日本现代低碳和超低碳钢的冶金行为和应用的研究.pdf

日本现代低碳和超低碳钢的冶金行为和应用的研究日本现代低碳和超低碳钢的冶金行为和应用的研究 武智弘 （福岗工业大学） 摘要 这十年中 IF 钢在生产和质量方面有显著的进步，其工艺已延伸到诸如高强度钢、热浸镀锌铁素体不锈薄钢板等很宽广的钢种上估计在 1996 年，日本生产了 940 万吨 IF 钢，为了维持这么大的产量，研究工作也得到促进 本文描述的是从 1994 年东京会议以来在日本目前提出的研究课题 Research on Metallurgical Behavior and Application of Modern LC and ULC Steels in Japan Hiroshi Takechi IF steel has remarkably progressed in production and quality in this decade, and extended the technology to wider steel grades such as high strength, hot dip galvanized, and ferritic stainless sheet steels. It is estimated that 9.4 million tons of IF steel have been produced in Japan in 1996, and the researching activities have also been promoted to sustain the enormous production. This paper describes about current topics on the activities which have presented in Japan mainly since the conf. in Tokyo, 1994. 1、再结晶织构的模型化和化学成分对、再结晶织构的模型化和化学成分对r值的影响值的影响 为什么IF钢的r值如此之高，已争论了很长时间。

Abe1）指出Mn-C偶极子的有害作用，它阻碍再结晶时{111}取向的成长按照他的意见，Mn-C偶极的形成能力可以写成公式（1） Cd/Cs=6·Mn（1-CMn） ·exp（-△ε/KT） (1) 此处Cd、Cs和CMn分别为Mn-C偶极子，C和Mn的克分子浓度，T是再结晶温度（650℃） ，而△ε是Mn和C之间的反应能（-0.26eV） 假定在热轧带钢中溶解C可以用时效指数 （AI） 来说明， 相当于Mn-C偶极子形成能力的参数X如公式 （2）所示： X=Cd/（Cs+Cd） ·AI (2) Kojima等人2）在图 1 中示出了退火后X-值与{222}强度之间的关系， Osawa等3）研究了用碳含量表示的Mn%和r值之间的关系，如图 2他们解释说，C%在0.002%和 0.007%之间时，增加Mn%使r值降低是由于Mn-C偶极子的作用超低C含量，同时添加Ti或Nb就消除Mn-C偶极子，使{111}再结晶织构平稳地形成 这些年来， 对冷轧和再结晶晶粒之间的织构进行了大量的研究 Urabe等4）设想基于贮存能和围绕〈110〉轴的选择生长理论一道构成定向形核理论，并对再结晶织构的生成进行了计算机模拟。

他们证明了当环绕〈110〉轴转动 22°，同时改变选择{110}〈110〉滑移系统时，在图 3 中观察到的织构与在图 4 中计算出来的十分一致 Senuma等5）报道了在α-γ区带润滑热轧能有效改善冷轧和退火后的IF 钢的r值，如图 5 所示润滑减少薄板表面的剪切，它对最终退火时{111}织构形核是有害的连续热轧工艺的发展使IF钢带润滑热轧已在工业上应用 经验发现当采用罩式炉退火时，Cr、V和B三元素对r是有害的也对在连续退火过程中元素B的作用进行了研究， 因为B是必须加入以防止冷加工脆性， Haga等人6）指出B恶化r值，呈线性关系，如图 6 所示这种趋势是由降低再结晶晶粒的形核和长大速率引起的，如图 7（a）和（b）所示7）正如固溶C和N那样，B提高了再结晶温度并倾向于在再结晶织构中形成{110}成分Yasuhara等8）也发现热轧过程中偏聚在奥氏体晶粒边界的B阻碍了奥氏体再结晶并形成相变织构 相变织构产生了冷轧中的〈110〉//RD取向和退火织构，这改善了与轧向成45o方向的r值因此B改善了退火薄钢板的平面各向异性 2、复合析出物的析出行为及对力学性能的影响、复合析出物的析出行为及对力学性能的影响 Sanagi等人9）指出板坯再加热温度与卷取温度对含Ti IF钢热轧薄板中析出物的影响，如表 1。

可以看出只有当板坯再加热温度低于 1150℃而卷取温度高达750℃时形成碳化物，这表明为了获得优越r值的较好的热轧条件是除去固溶的碳 表 1 热轧薄板中酸性未溶萃取析出物用 X 射线衍射分析测定出的析出相 卷取温度 再加热温度（℃） （60min） （℃） 1000 1050 1100 1150 1200 1250 650 TiN Ti4C2S2TiN Ti4C2S2TiN Ti4C2S2TiN - TiN - TiN - 750 TiN Ti4C2S2TiN Ti4C2S2TiN Ti4C2S2TiN Ti4C2S2TiN Ti4C2S2TiN Ti4C2S2水淬* TiN Ti4C2S2TiN Ti4C2S2TiN Ti4C2S2TiN - TiN - TiN - 当板坯再加热温度不能低于 1150℃时，要求卷取温度高于 700℃Yoshinaga等10）通过试验方法确定了含Ti IF钢中TiS和Ti4C2S2在奥氏体区的溶解度积测量TiS的溶解度积使用了化学成分为 0.0027%C-0.0080%-0.028%Ti的钢，而对TiS4C2S2则用 0.0023%C- 0.0030%S-0.017%Ti钢。

证实只有一种析出物在热处理后存在，并且该析出物进行了电解萃取与化学分析TiS和Ti4C2S2的溶解度积分别由公式（3）和（4）表示： ㏒[Ti][S] = -3252/T - 2.01 (3) ㏒[Ti][C]0.5[S]0.5 = -5208/T - 0.78 (4) 他们将这些溶解度积输入Thermo-calc的软件中， 并计算多种相的溶解度极限，并比较了这些计算出来的结果与Sanagi9）和Okamoto11）所报道的试验结果Sanagi所用钢的化学成分为0.003%C-0.2%Mn-0.01%S-0.037%Ti- 0.003%N，而Okamoto所用的成分为0.0009%C-1.4%Mn-0.004%S-0.043%Ti -0.003%N在两种情况下计算得出的析出物摩尔分数分别示于图8(a)及(b)，它们与试验结果十分符合 Hashimoto等依据S含量计算了含Ti IF钢中溶解C的量， 图 9 含有大约 70ppm S的试样S1 由于TiS4C2S2析出，大大降低了在奥氏体区低温范围的溶解的C，而含有 1ppm S的试样S2 在奥氏体区保持着较高的溶解C量。

试样S1 的r值为 1.72，而试样S2 则仅为 1.42，这是由于在热轧薄板中溶解的C量的差别造成的 他们也给出Ti-Nb同时加入对热轧薄板中溶解的C和冷轧退火薄板r值的影响，其中Ti含量约为 0.020%而Nb含量在改变如图 10 所示，当增加Nb含量时，热轧薄板的时效指数（AI）随着r值的提高而趋向于降低，这可通过图 11 所示的（Ti，Nb）4C2S2的析出来理解 （Ti，Nb）4C2S2的析出促进了在奥氏体区溶解C的排除，这就导致r值的显著提高 Yoshinaga等人（13）指出，在同时含Ti-Nb的IF钢中， （Ti，Nb） （C，N）相图中两个截然不同的相发生分离这种分离是因为TiN与其他碳化物或氮化物相比有极强的稳定性，而且它是沿着图 12 中虚线所表示的连结线发生这种行为通过γ相和α相不改变他们将位于TiN侧附近的化合物称为K1 相，位于NbC侧附近的另一种称为K2 相热动力学法计算出在γ或α区溶解的C或N的量，如图13 所示，它表明在γ相中只有靠近TiN的化合物析出，而在α相中，成分为Ti（C0.3N0.7）的k1相和成分为（Ti，Nb）C的k2相趋向于分离图 13 表明N可以在γ相中析出，而C只能在α相中析出，但是S的存在由于形成复合的碳硫化合物，甚至在加入Ti-Nb的IF钢中也加速了析出，如图 11 所示。

IF 钢的力学性能已经在各种领域中进行过研究Morrison14）和Masui15）等人报导了低碳薄钢板的n值与晶粒尺寸（d）有关，由下列公式给出： n=5/10+d-1/2 (5) n=10/（10+σi+1.3d-1/2 ） (6) 此处σi是除晶粒尺寸以外的另一个强度因素 但含Ti的IF的n值看来与晶粒尺寸无关，如图 14 所示当运动中的位错受间隙原子影响时，必须形成新的与晶粒尺寸有关的位错源因为IF钢没有间隙原子，位错移动可能与低碳薄钢板中的不同 当IF钢冲压时， 因为它太软而不能减少毛刺 （内缘翻边） 的频率， Utsumi等16）给出了毛刺高度与延伸率（El）或r值按合金元素而定的关系，见图 15 及图 16基本金属为加Ti的IF钢，含有 0.002-0.008%C，0.45-0.69%Mn，0.016-0.037%P，0.009-0.016%S及 0.044-0.085%Ti可以清楚的看到，当S多达 0.016%，降低了毛刺高度而不牺牲延伸率和r值，如图中（B-F）所示每一种添加元素的行为取决于析出物的形状和分布， 硫化物对准备小裂口而不牺牲抗拉性能是在最好的状态， 但TiC过于细小而FeTiP则太大而不能在冲孔能力和抗拉性能之间得到良好平衡。

3、合金元素对、合金元素对 IF 钢镀钢镀 Zn 性能的影响性能的影响 IF 钢是用于热镀锌处理的高强度钢（HSS）薄板，其中 P 和 Si 是主要的合金元素 Urai等17）报道P含量少于 0.010%对热浸镀锌后的合金化速率没有影响， 相反，P含量多于 0.025%抑制了合金化层，如图 17 所示在图中零时间时，当P增加，镀层中的Fe含量趋于降低，这表明在钢中P延迟Zn与Fe之间的合金化反应导致Γ相显著减少当P含量低时，在镀层和基体金属界面上Al浓度很低，随之形成爆裂组织但在较高的P含量时，P富集于薄板表面，它加速了Al的富集，而形成致密Fe-Al-Zn合金化层，能阻止爆裂组织的形成，如图 18 所示Isobe等 18）也发现当基本金属中P含量增加时，在锌浴槽中 0.3%这样高的Al含量能延缓Al-Fe合金化层的形成 Nishimura等人19）发现Si含量越高， 越能延迟合金化层的形成， 如图 19 所示，特别是当Si含量超过 0.5%时，会产生显微的未镀上的缺陷这些缺陷是基于退火后在薄板表面的Si浓度，如图 20 所示退火是在 800℃进行 60 秒 Adachi等20）报道了含Ti IF热浸镀锌钢，当镀层中Fe含量约为 9%时，其剪切附着强度最小，但是，将锌浴槽中的Al含量提高至 0.18%时，此强度可提高，如图 21 所示。

他们也发现锌浴槽中高的Al含量可以提高剪切附着强度，这是由于在合金层和基体金属的界面上形成高达 10µ左右的不平整度此 10µ的不平整度相当于基体金属的晶粒尺寸，它是由Γ相的不均匀凝固产生的Γ相的形成受Fe-Zn在基体金属的扩散速率的取向关系和Fe2Al5相析出产生的阻碍作用的影响 4、以、以 IF 为基础的铁素体不锈钢薄板为基础的铁素体不锈钢薄板 以 IF 钢为基础的铁素体不锈钢薄板已广泛使用于汽车制造和建筑方面其化学成分的例子如表 2 所示： 表 2 以 IF 钢为基础的铁素体不锈薄板钢的例子 C Si Mn P S Cr Mo N Nb NTKU-2 0.007 0.51 0.18 0.0300.00518.331.99 0.010 0.25 YUS220 0.014 0.46 0.12 - - 22.0 0.83 0.011 0.37 Yoshikawa等人给出了Nb/(C+N)对屈服强度和r的影响， 正如普碳IF钢一样，图 22 及图 23 Katoh 等人给出 C 或 N 对加 Ti 钢中延伸率和r的影响，图 24 及图 25发现降低 C 含量很显著地提高了这两种性能， 然而降低 C 和 N 使起皱更严重。

图 2.6表明高的含 N 量可以补救起皱，这是由于凝固时钢水中 TiN 析出阻碍了铸造组织中晶粒粗化，如图 27 中所示 5、结论、结论 全世界 IF 钢的产量正在增长，因为它看来是实现优越性能的一条捷近但是，正如专业人士所知，它是一种高级别的钢种，由一整套从炼钢到退火相互影响的工艺组成生产成本应进一步降低，并且对不同的用户需要提供更多的应用数据我们更有必要交流我们的经验和讨论有前途的钢种的进一步进展 参考文献（略）参考文献（略） 图 1 退火钢的 X 及{222}极强度之间的关系 图 2 各种冶金因素对r值影响的示意图  图 3 冷轧（上面一排）与退火（下面一排）试样的取向分布函数的Ψ2=45 切面左边、右边分别对应于 70%及 85%的压下量 图 4 从 70%和 85%冷轧材料计算出来的再结晶 ODF（取向分布函数）中的Ψ2=45 切面 图 5 计算 A，B1，B2，BL1 和 BL2 试样平均 r 值的变化与冷轧压下量的关系  图 6 B对rm值的影响 图 7（a） B 对等温退火中再结晶晶粒形核速率的影响 图 7（a） B 对等温退火中再结晶晶粒长大速率的影响  图 8 由 a）Sanagai 等人 b）Okamoto 等人报导的钢中析出物计算得出的摩尔分数 图 9 钢 S1 和 S2 计算出来的溶解碳含量  图 10 Nb 含量对退火后钢板的r值和时效指数的影响 图 11 含铌钢中的析出物 图 12 （Ti，Nb） （C，N）相图。

虚线表示连接线  图 13 在 Ti，Nb 钢中析出物和溶解的 C，N 量与温度的关系 图 14 在加 Ti 的 IF 薄板钢中，n 值与晶粒尺寸的关系 图 15 C，Mn，S 和 P 含量对毛刺高度和 El 的影响  图 16 C，Mn，S 和 P 含量对毛刺高度和r值的影响 图 17 Fe 含量和镀锌层扩散处理时间的关系 图 18 钢中 P 含量对爆裂组织形成的影响  图 19 抛光对镀锌层扩散退火反应的影响 图 20 在加入 0.5%Si 的钢表面上的深度轮廓 图 21 剪切附着强度随锌浴槽中 Al 含量及镀层中 Fe 含量的变化 图 22 Nb/（C+N）对 0.2%屈服强度的影响 图 23 Nb/（C+N）对平均 r 值的影响 图 24 C 和 N 对总延伸率的影响 图 25 C 和 N 对r的影响  图 26 C 和 N 对起皱性能的影响 图 27 N 和 Ti 对起皱性能的影响 (姚卫薰 译 曹荫之校) 。