汽车面板用钢的研究及发展动向

汽车面板用钢的研究及发展动向陈俊录(材料与冶金学院材料2014.3)摘要：利用Ｎb(C，N)的微细析出物和晶粒细化机理，鞍钢研制出了汽车外面板用高强度超细晶冷轧IF钢。新钢种抗拉强度大于390MPa，晶界附近有形成无沉淀析出区的趋势，屈服强度较低，同时具有高塑性应变比和高加工硬化指数，具有优良的成形性能，可完全满足汽车轻量化需要。关键词：汽车面板；IF钢；高强度；晶粒细化；PFZ为适应汽车轻量化的要求，车身用钢板的高强度化研究正在迅速推进，其中，IF钢板作为第三代冲压用钢已被广泛应用于汽车工业[1]。传统的高强度IF钢属于固溶强化钢，主要通过在IF钢中添加Sj、Mn、P等固溶强化元素来提高强度，但添加的固溶强化元素会恶化钢板的深冲性能(r值)，并使屈服强度提高，加工硬化指数(n值)降低，同时．由于缺乏晶界强化而易产生二次加工脆性。特别是对于热镀锌合金化钢板(GA钢板)，固溶强化元素中的Si将严重损害镀层表面质量，使其不适用于复杂成形的外板零件。为解决上述问题。日本JFE公司通过细化晶粒，在提高晶界强度、抑制二次加工脆化的同时，不添加使表面质量恶化的固溶元素，利用独特的微细析出物沉淀强化．成功开发了汽车外面板用抗拉强度大于340MPa的超细晶高强度钢板，使钢板获得了优良的深冲成形性和低屈强比[2]。该钢种的冷轧和热镀锌产品在日本已经进行了商业化生产，而对于国内各大钢厂来说尚属空白。本文介绍了鞍钢在高强度超细晶冷轧IF钢方面的研究情况，旨在实现此类汽车用钢的国产化。替代进口，推进其在我国汽车轻量化进程中的广泛应用。1试验原理及方法利用晶粒细化、析出强化结合原有的固溶强化形成钢的强化机制。设计了高强度超细晶IF冷轧汽车板的化学成分。在这种新型的高强‘IF钢中，碳含量将比传统高强IF钢高很多。减少影响表面质量的Si和高成本的Mo等固溶强化元素的添加量，而且添加一定量的Nb。形成更多细小的铌的碳氮化合物Nb(C，N)并弥散分布。少量B元蚕素的加入将抑制P的晶界偏析，强化晶界从而改誉善钢板的二次加工脆性。甚试验钢经200kg真空炉冶炼，化学成分见表1，。4表面清理后在500IDA'n中厚板轧机上进行开坯和热轧，中间坯和热轧板厚度分别设定为30mill和6rain。热轧板经酸洗后在450m／n直拉式冷轧实验机上进行冷轧，冷轧板最终厚度1．5mm左右，冷轧压下率约为75％。热模拟及板带连续退火实验在GLEEBLE一3800热模拟实验机上进行。利用DIL402C型热膨胀仪测定了试验钢的相变点．采用LEICABMl5000M型光学金相显微镜观察试验、；钢金相组织。利用TecnaiG220S-Twin型透射电黾子显微镜(，IEM)分析显微结构及二相粒子。2试验结果及讨论2．1热塑性曲线及相变点测定图1为试验钢的热塑性曲线。由图1中可见，新钢种在950一l250oC之间具有较好的塑性．断面收缩率在80％以上。温度低于950oC时，试验钢的热塑性显著降低。在850oC左右塑性出现低谷，温度高于1250oC时，热塑性急剧下降，1400oC时的塑性几乎为零。因此，实际生产中该钢连铸坯的矫直和热轧均应选择在延性区间，即950-1250oC之间进行，以防止产生裂纹。试验钢的热膨胀曲线如图2所示。测定升温时的Ac。和At3温度分别为887oC和913oC，降温时的Acl和At3温度分别为810oC和821oC。对于存在相变的合金来说。一般升温过程中相转变温度向高温偏移，降温过程与之相反，故试验结果可靠性较高。在此种新型高强IF钢中，尽管碳含量有所提高．但其仍属低碳钢范畴，故两相区温度范围较窄。2．2金相组织和力学性能检验在金相显微镜下观察了冷轧板退火后的金相组织，如图3所示。从图3(a)可见，试验钢组织为铁素体单相组织，晶粒均匀，晶粒度达10级；与传统IF钢相比显著细化。且多边形铁素体上均匀分布着大量细小、弥散析出的第二相粒子，见图3(b)。通常，靠晶粒细化和析出强化的钢板，屈服强度都会提高。而本文所研制的新钢种屈服强度并未增加，原因与其独特的二相粒子分布有密切关系。冷轧退火板的力学性能检验结果见表2。从表中可见，试验钢力学性能均匀、稳定。抗拉强度均在410MPa以上，满足大于390MPa的设计要求，同时具有低的屈强比，高的延伸率。r值和n值均较高。2．3第二相粒子分析图4为透射电镜复型试验结果。图4(a)为铁素体晶粒内部二相粒子分布情况。由图可见，晶粒内的析出物细小、均匀，尺寸在20。30nm左右，能谱分析表明，其为Nb的C、N化物，见图4(b)。图4(c)、(d)反映了二相粒子在晶界附近的分布情况，由图可见，晶界上析出物相对粗大，晶界附近除个别尺寸较大的二相粒子外。存在细小析出相较少的带状区域，即有形成PFZ(无沉淀析出区)的趋势。(c)与(d)的差别在于PFZ形成于晶界的单侧或两侧，这与文献[2]报道的PFZ仅存在于晶界一侧有所不同。图5所示为薄膜样品的TEM照片。可以看到，在晶界移动方向的前方，存在大量细小、弥散析出的二相粒子，而在晶界移动方向的后方，除极少量尺寸较大的析出物外，第二相粒子数量很少。从而验证了复型样品中晶界单侧形成PFZ的观察结果。晶粒细化和弥散析出强化的钢板．屈服强度会上升，屈强比将增加。但是本文所研究的新型高强度超细晶IF钢由于组织中包含上述独特的无沉淀析出区(PFZ)，使得钢板的屈服强度不仅不增加，反而会有所下降。日本学者推测PFZ是在再结晶之后的晶粒长大过程中形成的，他们认为，随着退火温度的升高，晶界上的析出粗大化，降低了其对晶界的钉扎作用。一旦晶界到达晶粒内相邻的细小析出时。析出的粗大化进程将因铌的扩散由体积扩散转变为晶界扩散而加快速度．造成了晶界的“扫动效应”。从而导致仅在晶界一侧存在独特的无沉淀析出区[3]。关于PFZ的形成机理，学术界尚存在分歧，大致有3种观点[4]：一是空位贫乏学说。主张晶界是空位的消失场所。冷却过程中多余空位大都逃逸到晶界而消失，使析出物难以成核，从而形成PYZ；二是溶质原子贫乏学说，认为晶界附近的溶质原子往往很少，因而在此处很难发生析出；三是奥斯特瓦尔特成长理论．认为系统的自由能总是趋于低的稳定状态．较大的析出质点能吞并细小质点便是PYZ形成的主要因素。用以上任何一种观点完整说明有关PYZ的各种现象都是非常困难的。但无论哪种学说都为晶界两侧存在无沉淀析出区奠定了理论基础。在本文的研究工作中．观察到了晶界单侧和两侧均可形成PYZ的现象。作者认为这是多种因素共同作用的结果，或者说在退火过程中同时发生了原位再结晶和不连续再结晶[5]。试验钢经热轧和冷轧后，基体中的位错密度和析出相尺寸不尽相同，再结晶初期，择优形成的无应变晶核核心吞噬形变基体而长大。存在大量细小析出相的区域，位错的重排和亚晶界的运动受到极强的阻碍．只能通过原位再结晶发生特殊的回复过程．生成全新的组织结构，但没有发生大角度晶界的迁移，第二相粒子仍呈弥散分布。尺寸较大的析出相对位错重排和晶界迁移的阻碍作用较弱。铁素体晶粒可以通过不连续再结晶降低位错密度。使再结晶晶核得以形成和长大。在再结晶的晶粒长大过程中，粗大的析出相钉扎力不足，使得再结晶前沿界面脱钉而向前推进，将其留在再结晶晶粒中；晶界前沿的细小析出相重新溶解，让晶界通过，待晶界停止迁徙后过饱和溶质原子在晶界处重新析出并粗化。2.4平整延伸率对成形性能的影响试验钢屈服强度和力值随平整延伸率的变化如图6所示，随着平整延伸率的增加，屈服强度逐利用试样的n值和板厚．通过ASAME软件对试验钢的成形极限进行了计算机模拟，结果表明，随着平整延伸率的提高．试验钢的成形极限曲线下移，平面应变状态下的极限应变点数值降低，见图7，即成形性能下降。当平整延伸率达到1．0％～1．2％时，其接近传统IF钢的水平。一般情况下，随着平整延伸率的增加。IF钢的屈服强度会呈线性提高。这是因为平整延伸率的增加将导致材料位错密度的提高。从而提高变形抗力。而由于位错密度对破断抗力影响较小。所以平整延伸率对抗拉强度几乎没有影响，这与本文的试验结果相符。力值随着平整延伸率的提高而逐步降低，则是由于平整延伸率的增加导致了材料加硬化的能力降低所造成的。3结论鞍钢研制的高强度超细晶IF冷轧汽车板（1）采用无Si成分设计，延性温度区间950~1250℃，两相区温度范围较窄，能够满足镀锌工艺要求。（2）产品具有强度高，屈强比低，成形性好和抗二次加工脆性优越等特点，适用于汽车面板，侧围或保险杠等形状复杂的零部件，完全满足汽车轻量化的要求。参考文献[1]李守华，李俊，汽车用高强度IF钢的研究进展[J].上海金属，2007,29（5）；66—70.[2]ToshiakiUrabe,YoshihikoOno,TakeshiFujita,etal.State-of-ArtNb-BearingCold-RolledSteelSheelforAutmotiveApplication[C]Proe.OfInternationalSymposiumonNiobiumMicroalloyedSheetSteelforAutomotiveApplication,TMS(TheMinerals,Metals&MaterialsSociety),2006;409-205.[3]藤田毅，占部俊明，樱井理孝，汽车面板用高性能高强度钢板[J]。JFE技术，2007（16）：12-15.[4]畑荣一，马场义雄.PFZ与晶界析出的控制方法[J].日本金属学会会报，1975,（7）：478-482.[5]王东锋，夏成宝，康布熙，等.Cu-Ni-Si合金的时效析出与再结晶[J].材料科学与工艺，2008,16（2）：220-223.