于 洋1，王 暢1，王 林1，胡燕慧1，陳 瑾2，王明哲2
（1．首鋼技術研究院，北京 100043；2．首鋼股份有限公司遷安鋼鐵公司，河北 遷安 064404）
摘 要：針對汽車沖壓零部件對冷軋帶鋼提出的低屈服強度、高伸長率、低成本的要求，采用降低鋼中碳質量分數至0.010%～0.030%、適當添加B元素（質量分數0.0015%～0.0025%）的微碳鋼，并采取U 形卷取溫度控制、高溫卷取和連續退火等措施，微碳鋼成品鋼卷屈服強度下降到180MPa以下的占比達95%以上，產品性能滿足汽車零部件沖壓要求。
關鍵詞：微碳鋼；B元素；U形卷取溫度控制；連續退火；力學性能
1 引言
沖壓成形用低碳鋁鎮靜鋼的碳質量分數通常為0.04%～0.08%，對于一些成形性能和強度要求不是很高的汽車內板部件，從材料成本考慮，低碳鋁鎮靜鋼仍占有一定的比例［1］。而另一方面，根據生產實踐，將低碳鋁鎮靜鋼的碳含量降低為微碳，將是提高成形性能的有效方法。有研究指出當碳質量分數降低到0.02%以下時，碳化物間距增大，有利于〈111〉／／N．D織構的形成，從而提高r值［2］，由此出現了微碳鋼。
隨著市場競爭的白日化，越來越多的冷軋客戶在需要大變形的沖壓部件時，提出保證低屈服強度和高伸長率的需求［3］。統計分析發現：厚度為0.6～2.1mm，碳質量分數為0.030%～0.035%的低碳鋁鎮靜鋼帶鋼，只有將卷取溫度提高到750℃才能保證屈服強度低于180MPa的鋼卷比例達到70%以上。而750℃高溫卷取時，很容易發生因卷取夾送輥的夾送而造成帶鋼表層粗晶情況［4］，故現場提出低碳鋁鎮靜鋼的卷取溫度應控制為700℃，但這很難滿足用戶提出的低屈服強度需求。對此，一般采用IF鋼進行替代生產以滿足客戶要求，但性能富裕較大，成本較高，微碳鋼的設計和研制就在此背景下產生的。
2 技術要求及化學成分設計
微碳鋼具有較低的屈服強度（ReL≤190MPa）和抗拉強度（Rm≤310MPa），較高的伸長率（A80≥40%），主要用于一些變形較為復雜的難沖零件，其技術要求見表1。化學成分設計碳質量分數為0.010%～0.030%，同時添加B元素（質量分數0.0015%～0.0025%），具體成分如表1所示。
3 微碳鋼工藝設定
3.1 加B對成品組織的影響
降低帶鋼屈服強度的途徑之一是使帶鋼連續退火處理后晶粒組織均勻粗化，因此提出了加B的化學成分設計方案［5］。粗大的ＢＮ會從高溫奧氏體中優先析出，抑制細小AlN的析出，使晶粒粗化；B原子在奧氏體晶界偏聚也會抑制鐵素體形核，使晶粒粗化；B與N優先結合會有效降低鋼中的自由N含量。在加B鋼中，卷取溫度對應變時效沒有影響；相反，在相似化學成分不添加Ｂ的鋼中，若要減少過時效處理后室溫時的固溶N含量以提高抗時效性能，卷取溫度需達720℃或更高。
在原低碳鋁鎮靜鋼的化學成分基礎上加入B元素，質量分數為15×10－6，在相同工藝下，加B鋼連續退火后帶鋼的屈服強度降低10MPa左右，其他力學性能變化不大。成形性能研究表明：加B后連續退火帶鋼的成形性能沒有受到影響。加B前后帶鋼金相組織對比如圖1所示。可以發現：加B帶鋼的晶粒組織得到了比較明顯的均勻粗化，這也是其屈服強度降低10MPa的主要原因。
3.2 U形卷取溫度控制對帶鋼全長力學性能均勻性的影響
熱軋卷取時，鋼卷內外圈比鋼卷中心部容易接近外部空氣，冷卻速率較快，從而使鋼卷內外圈帶鋼的性能與鋼卷中心部存在差異，即鋼卷長度方向的性能不均勻［6］。為解決這個問題，熱軋時應提高頭尾溫度以補償鋼卷內外圈的溫降，即在熱軋層流冷卻階段采用鋼卷頭部少噴水、尾部不噴水的方法（即U形控制方式）來實現，使鋼卷頭尾溫度高于中部溫度，這樣卷取后鋼卷頭中尾性能基本接近。實驗分析發現：40℃的U形卷取工藝下，帶尾依然存在不同程度的硬化，強度差值在15MPa左右，而之前相差30MPa，帶鋼全長方向性能均勻性有所改善，見圖2。
3.3 卷取溫度對力學性能的影響
微碳鋼采用熱軋高溫卷取、冷軋后連續退火的生產工藝。高溫卷取可使熱軋帶鋼的鐵素體晶粒粗大，碳化物因聚集而粗化，同時第二相粒子AlN也充分析出并長大［7］。其經冷軋、連續退火后，鐵素體晶粒才能長得足夠大，且固溶氮析出較完全，以降低時效現象。實驗分析得出：在連續退火溫度固定為800℃，熱軋卷取溫度由650℃提高到720℃時，帶鋼屈服強度由190MPa下降到170MPa，抗拉強度由310MPa下降到287MPa，均明顯降低。可見卷取溫度對微碳鋼的力學性能有重要影響，卷取溫度至少要控制在700℃以上。
3.4 退火溫度對力學性能的影響
冷軋帶鋼退火的目的是使其組織軟化和再結晶，得到帶有擇優取向的無應變晶粒。連續退火加熱到兩相區某一溫度，當奧氏體體積分數達到20%～50%時，最適宜｛111｝再結晶織構的發展［8］。采用更高的退火均熱溫度則織構將變得越來越弱，使ｒ值急劇下降。所以連續退火均熱溫度的制定要考慮｛111｝織構的發展，從而有利于提高深沖性能。現場實際生產發現退火溫度控制在800℃以上，帶鋼屈服強度小于180MPa的比例可達90%以上。
4 微碳鋼實際生產情況
4.1 熱軋溫度控制
采用連續退火工藝生產微碳鋁鎮靜鋼時，熱軋過程中板坯加熱溫度不僅要考慮為了獲得足夠的塑性以利于軋制，還必須使AlN不能完全固溶到奧氏體中，以便在隨后的熱軋和高溫卷取中AlN以已有的析出物為質點進一步析出且粗化。這樣，板坯加熱溫度就不能太高，以避免在板坯冷卻過程中析出的AlN在加熱過程中固溶。當然加熱溫度也不可太低，以保證終軋溫度足夠高，避免最終產生不利的混晶組織及織構，因此板坯出爐溫度目標設定為1230℃。精軋過程中，只有當軋制溫度高于Ar3時才不會形成熱變形織構，使晶粒取向呈混亂狀態，因此終軋溫度設定為890℃～930℃。
微碳鋼采用高溫卷取工藝，以使熱軋帶鋼鐵素體晶粒粗大，碳化物因聚集而粗大化，同時，第二相粒子AlN也充分析出并長大，碳化物的聚集和粗大化使對深沖性能不利的織構在碳化物附近減少，因此設定卷取溫度為700℃以上，同時采用頭尾Ｕ形卷取溫度控制模式。實際的熱軋工藝溫度控制如圖3所示。
4.2 退火溫度控制
帶鋼連續退火均熱溫度的制定要考慮｛111｝織構的發展，該織構發展在奧氏體體積分數為20%～50%時最適宜，其有利于帶鋼深沖性能。當然奧氏體的體積分數及由此產生的退火溫度的不同是由鋼的成分（主要是由鋼中的碳含量）所決定的，不同成分的鋼種其均熱溫度不同。考慮微碳鋼的成分特點，均熱溫度設定為800℃。
4.3 成品力學性能
采用上述工藝生產的成品鋼卷性能統計結果見圖4，其屈服強度為140～190MPa，均值為169MPa；抗拉強度為285～315MPa，均值為305MPa；伸長率為39%～50%，產品性能滿足標準要求。
4.4 用戶使用情況
采上述工藝生產的微碳鋼帶鋼可替代原IF鋼進行前排座椅橫梁等汽車復雜零件的深沖生產，無任何沖壓開裂、橘皮等問題，使用性能良好，見圖5。
5 結論
針對汽車沖壓零部件對冷軋帶鋼提出的低屈服強度、高伸長率的要求，采用降低鋼中碳質量分數至0.010%～0.030%、適當添加B元素（質量分數0.0015%～0.0025%）的微碳鋼，通過U形卷取溫度控制、高溫卷取和連續退火，微碳鋼成品鋼卷的屈服強度可達140～190MPa，伸長率為39％～50％，產品性能基本滿足標準要求。
參考文獻：
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