卜凡征 吳慶美 郭強(qiáng) 肖景江 王霆

（鞍鋼蒂森克虜伯汽車鋼有限公司，大連 116600）

1 前言

目前，汽車薄板市場(chǎng)的主流深沖鋼產(chǎn)品主要有無(wú)間隙原子鋼（Interstitial Free Steel,IF）、高強(qiáng)含磷無(wú)間隙原子鋼（High Strength Interstitial Free Steel with Phosphours,IF-P）和烘烤硬化鋼（Bake Hardening Steel,BH）等。塑性很好的IF 鋼雖然能滿足復(fù)雜沖壓成形的要求，但由于較低的屈服強(qiáng)度和較差的抗凹陷性能，使其大范圍應(yīng)用受到了限制。在過去的二十多年里，多種烘烤硬化鋼被開發(fā)而且被汽車制造商所應(yīng)用，其中超低碳烘烤硬化鋼板是在傳統(tǒng)軟IF 鋼的基礎(chǔ)上開發(fā)出來，具有IF 鋼優(yōu)異的沖壓成形性能，經(jīng)烘烤處理后又可兼具高強(qiáng)度和較好抗凹陷性能，沖壓烘烤后鋼板屈服強(qiáng)度增加約30～50 MPa[1-2]。

超低碳烘烤硬化鋼板（Ultra Low Carbon Bake Hardening Steel,ULC-BH）作為烘烤硬化鋼中的一種，由于其優(yōu)異的成形性能和良好的抗凹陷性能，成為當(dāng)今汽車車身面板主要材料之一。目前我國(guó)國(guó)內(nèi)只有少數(shù)鋼廠能夠生產(chǎn)高成品合格率和穩(wěn)定烘烤硬化性能的熱鍍鋅超低碳烘烤硬化鋼。對(duì)于生產(chǎn)ULC-BH 鋼板來說，最核心的技術(shù)是對(duì)烘烤硬化性能和時(shí)效性的穩(wěn)定化控制[3-4]。合理的成分設(shè)計(jì)和退火工藝是保證烘烤硬化鋼在滿足強(qiáng)度和沖壓要求前提下最大化發(fā)揮烘烤硬化性能的關(guān)鍵。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

采用Ti 微合金設(shè)計(jì)的烘烤硬化鋼對(duì)煉鋼工序要求非常嚴(yán)格。采用Nb 微合金設(shè)計(jì)的烘烤硬化鋼需要相對(duì)較高的溫度才能發(fā)生再結(jié)晶，對(duì)退火爐的要求較高。而采用Ti-Nb 微合金設(shè)計(jì)的烘烤硬化鋼析出物種類少，且煉鋼過程中Nb 元素的波動(dòng)對(duì)固溶C 影響較?。涣硗?，Nb 可顯著細(xì)化鐵素體晶粒并提高強(qiáng)度，因此，采用Ti-Nb 微合金設(shè)計(jì)烘烤硬化鋼中可用Ti 來固定鋼中N，Nb 來固定鋼中C，煉鋼生產(chǎn)控制難度較低。

試驗(yàn)材料為工業(yè)化生產(chǎn)的熱鍍鋅烘烤硬化鋼板H180BD，化學(xué)成分如表1所示。該材料采用的是Ti-Nb 微合金設(shè)計(jì)的超低碳烘烤硬化鋼，成分體系的設(shè)計(jì)思路為保留適量間隙固溶C 原子產(chǎn)生烘烤硬化作用，將鋼中C 含量控制在0.001 8%～0.003 3%，N 含量不大于0.003%，冶煉、熱軋及其退火過程中與Ti、Nb 元素共同配合，在不同階段固溶析出，并最終實(shí)現(xiàn)控制固溶碳含量的目的。

表1 試驗(yàn)鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2.2 試驗(yàn)方法

分別對(duì)八種試驗(yàn)材料進(jìn)行自然時(shí)效并檢驗(yàn)力學(xué)性能。自然時(shí)效條件為25 ℃環(huán)境溫度下放置1～6 個(gè)月。在以上時(shí)效結(jié)束后，利用Zwick 50KN 電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，按照國(guó)標(biāo)GB/T 228.1—2021《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》）P6 試樣，檢測(cè)樣板的基礎(chǔ)力學(xué)性能指標(biāo)以及烘烤硬化值。烘烤硬化處理是模擬車身生產(chǎn)過程中外板沖壓并涂漆后的烤漆過程。汽車鋼板經(jīng)沖壓成形以后，在150～200 ℃的溫度烤漆后發(fā)生時(shí)效硬化，從而產(chǎn)生烘烤硬化效果。

測(cè)量烘烤硬化值時(shí)，首先需要對(duì)試樣進(jìn)行2%預(yù)拉伸處理，同時(shí)測(cè)得該預(yù)應(yīng)變對(duì)應(yīng)的Rt2.0，隨后將該試樣卸載后放入BINDER FED53 烤箱中，在（170±2）℃下保溫20 min。保溫完成后將試樣取出待空冷至室溫后再繼續(xù)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并測(cè)得最終得烘烤硬化值。烘烤硬化值為試樣經(jīng)保溫處理后鋼板的下屈服強(qiáng)度或者非比例延伸0.2%（無(wú)明顯屈服時(shí)）對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度與烘烤前相同試樣2%預(yù)應(yīng)變對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度的差值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 鋼板力學(xué)性能結(jié)果

表2為試驗(yàn)鋼板力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果，分析表2數(shù)據(jù)可知試驗(yàn)鋼板力學(xué)性能指標(biāo)比較穩(wěn)定，均滿足VDA239-100 標(biāo)準(zhǔn)要求范圍，初始試樣的烘烤硬化值在30～50 MPa 之間。

表2 試驗(yàn)鋼板力學(xué)性能結(jié)果

3.2 鋼板自然時(shí)效結(jié)果

試驗(yàn)鋼板經(jīng)1～6 個(gè)月自然時(shí)效后，每個(gè)月取拉伸試樣對(duì)力學(xué)性能以及烘烤硬化性能進(jìn)行復(fù)檢，對(duì)應(yīng)的烘烤硬化值如圖1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)烘烤硬化值隨著時(shí)效時(shí)間的增加，整體有小幅降低的趨勢(shì)，不同鋼板在相同時(shí)效時(shí)間內(nèi)的烘烤硬化值差異也相對(duì)較小，烘烤硬化值基本可以穩(wěn)定在30 MPa 以上。

圖1 自然時(shí)效對(duì)烘烤硬化性能的影響

超低碳烘烤硬化鋼板具有烘烤硬化性能主要依賴于固溶于基體內(nèi)的自由C 原子數(shù)量。而固溶C 原子偏聚到位錯(cuò)處不僅使得鋼板產(chǎn)生烘烤硬化效果，也可能導(dǎo)致室溫下的自然時(shí)效現(xiàn)象，二者存在相互競(jìng)爭(zhēng)，互補(bǔ)平衡的關(guān)系。固溶C 含量偏低，鋼板雖然可以達(dá)到優(yōu)異的抗自然時(shí)效性能，但烘烤硬化性能較低；固溶C 含量偏高，鋼板的抗自然時(shí)效性能大幅降低，不利于鋼板儲(chǔ)存；在其它條件不變的前提下，適量的自由C（5×10-6～15×10-6）可以保證鋼板足夠的烘烤硬化性能，同時(shí)又不會(huì)產(chǎn)生明顯的自然時(shí)效現(xiàn)象。

3.3 碳化物析出對(duì)烘烤硬化性能的影響

從高溫冶煉到低溫冷卻過程中，含Ti-Nb 的微合金鋼中依次發(fā)生以下碳氮化物的析出反應(yīng)：Ti+N→TiN，Al+N→AlN，Nb+C→NbC，Ti+C→TiC。為確保最終成品板材中固溶碳含量滿足要求，鋼中Nb/C 原子比需介于0.3～0.6 之間，目的是為了實(shí)現(xiàn)鋼中Nb 與C 完全結(jié)合同時(shí)又能形成少量TiC；當(dāng)Ti/N 原子比小于1 時(shí)，鋼中主要形成NbC，固溶碳含量主要由總碳含量與Nb 含量決定，可依照如下公式（1）調(diào)整元素含量。當(dāng)Ti/N 原子比大于1 時(shí)，鋼中主要形成NbC 和少量TiC，固溶碳含量除了與Nb 含量相關(guān)外，還與Ti 含量相關(guān)，可依照如下公式（2）調(diào)整元素含量。

式中，w(C)free為鋼中固溶碳百分含量，w(C)total為鋼中總碳百分含量，w(Ti)為鋼中Ti 百分含量，w(N)為鋼中氮百分含量。

通過利用鋼中原有固溶C 以及熱鍍鋅退火過程中碳化物分解形成的固溶C來調(diào)控最終成品鋼板中固溶C含量滿足5×10-6～15×10-6要求，即固溶C含量的動(dòng)態(tài)調(diào)整是由退火工藝來決定的，通過控制固溶碳C 的含量來實(shí)現(xiàn)成品板材穩(wěn)定的烘烤硬化性能。

3.4 平整延伸率對(duì)烘烤硬化性能的影響

平整延伸率除了可獲取優(yōu)良板面質(zhì)量的熱鍍鋅鋼板，同時(shí)利用平整所產(chǎn)生的軋制力迫使柯氏氣團(tuán)中的C 原子與位錯(cuò)分離，該過程不僅降低了屈服點(diǎn)并消除屈服平臺(tái)，還能增加基體中自由C原子數(shù)量，有利于獲取足夠的烘烤硬化性能。值得注意的是平整延伸率過低會(huì)造成屈服平臺(tái)存在，烘烤硬化性能偏低；平整延伸率過高，由于加工硬化作用使屈服強(qiáng)度升高，另外帶鋼形變過程中產(chǎn)生的位錯(cuò)會(huì)大大削弱鋼中自由C 原子數(shù)量。試驗(yàn)中測(cè)得的平整延伸率對(duì)試驗(yàn)鋼板烘烤硬化性能的影響規(guī)律如圖2所示。

圖2 平整延伸率對(duì)試驗(yàn)鋼板烘烤硬化性能的影響

3.5 退火爐露點(diǎn)對(duì)烘烤硬化性能的影響

退火爐內(nèi)氣氛的露點(diǎn)是爐內(nèi)保護(hù)氣體中含水量的標(biāo)志，露點(diǎn)越高含水量越高，露點(diǎn)的高低可影響帶鋼表面氧化鐵的還原以及表面脫碳行為。一般工業(yè)中退火氣氛是N2+5%H2，露點(diǎn)為-30 ℃，稱之為鍍鋅氣氛。該氣氛下能夠減少氧化鐵皮，但不能阻止帶鋼脫碳氧化，因?yàn)闅夥罩羞€存在少量的水蒸氣和氧氣。而脫碳的鋼板中固溶碳含量會(huì)顯著降低并影響最終烘烤硬化值，因此，控制退火爐內(nèi)保溫段露點(diǎn)溫度不高于-30 ℃，從而確保爐內(nèi)氣氛中的水蒸氣和氧氣含量處于較低水平，從而降低其對(duì)鋼板脫碳而導(dǎo)致的固溶碳含量變化。在確保其它工藝參數(shù)不變的前提下，通過設(shè)置爐內(nèi)保溫段不同露點(diǎn)溫度可以發(fā)現(xiàn)其對(duì)試驗(yàn)鋼烘烤硬化性能的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，當(dāng)爐內(nèi)露點(diǎn)高于-10 ℃時(shí)，成品板材的烘烤硬化值將大幅降低，其主要原因正是由于鋼板在爐內(nèi)發(fā)生氧化脫碳而導(dǎo)致基體中固溶C 含量顯著降低。

圖3 露點(diǎn)溫度對(duì)試驗(yàn)鋼烘烤硬化性能的影響

3.6 熱軋終軋溫度和卷取溫度對(duì)烘烤硬化性能的影響

熱軋終軋和卷取溫度對(duì)烘烤硬化性能的影響可以從2 方面分析。

a.一是晶粒尺寸的影響，如圖4所示。超低碳烘烤硬化鋼在退火后的冷卻過程中會(huì)發(fā)生部分固溶碳向晶界偏聚，因此晶界面積直接影響了基體中的固溶碳含量，從而影響烘烤硬化性能。相對(duì)粗大的晶粒尺寸可以有效降低晶界面積，減少由于固溶碳的晶界偏聚作用對(duì)烘烤硬化產(chǎn)生的不利影響[5]。

圖4 終軋和卷取溫度對(duì)晶粒尺寸的影響[5]

b.二是碳化物析出狀態(tài)的影響。在熱軋過程中，較低的終軋溫度有利于微合金元素的析出，從而導(dǎo)致后續(xù)退火過程中微合金碳化物溶解較多，由此產(chǎn)生的固溶碳含量增加有利于獲得理想的烘烤硬化性能[6]。較高的卷取溫度，NbC 析出比較充分，可以避免后續(xù)退火過程中由于Nb、C 過飽和而再次析出造成的固溶碳含量過低，同時(shí)有利于退火過程中NbC 回溶的控制。

3.7 連續(xù)退火工藝對(duì)烘烤硬化性能的影響

連續(xù)退火工藝流程如圖5所示，該過程中主要發(fā)生NbC 的固溶和析出，而NbC 在鐵素體基體中的溶解和沉淀析出過程是一個(gè)可逆的化學(xué)反應(yīng)過程，改變鋼板的化學(xué)成分或溫度，Nb、C 的平衡固溶量和NbC 的量將隨之改變。由于Ti 的氮化物在鐵素體相區(qū)穩(wěn)定性極好，在退火時(shí)的溶解量微乎其微，因此在加熱保溫和冷卻過程中無(wú)需考慮氮化物析出的影響，只需考慮NbC 在保溫和冷卻時(shí)的固溶和析出情況。一般情況下，隨著保溫溫度的升高，NbC 的溶解量隨著保溫溫度的升高而增加，而NbC 的沉淀析出主要發(fā)生在緩冷（冷卻速率約3 ℃/s）過程中，快冷過程由于溫度低、冷速高（冷卻速率＞20 ℃/s），C、Nb 元素的擴(kuò)散較難從而導(dǎo)致NbC 不易析出。NbC 在鐵素體中的平衡固溶度積可參考如公式（3）和（4）進(jìn)行估算，

圖5 熱鍍鋅退火工藝示意

式中，wt(Nb)、wt(C)為鋼中Nb、C 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；T表示溫度[7]?？紤]到NbC 的析出過程實(shí)際上是Nb原子擴(kuò)散控制過程，因此增大緩冷×段冷卻速度能夠抑制NbC 析出，提高基體內(nèi)固溶C 含量和烘烤硬化性能。而增大緩冷段冷卻速度的方式主要是通過降低緩冷溫度或提高線速度。

實(shí)際生產(chǎn)退火過程中，因TiC 固溶溫度約780～820 ℃，NbC 固溶溫度約800～840 ℃，可以通過小范圍調(diào)整退火溫度來實(shí)現(xiàn)鋼板中固溶碳含量的微調(diào)，當(dāng)原料碳含量出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，可在熱鍍鋅線上通過適當(dāng)調(diào)整退火溫度來靈活控制鋼板最終的烘烤硬化性能滿足30～50 MPa 要求，如碳含量高于35×10-6時(shí)降低保溫溫度至790～810 ℃，碳含量低于15×10-6時(shí)升高保溫溫度至820～840 ℃

4 結(jié)論

a.本設(shè)計(jì)采用Ti-Nb 的超低碳烘烤硬化鋼經(jīng)1～6 個(gè)月自然時(shí)效后，可保持烘烤硬化值穩(wěn)定在30 MPa 以上。

b.成品鋼板中固溶碳含量主要取決于鋼中原有固溶碳和退火過程中NbC 溶解形成的固溶碳，調(diào)整退火工藝可實(shí)現(xiàn)固溶碳含量的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

c.退火過程中的平整延伸率和露點(diǎn)對(duì)烘烤硬化性能的影響不可忽視，適當(dāng)?shù)钠秸由炻屎洼^低的露點(diǎn)是確保基體產(chǎn)生一定固溶碳的重要因素。