硼抑制超低碳高強(qiáng)含磷鋼裂紋的研究

賈啟超

（鞍山鋼鐵集團(tuán)公司規(guī)劃發(fā)展部，遼寧 鞍山114021）

在汽車用鋼中，鋼板用量占到汽車鋼材總用量的55%～80%。在全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響下，從降低成本考慮，冷軋汽車板在汽車用鋼中仍占有較大比重，其主要品種有深沖（IF）鋼系列、加磷高強(qiáng)鋼系列、BH鋼系列、低合金高強(qiáng)鋼系列等四大類型［1］。不同的汽車部件對(duì)應(yīng)不同的用途要求，具有不同的性能。加磷高強(qiáng)鋼是在低碳鋼或超低碳鋼中，通過(guò)添加最大不超過(guò)0.12%的磷等固溶強(qiáng)化元素來(lái)提高鋼的強(qiáng)度［2］。超低碳含磷鋼可使汽車沖壓件的厚度適當(dāng)減薄，能降低汽車自重，同時(shí)沒(méi)有烘烤硬化鋼容易出現(xiàn)的滑移線桔皮紋現(xiàn)象，即可用于制作車門外板、發(fā)動(dòng)機(jī)覆蓋板等覆蓋件，又可制作橫梁、縱梁等加強(qiáng)件和結(jié)構(gòu)件，因此在汽車上的應(yīng)用極其廣泛。

在生產(chǎn)設(shè)計(jì)高強(qiáng)超低碳鋼時(shí)，需要在超低碳鋼種成分設(shè)計(jì)時(shí)添加較高含量的P元素來(lái)提高鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，較多磷元素的加入使鋼具有一定的低溫脆性，導(dǎo)致鋼板易出現(xiàn)沖壓裂現(xiàn)象。為了抑制裂紋的產(chǎn)生，在鋼中需要加入硼等素。本文通過(guò)對(duì)含硼和不含硼產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，對(duì)超低碳含磷鋼中硼對(duì)裂紋的抑制作用進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

1.2 鋼板拉伸試驗(yàn)

1.2.1 熱軋制度

用高溫感應(yīng)爐分別冶煉含B和不含B鋼各25 kg的鑄坯，然后鍛成橫截面為80 mm×50 mm的鍛坯。加熱溫度1 100℃，開(kāi)軋溫度1 050℃，終軋溫度850℃，然后以10℃／s的速度冷卻至730℃，然后卷取。冷軋板最終厚度為1.0 mm，退火后進(jìn)行拉伸性能檢驗(yàn)。

1.2.2 拉伸試驗(yàn)

采用Geleeber-3800模擬試驗(yàn)機(jī)將這兩種鋼的樣品進(jìn)行連續(xù)退火熱模擬，每個(gè)樣品號(hào)取5個(gè)樣片，樣片加工成拉伸試樣為50 mm標(biāo)距的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，拉伸速度為3 mm/min，拉伸試驗(yàn)結(jié)果列入表2。

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從表2看出，含硼產(chǎn)品屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度升高，延伸率降低；無(wú)硼產(chǎn)品屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較低，但延伸率較高。含硼產(chǎn)品n值和r值均高于無(wú)硼產(chǎn)品，可見(jiàn)適量加入硼，可使含磷IF鋼的n值和r值改善。

1.3 沖壓試驗(yàn)

兩種成分的試樣板經(jīng)退火成為冷軋成品后再進(jìn)行沖壓試驗(yàn)，將試驗(yàn)斷口放至電鏡掃描儀下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)含硼和無(wú)硼產(chǎn)品斷口形貌明顯不同，見(jiàn)圖1。

從圖1可以看出，無(wú)硼B(yǎng)250P1產(chǎn)品和含硼B(yǎng)250P2產(chǎn)品的斷口完全不同，無(wú)硼產(chǎn)品在沖壓過(guò)程中出現(xiàn)沿晶脆性斷裂冰糖狀斷口形貌；含硼產(chǎn)品則是韌性斷口，沒(méi)有出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象，斷口纖維狀組織區(qū)域明顯。由此表明，硼對(duì)脆性斷裂有著一定的抑制作用。硼的原子半徑低于P的原子半徑，有著優(yōu)先占領(lǐng)晶界的優(yōu)勢(shì)。P在晶界處偏聚會(huì)使鋼產(chǎn)生晶界隔離脆斷，形成冰糖狀脆性斷口。硼的加入使得硼優(yōu)先占領(lǐng)晶界處的空位，和晶界處的大量位錯(cuò)糾葛一起，迫使鋼中P元素離開(kāi)晶界在晶內(nèi)完成固溶強(qiáng)化，與部分Ti反應(yīng)生成一定量（TiFeP）化合物在晶內(nèi)，避免了晶界承受過(guò)多的P元素偏聚。同時(shí)硼在晶界有著非偏聚的特性，當(dāng)鋼中硼含量小于0.003%時(shí)，在晶界處不會(huì)形成Fe23C2B6的網(wǎng)狀析出物［3］，從而使晶界處無(wú)偏聚脆斷風(fēng)險(xiǎn)。

2 機(jī)理分析

2.1 金相分析

針對(duì)兩種不同的產(chǎn)品進(jìn)行機(jī)理檢驗(yàn)分析，無(wú)硼和含硼樣片的金相圖見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出，無(wú)硼和含硼樣品的基體組織均為鐵素體組織，含硼樣品的晶粒尺寸更加細(xì)小均勻。因?yàn)闆](méi)有多余的C參與到晶界的固化和形成上，所以晶界不清晰。這樣的晶界結(jié)構(gòu)，P的偏聚會(huì)加劇弱化晶界的結(jié)合力，所以無(wú)硼試樣沒(méi)有硼和碳元素在晶界的固化作用，會(huì)使得晶界結(jié)合力因磷的偏聚弱化形成冰糖狀脆性斷裂。硼的加入則避免P在晶界處的偏聚，提高了晶界處非密排原子的結(jié)合度，硼抑制了P對(duì)晶界的弱化，避免了P在晶界的偏聚所引起的沿晶脆斷。

2.2 透射電鏡分析

通過(guò)透射電鏡觀察無(wú)硼B(yǎng)250P1產(chǎn)品和含硼B(yǎng)250P2產(chǎn)品的二相粒子的狀況，無(wú)硼和含硼試樣二相粒子分布情況見(jiàn)圖3。通過(guò)分析硼對(duì)二相粒子分布狀況的影響，進(jìn)一步解析其對(duì)性能的影響。

從圖3可以看出，硼的加入使P的固溶增加，避免了P在晶界的偏聚，使得P的固溶強(qiáng)化能力增強(qiáng)，從而加強(qiáng)了部分Ti反應(yīng)，生成了一定量的（TiFeP）化合物在晶內(nèi)，形成的細(xì)小TiC二相粒子在晶界處與硼相互作用，固化晶界。在透射電鏡下，可以看到有較多的細(xì)小二相粒子生成，部分聚集在晶界處。相比無(wú)硼試樣，其二相粒子相對(duì)粗大些。TiC與硼元素在晶界處糾葛位錯(cuò)，從而拖拽晶界移動(dòng)，從而起到細(xì)化晶粒，同時(shí)進(jìn)一步提高產(chǎn)品強(qiáng)度和抗斷裂能力的作用。硼在避免P晶界偏聚的同時(shí)，也避免了冰糖狀脆裂的發(fā)生。

2.3 織構(gòu)分析

對(duì)無(wú)硼和含硼的樣品進(jìn)行織構(gòu)分析，以找出對(duì)沖壓性能的不同影響。兩種試樣恒φ45°ODF截面圖見(jiàn)圖4。

無(wú)硼B(yǎng)250P1產(chǎn)品試樣織構(gòu)主要為{111}＜110＞強(qiáng)度為 1.6、{111}＜112＞強(qiáng)度為 1.7，{001}＜110＞強(qiáng)度為 2.2，見(jiàn)圖 5（a）；含硼 B250P2 產(chǎn)品試樣織構(gòu)主要為{111}＜112＞強(qiáng)度為 4.9，見(jiàn)圖 5（b）。含硼B(yǎng)250P2產(chǎn)品提高了鋼的可沖壓性能，使得鋼的{111}＜112＞強(qiáng)度較高。可見(jiàn)P在晶界偏聚，沒(méi)有硼的幫助，無(wú)法形成良好的沖壓織構(gòu)。而含硼B(yǎng)250P2產(chǎn)品避免了P在晶界的偏聚，提高了鋼的可沖壓性能。

3 結(jié)論

（1）硼元素的添加可以避免P在晶界上的偏聚，細(xì)化鋼中的二相粒子，提高鋼的可沖壓性能。

（2）鋼中TiC與硼元素可以起到細(xì)化晶粒的作用，同時(shí)提高產(chǎn)品強(qiáng)度和抗斷裂的能力。

［1］ 高洪剛，劉明輝，康海軍.國(guó)內(nèi)汽車用冷軋板產(chǎn)品概況［J］.本鋼技術(shù)，2009（5）：29-33.

［2］ 張留洪.冷軋薄板的性能及用途分類綜述［J］.江西冶金，2010（10）： 46-49.

［3］ 郭達(dá)人.50B鋼的晶界析出物及脆化機(jī)理的初步探討［J］.金屬熱處理，1996（10）： 37-38.