日本现代低碳和超低碳钢的冶金行为和应用的研究

日本现代低碳和超低碳钢的冶金行为和应用的研究武智弘（福岗工业大学）摘要这十年中IF钢在生产和质量方面有显著的进步，其工艺已延伸到诸如高强度钢、热浸镀锌铁素体不锈薄钢板等很宽广的钢种上。估计在1996年，日本生产了940万吨IF钢，为了维持这么大的产量，研究工作也得到促进。本文描述的是从1994年东京会议以来在日本目前提出的研究课题。ResearchonMetallurgicalBehaviorandApplicationofModernLCandULCSteelsinJapanHiroshiTakechiIFsteelhasremarkablyprogressedinproductionandqualityinthisdecade,andextendedthetechnologytowidersteelgradessuchashighstrength,hotdipgalvanized,andferriticstainlesssheetsteels.Itisestimatedthat9.4milliontonsofIFsteelhavebeenproducedinJapanin1996,andtheresearchingactivitieshavealsobeenpromotedtosustaintheenormousproduction.ThispaperdescribesaboutcurrenttopicsontheactivitieswhichhavepresentedinJapanmainlysincetheconf.inTokyo,1994.1、再结晶织构的模型化和化学成分对r值的影响为什么IF钢的r值如此之高，已争论了很长时间。Abe1）指出Mn-C偶极子的有害作用，它阻碍再结晶时{111}取向的成长。按照他的意见，Mn-C偶极的形成能力可以写成公式（1）Cd/Cs=6·Mn（1-CMn）·exp（-△ε/KT）(1)此处Cd、Cs和CMn分别为Mn-C偶极子，C和Mn的克分子浓度，T是再结晶温度（650℃），而△ε是Mn和C之间的反应能（-0.26eV）。假定在热轧带钢中溶解C可以用时效指数（AI）来说明，相当于Mn-C偶极子形成能力的参数X如公式（2）所示：X=Cd/（Cs+Cd）·AI(2)Kojima等人2）在图1中示出了退火后X-值与{222}强度之间的关系，Osawa等3）研究了用碳含量表示的Mn%和r值之间的关系，如图2。他们解释说，C%在0.002%和0.007%之间时，增加Mn%使r值降低是由于Mn-C偶极子的作用。超低C含量，同时添加Ti或Nb就消除Mn-C偶极子，使{111}再结晶织构平稳地形成。这些年来，对冷轧和再结晶晶粒之间的织构进行了大量的研究。Urabe等4）设想基于贮存能和围绕〈110〉轴的选择生长理论一道构成定向形核理论，并对再结晶织构的生成进行了计算机模拟。他们证明了当环绕〈110〉轴转动22°，同时改变选择{110}〈110〉滑移系统时，在图3中观察到的织构与在图4中计算出来的十分一致。Senuma等5）报道了在α-γ区带润滑热轧能有效改善冷轧和退火后的IF钢的r值，如图5所示。润滑减少薄板表面的剪切，它对最终退火时{111}织构形核是有害的。连续热轧工艺的发展使IF钢带润滑热轧已在工业上应用。经验发现当采用罩式炉退火时，Cr、V和B三元素对r是有害的。也对在连续退火过程中元素B的作用进行了研究，因为B是必须加入以防止冷加工脆性，Haga等人6）指出B恶化r值，呈线性关系，如图6所示。这种趋势是由降低再结晶晶粒的形核和长大速率引起的，如图7（a）和（b）所示7）。正如固溶C和N那样，B提高了再结晶温度并倾向于在再结晶织构中形成{110}成分。Yasuhara等8）也发现热轧过程中偏聚在奥氏体晶粒边界的B阻碍了奥氏体再结晶并形成相变织构。相变织构产生了冷轧中的〈110〉//RD取向和退火织构，这改善了与轧向成45o方向的r值。因此B改善了退火薄钢板的平面各向异性。2、复合析出物的析出行为及对力学性能的影响Sanagi等人9）指出板坯再加热温度与卷取温度对含TiIF钢热轧薄板中析出物的影响，如表1。可以看出只有当板坯再加热温度低于1150℃而卷取温度高达750℃时形成碳化物，这表明为了获得优越r值的较好的热轧条件是除去固溶的碳。表1热轧薄板中酸性未溶萃取析出物用X射线衍射分析测定出的析出相卷取温度再加热温度（℃）（60min）（℃）100010501100115012001250650TiNTi4C2S2TiNTi4C2S2TiNTi4C2S2TiN-TiN-TiN-750TiNTi4C2S2TiNTi4C2S2TiNTi4C2S2TiNTi4C2S2TiNTi4C2S2TiNTi4C2S2水淬*TiNTi4C2S2TiNTi4C2S2TiNTi4C2S2TiN-TiN-TiN-当板坯再加热温度不能低于1150℃时，要求卷取温度高于700℃。Yoshinaga等10）通过试验方法确定了含TiIF钢中TiS和Ti4C2S2在奥氏体区的溶解度积。测量TiS的溶解度积使用了化学成分为0.0027%C-0.0080%-0.028%Ti的钢，而对TiS4C2S2则用0.0023%C-0.0030%S-0.017%Ti钢。证实只有一种析出物在热处理后存在，并且该析出物进行了电解萃取与化学分析。TiS和Ti4C2S2的溶解度积分别由公式（3）和（4）表示：㏒[Ti][S]=-3252/T-2.01(3)㏒[Ti][C]0.5[S]0.5=-5208/T-0.78(4)他们将这些溶解度积输入Thermo-calc的软件中，并计算多种相的溶解度极限，并比较了这些计算出来的结果与Sanagi9）和Okamoto11）所报道的试验结果。Sanagi所用钢的化学成分为0.003%C-0.2%Mn-0.01%S-0.037%Ti-0.003%N，而Okamoto所用的成分为0.0009%C-1.4%Mn-0.004%S-0.043%Ti-0.003%N。在两种情况下计算得出的析出物摩尔分数分别示于图8(a)及(b)，它们与试验结果十分符合。Hashimoto等依据S含量计算了含TiIF钢中溶解C的量，图9。含有大约70ppmS的试样S1由于TiS4C2S2析出，大大降低了在奥氏体区低温范围的溶解的C，而含有1ppmS的试样S2在奥氏体区保持着较高的溶解C量。试样S1的r值为1.72，而试样S2则仅为1.42，这是由于在热轧薄板中溶解的C量的差别造成的。他们也给出Ti-Nb同时加入对热轧薄板中溶解的C和冷轧退火薄板r值的影响，其中Ti含量约为0.020%而Nb含量在改变。如图10所示，当增加Nb含量时，热轧薄板的时效指数（AI）随着r值的提高而趋向于降低，这可通过图11所示的（Ti，Nb）4C2S2的析出来理解。（Ti，Nb）4C2S2的析出促进了在奥氏体区溶解C的排除，这就导致r值的显著提高。Yoshinaga等人（13）指出，在同时含Ti-Nb的IF钢中，（Ti，Nb）（C，N）相图中两个截然不同的相发生分离。这种分离是因为TiN与其他碳化物或氮化物相比有极强的稳定性，而且它是沿着图12中虚线所表示的连结线发生。这种行为通过γ相和α相不改变。他们将位于TiN侧附近的化合物称为K1相，位于NbC侧附近的另一种称为K2相。热动力学法计算出在γ或α区溶解的C或N的量，如图13所示，它表明在γ相中只有靠近TiN的化合物析出，而在α相中，成分为Ti（C0.3N0.7）的k1相和成分为（Ti，Nb）C的k2相趋向于分离。图13表明N可以在γ相中析出，而C只能在α相中析出，但是S的存在由于形成复合的碳硫化合物，甚至在加入Ti-Nb的IF钢中也加速了析出，如图11所示。IF钢的力学性能已经在各种领域中进行过研究。Morrison14）和Masui15）等人报导了低碳薄钢板的n值与晶粒尺寸（d）有关，由下列公式给出：n=5/10+d-1/2(5)n=10/（10+σi+1.3d-1/2）(6)此处σi是除晶粒尺寸以外的另一个强度因素。但含Ti的IF的n值看来与晶粒尺寸无关，如图14所示。当运动中的位错受间隙原子影响时，必须形成新的与晶粒尺寸有关的位错源。因为IF钢没有间隙原子，位错移动可能与低碳薄钢板中的不同。当IF钢冲压时，因为它太软而不能减少毛刺（内缘翻边）的频率，Utsumi等16）给出了毛刺高度与延伸率（El）或r值按合金元素而定的关系，见图15及图16。基本金属为加Ti的IF钢，含有0.002-0.008%C，0.45-0.69%Mn，0.016-0.037%P，0.009-0.016%S及0.044-0.085%Ti。可以清楚的看到，当S多达0.016%，降低了毛刺高度而不牺牲延伸率和r值，如图中（B-F）所示。每一种添加元素的行为取决于析出物的形状和分布，硫化物对准备小裂口而不牺牲抗拉性能是在最好的状态，但TiC过于细小而FeTiP则太大而不能在冲孔能力和抗拉性能之间得到良好平衡。3、合金元素对IF钢镀Zn性能的影响IF钢是用于热镀锌处理的高强度钢（HSS）薄板，其中P和Si是主要的合金元素。Urai等17）报道P含量少于0.010%对热浸镀锌后的合金化速率没有影响，相反，P含量多于0.025%抑制了合金化层，如图17所示。在图中零时间时，当P增加，镀层中的Fe含量趋于降低，这表明在钢中P延迟Zn与Fe之间的合金化反应导致Γ相显著减少。当P含量低时，在镀层和基体金属界面上Al浓度很低，随之形成爆裂组织。但在较高的P含量时，P富集于薄板表面，它加速了Al的富集，而形成致密Fe-Al-Zn合金化层，能阻止爆裂组织的形成，如图18所示。Isobe等18）也发现当基本金属中P含量增加时，在锌浴槽中0.3%这样高的Al含量能延缓Al-Fe合金化层的形成。Nishimura等人19）发现Si含量越高，越能延迟合金化层的形成，如图19所示，特别是当Si含量超过0.5%时，会产生显微的未镀上的缺陷。这些缺陷是基于退火后在薄板表面的Si浓度，如图20所示。退火是在800℃进行60秒。Adachi等20）报道了含TiIF热浸镀锌钢，当镀层中Fe含量约为9%时，其剪切附着强度最小，但是，将锌浴槽中的Al含量提高至0.18%时，此强度可提高，如图21所示。他们也发现锌浴槽中高的Al含量可以提高剪切附着强度，这是由于在合金层和基体金属的界面上形成高达10µ左右的不平整度。此10µ的不平整度相当于基体金属的晶粒尺寸，它是由Γ相的不均匀凝固产生的。Γ相的形成受Fe-Zn在基体金属的扩散速率的取向关系和Fe2Al5相析出产生的阻碍作用的影响。4、以IF为基础的铁素体不锈钢薄板以IF钢为基础的铁素体不锈钢薄板已广泛使用于汽车制造和建筑方面。其化学成分的例子如表2所示：表2以IF钢为基础的铁素体不锈薄板钢的例子CSiMnPSCrMoNNbNTKU-20.0070.510.180.0300.00518.331.990.0100.25YUS2200.0140.460.12--22.00.830.0110.37Yoshikawa等人给出了Nb/(C+N)对屈服强度和r的影响，正如普碳IF钢一样，图22及图23。Katoh等人给出C或N对加Ti钢中延伸率和r的影响，图24及图25。发现降低C含量很显著地提高了这两种性能，然而降低C和N使起皱更严重。图2.6表明高的含N量可以补救起皱，这是由于凝固时钢水中TiN析出阻碍了铸造组织中晶粒粗化，如图27中所示。5、结论全世界IF钢的产量正在增长，因为它看来是实现优越性能的一条捷近。但是，正如专业人士所知，它是一种高级别的钢种，由一整套从炼钢到退火相互影响的工艺组成。生产成本应进一步降低，并且对不同的用户需要提供更多的应用数据。我们更有必要交流我们的经验和讨论有前途的钢种的进一步进展。参考文献（略）图1退火钢的X及{222}极强度之间的关系图2各种冶金因素对r值影响的示意图图3冷轧（上面一排）与