低碳鋁鎮靜鋼經模擬彩涂后的抗時效性能研究

靳志力 于曉飛 陳云飛 王昭云 韓雄超 魯安平 張軍力

（河鋼集團邯鋼公司）

0 引言

低碳鋁鎮靜鋼具有強度高、普通沖壓性能優良等特點，廣泛應用于汽車、家電等領域[1]。在鋼鐵工業生產中，酸軋后的低碳鋁鎮靜鋼需要經過鍍鋅連續退火熱處理以獲得較好的沖壓成形性能，目前國內連續熱鍍鋅產線大部分沒有過時效處理，固溶在晶內的間隙原子經退火后在晶內析出，使用過程中極易出現起棱、起皺，即鋼板表面產生不均勻變形而產生呂德斯帶[2]。

為提升低碳鋁鎮靜鋼鍍鋅板經彩涂后的抗時效性能，筆者通過對比模擬三涂三烘彩涂工藝后屈服平臺值的大小，研究了C、N和B含量對鍍鋅板經彩涂模擬后的抗時效性的影響，從硼化物、BN的析出和晶粒尺寸大小分析了如何提升基板的抗時效性能，為鋼廠改善熱鍍鋅板的抗時效性能提供了理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 屈服平臺值及試驗方法

屈服平臺是指在拉伸試驗屈服后應力幾乎隨應變不升高，不發生強化行為，這一段拉伸曲線幾乎是水平線段。屈服平臺值的大小直接決定材料經彩涂烘烤后是否出現折彎起楞或沖壓起皺的核心判定指標。

試驗方法：烘烤模擬試驗是將低碳鋁鎮靜鋼樣條置于310 ℃加熱爐，保溫3 min，取出后水冷至室溫,擦去表面水漬后，再次將樣條放入加熱爐，重復以上操作三次。隨后在拉力試驗機上對樣條進行檢測，并測量其屈服平臺值。

試驗評定指標：模擬三涂三烘后屈服平臺值≤8%（客戶要求）。

1.2 碳、氮和硼元素對屈服平臺的影響試驗

在河鋼邯鋼低碳鋁鎮靜鋼DX51D+Z的化學成分基礎上進行了成分設計，C、N的質量分數分別為0.044%、0.005%（1#），0.027%、0.002%（2#），分析C、N含量對低碳鋼組織和屈服平臺的影響。在2#鋼的成分基礎上，分別添加0.001 5%B（3#）、0.0035%B（4#），研究添加B元素對試驗鋼組織和 性能的影響。試驗鋼的具體化學成分見表1。

表1 熱鍍鋅DX51D+Z化學成分 %

2 試驗結果與分析

2.1 模擬三涂三烘前、后屈服平臺值的變化

對比檢測1.2中1#～4#試樣的鍍鋅板和經模擬三涂三烘后的應力-應變曲線，模擬彩涂烘烤前后屈服平臺值的變化見表2。

從表2可以看出，當C含量為0.02%～0.05%、N含量≤0.005%時，通過添加0.003 5%的B，經模擬彩涂后屈服平臺值由10%～14.5%降低至4%。

2.2 金相組織

表2 模擬彩涂前、后屈服平臺值 %

在Leica金相顯微鏡下觀察1#～4#試樣經三涂三烘模擬后橫截面的金相組織，分別如圖1所示。

圖1 模擬三涂三烘后金相組織（500×）

從圖1可以看出，C、N含量為0.044%、0.005%時，1#試樣較2#試樣的金相組織中，分布在晶內和晶界的硼化物、BN數量有所增加。在試樣中C、N含量相同的條件下，隨著B含量的增加，分布在晶內的硼化物、BN數量明顯減少，4#試樣較3#試樣的鐵素體尺寸變大。

2.3 模擬彩涂后抗時效性能分析

研究表明，低碳鋁鎮靜鋼經彩涂模擬后的屈服平臺值與鋼板中固溶的C、N間隙原子有密切關系。低碳鋁鎮靜鋼中C含量為0.02%～0.05%、N含量為≤0.005%時，隨著C、N含量的增加，屈服平臺值變大，鋼板的抗時效性能變差。鋼板基體中固溶的C、N間隙原子與合金元素、熱軋終軋和卷取溫度、酸軋壓下率和鍍鋅退火工藝等緊密相關[3-5]。采用連續退火工藝生產低碳鋁鎮靜鋼時，雖然可以通過提高退火爐均熱溫度、增加過時效爐的熱處理時間等方法來降低C、N間隙原子對時效性的影響，但對生產成本和設備要求較高，生產效益會降低[3]。降低C、N間隙原子的含量，適當添加合金元素可以促進碳、氮化物的析出，減輕晶內滑移變形時對位錯的釘扎，從而降低試樣的屈服平臺值。因此，低碳鋁鎮靜鋼的成分優化設計成為提高其彩涂后抗時效性能的重要方法。C、N間隙原子的含量以及添加合金對其抗時效性能的影響對彩涂基板成分設計具有重要意義。

目前，相關研究主要集中在熱軋終軋溫度和卷取溫度、鍍鋅工藝，鈦、鈮等微合金元素對低碳鋁鎮靜鋼抗時效性能的影響[6-7]，對C、N在彩涂烘烤后的固溶、析出行為以及添加微量B對模擬三涂三烘后屈服平臺值影響的研究尚未見報道。為此，筆者將C、N含量由1#試樣的0.044%、0.005%降低至2#試樣的0.027%、0.002%，以減少C、N原子含量對時效性的影響，添加B元素來固化C、N間隙原子，通過屈服平臺值對比研究了C、N和B元素在鋼板中的固溶、析出情況。

在冶煉過程中，分別添加0.001 5%（3#試樣）、0.003 5%（4#試樣）的B元素可以與C、N原子結合形成硼化物、BN相，降低了鋼板中固溶的C、N間隙原子的含量，

減少因時效導致折彎起楞、沖壓起皺的發生率。鋼板中細小的硼化物、BN顆粒在連續退火中不能完全溶解到奧氏體中，起到釘扎晶界，阻礙晶粒長大的作用[8]。因此，3#試樣、4#試樣的晶粒尺寸比1#試樣、2#試樣的細小。較小的晶粒可促進鋼板中C、N化物的析出，進一步降低鋼板中的固溶C、N含量，因此4#試樣的屈服平臺值較低，抗時效性能較好。

研究表明[9-10]， B對低碳鋁鎮靜鋼晶粒尺寸大小有直接影響， B的添加可以提高奧氏體化溫度，鋼板中的B一部分與N形成BN，一部分形成硼相。而BN在升溫過程中先融入奧氏體中，所以對奧氏體晶粒的長大基本沒影響。B在降溫中會在奧氏體晶界偏聚，促使晶界能降低，阻礙先共析鐵素體在奧氏體晶界處形核，奧氏體在隨后發生相變時，形核率降低，B對晶粒的長大速度影響不明顯，但使晶粒的平均尺寸變大，0.003 5%B較0.001 5%B的鐵素體尺寸變大，降低了晶界與位錯的相互作用，一定程度上提升鋼板的抗時效性能。

3 結論

（1）當C含量為0.02%～0.05%、N含量≤0.005%時，C、N間隙原子越多，鍍鋅板經三涂三烘彩涂模擬后的屈服平臺值變大，模擬彩涂后的抗時效性越差。

（2）添加質量分數分別為0.001 5%、0.003 5%的B元素有助于改善低碳鋼的抗時效性能，添加0.003 5%的B元素與添加0.001 5%的B元素相比，在增加固化C、N間隙原子的同時鐵素體尺寸變大，降低了晶界與位錯的相互作用，提升了鋼板的抗時效性能。

（3）C、N含量分別為0.026%、0.002%時，通過添加0.003 5%的B元素使得低碳鋁鎮靜鋼經模擬三涂三烘后的屈服平臺增加≤4%（滿足客戶≤8%的要求）。