汽車面板用鋼的研究及發(fā)展動(dòng)向

1、汽車面板用鋼的研究及發(fā)展動(dòng)向陳俊錄(材料與冶金學(xué)院 材料2014.3)摘要：利用b(C，N)的微細(xì)析出物和晶粒細(xì)化機(jī)理，鞍鋼研制出了汽車外面板用高強(qiáng)度超細(xì)晶冷軋IF鋼。新鋼種抗拉強(qiáng)度大于390MPa，晶界附近有形成無沉淀析出區(qū)的趨勢，屈服強(qiáng)度較低，同時(shí)具有高塑性應(yīng)變比和高加工硬化指數(shù)，具有優(yōu)良的成形性能，可完全滿足汽車輕量化需要。關(guān)鍵詞： 汽車面板；IF鋼； 高強(qiáng)度； 晶粒細(xì)化； PFZ 為適應(yīng)汽車輕量化的要求，車身用鋼板的高 強(qiáng)度化研究正在迅速推進(jìn)，其中，IF鋼板作為第三 代沖壓用鋼已被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)1。傳統(tǒng)的 高強(qiáng)度IF鋼屬于固溶強(qiáng)化鋼，主要通過在IF鋼 中添加Sj、Mn、P等固溶強(qiáng)化

2、元素來提高強(qiáng)度，但 添加的固溶強(qiáng)化元素會(huì)惡化鋼板的深沖性能(r值)， 并使屈服強(qiáng)度提高，加工硬化指數(shù)(n值)降低，同 時(shí)由于缺乏晶界強(qiáng)化而易產(chǎn)生二次加工脆性。特 別是對于熱鍍鋅合金化鋼板(GA鋼板)，固溶強(qiáng)化 元素中的Si將嚴(yán)重?fù)p害鍍層表面質(zhì)量，使其不適 用于復(fù)雜成形的外板零件。 為解決上述問題。日本JFE公司通過細(xì)化晶粒，在提高晶界強(qiáng)度、抑制二次加工脆化的同時(shí)， 不添加使表面質(zhì)量惡化的固溶元素，利用獨(dú)特的微 細(xì)析出物沉淀強(qiáng)化成功開發(fā)了汽車外面板用抗 拉強(qiáng)度大于340 MPa的超細(xì)晶高強(qiáng)度鋼板，使鋼 板獲得了優(yōu)良的深沖成形性和低屈強(qiáng)比2。該鋼種 的冷軋和熱鍍鋅產(chǎn)品在日本已經(jīng)進(jìn)行了商業(yè)化生 產(chǎn)，

3、而對于國內(nèi)各大鋼廠來說尚屬空白。本文介紹 了鞍鋼在高強(qiáng)度超細(xì)晶冷軋IF鋼方面的研究情 況，旨在實(shí)現(xiàn)此類汽車用鋼的國產(chǎn)化。替代進(jìn)口， 推進(jìn)其在我國汽車輕量化進(jìn)程中的廣泛應(yīng)用。1試驗(yàn)原理及方法 利用晶粒細(xì)化、析出強(qiáng)化結(jié)合原有的固溶強(qiáng) 化形成鋼的強(qiáng)化機(jī)制。設(shè)計(jì)了高強(qiáng)度超細(xì)晶IF冷 軋汽車板的化學(xué)成分。在這種新型的高強(qiáng)IF鋼中，碳含量將比傳統(tǒng)高強(qiáng)IF鋼高很多。減少影響 表面質(zhì)量的Si和高成本的Mo等固溶強(qiáng)化元素的 添加量，而且添加一定量的Nb。形成更多細(xì)小的 鈮的碳氮化合物Nb(C，N)并彌散分布。少量B元 蠶 素的加入將抑制P的晶界偏析，強(qiáng)化晶界從而改 譽(yù) 善鋼板的二次加工脆性。 甚 試驗(yàn)鋼經(jīng)200

4、 kg真空爐冶煉，化學(xué)成分見表1，。 4 表面清理后在500 IDA'n中厚板軋機(jī)上進(jìn)行開坯和 熱軋，中間坯和熱軋板厚度分別設(shè)定為30 mill和 6 rain。熱軋板經(jīng)酸洗后在450 mn直拉式冷軋實(shí) 驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行冷軋，冷軋板最終厚度15mm左右，冷軋壓下率約為75。熱模擬及板帶連續(xù)退火實(shí) 驗(yàn)在GLEEBLE一3800熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。利用 DIL402C型熱膨脹儀測定了試驗(yàn)鋼的相變點(diǎn)采 用LEICA BMl5000M型光學(xué)金相顯微鏡觀察試驗(yàn) 、； 鋼金相組織。利用Tecnai G2 20 S-Twin型透射電 黽 子顯微鏡(，IEM)分析顯微結(jié)構(gòu)及二相粒子。2試驗(yàn)結(jié)果及討論 21熱

5、塑性曲線及相變點(diǎn)測定 圖1為試驗(yàn)鋼的熱塑性曲線。由圖1中可見， 新鋼種在950一l 250 oC之間具有較好的塑性 斷面收縮率在80以上。溫度低于950 oC時(shí)，試 驗(yàn)鋼的熱塑性顯著降低。在850 oC左右塑性出 現(xiàn)低谷，溫度高于1 250 oC時(shí)，熱塑性急劇下 降，1 400 oC時(shí)的塑性幾乎為零。因此，實(shí)際生產(chǎn) 中該鋼連鑄坯的矯直和熱軋均應(yīng)選擇在延性區(qū) 間，即950-1 250 oC之間進(jìn)行，以防止產(chǎn)生裂紋。 試驗(yàn)鋼的熱膨脹曲線如圖2所示。測定升溫時(shí)的 Ac。和At3溫度分別為887 oC和913 oC，降溫時(shí) 的Acl和At3溫度分別為810 oC和821 oC。對于 存在相變的合金來說

6、。一般升溫過程中相轉(zhuǎn)變溫 度向高溫偏移，降溫過程與之相反，故試驗(yàn)結(jié)果可 靠性較高。在此種新型高強(qiáng)IF鋼中，盡管碳含量 有所提高但其仍屬低碳鋼范疇，故兩相區(qū)溫度范 圍較窄。22金相組織和力學(xué)性能檢驗(yàn) 在金相顯微鏡下觀察了冷軋板退火后的金相 組織，如圖3所示。從圖3(a)可見，試驗(yàn)鋼組織為 鐵素體單相組織，晶粒均勻，晶粒度達(dá)10級(jí)；與傳 統(tǒng)IF鋼相比顯著細(xì)化。且多邊形鐵素體上均勻分 布著大量細(xì)小、彌散析出的第二相粒子，見圖3(b)。 通常，靠晶粒細(xì)化和析出強(qiáng)化的鋼板，屈服強(qiáng)度都 會(huì)提高。而本文所研制的新鋼種屈服強(qiáng)度并未增 加，原因與其獨(dú)特的二相粒子分布有密切關(guān)系。 冷軋退火板的力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見表

7、2。從表 中可見，試驗(yàn)鋼力學(xué)性能均勻、穩(wěn)定?？估瓘?qiáng)度均 在410 MPa以上，滿足大于390 MPa的設(shè)計(jì)要求， 同時(shí)具有低的屈強(qiáng)比，高的延伸率。r值和n值均 較高。 23第二相粒子分析 圖4為透射電鏡復(fù)型試驗(yàn)結(jié)果。圖4(a)為鐵 素體晶粒內(nèi)部二相粒子分布情況。由圖可見，晶粒 內(nèi)的析出物細(xì)小、均勻，尺寸在20。30 nm左右， 能譜分析表明，其為Nb的C、N化物，見圖4(b)。 圖4(c)、(d)反映了二相粒子在晶界附近的分布情 況，由圖可見，晶界上析出物相對粗大，晶界附近 除個(gè)別尺寸較大的二相粒子外。存在細(xì)小析出相 較少的帶狀區(qū)域，即有形成PFZ(無沉淀析出區(qū)) 的趨勢。(c)與(d)的差別

8、在于PFZ形成于晶界的 單側(cè)或兩側(cè)，這與文獻(xiàn)2報(bào)道的PFZ僅存在于晶 界一側(cè)有所不同。圖5所示為薄膜樣品的TEM照片?？梢钥?到，在晶界移動(dòng)方向的前方，存在大量細(xì)小、彌散 析出的二相粒子，而在晶界移動(dòng)方向的后方，除極 少量尺寸較大的析出物外，第二相粒子數(shù)量很少。 從而驗(yàn)證了復(fù)型樣品中晶界單側(cè)形成PFZ的觀察 結(jié)果。 晶粒細(xì)化和彌散析出強(qiáng)化的鋼板屈服強(qiáng)度 會(huì)上升，屈強(qiáng)比將增加。但是本文所研究的新 型高強(qiáng)度超細(xì)晶IF鋼由于組織中包含上述獨(dú)特的無沉淀析出區(qū)(PFZ)，使得鋼板的屈服強(qiáng)度不僅不增加，反而會(huì)有所下降。日本學(xué)者推測PFZ是在再結(jié)晶之后的晶粒長大過程中形成的，他們認(rèn)為， 隨著退火溫度的升高，

9、晶界上的析出粗大化，降低 了其對晶界的釘扎作用。一旦晶界到達(dá)晶粒內(nèi)相 鄰的細(xì)小析出時(shí)。析出的粗大化進(jìn)程將因鈮的擴(kuò) 散由體積擴(kuò)散轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ы鐢U(kuò)散而加快速度造成 了晶界的“掃動(dòng)效應(yīng)”。從而導(dǎo)致僅在晶界一側(cè)存 在獨(dú)特的無沉淀析出區(qū)3。 關(guān)于PFZ的形成機(jī)理，學(xué)術(shù)界尚存在分歧，大 致有3種觀點(diǎn)4：一是空位貧乏學(xué)說。主張晶界是 空位的消失場所。冷卻過程中多余空位大都逃逸 到晶界而消失，使析出物難以成核，從而形成 PYZ；二是溶質(zhì)原子貧乏學(xué)說，認(rèn)為晶界附近的溶 質(zhì)原子往往很少，因而在此處很難發(fā)生析出；三是 奧斯特瓦爾特成長理論認(rèn)為系統(tǒng)的自由能總是 趨于低的穩(wěn)定狀態(tài)較大的析出質(zhì)點(diǎn)能吞并細(xì)小 質(zhì)點(diǎn)便是PYZ形成

10、的主要因素。用以上任何一種 觀點(diǎn)完整說明有關(guān)PYZ的各種現(xiàn)象都是非常困難 的。但無論哪種學(xué)說都為晶界兩側(cè)存在無沉淀析 出區(qū)奠定了理論基礎(chǔ)。 在本文的研究工作中觀察到了晶界單側(cè)和 兩側(cè)均可形成PYZ的現(xiàn)象。作者認(rèn)為這是多種因 素共同作用的結(jié)果，或者說在退火過程中同時(shí)發(fā) 生了原位再結(jié)晶和不連續(xù)再結(jié)晶5。試驗(yàn)鋼經(jīng)熱軋 和冷軋后，基體中的位錯(cuò)密度和析出相尺寸不盡 相同，再結(jié)晶初期，擇優(yōu)形成的無應(yīng)變晶核核心吞 噬形變基體而長大。存在大量細(xì)小析出相的區(qū)域， 位錯(cuò)的重排和亞晶界的運(yùn)動(dòng)受到極強(qiáng)的阻礙只 能通過原位再結(jié)晶發(fā)生特殊的回復(fù)過程生成全 新的組織結(jié)構(gòu)，但沒有發(fā)生大角度晶界的遷移，第 二相粒子仍呈彌散分布

11、。尺寸較大的析出相對位 錯(cuò)重排和晶界遷移的阻礙作用較弱。鐵素體晶粒 可以通過不連續(xù)再結(jié)晶降低位錯(cuò)密度。使再結(jié)晶 晶核得以形成和長大。在再結(jié)晶的晶粒長大過程 中，粗大的析出相釘扎力不足，使得再結(jié)晶前沿界 面脫釘而向前推進(jìn)，將其留在再結(jié)晶晶粒中；晶界 前沿的細(xì)小析出相重新溶解，讓晶界通過，待晶界 停止遷徙后過飽和溶質(zhì)原子在晶界處重新析出并 粗化。 2.4平整延伸率對成形性能的影響 試驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度和力值隨平整延伸率的變化 如圖6所示，隨著平整延伸率的增加，屈服強(qiáng)度逐利用試樣的n值和板厚通過ASAME軟件對 試驗(yàn)鋼的成形極限進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，結(jié)果表明， 隨著平整延伸率的提高試驗(yàn)鋼的成形極限曲線 下移，

12、平面應(yīng)變狀態(tài)下的極限應(yīng)變點(diǎn)數(shù)值降低，見 圖7，即成形性能下降。當(dāng)平整延伸率達(dá)到10 12時(shí)，其接近傳統(tǒng)IF鋼的水平。一般情況下，隨 著平整延伸率的增加。IF鋼的屈服強(qiáng)度會(huì)呈線性 提高。這是因?yàn)槠秸由炻实脑黾訉?dǎo)致材料位 錯(cuò)密度的提高。從而提高變形抗力。而由于位錯(cuò)密 度對破斷抗力影響較小。所以平整延伸率對抗拉 強(qiáng)度幾乎沒有影響，這與本文的試驗(yàn)結(jié)果相符。力 值隨著平整延伸率的提高而逐步降低，則是由于 平整延伸率的增加導(dǎo)致了材料加硬化的能力降低所造成的。3 結(jié)論鞍鋼研制的高強(qiáng)度超細(xì)晶IF冷軋汽車板（1）采用無Si成分設(shè)計(jì)，延性溫度區(qū)間9501250，兩相區(qū)溫度范圍較窄，能夠滿足鍍鋅工藝要求。（2）

13、產(chǎn)品具有強(qiáng)度高，屈強(qiáng)比低，成形性好和抗二次加工脆性優(yōu)越等特點(diǎn)，適用于汽車面板，側(cè)圍或保險(xiǎn)杠等形狀復(fù)雜的零部件，完全滿足汽車輕量化的要求。參考文獻(xiàn)1 李守華，李俊，汽車用高強(qiáng)度IF鋼的研究進(jìn)展J.上海金屬，2007,29（5）；6670. 2Toshiaki Urabe, Yoshihiko Ono,Takeshi Fujita,et al.State-of-Art Nb-Bearing Cold-Rolled Steel Sheel for Autmotive ApplicationC Proe.Of International Symposium on Niobium Microalloyed Sheet Steel for Automotive Application,TMS(The Minerals,M