成分对超低碳高强度烘烤硬化钢板性能的影响

关小军　潘　伟　周家成　王作成　朱学军

摘　要　研究了P、Ti、C、N等元素对超低碳高强度烘烤硬化(BH)钢板的强度、塑性和烘烤硬化值的影响，结果可见，C 0.004%，N 0.0047%，P 0.094%，Ti 0.017%的钢板具有较好的综合性能。
关键词　Ti　钢板　烘烤硬化

Effect of Composition on Properties of Extra Low－Carbon
and High Strength Bake Hardening Sheet Steel

Guan Xiaojun, Pan Wei, Zhou Jiajuan and Wang Zuocheng
(College of Material Science and Technology, Shandong University of Technology, Jinan 250061)
Zhu Xuegang
(Wuhan Iron and Steel Company)

山西中医学院图书馆Abstract　The effect of P,Ti,C and N on the strength, plasticity and bake hardening value of extra low－carbon and high strength bake hardening sheet steel has been studied. The testing results show that the C 0.0040% － N 0.0047% － P 0.094% － Ti 0.017% steel plate has excellent comprehensive properties.
Material Index　Ti, Sheet Steel, Bake hardening

超低碳高强度烘烤硬化钢板(简称ELC－BH钢板)系第3代汽车冲压钢板品种之一，是在超低碳钢(C≤0.005%，N≤0.004%)中加入适量的Nb或Ti，使钢中的C、N原子绝大部分被固定成碳氮化物［Ti(CN),Nb(CN)］,来保证其深冲性(＞ 1.7,＞0.21)，在铁素体中保留一定量的固溶C原子，可使退火钢板经冲压成形和烤漆处理后得以硬化(BH=30～50MPa),同时添加相应量的P进行固溶强化，进一步提高强度水平(σb≥340MPa)。该钢板是用做轿车车身覆盖件的理想材料，具有广泛的应用前景［1］。近几年国际上开发了Ti处理的ELC－BH钢板，与传统Nb处理和Nb+Ti处理的ELC－BH钢板在成分设计和工艺控制上有所不同，成分设计，采用Ti来固定钢中的N和部分的C，在钢中保留一定量固溶C原子。在工艺控制上，由于退火前的工艺过程中一定量的固溶C原子始终存在于钢中，不象传统的ELC－BH钢板那样需要高温退火和快速冷却，简化了退火工艺，为实现在线生产热镀锌板提供了可行性［2］。

1　试验材料与方法
试验用钢由实验室50 kg真空感应炉熔炼，化学成分见表1。表中No.2钢的Ti含量高于No.1钢，No.3钢的Ti含量最高且加入了微量的微合金化元素Nb。

表1　试验钢板的化学成分/%
Table 1　Chemical compositions of testing sheet steel/%

海盗法典湘潭大学学报

No.	C	N	S	Si	Mn	P	Als	Ti	Nb
1	0.0046	0.0050	0.0039	0.054	0.19	0.130	＜0.005	0.010	－
2	0.0040	0.0047	0.0038	0.039	0.24	0.094	＜0.005	0.017	－
3	0.0041	0.0046	0.0044	0.017	0.14	0.067	＜0.005	0.035	0.006

试验钢浇铸成30 kg的钢锭，经锻造、热轧至5 mm厚的热轧板。终轧温度No.1钢为840 ℃，其余为900 ℃，热轧压下率约为84%。热轧板冷至720 ℃时，放入同样温度的加热炉中保温2 h后，敞开炉门随炉冷却，以模拟现场卷取条件。热轧卷取后的板坯经酸洗、焊接后，冷轧至厚度为1.0 mm的薄板，再模拟实际生产中的罩式炉退火。具体过程为：将冷轧后的钢板截成800 mm长，入炉加热，均热温度720 ℃，保温4 h，取出空冷，冷却速度为6 ℃/s。
试验钢板的性能测试，采用单向拉伸试验并在Instron－1185材料试验机上进行，横向取样，值和值按国标GB5027－85和国标GB5028－85测定，实测以拉伸变形15%时的对应值为准。烘烤硬化值BH由预变形为2%时所对应的流变应力与随后经170 ℃、20 min烘烤而再次拉伸时的屈服应力的差值而定。

2　试验结果
试验钢板的性能和金相组织见表2和图1。可以看出，No.1板强度和BH值最高，塑性最差且值最低；No.2板比No.3板有很理想的BH值，塑性较好且值较高，强度差别不大。No.2板具有最好的综合性能。

表2　试验钢板的性能
Table 2　Properties of testing sheet steel

No.	σs /MPa	σb /MPa	δ50 /%	n20	r20	Δr	BH值 /MPa
1	265	375	38	0.252	1.531	0.831	73
2	235	350	张志俊解密太极拳41.5	0.266	1.902	0.632	48
3	225	340	39.5	0.260	1.831	0.246	6

图1　试验钢板的退火组织
(a) No.1板Ti 0.010%; (b) No.2板 Ti 0.017%; (c) No.3板 Ti 0.035%
Fig.1　Annealing structure of testing sheet steel
(a) No.1, Ti 0.010%; (b) No.2, Ti 0.017%; (c) No.3, Ti 0.035%　

图1中No.1板和No.2板具有平均晶粒大小相似的晶粒组织，差别在于No.1板中晶粒的均匀程度比No.2板稍差，No.3板组织与另两种实验钢板组织相比晶粒明显细小。

3　讨论
3.1　强度与塑性变化的原因
试验钢板的强度和塑性变化与磷含量和晶粒组织状态有关。磷含量越多，固溶强化作用越大，使塑性变差的影响也越强。晶粒越细小且不均匀强度越大，强度增加和塑性减弱的趋势越强。No.1板中含磷量最高，而且两相区终轧产生的混晶组织在一定程度上保留在退火组织中，导致了该板的强度最高，塑性最差。No.3板中细小晶粒的退火组织弥补了含磷量较少的影响，使其强度与No.2板相似，且塑性有所损害。
3.2　烘烤硬化值变化的原因
ELC－BH钢板的烘烤硬化性实质上是固溶C原子存在的宏观反映。钢板中C原子数量越多，则BH值越高［1］。为便于比较试验钢板中固溶C、N原子数量，假定：①钢板中Ti原子只与N、C原子结合而形成TiN、TiC等二相粒子，且TiN在TiC之前析出；②由于钢板中Als含量很低，可以认为无AlN二相粒子形成；③钢板中Nb原子在TiC析出后才与C原子结合而形成NbC。由此，可采用下式估算钢板中固溶C、N原子含量(%)：

N固溶=N－Ti/3.42 (1)

C固溶=C－(Ti－3.42N)/4－Nb/7.7 (2)

式中，C、N、Ti分别表示钢板中C、N、Ti元素的含量(%)。当由(1)式计算得到的N固溶≤0，表明N原子全部被固定，可再采用(2)式估算钢板中固溶C原子含量。按上述两式估算试验钢板中固溶C、N原子含量如表3所示。

表3　试验钢板中固溶C、N的含量/%
Table 3　Content of solid solution C and N in testing sheet steel/%

No.	N	C	备注
1	0.0021	0.0046	存在C、N原子
2	0	0.0038	只存在C原子证券经纪人管理暂行规定
3	0	0	无间隙原子存在

可见，No.1板中不仅C原子全部未被固定，而且部分N原子也未被固定，间隙原子数量最多，因而BH值最高。No.3板不存在间隙原子，BH值很小，可谓无烘烤硬化性能。No.2板中存在部分固溶C原子，BH值较理想。实际上，BH值过高，室温时效性恶化，因此，过高BH值的 No.1板并不能满足实际的性能需求，只有No.2板才是性能合乎要求的ELC－BH钢板。
如图2所示，试验钢热轧卷取板的BH值具有与退火板相同的变化规律且数值较高(No.1除外)，表明热轧卷取板中固溶C原子数量基本保留至退火板中，冷轧和退火工艺对Ti处理的ELC－BH钢板的烘烤硬化性影响不大，而成分和热轧工艺才是重要的影响因素，其中冶炼、浇注之后钢的成分更是起到关键作用。正是基于这一原因，Ti处理的ELC－BH钢板可采用罩式炉，而无需采用高温均热和随后快速冷却的连续退火来生产。因此，合理控制Ti的加入量是决定ELC－BH钢板是否具有理想烘烤硬化性能的关键。

图2　热轧卷取板和退火板的BH值对比
Fgi.2　Comparison of bake hardening value of hot rolling coiled sheet and annealing sheet

3.3　值变化的原因
平均塑性应变比值是衡量钢板深冲性能优劣的主要参数。它与钢板中有利织构(即{111}织构)与不利织构(即{100})的强度之比有关。有利织构愈强，不利织构愈弱，值愈高。织构的发展取决于钢板成分及其生产工艺参数的选择，正是它们的变化导致了组织结构的不同，从而影响了织构的发展。No.1板中高的间隙原子和磷含量以及两相区终轧形成的混晶组织是造成它的r值最低的根本原因。与No.3板相比，No.2板中较高的固溶C原子和磷含量对值有较大的不利影响，但是它的攃值却稍高。从No.3板退火组织的晶粒细小可推断，其再结晶退火没有充分进行，这可能是引起它的值降低的原因。

4　结论
(1) 微合金化元素Ti和P的加入量是决定Ti处理的ELC－BH钢板性能是否合乎要求的关键因素，在一定范围内，合理控制它们的加入量是必要的。热轧终轧温度对该板的组织和性能也有一定影响。石家庄平安口腔学校
(2) P加入越多，强度越高，塑性和深冲性能越差。Ti加入过多，可改善深冲性能，但得不到烘烤硬化性能；Ti加入过少，深冲性能恶化，烘烤硬化性能过强。　

作者简介：关小军，男，47岁，教授。1980年毕业于包头钢铁学院冶金机械专业，1988年获东北大学金属压力加工专业硕士学位，1994年获北京科技大学金属塑性加工专业博士学位。从事超低碳钢品种、板管生产及其成形技术的开发和研究。

作者单位：关小军　潘　伟　周家成　王作成(山东工业大学材料科学与工程学院，济南250061) 朱学军（武汉钢铁公司）

参考文献
1　王先进，关小军. 超低碳高强度烘烤硬化钢板的发展.国外钢铁，1993，(5)：41
2　关小军.超低碳高强度烘烤硬化钢板研究的新进展.汽车技术，1996，(12)：32

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