图4a 和图4b中明显观察到WHF1500-CSP 中的析出相更为细小，分布数量更多。对5 个20 000 倍视场照片下析出颗粒的尺寸和数量进行统计，结果见图5。分布密度上看WHF1500-CSP 约为WHF1500-L 的3 倍；从尺寸上WHF1500-CSP 析出物颗粒平均粒径约为65 nm，主要分布范围在40～60 nm 之间；WHF1500-L 的析出物平均粒径为190 nm，主要分布范围在150～200 nm 之间。图4c 和图4d 为薄片法观察WHF1500-CSP 和WHF1500-L 热成形淬火后析出相，同样观察到WHF1500-CSP 析出数量明显多于WHF1500-L，WHF1500-CSP 的析出物尺寸在40～64 nm 之间，WHF1500-L 的析出相尺寸在110～260 nm 之间，此结果与淬火前观察到结果基本一致，可以认为热成形淬火过程对两种钢的析出相没有影响。

图4 TEM观察析出相照片

WHF1500-CSP 钢的热轧过程中没有α→γ和γ→α过程，所以钢中的微合金元素Ti 和Nb 的固溶度要比传统热轧高，这对提高形核率有利。WHF1500-L 的热轧目标厚度约为3.5 mm，而WHF1500-CSP 钢热轧目标厚度是1.5 mm，因此WHF1500-CSP 钢在层流冷却后降温速率也高于WHF1500-L，高的冷却速度产生大的过冷度，使得钢中的碳氮化物更加弥散而细小。

图5 两种钢析出相尺寸分布对比图

3.3 恒应力试验

图6 是WHF1500-L 和WHF1500-CSP 在 不 同电流下应力-断裂时间曲线，从图6 可以看到随着充氢电流的增大，两种钢的断裂门槛应力均会下降，WHF1500-CSP 在1 mA/cm2电流下门槛应力为1 185 MPa，当电流增大到2 mA/cm2后门槛应力下降到1 110 MPa，增大到4 mA/cm2后门槛应力下降到997 MPa。对于WHF1500-L 钢在同样的条件下门槛应力值分别为937 MPa、772 MPa 和712 MPa，均 比WHF1500-CSP 钢 低200～300 MPa。

图6 两种钢充氢电流下应力-断裂时间曲线

表3 两种钢在不同充氢电流下门槛应力 MPa

图7 是2 种热成形钢的恒应力断口，图7a 和图7d 为宏观形貌，断口中心为脆性区，四周为韧性开裂，开裂源点为中心部位，图中可以看到WHF1500-CSP 的脆性区面积明显小于WHF1500-L；图7b 和图7e 为脆性区微观形貌，表现为沿晶+准解理开裂方式，在图7e 中发现有大颗粒TiN 夹杂，尺寸约9.3 μm，有大量裂纹沿着夹杂物棱角向四周扩展，图7f 为WHF1500-L 韧性区形貌，表现为韧窝，在韧窝底部同样可以看到破碎的TiN 夹杂，尺寸约4.5 μm。

图7 恒应力试样断口观察

3.4 氢渗透动力学行为

对WHF1500-CSP 和WHF1500-L 2 种钢进行氢渗透试验，得到2 种钢的氢渗透曲线，如图8 所示，计算了氢扩散动力学参数（表4），分析氢在两种试样中扩散动力学行为差异，WHF1500-L 中氢扩散系数5.41×10-7cm2/s,WHF1500-CSP 中的扩散系数为2.65×10-7cm2/s，表明氢在WHF1500-CSP中更难于扩散和富集；同时WHF1500-CSP 中氢陷阱密度为3.61×1025cm-3，是WHF1500-L 的2倍，表明WHF1500-CSP 更容易捕获氢，能更好抑制氢在钢中的扩散，这与恒应力试验的对比结果是一致的。

图8 两种热成形钢氢渗透曲线

4 分析与讨论

高强钢发生延迟开裂时钢所受到的应力以及与钢中的扩散氢相互作用的结果[2]，所有元素中氢原子半径最小，因此是钢中最容易扩散的元素，同时氢也会被钢中的缺陷捕获，包括溶质原子、位错、晶界、析出相以及夹杂，当氢聚集在这些缺陷时，原子间键合力会显著下降(HEDE)[6]，当键合力小于外加应力时延迟开裂就会发生。在钢中添加细小弥散的强陷阱来分散氢是提升钢延迟开裂性能的一种重要方法[7-8]。

钢中的Nb、Ti、C 和N 均为强的氢陷阱，TiC与氢的激活能约为86 kJ/mol[8]，NbC为63～68 kJ/mol[9]，当氢被这些强氢陷阱捕获后就不易出来，达到钉扎和分散氢原子的作用。WHF1500-CSP 的析出相直径约为WHF1500-L 的1/3，可以推算其比表面积是WHF1500-L 的3 倍，捕获氢的能力大大提高；同时WHF1500-CSP 析出相分布更为弥散，氢从晶格运动到析出相的距离也会变短，这也有利于捕获氢[10]，因此WHF1500-CSP 的氢扩散系数更低，氢陷阱密度更高，由表4 可知WHF1500-CSP 的氢扩散系数是2.65×10-7cm2/s，约为WHF1500-L 的一半，氢陷阱密度为3.61×1025cm-3，比WHF1500-L 多一倍。在恒应力试验中WHF1500-CSP中氢富集所需要的时间远大于WHF1500-L，因此门槛应力明显高于WHF1500-L。同时，由于WHF1500-CSP 的析出相更细小，在奥氏体化过程中能够抑制晶粒长大，起到细化晶粒的作用，WHF1500-CSP 的晶粒度比WHF1500-L 要更细小。细化晶粒可以有效地提升晶界的面积，提高钢的韧性，同时也使得单位晶界上的氢更少，这也有利于提升钢的抗延迟开裂性能。

表4 氢渗透动力学参数

5 结论

a.恒应力对比试验发现，WHF1500-CSP 的延迟开裂门槛应力比WHF1500-L 高200～300 MPa，WHF1500-CSP 具有更好的抗延迟开裂性能。

b.CSP 工艺生产热成形钢能显著提高抗延迟开裂性能，主要在于其生产工艺中凝固和冷却速度快以及铸坯不经冷却直接轧制的特点，这会使得钢中的Nb、Ti、C 和N 细小而弥散，这些细小弥散析出相能更有效地抑制氢在钢中的运动。