Si对580 MPa级热轧高扩孔钢组织性能及表面质量的影响

郭子峰 张 衍 李秋寒 郭 佳 冯 军 赵 青

（1.首钢集团有限公司技术研究院薄板所，北京 100043；2.绿色可循环钢铁流程北京市重点实验室，北京 100043；3.北京首钢股份有限公司制造部，河北迁安 064404）

热轧酸洗板是介于冷轧板和热轧板之间的中间产品，它具有接近冷板的表面质量，同时保持着热轧产品的力学性能，已经广泛用于汽车、家电和机械等行业，市场需求量大［1-3］。高扩孔钢作为先进高强度钢的典型钢种，是目前热轧酸洗板研究的热点之一，具有优异的成形性能和良好的疲劳性能，用于制造乘用车的副车架、控制臂等核心零部件，有助于整车轻量化、安全化［4］。

表面质量不仅是产品生产控制的基础，更影响了用户的生产工艺，部分使用环境苛刻的零件要求光学检验无缺陷。随着汽车、家电工业的迅速发展，用户对热轧酸洗带钢表面质量的要求越来越高。高等级表面的热轧酸洗高扩孔钢的难点在于成分体系选择以及连铸、热轧、酸洗等多工序控制。

Si作为钢铁材料常用的强化元素，几乎可全部固溶于铁素体中，能够显著提高钢的强度，且有利于获得高的疲劳强度。然而研究发现［5］，由于Si为选择性氧化，高温氧化时在FeO与基体界面上形成2FeO／SiO2（铁橄榄石相），铁橄榄石相成熔融状态后便会以楔形侵入基体，形成错综复杂的特殊结构的鳞层，导致表面形成“红铁皮”缺陷，影响产品的外观质量。

本文重点研究了Si元素对热轧580 MPa级高扩孔钢（580HE）的组织、性能及表面质量的影响，并对其作用机制进行了探讨，以期为提高580HE钢的生产工艺水平和产品质量提供试验依据。

1 试验材料与方法

为了满足客户对产品表面质量的需求，本着经济工业生产的目的，首钢580 MPa级高扩孔钢采用C-Mn-Nb-Ti成分体系，通过中温卷取获得铁素体和贝氏体双相组织。Mn是高扩孔钢中常用的合金元素，可有效提高奥氏体的淬透性，并降低铁素体中的固溶碳量，从而提高钢的延性。Nb不仅能够延迟再结晶，同时对冷却过程中的奥氏体向铁素体转变具有一定的抑制作用，且在铁素体转变过程中析出的碳氮化物，能抑制转变的铁素体晶粒长大，细化铁素体晶粒。Ti元素具有廉价、高效的特点，在热连轧和卷取后析出的Ti（C，N）粒子非常细小，能产生强烈的沉淀强化效应。

首钢580 MPa级热轧高扩孔钢的化学成分设计如表1所示，并将高Si、低Si含量的高扩孔钢分别编为1号和2号。

表1 580 MPa级热轧高扩孔钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical compositions of the 580 MPa grade hot-rolled steel with high hole expansion ratio（mass fraction） %

热轧580HE钢的生产工序为：铁水预处理→转炉→LF精炼处理→RH精炼处理→板坯浇注→加热炉→高压水粗除鳞→粗轧→高压水精除鳞→精轧→层流分段冷却→卷取。带钢成品厚度为3 mm。热轧卷取后，距离带钢尾部15 m取样，在宽度1／4处横向切取3根拉伸试样。按照 GB／T 228.1—2010规定，在德国Zwick Z100型电子万能材料试验机上进行拉伸试验，弹性阶段至屈服阶段采用0.000 25 s-1的应变速率，测定屈服强度或塑性延伸强度后，采用0.006 7 s-1的应变速率，取3根试样的平均值。

在带钢宽度1／4处切取尺寸为20 mm×15 mm金相试样，研磨、抛光后，用体积分数为4%的硝酸酒精溶液浸蚀，使用莱卡DM6000M光学显微镜、蔡司EVO MA15扫描电镜进行组织观察，使用JEM-2000FX型透射电镜对微观组织及位错形态进行观察。轧制后、卷取前利用在线表面检测系统拍摄带钢上下表面图像。

扩孔率试验根据GB／T 15825.4—2008进行，扩孔试样尺寸为100 mm×100 mm，中间预制直径d0为10 mm的冲孔。冲孔时将毛刺边缘朝向凹模孔，启动试验机把锥头凸模压入预制孔，凸模运动速度为1 mm／s，当裂纹穿过预制孔整个厚度边缘时冲孔试验停止。扩孔率取3个试样扩孔试验的平均值。扩孔率λ表达式为：

式中：df为出现破断时的孔径，d0为初始孔径。

2 试验结果

2.1 力学性能

不同Si含量的580 MPa级热轧高扩孔钢的力学性能测试结果见表2。由表2可知，两种试验钢的力学性能良好，均满足标准要求。其中Si含量较高的1号钢的屈强强度和抗拉强度较高，分别达到了568和615 MPa，扩孔性能良好，扩孔率达到了82%。Si含量较低的2号钢的屈服强度和抗拉强度分别降低了26和13 MPa，屈强比降低至0.90，扩孔率降低至76%。

表2 580 MPa级热轧高扩孔钢的力学性能Table 2 Mechanical properties of the 580 MPa grade hot-rolled steel with high hole expansion ratio

2.2 显微组织

不同Si含量的580 MPa级热轧高扩孔钢的OM和SEM像如图1所示。可见两种试验钢的组织均为铁素体加粒状贝氏体，其中白色相为铁素体，黑色相为粒状贝氏体。相比于2号钢，1号钢的铁素体晶粒略细，且整体组织均匀性更好。通过Image Tool图像处理软件计算得到1号和2号钢中的贝氏体体积分数分别为7.5%和9.8%。

图1 580 MPa级热轧高扩孔钢的显微组织Fig.1 Microstructures of the 580 MPa grade hot-rolled steelswith high hole expansion ratio

不同Si含量的580 MPa级热轧高扩孔钢铁素体中位错组态的TEM像如图2所示。可以看出，两种试验钢铁素体中的位错密度均不高。其中1号钢中的位错密度较高，呈密集的网状，相互交割、缠绕在一起。

2.3 氧化铁皮形态及表面质量

图3为不同Si含量的580 MPa级热轧高扩孔钢的典型氧化铁皮截面形貌。可以看出，2号钢表面的氧化铁皮厚度在6～8μm之间，1号钢表面的氧化铁皮厚度约为9～17μm，且氧化铁皮与基体界面不规则，呈凹凸状。对氧化铁皮进行能谱分析，结果如表3所示，主要含有 O、Si、Mn、Fe等元素，且1号钢的氧化铁皮中的Si含量明显高于2号钢的。

图2 580 MPa级热轧高扩孔钢中铁素体的TEM形貌Fig.2 TEM morphologies of ferrite in the 580 MPa grade hot-rolled steelswith high hole expansion ratio

图3 580 MPa级热轧高扩孔钢表面的氧化铁皮截面形貌Fig.3 Cross-sectionalmorphologies of oxide scales on the surface of the 580 MPa grade hot-rolled steelswith high hole expansion ratio

表3 氧化铁皮能谱分析结果Table 3 Energy spectrum analysis of oxide scales

不同Si含量的580 MPa级热轧高扩孔钢表面红锈的典型分布如图4所示。可以看出，Si含量较高的1号钢表面的红锈数量较多，2号钢表面仅见少量红锈。

3 讨论及分析

Si是低碳钢中最经济的强化元素之一，它通过影响相变、组织等影响钢材的性能，其在钢铁材料中有益作用的研究已开展较多［6-7］。Si是非碳化物形成元素，几乎不溶于Fe3C中，抑制了贝氏体形成所需的贫碳区的形成，从而导致贝氏体的数量减少，这与图1的结果一致。对1号、2号钢中铁素体的位错组态的观察发现，较高Si含量钢中的位错密度较高，推断为较高含量的Si原子引起更大的晶格畸变所引起的。

图4 580 MPa级热轧高扩孔钢表面红锈的典型分布Fig.4 Typical red scale on the surface of the 580 MPa grade hot-rolled steelswith high hole expansion ratio

热轧高扩孔钢的强化机制主要有固溶强化、细晶强化、沉淀强化和相变强化等。屈服强度主要与软质相铁素体相关，固溶强化、细晶强化等的作用明显。这些因素对屈服强度σy的影响可以用式（2）来表达［8］：

式中：σy为屈服强度；σ0为基体点阵阻力即P-N力；△σm为固溶强化的作用；△σt为沉淀强化的增量；△σv为位错强化的作用；D为晶粒直径；K1为晶粒尺寸系数。

△σm固溶强化的作用如式（3）所示：

式中［M］为固溶于铁素体基体中溶质（C、N、Si和Mn）的质量分数，%。

根据式（3），当Si含量增加时，固溶强化作用明显增大。Si作为增加碳在奥氏体中活度的元素，可显著促进碳由铁素体向奥氏体内扩散，增加了铁素体的形核率，从而细化了体素体，起到了有效的细晶强化作用。因此，Si含量的增加可显著提高580 MPa级热轧高扩孔钢的屈服强度，这与表2结果一致。虽然Si含量的增加细化了铁素体晶粒，但基体中硬质相粒状贝氏体的数量减少，削弱了对抗拉强度的贡献，导致试验钢的抗拉强度增加较少。

扩孔性能是关键的成形性能指标之一，反映了钢板抵抗翻边变形过程中局部开裂的能力，主要受基体组织硬度差的影响［10-11］。Si含量较高时，铁素体晶粒尺寸较小，且固溶强化作用增大，使得铁素体硬度提高，导致铁素体与贝氏体两相之间的硬度差减小，提高了材料的成形极限和各相之间的协调变形能力，抑制了裂纹的扩展（如图5所示），有利于扩孔率的提高，最终导致Si含量高的1号钢的扩孔率高于2号钢。

当高扩孔钢中的Si含量较低时，结合界面附近的氧化铁皮层中无明显的Si元素富集，使得氧化铁皮的致密度及与带钢基体的黏附性下降，在除鳞过程中FeO层去除的概率增大，从而减少了红铁皮缺陷。

图5 1号钢中裂纹扩展路径Fig.5 Crack propagation path in steel No.1

4 结论

（1）580 MPa级热轧高扩孔钢的基体组织为铁素体和粒状贝氏体。Si含量较高的试验钢中铁素体晶粒尺寸小且均匀性较好，位错密度较高，但贝氏体含量较少。

（2）Si含量较高的试验钢的屈强强度和抗拉强度分别达到了568和615 MPa，扩孔率为82%。Si含量较低的试验钢的屈服强度和抗拉强度分别降低了26和13 MPa，扩孔率降低至76%。

（3）Si含量较高的试验钢的氧化铁皮厚度约为9～17μm，且氧化铁皮与基体界面不规则，呈凹凸状，热轧钢带表面有明显的红锈。Si含量较低的试验钢的氧化铁皮厚度为6～8μm，钢带表面仅见少量的红锈。

（4）Si元素具有明显的固溶强化和细晶强化作用，Si含量的增加可明显提高热轧高扩孔钢的屈服强度，并缩小了铁素体与贝氏体两相之间的硬度差，有利于扩孔率的提高。