CSP工藝對熱成形鋼氫致延遲開裂性能影響

陳勇 周桂峰

（1.寶鋼股份中央研究院（武鋼有限技術(shù)中心），武漢 430080）

1 前言

當前成形鋼已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車安全構(gòu)件，滿足輕量化和安全性要求[1]，其主要構(gòu)件包括A柱、B 柱防撞梁等，全球熱成形零部件數(shù)量已經(jīng)突破5 億件。但是熱成形鋼強度高達1 500 MPa，延遲開裂問題就成為制約其應(yīng)用的瓶頸，如何降低開裂敏感性就成為各大汽車廠和研發(fā)機構(gòu)的研究重點。研究表明，鋼中添加適量的微合金元素如Nb、V 和Ti 等可以有效提升高強鋼的抗氫性能，主要在于它們在鋼中生成納米級的析出相，這些細小的析出相是良好的高能氫陷阱，能夠有效釘扎鋼中的氫[2]。Nb 和V 屬于貴重合金，因此如何有效地發(fā)揮微合金元素的作用是一個關(guān)鍵的問題。與傳統(tǒng)熱軋工藝比，薄板坯連鑄連軋（Compact Strip Production，CSP）工藝有許多特點，薄板坯連鑄過程中凝固和冷卻速度快，能有效抑制鋼中液析TiN 產(chǎn)生，薄板坯直接軋制，只發(fā)生γ→α轉(zhuǎn)變的過程，鋼中微合金元素的固溶度會更高[3-4]，會使得CSP 產(chǎn)品中的析出相更多更細小[5]。使用CSP 工藝生產(chǎn)熱成形鋼為抗延遲開裂性能提供了一條新的生產(chǎn)方法。

2 材料制備和試驗方法

本試驗使用相同成分設(shè)計在不同工藝路線生產(chǎn)同一種熱成形鋼WHF1500。

a.使用150 t 轉(zhuǎn)爐冶煉，通過CSP 連鑄連軋獲得成品（以下稱WHF1500-CSP）。

b.150 t 轉(zhuǎn)爐冶煉后使用傳統(tǒng)熱軋+冷軋獲得成品（以下稱WHF1500-L），2 種鋼的化學(xué)成份見表1，將鋼板加熱到奧氏體化并保溫5～6 min，在平板模具上淬火，拋丸處理去除鋼板表面氧化鐵皮。2 種鋼基本力學(xué)性能見表2。

表1 化學(xué)成份（質(zhì)量分數(shù)） %

表2 兩種鋼的基本力學(xué)性能

試驗分析結(jié)果如下。

a.金相分析。將試樣經(jīng)過使用金相砂紙逐級打磨到1200號后拋光，用3%硝酸酒精試劑腐蝕劑觀察金相組織，使用苦味酸腐蝕觀察原奧氏體晶粒度。

b.透射電鏡分析。觀察淬火前后兩種鋼的析出相，并對析出物的大小分布進行統(tǒng)計分析。

c.恒應(yīng)力試驗。將鋼板加工成恒應(yīng)力試樣（圖1），試樣表面打磨到1200 號砂紙，使用應(yīng)力環(huán)完成加載試驗。試驗溶液為0.2 mol/L NaOH+硫脲，加載應(yīng)力的同時使用電化學(xué)動態(tài)充氫，充氫電流為1 mA/cm2、2 mA/cm2、4 mA/cm2，以200 h 為試驗截止時間，記錄每一個應(yīng)力下試樣的斷裂時間，直到在某個應(yīng)力下200 h 不發(fā)生斷裂，計算鋼的延遲斷裂臨界應(yīng)力值σc，為了確保臨界應(yīng)力值的準確性，σc還應(yīng)該滿足下列條件。

式中，σy為發(fā)生斷裂的最小應(yīng)力；σn為不發(fā)生斷裂最大應(yīng)力。

圖1 恒應(yīng)力試樣

d.氫滲透試驗。將淬火后的試樣加工為尺寸3 cm×3 cm，雙面打磨并拋光，試樣厚度約為1.3 mm；氫滲透試驗裝置示意圖見圖2，陰極側(cè)溶液為0.2 mol/L NaOH 溶液+硫脲；陽極側(cè)溶液為0.2 mol/L NaOH，陽極側(cè)施加電位+0.2 V(vs.SEC)。充氫電流密度為2 mA/cm2，測量氫擴散聚集曲線，計算擴散動力學(xué)參數(shù)及氫濃度。

式中，A 為試樣表面積；d 為試樣厚度；F 為法拉第常數(shù)；I∞為穩(wěn)定時的電流；J∞為穩(wěn)定時氫摩爾通量；t0.63為滯后時間；Deff為有效擴散系數(shù)；C0為鋼中氫濃度；NT為氫陷阱密度；NL為晶格氫陷阱密度；DL為晶格氫擴散系數(shù)；參考α-Fe DL為1.28×10-4cm2/S，NL為7.52×1022/cm3，Eb為0.3 eV[2]。

3 試驗結(jié)果

3.1 金相組織分析

圖3 給 出 了WHF1500-CSP 和WHF1500-L 淬火后金相組織及原奧氏體晶粒度照片，由圖3a 和3b 可以看出，兩種鋼均為板條馬氏體。圖3c 和圖3d 為淬火后2 種鋼的原奧氏體晶粒度，由圖3c 和圖3d 可以看到，WHF1500-CSP 原奧氏體晶粒更加細小，晶粒度等級為11 級，WHF1500-L 為10 級。

圖2 氫滲透裝置示意

圖3 WHF1500-CSP與WHF1500-L淬火后金相組織

3.2 析出相對比分析

圖4a 和 圖4b 為WHF1500-CSP 和WHF1500-L熱成形淬火前鋼中觀察到的析出相，圖4a 和圖4b中明顯觀察到WHF1500-CSP 中的析出相更為細小，分布數(shù)量更多。對5 個20 000 倍視場照片下析出顆粒的尺寸和數(shù)量進行統(tǒng)計，結(jié)果見圖5。分布密度上看WHF1500-CSP 約為WHF1500-L 的3 倍；從尺寸上WHF1500-CSP 析出物顆粒平均粒徑約為65 nm，主要分布范圍在40～60 nm 之間；WHF1500-L 的析出物平均粒徑為190 nm，主要分布范圍在150～200 nm 之間。圖4c 和圖4d 為薄片法觀察WHF1500-CSP 和WHF1500-L 熱成形淬火后析出相，同樣觀察到WHF1500-CSP 析出數(shù)量明顯多于WHF1500-L，WHF1500-CSP 的析出物尺寸在40～64 nm 之間，WHF1500-L 的析出相尺寸在110～260 nm 之間，此結(jié)果與淬火前觀察到結(jié)果基本一致，可以認為熱成形淬火過程對兩種鋼的析出相沒有影響。

圖4 TEM觀察析出相照片

WHF1500-CSP 鋼的熱軋過程中沒有α→γ和γ→α過程，所以鋼中的微合金元素Ti 和Nb 的固溶度要比傳統(tǒng)熱軋高，這對提高形核率有利。WHF1500-L 的熱軋目標厚度約為3.5 mm，而WHF1500-CSP 鋼熱軋目標厚度是1.5 mm，因此WHF1500-CSP 鋼在層流冷卻后降溫速率也高于WHF1500-L，高的冷卻速度產(chǎn)生大的過冷度，使得鋼中的碳氮化物更加彌散而細小。

圖5 兩種鋼析出相尺寸分布對比圖

3.3 恒應(yīng)力試驗

圖6 是WHF1500-L 和WHF1500-CSP 在 不 同電流下應(yīng)力-斷裂時間曲線，從圖6 可以看到隨著充氫電流的增大，兩種鋼的斷裂門檻應(yīng)力均會下降，WHF1500-CSP 在1 mA/cm2電流下門檻應(yīng)力為1 185 MPa，當電流增大到2 mA/cm2后門檻應(yīng)力下降到1 110 MPa，增大到4 mA/cm2后門檻應(yīng)力下降到997 MPa。對于WHF1500-L 鋼在同樣的條件下門檻應(yīng)力值分別為937 MPa、772 MPa 和712 MPa，均 比WHF1500-CSP 鋼 低200～300 MPa。

圖6 兩種鋼充氫電流下應(yīng)力-斷裂時間曲線

表3 兩種鋼在不同充氫電流下門檻應(yīng)力 MPa

圖7 是2 種熱成形鋼的恒應(yīng)力斷口，圖7a 和圖7d 為宏觀形貌，斷口中心為脆性區(qū)，四周為韌性開裂，開裂源點為中心部位，圖中可以看到WHF1500-CSP 的脆性區(qū)面積明顯小于WHF1500-L；圖7b 和圖7e 為脆性區(qū)微觀形貌，表現(xiàn)為沿晶+準解理開裂方式，在圖7e 中發(fā)現(xiàn)有大顆粒TiN 夾雜，尺寸約9.3 μm，有大量裂紋沿著夾雜物棱角向四周擴展，圖7f 為WHF1500-L 韌性區(qū)形貌，表現(xiàn)為韌窩，在韌窩底部同樣可以看到破碎的TiN 夾雜，尺寸約4.5 μm。

圖7 恒應(yīng)力試樣斷口觀察

3.4 氫滲透動力學(xué)行為

對WHF1500-CSP 和WHF1500-L 2 種鋼進行氫滲透試驗，得到2 種鋼的氫滲透曲線，如圖8 所示，計算了氫擴散動力學(xué)參數(shù)（表4），分析氫在兩種試樣中擴散動力學(xué)行為差異，WHF1500-L 中氫擴散系數(shù)5.41×10-7cm2/s,WHF1500-CSP 中的擴散系數(shù)為2.65×10-7cm2/s，表明氫在WHF1500-CSP中更難于擴散和富集；同時WHF1500-CSP 中氫陷阱密度為3.61×1025cm-3，是WHF1500-L 的2倍，表明WHF1500-CSP 更容易捕獲氫，能更好抑制氫在鋼中的擴散，這與恒應(yīng)力試驗的對比結(jié)果是一致的。

圖8 兩種熱成形鋼氫滲透曲線

4 分析與討論

高強鋼發(fā)生延遲開裂時鋼所受到的應(yīng)力以及與鋼中的擴散氫相互作用的結(jié)果[2]，所有元素中氫原子半徑最小，因此是鋼中最容易擴散的元素，同時氫也會被鋼中的缺陷捕獲，包括溶質(zhì)原子、位錯、晶界、析出相以及夾雜，當氫聚集在這些缺陷時，原子間鍵合力會顯著下降(HEDE)[6]，當鍵合力小于外加應(yīng)力時延遲開裂就會發(fā)生。在鋼中添加細小彌散的強陷阱來分散氫是提升鋼延遲開裂性能的一種重要方法[7-8]。

鋼中的Nb、Ti、C 和N 均為強的氫陷阱，TiC與氫的激活能約為86 kJ/mol[8]，NbC為63～68 kJ/mol[9]，當氫被這些強氫陷阱捕獲后就不易出來，達到釘扎和分散氫原子的作用。WHF1500-CSP 的析出相直徑約為WHF1500-L 的1/3，可以推算其比表面積是WHF1500-L 的3 倍，捕獲氫的能力大大提高；同時WHF1500-CSP 析出相分布更為彌散，氫從晶格運動到析出相的距離也會變短，這也有利于捕獲氫[10]，因此WHF1500-CSP 的氫擴散系數(shù)更低，氫陷阱密度更高，由表4 可知WHF1500-CSP 的氫擴散系數(shù)是2.65×10-7cm2/s，約為WHF1500-L 的一半，氫陷阱密度為3.61×1025cm-3，比WHF1500-L 多一倍。在恒應(yīng)力試驗中WHF1500-CSP中氫富集所需要的時間遠大于WHF1500-L，因此門檻應(yīng)力明顯高于WHF1500-L。同時，由于WHF1500-CSP 的析出相更細小，在奧氏體化過程中能夠抑制晶粒長大，起到細化晶粒的作用，WHF1500-CSP 的晶粒度比WHF1500-L 要更細小。細化晶粒可以有效地提升晶界的面積，提高鋼的韌性，同時也使得單位晶界上的氫更少，這也有利于提升鋼的抗延遲開裂性能。

表4 氫滲透動力學(xué)參數(shù)

5 結(jié)論

a.恒應(yīng)力對比試驗發(fā)現(xiàn)，WHF1500-CSP 的延遲開裂門檻應(yīng)力比WHF1500-L 高200～300 MPa，WHF1500-CSP 具有更好的抗延遲開裂性能。

b.CSP 工藝生產(chǎn)熱成形鋼能顯著提高抗延遲開裂性能，主要在于其生產(chǎn)工藝中凝固和冷卻速度快以及鑄坯不經(jīng)冷卻直接軋制的特點，這會使得鋼中的Nb、Ti、C 和N 細小而彌散，這些細小彌散析出相能更有效地抑制氫在鋼中的運動。