家電用含磷高強IF鋼的抗時效性能分析

周麗萍，王孝建

(寶鋼股份中央研究院梅鋼技術中心，江蘇 南京 210039)

從80年代中期到90年代中期“先成形”工藝，到近年來的“后成形”工藝，我國家電板的生產(chǎn)取得了長足的進步[1]。從兩種工藝的路徑分析可以看出，兩種成形工藝的最大區(qū)別在于：先成形工藝是成形后鋼板經(jīng)涂漆烘烤，因此只要保證在成形前耐室溫時效要求；而后成形工藝要在成形前經(jīng)受200 ℃以上的烘烤，因此涂裝工藝的變化必然會對基材提出新的挑戰(zhàn)[2]，它要求家電基材需要具有很好的抗時效性能。

原來廣泛應用的低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼類(AK鋼)家電基材顯然不能夠滿足后成形工藝的要求，因為碳含量的控制對鋼的抗時效性能有顯著影響，即是C原子的含量對間隙固溶C的數(shù)量有顯著影響，鋼板中原有的碳含量越高，間隙固溶的C亦越多，時效現(xiàn)象越顯著[3,4]。家電板的生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生的烘烤時效可以描述為材料自然時效的加速過程，它的工藝過程是清洗干凈的鋼帶經(jīng)過表面預處理、干燥進入涂裝室，液態(tài)涂料經(jīng)涂覆輥均勻地涂抹在帶材上、下表面，通過加熱烘烤固化涂層，再經(jīng)過淬水冷卻，熱風干燥，這使得AK鋼中的碳在烘烤過程中產(chǎn)生位錯運動，使得材料的屈服強度顯著增加[5]。對無間隙原子鋼而言，烘烤后位錯基本不發(fā)生變化，位錯運動所需的能量無變化，烘烤對材料屈服強度無影響[6]，但由于其強度低，往往達不到家電板的應用要求。

本文設計開發(fā)了一種高強IF鋼熱鍍鋅板，其成分設計增加了C、P元素，是否會造成對無間隙原子鋼(IF)鋼無時效特性的影響有待研究。本文利用計算方法對比普通IF鋼及AK鋼驗證加P元素的可行性，并通過試驗室自然時效和用戶工藝模擬試驗，研究P元素對無間隙原子鋼的耐時效特性的影響。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用三種不同成分體系的熱鍍鋅板，其中高強P-IF鋼為本文設計開發(fā)的添加C、P元素的IF鋼熱鍍鋅板，另外兩種對比材料分別為常規(guī)成分體系的IF鋼熱鍍鋅板，以及AK類普冷熱鍍鋅板，對應化學成分如表1所示。

表1 試驗用熱鍍鋅板的化學成分(wt%)

1.2 P在鐵素體中固溶含量模擬計算

磷(P)元素對于鋼來說會增加鋼的脆性，但其又是一種提高鋼的強度的最有效元素，在強度較低的低碳鋼中適量的加入磷，會引起固溶含量的變化，對鋼的成形性影響不大，但可大大提高鋼的強度[7]。為能夠初步判斷P元素的固溶情況，我們利用材料動力學和熱力學仿真軟件Thermo-Calc對不同P含量隨溫度變化下在鐵素體的固溶量進行模擬計算。

將表1中高強P-IF鋼和普通IF鋼的成分帶入Thermo-Calc軟件，通過模擬計算，得到溫度為橫坐標、固溶量為縱坐標的P在鐵素體中的固溶量變化曲線。圖1分別是P含量為0.040 %的高強IF鋼和P含量為0.010 %的普通IF鋼成分體系下，P隨溫度變化在鐵素體中的固溶含量變化情況。從曲線中我們可以明顯看出含P高強IF鋼的固溶量明顯大于普通IF鋼，在曲線中我們可以觀察到在熱軋工藝段(900～1200 ℃)P的固溶析出會快速上升到峰值?，F(xiàn)場連續(xù)退火溫度為800 ℃，從曲線中我們也可以得出P在此溫度下析出不明顯。

(a)高強P-IF鋼

1.3 試驗方法

1.3.1 拉伸試驗方法

按GB/T228.1-2010、GB/T5027-2016、GB/T5028-2008進行強度、伸長率、拉伸應變硬化指數(shù)n值以及塑性應變比r值的測定，試驗在ZWICK Z100全自動拉力試驗機上進行。試驗溫度為室溫，拉伸速率為彈性和屈服階段3 mm/min，塑性階段28 mm/min，試驗數(shù)據(jù)由計算機自動采集。因為IF鋼屬于無間隙原子鋼，無明顯屈服平臺，以Rp0.2代替屈服強度。對比高強P-IF鋼和普通IF鋼熱鍍鋅板力學性能。

1.3.2 顯微組織觀察試驗方法

利用FEI Quanta FEG 450掃描電鏡對從高強IF和普通IF熱鍍鋅板上選取與軋制方向平行的厚度截面試樣進行觀察，利用牛津的HKL Nordlys F+型EBSD背散射電子衍射分析儀對晶粒平均尺寸進行測定。試樣用金相砂紙磨平、研磨、再經(jīng)過拋光，然后用4 %的硝酸酒精溶液腐蝕。

1.3.3 時效模擬試驗方法

時效模擬試驗采用包括實驗室靜態(tài)模擬試驗和用戶烘烤工藝模擬試驗兩種方式。選用高強P-IF鋼和AK鋼熱鍍鋅板進行時效前后的拉伸性能測試對比，主要觀察屈服強度在試驗后的變化情況，從而分析材料的抗時效性能。

2 試驗結果及分析

2.1 微觀組織

針對IF鋼鐵素體晶界不易被腐蝕處理的特征，利用EBSD(電子背散射衍射技術)替代金相法，對兩種IF鋼熱鍍鋅板的顯微組織，特別是對晶粒尺寸進行觀察和統(tǒng)計分析，能夠更精準地勾畫出晶界形貌。測試結果如圖2所示，可以看到含P高強IF鋼的平均晶粒直徑為7.1 μm，其晶粒度級別為I8.0，而普通成分體系的IF鋼平均晶粒直徑為17.2 μm，在晶粒度級別評定為I6.5，在相同的退火溫度下，高強P-IF鋼熱鍍鋅板的晶粒尺寸明顯比普通IF鋼細小，且其晶粒尺寸已達到了細晶鋼的晶粒尺寸[8]。高強P-IF鋼的組織晶粒明顯比普通IF鋼細。

有資料表明：晶界處 P 的濃度跟試樣中一般大角度晶界的體積分數(shù)密切相關，是因為P更容易在一般大角度晶界處的偏聚，而不容易在小角度晶界及 CSL 晶界處的偏聚，也就是說大角度晶界如果占的比例越高，P的偏聚就會越顯著[9]。利用EBSD對兩種熱鍍鋅IF鋼的顯微組織的大小角度晶界進行分析，通過圖3中高強P-IF鋼和普通IF鋼的晶界角度的體積分數(shù)比重分析，我們可以得出高強P-IF鋼并沒有因為添加P使小角度晶界明顯減少，大角度晶界明顯增多。這也可以對應模擬計算P的固溶含量，在連續(xù)退火溫度800 ℃工藝制度下，不易出現(xiàn)P在晶界偏聚的現(xiàn)象。

(a) 高強P-IF鋼

(a) 高強P-IF鋼

2.2 力學性能

通過對高強P-IF鋼和普通IF鋼熱鍍鋅板進行靜態(tài)單向拉伸試驗，得到其力學性能指標測試結果，測試數(shù)據(jù)見表2。通過表2可以看出高強IF鋼熱鍍鋅板在強度上整體提高明顯，三個方向屈服強度均能夠達到270 MPa以上，達到了設計需求。高強P-IF鋼的屈服強度較普通IF鋼提高了約100 MPa，抗拉強度提高80 MPa左右，但伸長率有一定程度的下降，高強P-IF鋼較普通成分體系IF鋼的斷后伸長率下降5%～6%，但仍保持了良好的延伸性。

從成分設計角度，高強IF鋼的C、P元素多于普通IF鋼，首先C元素的升高對于強度提高有一定的貢獻，而磷通過在鋼中置換鐵原子，形成固溶強化P原子形成晶格點陣畸變，在晶粒內(nèi)部儲存了大量的畸變能[10-11]，使得晶界被弱化。同位錯應力場發(fā)生交互作用，有效的阻礙了位錯運動，也起到了提高強度的作用。而且P元素對晶界的脆化影響了材料的塑性指標A及成形性能指標r值，斷后伸長率A和塑性應變比r略有下降，但仍然保留了普通IF鋼良好的延伸特性。

表2 性能測試數(shù)據(jù)結果

2.3 靜態(tài)應變時效試驗

靜態(tài)應變時效試驗是指將材料加工成標準拉伸試樣，在室溫靜態(tài)拉伸試驗過程中，伸長率在一定量下卸載，將拉伸試樣放到一定的溫度中，可以采用烘箱或是電子水浴恒溫箱進行一段時間恒定溫度的烘烤處理，對處理后試樣進行靜態(tài)拉伸試驗，測定試樣的屈服強度，觀察其變化情況[12]。靜態(tài)應變時效是一種利用試驗室手段來快速模擬材料自然時效方法。試樣進行兩次拉伸，時效后屈服點對應的力值與時效前預拉伸變形量對應的力值的差值與時效前原始面積的商稱為時效指數(shù)值(N/mm2)，用AI表示。時效指數(shù)是在靜態(tài)應變時效試驗中對于材料抗時效情況的表征指標，AI越大，時效傾向越明顯，時效指數(shù)(AI)如果<30 MPa，鋼板時效性能較好，可以滿足放置6個月內(nèi)使用不出現(xiàn)自然時效問題[13]。本文采用針對拉伸試樣預變形8 %，隨后在100 ℃的烘箱烘烤60 min的試驗條件，對高強P-IF鋼和AK類普冷家電板進行人工時效對比。

(1)

式中：AI為 時效指數(shù)(N/mm2)；F2為 時效后下屈服對應的載荷(N)；F1為 時效前8%應變對應的載荷(N)；A0為 時效前試樣原始截面積(mm2)。

AK類普冷家電板與高強P-IF人工時效試驗數(shù)據(jù)見表3，時效指數(shù)如圖4。這種模擬試驗主要是通過拉伸的預變形，將使固溶原子拉離原來的位置，在后期的烘箱保溫一定時間，固溶原子又回到初始位置，進行再一次拉伸變形時，材料屈服強度會有不同程度的升高，這種方式用較簡單的靜態(tài)變形模擬用戶沖壓變形量，考察材料屈服極限變化情況，如果差值較低則不容易出現(xiàn)起棱、滑移線等缺陷。該試驗結果驗證了高強P-IF鋼具備良好的抗時效性能，保持了無間隙原子鋼的無時效特性。

表3 時效指數(shù)測試數(shù)據(jù)

圖4 時效指數(shù)平均值柱狀圖Fig.4 Aging index average histogram

2.4 用戶工藝模擬試驗

2.4.1 235 ℃+90 min烘烤時效

將兩組試樣的拉伸試樣放置在烘箱內(nèi)模擬輥涂烘烤過程，本次模擬僅進行烘烤溫度的模擬，因此選用比用戶烘烤溫度略高時間略長的235 ℃+90 min試驗條件下進行烘烤。通過室溫拉伸試樣，將未進行烘烤的鋼板性能與烘烤后的試樣進行強度性能的比較，其差值用來反映烘烤后強度變化的情況[14]。

將兩組拉伸試樣烘烤后，在ZWICK Z100全自動萬能試驗機進行測試，測試數(shù)據(jù)見表4。可以看到高強P-IF鋼在烘烤過后并沒有出現(xiàn)強度升高的現(xiàn)象，測試負值與試驗過程誤差的正常波動相關，但AK鋼的屈服強度提升得非常明顯，達到了50 MPa左右，試驗結果清晰地表明了無間隙原子鋼具有良好的抗時效特性，而P原子在IF鋼內(nèi)固溶并未形成像AK鋼中的固溶C、N間隙原子一樣，即使在一定的溫度促進下，也未向位錯偏聚形成Cottrell氣團，因此P固溶原子的數(shù)量并沒有改變IF鋼沒有時效的特性。

表4 試驗室烘烤性能測試數(shù)據(jù)

2.4.2 3.2 %平整延伸率+220 ℃+30 min烘烤時效

平整延伸率δ是帶鋼經(jīng)過平整機平整后延伸長度的比率，是控制冷軋平整機的重要工藝參數(shù)之一，特別是針對低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼，可以用于改善退火后帶鋼的平整度，消除帶鋼屈服平臺。為進一步模擬用戶沖壓工藝，我們在利用平整機組對高強P-IF鋼熱鍍鋅板進行較大的平整延伸率的平整試驗，對帶鋼進行預變形。

一般低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼常用的平整延伸率在0.5%～1.5%之間[15]，試驗用超過低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的平整延伸率3.2 %。模擬用戶涂覆烘烤工藝220 ℃+30 min烘烤，涂覆烘烤前后試樣的拉伸性能結果見表5，屈服強度變化的情況見圖5，我們可以發(fā)現(xiàn)高強P-IF鋼的屈服強度和抗拉強度均為并未發(fā)生明顯變化，同時對材料的斷后伸長率也沒有顯著的影響，由此我們可以認為高強P-IF即使在較大的平整延伸率下變形，并經(jīng)過烘烤也未出現(xiàn)強度升高、延伸下降的現(xiàn)象，不會對后期沖壓加工造成不良影響。

表5 高強P-IF鋼烘烤前后性能測試數(shù)據(jù)

圖5 烘烤前后性能比較Fig.5 Performance comparison before and after baking

3 結論

(1)添加P元素，起到了較好的固溶強化作用。本文通過EBSD分析技術從顯微組織角度分析強化機理：高強P-IF鋼晶粒尺寸為7.1 μm，能夠達到細晶鋼水平，細晶強化效果很顯著，而P元素也起到了固溶強化作用。

(2)高強IF熱鍍鋅板的屈服強度平均為277 MPa，而普通Ti-IF鋼屈服強度平均為189 MPa ，高強P-IF鋼整體屈服強度提高約100 MPa，滿足了設計要求，高強IF伸長率略有下降為34.2 %，仍保持了良好的延伸性，塑性應變比(r值)水平下降得不明顯。通過C、P元素的添加，能夠顯著提高IF鋼的強度水平。

(3)通過8 %+100 ℃+30 min靜態(tài)應變時效測試，P-IF鋼AI指數(shù)基本為零，仍具有無間隙原子鋼的耐時效特性。

(4)模擬用戶烘烤工藝，在高于用戶烘烤溫度235 ℃+90 min條件下，以及較大的平整延伸率烘烤模擬試驗，高強P-IF鋼的屈服強度均未發(fā)生明顯變化，可見P元素的加入未對IF鋼熱鍍鋅板良好的抗時效性產(chǎn)生不良影響。

(5)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼在人工模擬試驗中，強度上升明顯，連續(xù)熱鍍鋅機組無過時效段處理則無法避免時效現(xiàn)象，因此高強P-IF熱鍍鋅板在強度提高的前提下，有效地解決了常規(guī)AK鋼類熱鍍鋅板在用戶加工過程的時效問題，能夠滿足家電板特別是如大尺寸液晶背板等寬幅料的應用要求，經(jīng)用戶使用驗證，未出現(xiàn)沖壓打鼓、扭曲等缺陷。