硼抑制超低碳高强含磷钢裂纹的研究

2015-04-25贾启超

鞍钢技术 2015年2期

贾启超

（鞍山钢铁集团公司规划发展部，辽宁鞍山114021）

在汽车用钢中，钢板用量占到汽车钢材总用量的55%～80%。在全球经济危机的影响下，从降低成本考虑，冷轧汽车板在汽车用钢中仍占有较大比重，其主要品种有深冲（IF）钢系列、加磷高强钢系列、BH钢系列、低合金高强钢系列等四大类型［1］。不同的汽车部件对应不同的用途要求，具有不同的性能。加磷高强钢是在低碳钢或超低碳钢中，通过添加最大不超过0.12%的磷等固溶强化元素来提高钢的强度［2］。超低碳含磷钢可使汽车冲压件的厚度适当减薄，能降低汽车自重，同时没有烘烤硬化钢容易出现的滑移线桔皮纹现象，即可用于制作车门外板、发动机覆盖板等覆盖件，又可制作横梁、纵梁等加强件和结构件，因此在汽车上的应用极其广泛。

在生产设计高强超低碳钢时，需要在超低碳钢种成分设计时添加较高含量的P元素来提高钢的屈服强度和抗拉强度，较多磷元素的加入使钢具有一定的低温脆性，导致钢板易出现冲压裂现象。为了抑制裂纹的产生，在钢中需要加入硼等素。本文通过对含硼和不含硼产品进行试验对比，对超低碳含磷钢中硼对裂纹的抑制作用进行研究。

1 试验材料和试验方法

1.1 试验材料

试验材料化学成分如表1所示。

表1 试验钢的化学成分（质量分数）%

1.2 钢板拉伸试验

1.2.1 热轧制度

用高温感应炉分别冶炼含B和不含B钢各25 kg的铸坯，然后锻成横截面为80 mm×50 mm的锻坯。加热温度1 100℃，开轧温度1 050℃，终轧温度850℃，然后以10℃／s的速度冷却至730℃，然后卷取。冷轧板最终厚度为1.0 mm，退火后进行拉伸性能检验。

1.2.2 拉伸试验

采用Geleeber-3800模拟试验机将这两种钢的样品进行连续退火热模拟，每个样品号取5个样片，样片加工成拉伸试样为50 mm标距的标准拉伸试样，拉伸速度为3 mm/min，拉伸试验结果列入表2。

表2 拉伸试验结果

从表2看出，含硼产品屈服强度和抗拉强度升高，延伸率降低；无硼产品屈服强度和抗拉强度较低，但延伸率较高。含硼产品n值和r值均高于无硼产品，可见适量加入硼，可使含磷IF钢的n值和r值改善。

1.3 冲压试验

两种成分的试样板经退火成为冷轧成品后再进行冲压试验，将试验断口放至电镜扫描仪下进行观察，发现含硼和无硼产品断口形貌明显不同，见图1。

从图1可以看出，无硼B250P1产品和含硼B250P2产品的断口完全不同，无硼产品在冲压过程中出现沿晶脆性断裂冰糖状断口形貌；含硼产品则是韧性断口，没有出现脆断现象，断口纤维状组织区域明显。由此表明，硼对脆性断裂有着一定的抑制作用。硼的原子半径低于P的原子半径，有着优先占领晶界的优势。P在晶界处偏聚会使钢产生晶界隔离脆断，形成冰糖状脆性断口。硼的加入使得硼优先占领晶界处的空位，和晶界处的大量位错纠葛一起，迫使钢中P元素离开晶界在晶内完成固溶强化，与部分Ti反应生成一定量（TiFeP）化合物在晶内，避免了晶界承受过多的P元素偏聚。同时硼在晶界有着非偏聚的特性，当钢中硼含量小于0.003%时，在晶界处不会形成Fe23C2B6的网状析出物［3］，从而使晶界处无偏聚脆断风险。

2 机理分析

2.1 金相分析

针对两种不同的产品进行机理检验分析，无硼和含硼样片的金相图见图2。

从图2可以看出，无硼和含硼样品的基体组织均为铁素体组织，含硼样品的晶粒尺寸更加细小均匀。因为没有多余的C参与到晶界的固化和形成上，所以晶界不清晰。这样的晶界结构，P的偏聚会加剧弱化晶界的结合力，所以无硼试样没有硼和碳元素在晶界的固化作用，会使得晶界结合力因磷的偏聚弱化形成冰糖状脆性断裂。硼的加入则避免P在晶界处的偏聚，提高了晶界处非密排原子的结合度，硼抑制了P对晶界的弱化，避免了P在晶界的偏聚所引起的沿晶脆断。

2.2 透射电镜分析

通过透射电镜观察无硼B250P1产品和含硼B250P2产品的二相粒子的状况，无硼和含硼试样二相粒子分布情况见图3。通过分析硼对二相粒子分布状况的影响，进一步解析其对性能的影响。

从图3可以看出，硼的加入使P的固溶增加，避免了P在晶界的偏聚，使得P的固溶强化能力增强，从而加强了部分Ti反应，生成了一定量的（TiFeP）化合物在晶内，形成的细小TiC二相粒子在晶界处与硼相互作用，固化晶界。在透射电镜下，可以看到有较多的细小二相粒子生成，部分聚集在晶界处。相比无硼试样，其二相粒子相对粗大些。TiC与硼元素在晶界处纠葛位错，从而拖拽晶界移动，从而起到细化晶粒，同时进一步提高产品强度和抗断裂能力的作用。硼在避免P晶界偏聚的同时，也避免了冰糖状脆裂的发生。

2.3 织构分析

对无硼和含硼的样品进行织构分析，以找出对冲压性能的不同影响。两种试样恒φ45°ODF截面图见图4。

无硼B250P1产品试样织构主要为{111}＜110＞强度为 1.6、{111}＜112＞强度为 1.7，{001}＜110＞强度为 2.2，见图 5（a）；含硼 B250P2 产品试样织构主要为{111}＜112＞强度为 4.9，见图 5（b）。含硼B250P2产品提高了钢的可冲压性能，使得钢的{111}＜112＞强度较高。可见P在晶界偏聚，没有硼的帮助，无法形成良好的冲压织构。而含硼B250P2产品避免了P在晶界的偏聚，提高了钢的可冲压性能。