工藝參數對超低碳烘烤硬化鋼固溶碳含量和烘烤硬化性能的影響

史學星, 鞠新華, 鹿憲寶, 尉 冬

(首鋼集團有限公司技術研究院, 北京 100043)

汽車用超低碳烘烤硬化鋼(ULC-BH鋼)是一種在沖壓成型前具有較低的屈服強度，經過沖壓成型或預先拉伸變形后，再通過烘烤溫度的時效處理，屈服強度可以得到一定程度提高的優質汽車用鋼。對烘烤硬化鋼來說，固溶元素特別是固溶碳含量是影響其烘烤硬化性能(即烘烤硬化值BH2)的最主要因素，因此實現定量分析固溶碳含量是十分必要的[1-8]。由于超低碳烘烤硬化鋼中的固溶碳含量與熱軋、冷軋工藝以及BH2值等之間的關系較為復雜，筆者希望利用內耗技術建立了固溶碳含量與最終成品BH2值之間的關系，并由此找到兼顧材料力學性能的最佳工藝參數并應用于指導實際生產。筆者主要針對超低碳烘烤硬化鋼模擬考察了不同熱軋卷曲溫度、退火溫度和緩冷溫度對試驗鋼固溶碳含量和BH2值的影響規律，從而為烘烤硬化鋼的現場工藝改進提供理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為ULC-BH鋼熱軋板坯，其化學成分(質量分數)為0.002 1%C、0.05%Si、0.15%Mn和微量鈮、鈦等元素，厚度為4.5 mm。在中試模擬試驗室，按照不同熱軋卷曲溫度、不同退火溫度和緩冷溫度分別進行工藝模擬，考察不同工藝下試驗鋼的固溶碳含量和BH2值變化規律。具體的模擬工藝為：①將相同成分的熱軋板坯分別采用不同的卷曲溫度(660，700，730 ℃)進行熱軋卷曲，隨后將不同熱軋卷取溫度的產品冷軋后均采用780 ℃均熱退火，帶速為200 m·min-1；②將相同成分的700 ℃熱軋卷經冷軋后分別采用不同的溫度(780，810，840 ℃)進行退火處理；③將相同成分經過700 ℃熱軋卷曲、780 ℃退火處理后的試驗板分別采用不同的緩冷溫度(650，680，710 ℃)進行緩冷。

1.2 試驗方法

采用FTA-700型鋼中固溶碳測定儀，按照GB/T 13665-2007《金屬阻尼材料阻尼本領試驗方法 扭擺法和彎曲振動法》規定的方法加工出55 mm×4 mm×1 mm的矩形待測試樣進行內耗試驗。

采用Z100型萬能拉伸試驗機按照國家標準GB/T 24174-2009《鋼 烘烤硬化值(BH2)的測定方法》，測量經過預拉伸2.0%總應變的試樣在溫度170 ℃下烘烤20 min后下屈服強度相對于試樣2.0%總應變對應的強度的增加值，即BH2值。

2 試驗結果與分析

2.1 不同卷曲溫度的影響

不同卷曲溫度下試驗鋼的內耗、固溶碳含量和BH2值變化曲線如圖1所示。由圖1a)可見。ULC-BH試驗鋼在660，700，730 ℃的卷曲溫度下，其內耗試驗均在50 ℃附近出現明顯了的C-Snoek峰，但隨著卷曲溫度的升高C-Snoek峰高值差別不大，約為0.000 55。利用固溶碳引起的內耗峰與固溶碳之間的線性關系，可定量計算出660，700，730 ℃對應的固溶碳含量(質量分數，下同)分別為2.46×10-6，2.74 ×10-6，2.54×10-6，由計算結果來看卷曲溫度對試驗鋼的固溶碳含量影響不大，且差別在0.3×10-6范圍內，如圖1b)所示。同時由圖1c)也可以看出，卷取溫度對最終成品的BH2值影響不明顯。

圖1 不同卷取溫度下ULC-BH鋼的內耗曲線、固溶碳含量及BH2值Fig.1 The a) internal friction curves, b) solid solution carbon content and c) BH2 value of the ULC-BH steel at different crimping temperatures

2.2 退火溫度的影響

不同退火溫度下試驗鋼的內耗、固溶碳含量和BH2值變化曲線如圖2所示。由2可以看出，退火溫度對ULC-BH試驗鋼中的固溶碳含量和BH2值影響非常敏感。ULC-BH試驗鋼在780，810，840 ℃的退火溫度下，其內耗試驗在50 ℃附近也均出現明顯的C-Snoek峰；退火溫度由780 ℃提高到840 ℃，C-Snoek內耗峰高值由0.000 50提高到0.000 65。對圖2a)中不同退火溫度下的C-Snoek內耗峰擬合計算得出780，810，840 ℃對應的固溶碳含量分別為2.22×10-6，4.11 ×10-6，7.15×10-6，即固溶碳含量隨著退火溫度升高而增大，幅度為2×10-6～3×10-6，如圖2b)所示。由圖2c)可以看出，試驗鋼的BH2值也隨著退火溫度升高而增大。

圖2 不同退火溫度下ULC-BH鋼的內耗曲線、固溶碳含量及BH2值Fig.2 The a) internal friction curves, b) solid solution carbon content and c) BH2 value of the ULC-BH steel at different annealing temperatures

2.3 緩冷溫度的影響

不同緩冷溫度下試驗鋼的內耗、固溶碳含量和BH2值變化曲線如圖3所示。由3可以看出，緩冷溫度對ULC-BH試驗鋼中的固溶碳含量和BH2值影響也非常敏感。ULC-BH試驗鋼在650，680，710 ℃不同的緩冷溫度下，其內耗試驗在50 ℃附近都出現明顯的C-Snoek峰,但緩冷溫度由650 ℃提高到710 ℃時，C-Snoek內耗峰高值由0.000 72降低到0.000 55。對圖3a)中不同緩冷溫度下的C-Snoek內耗峰擬合計算得出650，680，710 ℃對應的固溶碳含量分別為4.58 ×10-6，3.99 ×10-6，2.57×10-6。即緩冷溫度為650 ℃和680 ℃時，試樣鋼中固溶碳含量差異不大，但緩冷溫度由680 ℃升高到710 ℃，其固溶碳含量隨著緩冷溫度升高而降低，幅度約1.5 ×10-6，如圖3b)所示。由圖3c)可以看出，試驗鋼的BH2值也隨著緩冷溫度升高而降低。

圖3 不同緩冷溫度下ULC-BH鋼的內耗曲線、固溶碳含量及BH2值Fig.3 The a) internal friction curves, b) solid solution carbon content and c) BH2 value of the ULC-BH steel at different slow cooling temperatures

3 結論

(1) 不同的工藝參數對超低碳烘烤硬化鋼中的固溶碳含量和BH2值都有較大影響，卷曲溫度對試驗鋼固溶碳含量和BH2值影響較小。

(2) 隨著退火溫度升高，試驗鋼的固溶碳含量和BH2值都逐漸增大；且退火溫度由780 ℃升至840 ℃，固溶碳含量增加2×10-6～3×10-6。

(3) 隨著緩冷溫度升高，試驗鋼的固溶碳含量和BH2值都逐漸減小；且緩冷溫度由650 ℃升至710 ℃，固溶碳含量降低約1.5×10-6。