Si對(duì)580 MPa級(jí)熱軋高擴(kuò)孔鋼組織性能及表面質(zhì)量的影響

郭子峰 張 衍 李秋寒 郭 佳 馮 軍 趙 青

（1.首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院薄板所，北京 100043；2.綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100043；3.北京首鋼股份有限公司制造部，河北遷安 064404）

熱軋酸洗板是介于冷軋板和熱軋板之間的中間產(chǎn)品，它具有接近冷板的表面質(zhì)量，同時(shí)保持著熱軋產(chǎn)品的力學(xué)性能，已經(jīng)廣泛用于汽車、家電和機(jī)械等行業(yè)，市場(chǎng)需求量大［1-3］。高擴(kuò)孔鋼作為先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的典型鋼種，是目前熱軋酸洗板研究的熱點(diǎn)之一，具有優(yōu)異的成形性能和良好的疲勞性能，用于制造乘用車的副車架、控制臂等核心零部件，有助于整車輕量化、安全化［4］。

表面質(zhì)量不僅是產(chǎn)品生產(chǎn)控制的基礎(chǔ)，更影響了用戶的生產(chǎn)工藝，部分使用環(huán)境苛刻的零件要求光學(xué)檢驗(yàn)無(wú)缺陷。隨著汽車、家電工業(yè)的迅速發(fā)展，用戶對(duì)熱軋酸洗帶鋼表面質(zhì)量的要求越來(lái)越高。高等級(jí)表面的熱軋酸洗高擴(kuò)孔鋼的難點(diǎn)在于成分體系選擇以及連鑄、熱軋、酸洗等多工序控制。

Si作為鋼鐵材料常用的強(qiáng)化元素，幾乎可全部固溶于鐵素體中，能夠顯著提高鋼的強(qiáng)度，且有利于獲得高的疲勞強(qiáng)度。然而研究發(fā)現(xiàn)［5］，由于Si為選擇性氧化，高溫氧化時(shí)在FeO與基體界面上形成2FeO／SiO2（鐵橄欖石相），鐵橄欖石相成熔融狀態(tài)后便會(huì)以楔形侵入基體，形成錯(cuò)綜復(fù)雜的特殊結(jié)構(gòu)的鱗層，導(dǎo)致表面形成“紅鐵皮”缺陷，影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量。

本文重點(diǎn)研究了Si元素對(duì)熱軋580 MPa級(jí)高擴(kuò)孔鋼（580HE）的組織、性能及表面質(zhì)量的影響，并對(duì)其作用機(jī)制進(jìn)行了探討，以期為提高580HE鋼的生產(chǎn)工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

為了滿足客戶對(duì)產(chǎn)品表面質(zhì)量的需求，本著經(jīng)濟(jì)工業(yè)生產(chǎn)的目的，首鋼580 MPa級(jí)高擴(kuò)孔鋼采用C-Mn-Nb-Ti成分體系，通過(guò)中溫卷取獲得鐵素體和貝氏體雙相組織。Mn是高擴(kuò)孔鋼中常用的合金元素，可有效提高奧氏體的淬透性，并降低鐵素體中的固溶碳量，從而提高鋼的延性。Nb不僅能夠延遲再結(jié)晶，同時(shí)對(duì)冷卻過(guò)程中的奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變具有一定的抑制作用，且在鐵素體轉(zhuǎn)變過(guò)程中析出的碳氮化物，能抑制轉(zhuǎn)變的鐵素體晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化鐵素體晶粒。Ti元素具有廉價(jià)、高效的特點(diǎn)，在熱連軋和卷取后析出的Ti（C，N）粒子非常細(xì)小，能產(chǎn)生強(qiáng)烈的沉淀強(qiáng)化效應(yīng)。

首鋼580 MPa級(jí)熱軋高擴(kuò)孔鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)如表1所示，并將高Si、低Si含量的高擴(kuò)孔鋼分別編為1號(hào)和2號(hào)。

表1 580 MPa級(jí)熱軋高擴(kuò)孔鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical compositions of the 580 MPa grade hot-rolled steel with high hole expansion ratio（mass fraction） %

熱軋580HE鋼的生產(chǎn)工序?yàn)椋鸿F水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→LF精煉處理→RH精煉處理→板坯澆注→加熱爐→高壓水粗除鱗→粗軋→高壓水精除鱗→精軋→層流分段冷卻→卷取。帶鋼成品厚度為3 mm。熱軋卷取后，距離帶鋼尾部15 m取樣，在寬度1／4處橫向切取3根拉伸試樣。按照 GB／T 228.1—2010規(guī)定，在德國(guó)Zwick Z100型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，彈性階段至屈服階段采用0.000 25 s-1的應(yīng)變速率，測(cè)定屈服強(qiáng)度或塑性延伸強(qiáng)度后，采用0.006 7 s-1的應(yīng)變速率，取3根試樣的平均值。

在帶鋼寬度1／4處切取尺寸為20 mm×15 mm金相試樣，研磨、拋光后，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕，使用萊卡DM6000M光學(xué)顯微鏡、蔡司EVO MA15掃描電鏡進(jìn)行組織觀察，使用JEM-2000FX型透射電鏡對(duì)微觀組織及位錯(cuò)形態(tài)進(jìn)行觀察。軋制后、卷取前利用在線表面檢測(cè)系統(tǒng)拍攝帶鋼上下表面圖像。

擴(kuò)孔率試驗(yàn)根據(jù)GB／T 15825.4—2008進(jìn)行，擴(kuò)孔試樣尺寸為100 mm×100 mm，中間預(yù)制直徑d0為10 mm的沖孔。沖孔時(shí)將毛刺邊緣朝向凹模孔，啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)把錐頭凸模壓入預(yù)制孔，凸模運(yùn)動(dòng)速度為1 mm／s，當(dāng)裂紋穿過(guò)預(yù)制孔整個(gè)厚度邊緣時(shí)沖孔試驗(yàn)停止。擴(kuò)孔率取3個(gè)試樣擴(kuò)孔試驗(yàn)的平均值。擴(kuò)孔率λ表達(dá)式為：

式中：df為出現(xiàn)破斷時(shí)的孔徑，d0為初始孔徑。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能

不同Si含量的580 MPa級(jí)熱軋高擴(kuò)孔鋼的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，兩種試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能良好，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。其中Si含量較高的1號(hào)鋼的屈強(qiáng)強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較高，分別達(dá)到了568和615 MPa，擴(kuò)孔性能良好，擴(kuò)孔率達(dá)到了82%。Si含量較低的2號(hào)鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別降低了26和13 MPa，屈強(qiáng)比降低至0.90，擴(kuò)孔率降低至76%。

表2 580 MPa級(jí)熱軋高擴(kuò)孔鋼的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the 580 MPa grade hot-rolled steel with high hole expansion ratio

2.2 顯微組織

不同Si含量的580 MPa級(jí)熱軋高擴(kuò)孔鋼的OM和SEM像如圖1所示?？梢?jiàn)兩種試驗(yàn)鋼的組織均為鐵素體加粒狀貝氏體，其中白色相為鐵素體，黑色相為粒狀貝氏體。相比于2號(hào)鋼，1號(hào)鋼的鐵素體晶粒略細(xì)，且整體組織均勻性更好。通過(guò)Image Tool圖像處理軟件計(jì)算得到1號(hào)和2號(hào)鋼中的貝氏體體積分?jǐn)?shù)分別為7.5%和9.8%。

圖1 580 MPa級(jí)熱軋高擴(kuò)孔鋼的顯微組織Fig.1 Microstructures of the 580 MPa grade hot-rolled steelswith high hole expansion ratio

不同Si含量的580 MPa級(jí)熱軋高擴(kuò)孔鋼鐵素體中位錯(cuò)組態(tài)的TEM像如圖2所示。可以看出，兩種試驗(yàn)鋼鐵素體中的位錯(cuò)密度均不高。其中1號(hào)鋼中的位錯(cuò)密度較高，呈密集的網(wǎng)狀，相互交割、纏繞在一起。

2.3 氧化鐵皮形態(tài)及表面質(zhì)量

圖3為不同Si含量的580 MPa級(jí)熱軋高擴(kuò)孔鋼的典型氧化鐵皮截面形貌?？梢钥闯?，2號(hào)鋼表面的氧化鐵皮厚度在6～8μm之間，1號(hào)鋼表面的氧化鐵皮厚度約為9～17μm，且氧化鐵皮與基體界面不規(guī)則，呈凹凸?fàn)睢?duì)氧化鐵皮進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表3所示，主要含有 O、Si、Mn、Fe等元素，且1號(hào)鋼的氧化鐵皮中的Si含量明顯高于2號(hào)鋼的。

圖2 580 MPa級(jí)熱軋高擴(kuò)孔鋼中鐵素體的TEM形貌Fig.2 TEM morphologies of ferrite in the 580 MPa grade hot-rolled steelswith high hole expansion ratio

圖3 580 MPa級(jí)熱軋高擴(kuò)孔鋼表面的氧化鐵皮截面形貌Fig.3 Cross-sectionalmorphologies of oxide scales on the surface of the 580 MPa grade hot-rolled steelswith high hole expansion ratio

表3 氧化鐵皮能譜分析結(jié)果Table 3 Energy spectrum analysis of oxide scales

不同Si含量的580 MPa級(jí)熱軋高擴(kuò)孔鋼表面紅銹的典型分布如圖4所示?？梢钥闯觯琒i含量較高的1號(hào)鋼表面的紅銹數(shù)量較多，2號(hào)鋼表面僅見(jiàn)少量紅銹。

3 討論及分析

Si是低碳鋼中最經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)化元素之一，它通過(guò)影響相變、組織等影響鋼材的性能，其在鋼鐵材料中有益作用的研究已開(kāi)展較多［6-7］。Si是非碳化物形成元素，幾乎不溶于Fe3C中，抑制了貝氏體形成所需的貧碳區(qū)的形成，從而導(dǎo)致貝氏體的數(shù)量減少，這與圖1的結(jié)果一致。對(duì)1號(hào)、2號(hào)鋼中鐵素體的位錯(cuò)組態(tài)的觀察發(fā)現(xiàn)，較高Si含量鋼中的位錯(cuò)密度較高，推斷為較高含量的Si原子引起更大的晶格畸變所引起的。

圖4 580 MPa級(jí)熱軋高擴(kuò)孔鋼表面紅銹的典型分布Fig.4 Typical red scale on the surface of the 580 MPa grade hot-rolled steelswith high hole expansion ratio

熱軋高擴(kuò)孔鋼的強(qiáng)化機(jī)制主要有固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和相變強(qiáng)化等。屈服強(qiáng)度主要與軟質(zhì)相鐵素體相關(guān)，固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等的作用明顯。這些因素對(duì)屈服強(qiáng)度σy的影響可以用式（2）來(lái)表達(dá)［8］：

式中：σy為屈服強(qiáng)度；σ0為基體點(diǎn)陣阻力即P-N力；△σm為固溶強(qiáng)化的作用；△σt為沉淀強(qiáng)化的增量；△σv為位錯(cuò)強(qiáng)化的作用；D為晶粒直徑；K1為晶粒尺寸系數(shù)。

△σm固溶強(qiáng)化的作用如式（3）所示：

式中［M］為固溶于鐵素體基體中溶質(zhì)（C、N、Si和Mn）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

根據(jù)式（3），當(dāng)Si含量增加時(shí)，固溶強(qiáng)化作用明顯增大。Si作為增加碳在奧氏體中活度的元素，可顯著促進(jìn)碳由鐵素體向奧氏體內(nèi)擴(kuò)散，增加了鐵素體的形核率，從而細(xì)化了體素體，起到了有效的細(xì)晶強(qiáng)化作用。因此，Si含量的增加可顯著提高580 MPa級(jí)熱軋高擴(kuò)孔鋼的屈服強(qiáng)度，這與表2結(jié)果一致。雖然Si含量的增加細(xì)化了鐵素體晶粒，但基體中硬質(zhì)相粒狀貝氏體的數(shù)量減少，削弱了對(duì)抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，導(dǎo)致試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度增加較少。

擴(kuò)孔性能是關(guān)鍵的成形性能指標(biāo)之一，反映了鋼板抵抗翻邊變形過(guò)程中局部開(kāi)裂的能力，主要受基體組織硬度差的影響［10-11］。Si含量較高時(shí)，鐵素體晶粒尺寸較小，且固溶強(qiáng)化作用增大，使得鐵素體硬度提高，導(dǎo)致鐵素體與貝氏體兩相之間的硬度差減小，提高了材料的成形極限和各相之間的協(xié)調(diào)變形能力，抑制了裂紋的擴(kuò)展（如圖5所示），有利于擴(kuò)孔率的提高，最終導(dǎo)致Si含量高的1號(hào)鋼的擴(kuò)孔率高于2號(hào)鋼。

當(dāng)高擴(kuò)孔鋼中的Si含量較低時(shí)，結(jié)合界面附近的氧化鐵皮層中無(wú)明顯的Si元素富集，使得氧化鐵皮的致密度及與帶鋼基體的黏附性下降，在除鱗過(guò)程中FeO層去除的概率增大，從而減少了紅鐵皮缺陷。

圖5 1號(hào)鋼中裂紋擴(kuò)展路徑Fig.5 Crack propagation path in steel No.1

4 結(jié)論

（1）580 MPa級(jí)熱軋高擴(kuò)孔鋼的基體組織為鐵素體和粒狀貝氏體。Si含量較高的試驗(yàn)鋼中鐵素體晶粒尺寸小且均勻性較好，位錯(cuò)密度較高，但貝氏體含量較少。

（2）Si含量較高的試驗(yàn)鋼的屈強(qiáng)強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到了568和615 MPa，擴(kuò)孔率為82%。Si含量較低的試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別降低了26和13 MPa，擴(kuò)孔率降低至76%。

（3）Si含量較高的試驗(yàn)鋼的氧化鐵皮厚度約為9～17μm，且氧化鐵皮與基體界面不規(guī)則，呈凹凸?fàn)睿瑹彳堜搸П砻嬗忻黠@的紅銹。Si含量較低的試驗(yàn)鋼的氧化鐵皮厚度為6～8μm，鋼帶表面僅見(jiàn)少量的紅銹。

（4）Si元素具有明顯的固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用，Si含量的增加可明顯提高熱軋高擴(kuò)孔鋼的屈服強(qiáng)度，并縮小了鐵素體與貝氏體兩相之間的硬度差，有利于擴(kuò)孔率的提高。