稀土变质剂对热冲压成型钢夹杂物形貌及尺寸分布的影响

2022-03-24孙雅平李永亮孙天昊

钢铁钒钛 2022年1期

杨丽，孙雅平*，李永亮，陈彤，孙天昊

（1.唐山科技职业技术学院,河北唐山 063001；2.唐山钢铁集团有限责任公司,河北唐山 063016）

0 引言

随着汽车轻量化的进一步发展，热冲压成型用钢逐渐引起人们的重视，材料需求量也逐年提升[1]。截止目前全国共有180 多条汽车零部件热冲压成型生产线，形成了具有多项知识产权的专利技术。但是，由于对钢水纯净度、化学成分和显微组织均匀性要求较高，目前仅仅有WAMA、宝钢、河钢等少数企业具备生产能力[2]。

热冲压成型用钢主要应用于乘用车A 柱、B 柱、防撞梁等结构件。由于采用高温加热和模具冲压淬火，钢板需要相对较高的C、Mn 含量来保证淬火后得到全马氏体组织[3-4]。此外，还需要添加一定量的Cr 来提高钢板的淬透性，保证强度。由于上述元素属于易偏析元素，会导致钢板发生偏析，降低显微组织均匀性，进而影响冲压成型后零部件的性能稳定性。例如，钢水偏析导致的带状组织无法在热轧-冷轧-退火工序有效消除，化学成分的不均匀性会导致钢板在奥氏体相区的热强度不一致，热冲压过程中就开裂风险而言反而比冷成型双相钢更高[5-6]。同时，由于化学成分不均匀性和显微组织带状导致的各向异性在变形过程中产生的内应力还为使用过程中的延迟开裂、疲劳断裂埋下隐患[7]。此外，钢板热成型工艺温度多为900～1 000 ℃，为防止显微组织粗化，钢中往往加入一定量的Ti 来细化组织。但是炼钢钙处理使TiN 提前沿着CaS 界面析出，形成粗大的复合夹杂物，不仅降低了TiN 的细化效果，还容易作为微裂纹萌生的界面，增加成型开裂和延迟开裂的风险[8-9]。随着钢板厚度的降低，粗大的TiNCaS 复合夹杂对钢板厚度的尺寸效应越来越显著[10]，将极大地降低材料服役过程中承受拉-压应力时的疲劳寿命，导致服役周期缩短[11-13]。研究发现，向钢水中添加稀土变质剂，对高温下形成的质点进行包裹，可以有效降低颗粒状夹杂物的尺寸，起到改善材料塑性的作用[14-15]，但是目前变质剂在热冲压成型用钢夹杂物形貌领域的研究还较少。笔者以1 500 MPa 热冲压成型钢为主要研究对象，研究了La-Ce 系稀土变质剂对钢中夹杂物形貌、尺寸的影响，并对钢板的显微组织和室温塑性进行了评价，从而对产品质量改进提供理论支撑。

1 试验材料和方法

国内某钢厂1 500 MPa 级热冲压成型钢生产工艺为铁水预处理→转炉→LF 精炼→连铸→热轧至2.5 mm→冷轧1.0→退火。变质剂化学成分La 1.13%、Ce 11.19%、Si 45.20%、Ca 11.34%，为防止稀土氧化，制备成Ø13 mm 的包金线，在LF 精炼工序通过喂丝形式加入，中包取样利用化学分析法检测成分如表1 所示，其中1#钢未进行变质剂处理，2#钢进行变质剂处理。

表1 试验钢的主要化学成分Table 1 Main chemical compositions of experimental steels%

沿垂直拉坯方向切取铸坯，进行低倍组织观察；切取铸坯、热轧钢卷（轧向）试样，用线切割制成10 mm×10 mm 试样，经研磨、抛光后用光学显微镜、扫描电镜(JSM-6701F)观察钢中夹杂物尺寸和分布形态；利用扫描电镜自带能谱仪对夹杂物的成分进行分析。

2 试验结果

2.1 铸坯低倍组织

现场跟踪显示，稀土变质剂对铸坯表面质量无明显影响，热态铸坯表面质量良好，未发现裂纹和凹坑等缺陷。对1#钢和2#钢铸坯低倍组织（图1）观察发现，未进行稀土变质剂处理的1#钢有明显的宏观偏析，属于中碳锰钢典型低倍特征；经稀土变质剂处理后2#试样偏析几乎完全消失，说明变质剂对铸坯组织均匀性影响显著。一般认为宏观偏析现象会通过“组织遗传”行为遗传给最终产品，造成不利影响，降低材料成型性能。尤其是随着强度的提高，对性能均匀性的恶化加剧。通过添加稀土变质剂改善铸坯宏观偏析，为优化产品组织和性能均匀性提供了基础保障。

图1 22MnB5 铸坯低倍组织Fig.1 Macro morphology of the continuous casting 22MnB5 slab

2.2 夹杂物形貌及分布状态

利用光学显微镜对铸坯、热轧钢卷（轧向）试样进行观察，结果如图2 所示。对比图2(a)、(b)可以发现，添加稀土变质剂后，铸坯中夹杂物密度并未降低，但是夹杂物尺寸显著降低，变质剂使质点状夹杂物的分布状态更加均匀弥散。在100 倍视场中统计显示，未添加稀土变质剂1#钢中介于20～30 μm 的夹杂物约为10～15 个，而添加变质剂后2#钢种仅为1～3 个。

图2 夹杂物形貌及分布状态Fig.2 Morphology and distribution of nonmetallic inclusion in slab and hot-rolled plate

根据GB/T 1056-2005 对热轧钢卷（轧向）进行夹杂物级别评定，结果如表2 所示。变质剂对D类夹杂物影响最为明显。添加变质剂后，直径介于8～13 μm 的D 类粗系夹杂物从2.0 级降低至0.5 级，直径介于13～76 μm 的Ds 类夹杂物完全消失，部分质点状夹杂物由于尺寸<3 μm，未被定义为D 类夹杂。

表2 稀土变质剂对热轧钢卷非金属夹杂物类型和评级的影响Table 2 Effect of rare earth modifier on the type and grade of nonmetallic inclusion

2.3 变质剂对夹杂物塑性的影响

利用扫描电镜对2#钢铸坯、热轧钢板中的夹杂物形态进行了观察，结果如图3 所示。铸坯中CaS表面被La、Ce 的氧化物包裹，结果如图3(a)、(b)所示。一般认为，高温下形成的CaS 容易促进与其晶体结构相似的TiN 界面析出，形成大尺寸复合夹杂物。经过稀土变质剂处理以后，CaS 质点被La-Ce氧化物包裹，阻碍了CaS 进一步长大。由于La、Ce 氧化物与TiN 晶体结构的差异，隔断了Ti、N 物质传输，避免其在CaS 界面析出。同时，由于La、Ce 加入仅为0.001 0%～ 0.001 6%，稀土含量的控制避免了其自身夹杂物的长大。由此可以推断，上述三个因素是钢中球状夹杂物（主要为D 类）尺寸变小的主要因素。

对热轧钢板中夹杂物观察发现，经过高温轧制后依附在CaS 表面的La、Ce 氧化物发生了明显的塑性变形，结果如图3(c)、(d)所示。一般认为，像A 类MnS 夹杂物的变形会恶化塑性，导致材料各向异性，尤其是宽度≥2 μm 的A 类夹杂对材料各向异性的影响最为显著。但是作为钢水变质剂的La-Ce的加入不仅有效降低了大尺寸D 类夹杂物的数量，而且并未形成大尺寸的A 类夹杂物，其热轧后宽度多在1 μm 以下。因此分析认为，热变形过程中La、Ce 氧化物的变形对钢板塑性的影响可以忽略不计。

图3 2#钢种夹杂物随热变形行为的演化Fig.3 SEM observation and energy pattern of nonmetallic inclusion in 2# steel

3 机理分析

3.1 异质形核机理

添加稀土改质剂后，大颗粒D 类夹杂物数量降低的机理可以通过图4 进行说明。由于CaS 的形成温度约为2 200 ℃，高温下钢水中Ca、S 扩散速度快，极易长大，造成CaS 自身粗化；粗化后的CaS作为异质形核的界面，还可以促进TiN 的界面析出，这在经过钙处理的含Ti 钢中是最常发生的现象，也是TiN 粗化的主要原因之一[16]；当添加稀土变质剂以后，La、Ce 迅速消耗钢水中的O，形成La-Ce-O系夹杂，在CaS 界面析出，阻碍了Ca、S 物质的传输，从而可以有效降低CaS 等高温质点的粗化，同时也避免了CaS-TiN 类复合夹杂物的过渡长大。钢液中形成的大量细小、弥散的高温质点细化了铸态组织，对改善铸坯宏观偏析具有促进作用。同时，稀土变质剂的添加还降低了含Ti 钢冶炼过程中钢水钙处理的工艺要求，对在改善水口结瘤方面具有显著效果[17]。此外，由于La-Ce-O 系夹杂自身非氯化钠结构，因此TiN 无法在其界面上形核，TiN 只能在更低的温度下独立形核，也进一步避免了TiN、CaS-TiN 系大尺寸复合夹杂的产生，提高了微合金元素钛的利用效率和钢水的纯净度。

图4 稀土变质剂对D 类夹杂物尺寸的影响机理示意Fig.4 Mechanism for the size change of D-type inclusion by rare earth modifier treatement

3.2 材料性能评价

利用光学显微镜和折弯试验机对连退后钢板的显微组织和塑性进行了观察和测试，结果如图5 所示。由图5 可知，添加稀土变质剂以后，显微组织得到了明显的细化。分析认为，这主要与大颗粒夹杂物的降低有关。随着D 类大尺寸夹杂物的从10 μm 级别降低至1 μm 以内，对铸坯显微组织的细化作用将显著提高，由于铸坯组织的遗传性，使连退钢板的显微组织得到有效细化。同时，由于钢板的显微组织细化与大颗粒夹杂物的降低使得钢板塑性变形过程中晶界协调变形的能力提高，微观裂纹在大颗粒夹杂物界面萌生的几率降低，折弯性能也获得了极大的提升，从而改善塑性。对比1#、2#钢冷弯可以发现，未经稀土变质剂处理的1#沿轧向折弯有轻微隐裂，塑性明显低于2#钢板。室温塑性的改善，对高温热冲压过程中塑性的改善以及随后的延迟开裂均具有一定的促进作用。