稀土變質劑對熱沖壓成型鋼夾雜物形貌及尺寸分布的影響

楊 麗，孫雅平*，李永亮，陳 彤，孫天昊

（1.唐山科技職業技術學院,河北 唐山 063001；2.唐山鋼鐵集團有限責任公司,河北 唐山 063016）

0 引言

隨著汽車輕量化的進一步發展，熱沖壓成型用鋼逐漸引起人們的重視，材料需求量也逐年提升[1]。截止目前全國共有180 多條汽車零部件熱沖壓成型生產線，形成了具有多項知識產權的專利技術。但是，由于對鋼水純凈度、化學成分和顯微組織均勻性要求較高，目前僅僅有WAMA、寶鋼、河鋼等少數企業具備生產能力[2]。

熱沖壓成型用鋼主要應用于乘用車A 柱、B 柱、防撞梁等結構件。由于采用高溫加熱和模具沖壓淬火，鋼板需要相對較高的C、Mn 含量來保證淬火后得到全馬氏體組織[3-4]。此外，還需要添加一定量的Cr 來提高鋼板的淬透性，保證強度。由于上述元素屬于易偏析元素，會導致鋼板發生偏析，降低顯微組織均勻性，進而影響沖壓成型后零部件的性能穩定性。例如，鋼水偏析導致的帶狀組織無法在熱軋-冷軋-退火工序有效消除，化學成分的不均勻性會導致鋼板在奧氏體相區的熱強度不一致，熱沖壓過程中就開裂風險而言反而比冷成型雙相鋼更高[5-6]。同時，由于化學成分不均勻性和顯微組織帶狀導致的各向異性在變形過程中產生的內應力還為使用過程中的延遲開裂、疲勞斷裂埋下隱患[7]。此外，鋼板熱成型工藝溫度多為900～1 000 ℃，為防止顯微組織粗化，鋼中往往加入一定量的Ti 來細化組織。但是煉鋼鈣處理使TiN 提前沿著CaS 界面析出，形成粗大的復合夾雜物，不僅降低了TiN 的細化效果，還容易作為微裂紋萌生的界面，增加成型開裂和延遲開裂的風險[8-9]。隨著鋼板厚度的降低，粗大的TiNCaS 復合夾雜對鋼板厚度的尺寸效應越來越顯著[10]，將極大地降低材料服役過程中承受拉-壓應力時的疲勞壽命，導致服役周期縮短[11-13]。研究發現，向鋼水中添加稀土變質劑，對高溫下形成的質點進行包裹，可以有效降低顆粒狀夾雜物的尺寸，起到改善材料塑性的作用[14-15]，但是目前變質劑在熱沖壓成型用鋼夾雜物形貌領域的研究還較少。筆者以1 500 MPa 熱沖壓成型鋼為主要研究對象，研究了La-Ce 系稀土變質劑對鋼中夾雜物形貌、尺寸的影響，并對鋼板的顯微組織和室溫塑性進行了評價，從而對產品質量改進提供理論支撐。

1 試驗材料和方法

國內某鋼廠1 500 MPa 級熱沖壓成型鋼生產工藝為鐵水預處理→轉爐→LF 精煉→連鑄→熱軋至2.5 mm→冷軋1.0→退火。變質劑化學成分La 1.13%、Ce 11.19%、Si 45.20%、Ca 11.34%，為防止稀土氧化，制備成?13 mm 的包金線，在LF 精煉工序通過喂絲形式加入，中包取樣利用化學分析法檢測成分如表1 所示，其中1#鋼未進行變質劑處理，2#鋼進行變質劑處理。

表1 試驗鋼的主要化學成分Table 1 Main chemical compositions of experimental steels%

沿垂直拉坯方向切取鑄坯，進行低倍組織觀察；切取鑄坯、熱軋鋼卷（軋向）試樣，用線切割制成10 mm×10 mm 試樣，經研磨、拋光后用光學顯微鏡、掃描電鏡(JSM-6701F)觀察鋼中夾雜物尺寸和分布形態；利用掃描電鏡自帶能譜儀對夾雜物的成分進行分析。

2 試驗結果

2.1 鑄坯低倍組織

現場跟蹤顯示，稀土變質劑對鑄坯表面質量無明顯影響，熱態鑄坯表面質量良好，未發現裂紋和凹坑等缺陷。對1#鋼和2#鋼鑄坯低倍組織（圖1）觀察發現，未進行稀土變質劑處理的1#鋼有明顯的宏觀偏析，屬于中碳錳鋼典型低倍特征；經稀土變質劑處理后2#試樣偏析幾乎完全消失，說明變質劑對鑄坯組織均勻性影響顯著。一般認為宏觀偏析現象會通過“組織遺傳”行為遺傳給最終產品，造成不利影響，降低材料成型性能。尤其是隨著強度的提高，對性能均勻性的惡化加劇。通過添加稀土變質劑改善鑄坯宏觀偏析，為優化產品組織和性能均勻性提供了基礎保障。

圖1 22MnB5 鑄坯低倍組織Fig.1 Macro morphology of the continuous casting 22MnB5 slab

2.2 夾雜物形貌及分布狀態

利用光學顯微鏡對鑄坯、熱軋鋼卷（軋向）試樣進行觀察，結果如圖2 所示。對比圖2(a)、(b)可以發現，添加稀土變質劑后，鑄坯中夾雜物密度并未降低，但是夾雜物尺寸顯著降低，變質劑使質點狀夾雜物的分布狀態更加均勻彌散。在100 倍視場中統計顯示，未添加稀土變質劑1#鋼中介于20～30 μm 的夾雜物約為10～15 個，而添加變質劑后2#鋼種僅為1～3 個。

圖2 夾雜物形貌及分布狀態Fig.2 Morphology and distribution of nonmetallic inclusion in slab and hot-rolled plate

根據GB/T 1056-2005 對熱軋鋼卷（軋向）進行夾雜物級別評定，結果如表2 所示。變質劑對D類夾雜物影響最為明顯。添加變質劑后，直徑介于8～13 μm 的D 類粗系夾雜物從2.0 級降低至0.5 級，直徑介于13～76 μm 的Ds 類夾雜物完全消失，部分質點狀夾雜物由于尺寸<3 μm，未被定義為D 類夾雜。

表2 稀土變質劑對熱軋鋼卷非金屬夾雜物類型和評級的影響Table 2 Effect of rare earth modifier on the type and grade of nonmetallic inclusion

2.3 變質劑對夾雜物塑性的影響

利用掃描電鏡對2#鋼鑄坯、熱軋鋼板中的夾雜物形態進行了觀察，結果如圖3 所示。鑄坯中CaS表面被La、Ce 的氧化物包裹，結果如圖3(a)、(b)所示。一般認為，高溫下形成的CaS 容易促進與其晶體結構相似的TiN 界面析出，形成大尺寸復合夾雜物。經過稀土變質劑處理以后，CaS 質點被La-Ce氧化物包裹，阻礙了CaS 進一步長大。由于La、Ce 氧化物與TiN 晶體結構的差異，隔斷了Ti、N 物質傳輸，避免其在CaS 界面析出。同時，由于La、Ce 加入僅為0.001 0%～ 0.001 6%，稀土含量的控制避免了其自身夾雜物的長大。由此可以推斷，上述三個因素是鋼中球狀夾雜物（主要為D 類）尺寸變小的主要因素。

對熱軋鋼板中夾雜物觀察發現，經過高溫軋制后依附在CaS 表面的La、Ce 氧化物發生了明顯的塑性變形，結果如圖3(c)、(d)所示。一般認為，像A 類MnS 夾雜物的變形會惡化塑性，導致材料各向異性，尤其是寬度≥2 μm 的A 類夾雜對材料各向異性的影響最為顯著。但是作為鋼水變質劑的La-Ce的加入不僅有效降低了大尺寸D 類夾雜物的數量，而且并未形成大尺寸的A 類夾雜物，其熱軋后寬度多在1 μm 以下。因此分析認為，熱變形過程中La、Ce 氧化物的變形對鋼板塑性的影響可以忽略不計。

圖3 2#鋼種夾雜物隨熱變形行為的演化Fig.3 SEM observation and energy pattern of nonmetallic inclusion in 2# steel

3 機理分析

3.1 異質形核機理

添加稀土改質劑后，大顆粒D 類夾雜物數量降低的機理可以通過圖4 進行說明。由于CaS 的形成溫度約為2 200 ℃，高溫下鋼水中Ca、S 擴散速度快，極易長大，造成CaS 自身粗化；粗化后的CaS作為異質形核的界面，還可以促進TiN 的界面析出，這在經過鈣處理的含Ti 鋼中是最常發生的現象，也是TiN 粗化的主要原因之一[16]；當添加稀土變質劑以后，La、Ce 迅速消耗鋼水中的O，形成La-Ce-O系夾雜，在CaS 界面析出，阻礙了Ca、S 物質的傳輸，從而可以有效降低CaS 等高溫質點的粗化，同時也避免了CaS-TiN 類復合夾雜物的過渡長大。鋼液中形成的大量細小、彌散的高溫質點細化了鑄態組織，對改善鑄坯宏觀偏析具有促進作用。同時，稀土變質劑的添加還降低了含Ti 鋼冶煉過程中鋼水鈣處理的工藝要求，對在改善水口結瘤方面具有顯著效果[17]。此外，由于La-Ce-O 系夾雜自身非氯化鈉結構，因此TiN 無法在其界面上形核，TiN 只能在更低的溫度下獨立形核，也進一步避免了TiN、CaS-TiN 系大尺寸復合夾雜的產生，提高了微合金元素鈦的利用效率和鋼水的純凈度。

圖4 稀土變質劑對D 類夾雜物尺寸的影響機理示意Fig.4 Mechanism for the size change of D-type inclusion by rare earth modifier treatement

3.2 材料性能評價

利用光學顯微鏡和折彎試驗機對連退后鋼板的顯微組織和塑性進行了觀察和測試，結果如圖5 所示。由圖5 可知，添加稀土變質劑以后，顯微組織得到了明顯的細化。分析認為，這主要與大顆粒夾雜物的降低有關。隨著D 類大尺寸夾雜物的從10 μm 級別降低至1 μm 以內，對鑄坯顯微組織的細化作用將顯著提高，由于鑄坯組織的遺傳性，使連退鋼板的顯微組織得到有效細化。同時，由于鋼板的顯微組織細化與大顆粒夾雜物的降低使得鋼板塑性變形過程中晶界協調變形的能力提高，微觀裂紋在大顆粒夾雜物界面萌生的幾率降低，折彎性能也獲得了極大的提升，從而改善塑性。對比1#、2#鋼冷彎可以發現，未經稀土變質劑處理的1#沿軋向折彎有輕微隱裂，塑性明顯低于2#鋼板。室溫塑性的改善，對高溫熱沖壓過程中塑性的改善以及隨后的延遲開裂均具有一定的促進作用。

圖5 稀土變質劑對連退鋼板顯微組織和塑性的影響Fig.5 Influence of rare earth modifier on the microstructure and plastic property

4 結論

研究了La-Ce 系稀土變質劑對1 500 MPa 級熱沖壓成型鋼中夾雜物形貌、尺寸的影響，并對最終產品的顯微組織和塑性進行了評價，得到如下結論：

1）添加稀土變質劑以后，鑄坯低倍偏析得到顯著改善。

2）與未添加稀土變質劑的鋼板相比，D 類夾雜物的數量并未降低，但是尺寸明顯變小，主要與稀土氧化物對鋼水中高溫質點的包裹并阻礙其長大相關。

3）通過稀土變質劑的添加，鋼板的顯微組織得到顯著細化，室溫塑性得到了極大改善，冷彎隱裂現象消失。