CSP线生产IF钢罩式退火工艺研究

CSP

线生产

IF

钢罩式退火工艺研究

赵宁

北京科技大学

公开 密 级：_____________ 加密论文编号：_____________

论文题目：CSP线生产IF钢罩式退火工艺研究

G20108096 学 号：_________________________

赵宁 作 者：_________________________

材料工程 专 业 名 称：_________________________

2012年05月15日

CSP线生产IF钢罩式退火工艺研究

Study on Batch Annealing Technology of CSP Process

for IF Steel

研究生姓名：赵宁

指导教师姓名：刘靖

北京科技大学材料科学与工程学院

北京100083，中国

Master Degree Candidate： Zhao Ning

Supervisor： Liu Jing

School of Materials Science and Engineering

University of Science and Technology Beijing

30 Xueyuan Road，Haidian District

Beijing 100083，P.R.CHINA

分类号：____________ TG156.21

ＵＤＣ：____________ 公开 密 级：______________ １０００８ 单位代码：______________

北京科技大学硕士学位论文

线生产IF论文题目： CSP 钢罩式退火工艺研究

赵宁 作者：_________________________

刘靖副教授 指 导 教 师： 单位： 北京科技大学

指导小组成员： 韩静涛 教授 单位：北京科技大学

张永军 副教授 单位： 北京科技大学 论文提交日期：2012年 05月 15日

学位授予单位：北 京 科 技 大 学

致 谢

在论文完成之际，我要在此衷心地感谢硕士研究生学习阶段给予我无私

帮助及支持的各位老师、同学及家人！

首先我要感谢我的导师刘靖副教授。本论文是在刘老师的悉心指导下顺

利完成的。刘老师知识渊博、治学严谨、工作勤奋，在平时科研生活中给予我精心的指导；她认真负责、高效的做事风格，使我万分钦佩。在攻读学位的两年时光里，我从刘老师那里学到的不仅是很多专业知识，更重要的是学会了许多为人处事的道理，受益匪浅。在本论文的写作过程中，刘老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此谨向我的导师致以最衷心的感谢和最崇高的敬意。

研究生阶段学业的顺利完成还得到了实验室韩静涛教授、张永军副教授、

王会凤讲师、余长根老师的大力支持与帮助。在实验过程中得到了本科生梁驹华的大力协助，轧制中心王师傅、提供退火炉的张小宝同学对我实验的顺利进行也起到了很大作用。另外，206和202实验室的兄弟姐妹们在平时学习和生活中也带给了我很多帮助与快乐。在此，向所有人一并表示最真诚的谢意，谢谢你们！

在此，要特别感谢我的父母和家人，正是他们多年来对我的默默支持与

关爱，才能使我坚定、充实、快乐的走到今天， 深深祝福我的父母和家人！

摘 要

近年来，随着汽车行业的迅猛发展，人们对汽车用钢的生产无论从量上

还是质上都提出了严格的要求。IF钢作为第三代冷轧冲压用钢，深冲性能优良，几乎可以满足汽车用钢板所提出的各种成形要求，因而越来越受到人们重视。鉴于深冲IF钢的优异性能及广阔的市场，对其成形性能进行研究并推广其应用前景广阔。本课题即针对酒钢集团实际生产IF钢的需求，主要对其CSP线生产IF钢的罩式退火工艺进行研究，为实际生产提供一定的理论支撑和参考依据。

以酒钢集团CSP线生产的IF钢冷轧钢板为原料，对其再结晶温度进行

了研究，确定了其再结晶温度为670℃左右。并通过实验室模拟罩式退火，分析了不同退火温度及保温时间下的IF钢组织特征、力学性能，并结合现场实际生产设备与效率综合考虑，从而为现场确定了合理的退火工艺，将退火温度确定在730℃，保温时间定为4h，优化了产品的成形性能。经过现场工业生产情况反馈，表明产品性能优良，质量稳定，退火工艺合理。

利用FLD技术测定了不同退火工艺条件下以及现场不同厚度的IF钢的

成形极限图，结合图形可以直观清楚的看出IF钢在750℃退火后性能要优于730℃下退火IF钢，且板厚的提高对IF钢的成形性能有提高作用，在实际生产中应综合进行考虑。另外，本文还利用透射电镜对现场退火IF钢的第二相粒子析出行为特征进行了分析，确定了析出物的成分、尺寸、分布及对产品性能的影响。

关键词： CSP线，罩式退火，IF钢，显微组织，成形性能

Study on Batch Annealing Technology of CSP Process for IF

Steel

Abstract

In recent years, with the rapid development of auto industry, people put

forward strict requirements on the car steel production in quantity and quality. IF steel, as the third generation of cold rolling stamping steel, has deep blunt good performance, and can satisfy with auto sheet almost proposed all sorts of forming requirements, so win more and more attention. In consideration of the superior properties and broad market of deep rushed IF steel, we conduct research on its forming performance and develop its broad prospect of application. This topic is in the demand of JISCO Group actual production of IF steel, mainly study on batch annealing process of the CSP production line for IF steel, providing the certain theoretical support and parameter basis for it.

The paper mainly use cold-rolled IF steel product by CSP line of JISCO

Group as raw materials, the recrystallization temperature was studied, and determine it at about 670℃. Through laboratory simulated batch annealing, analyzes IF steel organization characteristics, mechanical properties at different annealing temperature or heat preservation of time. Combining with the actual production equipment and comprehensive consideration of the efficiency, determine the annealing temperature as 730℃, holding time as 4 hours, optimize the forming performance of products. From the feedback of industrial production situation, it indicates that the product performance is good, and has stable quality, annealing process is reasonable.

The paper further use FLD technology to establish the IF steel forming limit

diagram of different annealing process conditions and different sheet thickness. Combined with graphics, it can clearly see that after annealing, the performance of IF steel in 750℃ is superior than that in 730℃, and the improvement of the thickness of IF steel improve its forming property, in practical production should be integrated to consider. Besides, the paper use TEM to analysis the second phase particle separation behavior characteristics of annealing IF steel, determine the composition of the separation material, the size, the distribution and the influence on the performance of the product.

Key Words： CSP process, batch annealing, IF steel, microstructure,

property

目 录

致 谢 ............................................................................................................................ I 摘 要 .......................................................................................................................... III Abstract ......................................................................................................................... V

1 引言 ............................................................................................................................ 1

2 文献综述 .................................................................................................................... 2

2.1 汽车工业的发展与深冲IF钢的研究 ............................................................ 2

2.1.1 汽车工业的发展 .................................................................................... 2

2.1.2 IF钢介绍及研究状况 ............................................................................ 3

2.2 IF钢的生产工艺及成分控制 .......................................................................... 4

2.2.1 IF钢的生产工艺简介 ............................................................................ 4

2.2.2 CSP线生产IF钢关键技术解析 ........................................................... 6

2.2.3 合金元素作用机制及影响 .................................................................... 7

2.3 IF钢的性能评价指标 .................................................................................... 10

2.3.1 基本性能指标 ...................................................................................... 10

2.3.2 IF钢的成形极限图 .............................................................................. 13

2.4 深冲IF钢的退火工艺研究 .......................................................................... 14

2.4.1 再结晶模型 .......................................................................................... 14

2.4.2 罩式退火工艺介绍 .............................................................................. 15

2.5 课题研究内容与技术路线 ............................................................................ 18

2.5.1 研究内容 .............................................................................................. 18

2.5.2 技术路线 .............................................................................................. 19

3 IF钢再结晶温度研究 .............................................................................................. 20

3.1 实验目的 ........................................................................................................ 20

3.2 实验材料及方法 ............................................................................................ 20

3.3 实验结果与分析 ............................................................................................ 21

4 罩式退火工艺的制定 .............................................................................................. 24

4.1 实验目的 ........................................................................................................ 24

4.2 实验材料及方法 ............................................................................................ 24

4.3 实验结果分析 ................................................................................................ 26

4.3.1 力学性能分析 ...................................................................................... 26

4.3.2 金相组织分析 ...................................................................................... 30

4.4 现场取料分析 ................................................................................................ 36

CSP线生产IF钢罩式退火工艺研究

4.4.1 组织性能分析 ..................................................................................... 36

4.4.2 第二相粒子析出分析 ......................................................................... 38

4.5 本章结论 ....................................................................................................... 45

5 IF钢成形极限曲线的建立 ...................................................................................... 46

5.1 实验的意义与目的 ....................................................................................... 46

5.1.1 实验的意义 ......................................................................................... 46

5.1.2 实验目的 ............................................................................................. 46

5.2 实验材料及设备 ........................................................................................... 47

5.2.1 试样的制备 ......................................................................................... 47

5.2.2 实验设备及模具 ................................................................................. 47

5.3 实验方法与步骤 ........................................................................................... 48

5.4 实验结果与分析 ........................................................................................... 53

5.5 现场取料分析 ............................................................................................... 58

5.6 本章结论 ....................................................................................................... 62

6 结论 ......................................................................................................................... 63

参考文献 ..................................................................................................................... 65 附录A 成形极限图在IF钢成形性能研究中的应用 ....................................... 69

作者简历及在学研究成果 ......................................................................................... 75

独创性说明 ................................................................................................................. 77

关于论文使用授权的说明 ......................................................................................... 77

学位论文数据集 ........................................................................................................... 1

北京科技大学硕士学位论文

1 引言

近几年来，汽车工业在我国的发展突飞猛进，人们对深冲钢的性能提出

了更高的要求，可以说汽车工业的发展与深冲钢板的发展是相辅相成的。IF钢因具备优良的深冲性和无时效性，已逐渐成为第三代冲压用钢板的代表，是一个国家汽车用钢板生产水平的标志。

鉴于深冲IF钢的优异性能及广阔的市场，对其生产工艺的研究越来越引

起人们的重视。不仅常规热连轧生产线建设速度很快，短流程薄板坯连铸连轧生产线在我国也得到快速发展。CSP工艺以其运行成本低、可靠性高的优势，在生产IF钢方面得到广泛的应用。退火是IF钢冷轧板生产中决定最终产品性能的关键工艺，退火工序的每一环节，对IF钢的成形性能都大有影响。目前，国内外生产大量采用罩式退火工艺来处理，国内90％以上的IF钢生产采用罩式退火工艺。

罩式退火工艺参数的不稳定和退火制度的不合理都将导致IF钢成品性

能不佳、不稳定。研究CSP工艺条件下IF钢性能的影响因素，制定最佳的罩式退火工艺制度，从而提高CSP条件下冷轧IF钢的深冲性能，是一项非常有意义的工作，对于高速发展的汽车工业也非常有价值。

本课题来自于甘肃酒钢集团的“深冲用IF/DC04钢板开发”研究项目，

重点对深冲IF钢的罩式退火工艺进行研究。通过实验室模拟工业罩式退火的生产工艺，研究IF钢的再结晶规律及罩式退火工艺对冷轧IF钢冲压性能的影响，并为酒钢生产IF钢确定合理的退火工艺。结合现场情况反馈，对退火工艺制度进行评价及修订，以保证良好深冲性能的IF钢的工业化CSP线生产。

CSP线生产IF钢罩式退火工艺研究

2 文献综述

2.1 汽车工业的发展与深冲IF钢的研究

2.1.1 汽车工业的发展

自从19世纪80年代第一辆汽车问世以来，汽车工业已有100多年的历

史了。20世纪60、70年代起，北美、日本和西欧的汽车工业得到了迅猛的发展，据国际汽车工业会（OICA）数据显示：到2005年，全世界的汽车产量已达6653万辆/年。与此同时，新兴市场（指经济高速增长的中国、韩国等国家和拉美、东欧等地区）对汽车的需求量不断增加。根据有关数据，到2009年我国汽车销量达到1364万辆，占世界汽车市场的24%，取代美国成为世界上最大的汽车销售市场。而2010年国内汽车销量更是高达32%的增幅，汽车产销同比增长32.44%和32.37%，保持了世界第一的地位。

面对如此巨大的市场，专家预测未来十年将是中国汽车产业的黄金期，

全球汽车工业将向中国和一些新兴经济体进一步转移，预计未来十年，我国汽车市场年均增长率将达到7.1%，到2020年中国汽车市场的销量有望占据全球汽车总销量的一半以上，将是美国市场销量的两倍左右。中国汽车市场前景非常广阔。

汽车工业的发展与原材料工业有着极为密切的关系。根据德国联邦统计

局统计，生产一辆汽车的费用按比例分配为原材料占53%、制造占30%、设计开发占5%、其它占12%。汽车工业需要的原材料主要为钢材，约占总用材量的70%，发达国家板材产量的50%以上是供应给汽车制造厂的。因此汽车工业的发展，对钢铁材料提出了更高的要求。而钢板中使用量最大的是具有良好成形性能的深冲板，一辆轿车使用深冲板600~800kg，深冲板成形件500~600件[1]。由此可见，汽车工业的发展也就是钢铁工业，特别是深冲板产业的发展。目前，我国的各大钢铁企业都在努力的发展自己的深冲板产业[2]。

随着汽车部件整体化制造的发展，人们对冷轧深冲汽车板提出了更高的

要求[3]，各钢铁企业不断开发和采用新的生产技术，形成具有不同特点的深冲和超深冲钢板系列。从近40年来国内外汽车板发展的过程来看，深冲压用钢正在向着高洁净、超低碳、微合金方向发展。

北京科技大学硕士学位论文

2.1.2 IF钢介绍及研究状况

超低碳、氮钢中添加碳、氮化物形成元素（Ti、Nb），通过形成碳、氮

化物清除钢中的间隙原子，可以得到无间隙原子（Interstitial-free）钢。IF钢是继沸腾钢和低碳铝镇静钢之后的第三代冲压用钢，具有低的屈服强度（σs=100MPa~150MPa）、低的屈强比（σs/σb≤0.5）、高的延伸率（A=44%~55%）、高的塑性应变比（r=1.8~2.2）、高的加工硬化指数（n=0.23~0.28）等超深冲性，而且具有无时效性，可以满足严格的成形性要求。

由于优良的产品性能，超低碳钢系列几乎可以满足汽车用钢板所提出的

各种性能要求，如深冲性、高强度、防腐性、BH性。表2-1列出了IF钢作为汽车板的应用范围[4]，三代冲压用钢的性能比较如表2-2[5]。

表2-1 IF钢在汽车上的用途

暴露件 非暴露件 车顶、外门、外挡内热板、内车冲压级 板 盖、内门

门枢、燃料箱、深冲级 后驱、车顶 侧梁

后驱、挡泥板、IF钢 优良深冲级 后驱、正面板 油底壳

油底壳、内轮超深冲级 外侧梁 箱

35K 外车盖、外挡板 横梁 高强度 40K 后覆盖板 加强板 深冲钢 45K 加强板、侧梁

表2-2 三代冷轧汽车带钢的性能比较 音频设备、音箱座架 发动机座、音箱座架 发动机座

钢种

沸腾钢

铝镇静钢

IF钢 σs/MPa 180~190 160~180 100~150 σb/MPa 290~310 290~300 250~300 δ/% 44~48 44~50 45~55 r 1.0~1.2 1.4~1.8 1.8~2.8 n <0.22 <0.22 0.23~0.28

世界许多大钢铁公司都对IF钢进行了研究和开发，例如，日本的川崎、

新日铁；美国的Amrco，Inland；德国的Thyssen，Hoesch等。他们研究的主要内容涉及钢化学成分、轧制工艺、退火制度对深冲性能的影响，织构形成机理、强化机理、析出物形态、加工脆性、相变机理等。这些研究工作对IF钢的生产及发展具有重要的作用[6]。JI.Hirsch[7]研究了变形织构和纤维组织的相互关系，认为在金属材料变形时控制织构形成和组织演变是提高其性能的

CSP线生产IF钢罩式退火工艺研究

重要因素。Natsuko Hashimoto[8]采用电子背散射（EBSD）技术研究了IF钢的再结晶织构在形成过程中的真实形貌，并对再结晶过程中ND//{111}晶粒的形成做了研究。在计算机模拟方面，SP.Efimenko[9]利用计算机模拟了热轧IF钢的变形结构和性能。Y.Hayakawa[10]对再结晶织构取向建立了计算模型。

我国对IF钢的研究，北京科技大学起步较早，为提高IF钢的深冲性能

王先进教授发明了w-c法[11]，即先预形成织构，然后再经过冷轧和退火，发展有利织构，使深冲性能得到明显提高，r值达3.25，并获得了专利。北京钢铁研究总院也对高r值进行了研究。宝钢、武钢和鞍钢等大钢铁企业也都进行生产实验和研究。一般认为随冷轧压下率的增大，r值增加。河北理工学院刘占英教授通过冷轧Ti-IF钢实验，发现冷轧压下率在75%~80%时，r值有最大值。如果继续增大r值反而下降，并对这一现象进行了解释[12]。刘教授还通过实验，得到两次冷轧和退火可使r值达2.8以上，并对两次冷轧压下率的分配进行了实验研究。并得出结论：在总压下率一定的情况下，第一次冷轧压下较小，第二次冷轧压下率较大，可使r值提高，反之则不能提高。

宝钢1991年成功的生产出IF钢，性能可与日本商用板KTUX可比，填

补了我国IF钢生产的空白。宝钢开发的IF钢系列产品Ti-IF钢的性能达到DDQ级、EDDQ级水平，可满足大部分难冲件的要求。以Ti为主复合添加微量Nb的Ti+Nb-IF钢，性能可达S-EDDQ级水平，并可用深冲电镀锌和深冲热镀锌的基板。

总体来说，我国IF钢的发展，经历了从沸腾钢、低碳铝镇静钢到微合金

化钢，从低深冲到高深冲，从低强度到高强度，从氮氧罩式炉退火到全氢罩式炉退火的发展过程。经过多年的努力，工艺技术越来越优化，产量越来越高，性能越来越稳定，已成为高等级汽车用板的主要品种之一。近几年不仅常规热连轧生产线建设速度很快，短流程薄板坯连铸连轧生产线在我国也得到快速发展。随着对热轧线上铁素体轧制工艺和半无头轧制工艺的研究和熟练掌握，不仅为生产薄规格的热轧钢带创造条件，也使生产较好深冲性能，但级别不是太高的IF钢成为可能。这不仅可以取代价格较贵的冷轧产品实现以热代冷，同时也可为生产高深冲性能的IF冷轧板提供合格的基板。

2.2 IF钢的生产工艺及成分控制

2.2.1 IF钢的生产工艺简介

IF钢的生产工艺流程为转炉冶炼－RH真空脱气－连铸－热轧－冷轧－

北京科技大学硕士学位论文

退火－平整。生产过程的每一步工序，从成分控制到热轧、冷轧、退火、平整都影响IF钢的最终性能[13]，具体的工艺流程见图2-1。为了获得优异的深冲性能，应特别掌握下列三个关键因素：

（1）发展强的（111）退火织构，以获得高的深冲性能。

（2）获得足够粗大的均匀的铁素体晶粒，以获得低的σs/σb和高的加工

硬化指数n。

（3）控制第二相粒子（碳、氮化物）的析出，以控制时效效应，改善塑

性。

图2-1 IF钢的冶炼工艺生产流程

因此，IF钢的生产应命中非时效性、强的（111）织构、较粗大的铁素体

晶粒这三个目标。在冶炼中应尽可能降低C、N及非金属夹杂（O，S，P）的含量，纯净钢质，一般要求：C≤0.005%；N≤0.003%（目前，不少IF钢产品已达到：C≤0.002%~0.003%，N≤0.002%），应尽量加入适当的Ti或Nb；热轧宜采用低的板坯加热温度，略大于Ar3终轧温度，终轧后快速冷却和高温卷取；冷轧压下率要大；采用尽可能高的退火温度。上述各个工艺过程对IF钢性能影响的程度也是不同的，按影响程度的大小依次是冶炼、退火、热轧、冷轧。各个过程的技术要点如表2-3所示。

CSP线生产IF钢罩式退火工艺研究

表2-3 IF钢的生产工艺要点

影响程度

技术要点

冶炼 ①超低碳 ②微合金化 ③钢质纯净 热轧 冷轧 退火 ①再结晶晶粒粗大 ②发展再结 晶织构 ①均匀细小的铁素体晶粒 ②粗大稀疏的 二相粒子 尽可能大的冷轧压下率

2.2.2 CSP线生产IF钢关键技术解析

CSP技术设备相对简单，流程通畅，节省能源，运行可靠，自面世以来

CSP迅速体现出其巨大的优越性[14]。近些年来，因其技术工艺相对成熟，生产比较稳定，产量和质量较好，从而得到了较为广泛的应用。目前全世界已有薄板坯连铸连轧（CSP）生产线50多条，中国已建成投产的薄板坯（包括中等厚度板坯）连铸连轧生产线13条，产能超过3200万吨。

国外薄板坯连铸连轧生产线大多采用电炉冶炼＋LF精炼（有的线配备

RH）。国内薄板坯连铸连轧生产线多采用转炉＋LF精炼，有的线已配备RH精炼，并且大多数企业都陆续建成冷轧和退火、镀锌线。CSP工艺生产流程一般均为电炉（AD或DC）→钢包精炼炉→薄板坯连铸机→均热（保温）→热连轧机→层流冷却→地下卷取。酒钢集团的主要冶炼配套装备有：2套3工位铁水预脱硫装置，3座120吨顶底复吹转炉，3座120吨LF钢包精炼炉，1台120吨双工位RH真空精炼炉，1台1机1流常规板坯连铸机，2台1机1流薄板坯连铸机。主体技术装备由中冶赛迪、新日铁、西马克等公司提供，技术装备达到国际一流水平。

薄板坯连铸连轧生产高质量超深冲IF钢的主要难点在于表面质量的控

制。关键技术在于：

（1）超低C、N钢冶炼、真空精炼与钢成分精确控制技术。钢板性能的

稳定性首先取决于钢成分控制的精确性。IF钢是用微合金元素Ti或Nb将钢中间隙原子C和N完全固定的无间隙原子钢。超低C、N的稳定精确控制关系到微合金元素Ti或Nb的添加量及其合金化效果，对最终IF钢板的性能影响起到关键的作用。

（2）非金属夹杂物的控制与去除技术。钢中夹杂物对汽车板质量尤其是

表面质量有极大的危害。汽车板最常见的表面缺陷有微细裂纹、表面夹杂、表面鼓包等，其形成均与钢中大颗粒夹杂物有关。汽车板中非金属夹杂物的

北京科技大学硕士学位论文

控制包括：炼钢、精炼钢水的低含氧量控制；严格的保护浇注，防止连铸过程钢水二次氧化；连铸中间包坝、堰结构优化，促进夹杂物聚合上浮等。

（3）无缺陷薄板坯连铸技术。为防止薄板坯铸坯表面裂纹、表面夹杂和

卷渣等铸坯缺陷，薄板坯连铸工艺控制包括：高效保护浇注技术，防止超低碳钢增碳增氮；采用结晶器电磁制动技术，防止保护渣大颗粒夹杂卷入铸坯坯壳；结晶器内钢水流动与液面稳定控制；合适的保护渣控制研究开发；结晶器震动频率与振幅优化控制（控制铸坯震痕）等。

（4）铸坯均热、除磷过程中的氧化皮形成控制与去除技术。通过对薄板

坯加热及均热工艺条件的优化和控制，保证铸坯温度的均匀性、控制均热过程的表面氧化皮生成及铸坯表面状态，结合高效除磷装置，尽可能除净氧化铁皮是保证板带良好表面质量的关键之一。其中主要内容包括：超低碳钢薄板坯合理加热工艺制度；薄板坯在隧道式加热炉加热、均热过程中的温度场模拟分析；隧道式加热炉加热条件、炉内气氛等工艺条件对超低碳钢薄板坯加热过程氧化皮生成状态的影响，薄板坯上下表面氧化皮的物理性差异及其控制；超低碳钢薄板坯除磷效果分析及改进措施研究。

（5）高效热轧润滑技术。高效热轧润滑不仅对提高热轧板带表面质量和

组织均匀性效果明显，而且对板带的冲压成形性能具有良好的效果。需要针对IF钢的成分和性能特点进行热轧润滑剂的选择以及从软件和硬件控制方面保证IF钢在热连轧过程中的高效润滑效果。

2.2.3 合金元素作用机制及影响

IF钢的性能是由其成分和加工工艺决定的，合理的成分对于形成IF钢产

品优良性能是至关重要的。IF钢的成分设计思想是在超低碳钢中加入适量的碳氮化物元素Ti或Nb，使钢中的C、N原子完全被固定成碳、氮化合物，使钢中没有间隙固溶的C、N原子存在。

IF钢在成分上的特点是超低C，微合金化，基本无C、N间隙原子，钢

质纯净。按添加元素分类，目前工业生产的IF钢有三种，即单一添加钛的Ti-IF钢，单一添加铌的Nb-IF钢和Ti+Nb-IF钢，即钢中同时有Ti和Nb[15]。IF钢中微合金元素的作用如表2-4所示。

CSP线生产IF钢罩式退火工艺研究

表2-4 IF钢中微合金元素的作用

IF钢种类

Ti-IF钢

Nb-IF钢

Ti+Nb-IF钢 微合金元素的作用 固定N、C、S Nb固定C，Al固定N Ti固定N，Nb固定C

合金元素主要是通过各种弥散析出物影响再结晶过程来影响IF钢最终

织构取向，从而影响其r值[16,17]。以下对各种合金元素在IF钢中的具体作用、存在的形态以及对性能的影响给予简要介绍如下：

（1）C和N的作用

一般地，C、N原子固溶在铁素体基体中，含量对IF钢的性能特别是深

冲性能有着举足轻重的影响。现在的研究认为降低钢中的C和N含量可以提高IF钢的r值，特别是当C%<0.01％时，材料的r值、A值能够急剧上升[18]。C间隙固溶在钢中，会严重损害IF钢的r值，这是由于C固溶量的增加（3~5ppm），使再结晶织构中{111}织构急剧减少。固溶N具有与C相似的作用，且引起明显的应变时效，连铸过程中，板坯产生裂纹的危险总是和N含量的提高相联系的[19]，所以应该在IF钢的生产中尽可能地降低C、N含量，这有两个效果：一是对r值有利；二是可减少Ti、Nb的加入量[18]。

IF钢中C、N含量很低，所以和一般钢中的析出物不同，Okamoto等人

给出了常见添加元素在钢中形成碳化物、氮化物、硫化物、磷化物的活泼性强弱顺序，见表2-5。

表2-5 钢中常见添加元素的活泼性 析出物类型

碳化物

氮化物

硫化物 磷化物

（2）Ti和Nb的作用 常见添加元素活泼性强弱顺序 Ti>Nb>Ta>W>Mo>Cr>Mn>Fe Zr>Ti>Al>B>Nb>V>Cr Zr>Ti>Mn>Nb>V>Cr>Al>Mo>W>Fe Mo>Nb>Zr>Ti>V>Cr>W>Ni>Fe

Ti和Nb元素主要是通过与C、N形成细小化合物以清除固溶状态的C、

N原子，提高r值。但当合金化元素Ti和Nb的加入量过多，除了形成C、N化合物外还可以作为置换原子固溶于IF钢基体中。有研究表明，固溶于IF钢基体中的Ti和Nb原子也会因对晶界的拖拽作用阻碍再结晶的进行，从而使r值下降。随着Ti和Nb加入量的增加，IF钢的r值增加，会达到一个最大值，随后随着Ti和Nb的加入量的继续增加r值会开始降低。

IF钢中Ti基本全部析出，根据钛化合物的生成自由能和固溶度，钢中钛

北京科技大学硕士学位论文

化合物的析出顺序为TiN-Ti4C2S2-TiC。Ti在钢中首先形成TiN，液态或者钢液凝固过程中形成的TiN比较粗大，而且分布稀疏，并不能有效阻止晶粒长大，不能起到强化作用。钢液凝固以后析出细小的TiN颗粒很稳定，在热加工前的再加热过程中可抑制奥氏体的晶粒长大，从而细化组织。Ti在钢材含量适宜（0.01%~0.02%）时，才能同时满足各方面的要求，更低的Ti含量将不能得到足够体积分数的TiN来有效阻止晶粒粗化。随着Ti含量的增大，超过Ti/N理想化学配比，钢中的TiN粒子会显著粗化，TiN的晶粒细化作用减弱，多余的Ti与C结合形成TiC，在轧制过程中析出的TiC会在TiN颗粒上外延生长，尺寸增大，只有少量的Ti可以形成TiC，强化效果不明显。随着Ti含量的继续增加，剩余的Ti在较低温度下，以细小而弥散的TiC质点形式析出，起到强烈的沉淀强化效果[20]。

IF钢要获得高的r值所必须的临界Ti含量，即Ti*%（有效Ti%），可用

式2-1表示：

Ti*%=Ti%－［4C(%)＋3.43N(%)］ （2-1）

根据相关文献，如果Ti%≥4C(%)＋3.43N(%)＋1.5S(%)，便可消除钢中

间隙固溶原子[21]。除了固定C、N、S元素的Ti以外，有效Ti的最低含量应该为0.01%，但也不能过高，否则会使IF钢的强度大幅度上升，影响IF钢的性能。

（3）Mn、P、S的作用

如果IF钢中的锰和硫分别达到>0.08%和>0.001%，它们会结合形成MnS，

MnS因细化组织会对γ/α相变产生明显的影响。当锰含量较低时，可形成TiS和Ti4C2S2，但当锰含量较高时，固溶锰会阻止{111}铁素体晶粒取向的发展。随着Mn量的增加，r值降低，在添加铌的IF钢中会使r值明显恶化。

硫对于绝大多数钢种而言是杂质元素，在钢中易偏析。S与钢中的Mn

生成MnS，这种长条状夹杂物会影响钢的冲击性能，因此要求其元素含量越低越好。硫对IF钢性能的影响与其是否能形成Ti4C2S2有关，如果钢中因形成Ti4C2S2减少了细小TiC的数量，则有利于r值的提高。最佳的硫含量可能还与IF钢成分和热轧工艺有关，根据国外对IF钢的剖析结果，IF钢的硫含量控制在0.008%以下[22]。由于硫对Ti-IF钢的再结晶温度没有影响，因此，硫对r值的影响不是因阻止再结晶而引起的[23]。

磷会增加钢的脆性，但同时又是一种可以提高钢强度最有效的元素。在

低碳钢中加入适量的磷，对成形性的影响不大，但可大大提高钢的强度。研究表明，磷对钢的成形性的总的影响是：随着磷含量的增加，抗拉强度Rm和屈服强度Re增加，伸长率A，n值和r值均降低[24]。还有的研究认为，在

CSP线生产IF钢罩式退火工艺研究

脱碳脱氮的薄板钢中加入0.05%~0.08%的磷，可以提高钢板的r值[25]。

2.3 IF钢的性能评价指标

2.3.1 基本性能指标

材料研究的目的就是提高它的综合性能，而对于汽车钢板而言，它几乎

都要经历冲压成形，特别是对于比较不容易冲压成形的部件，其深冲性能的提高显得尤为重要。表2-6为冷轧DDQ级深冲板在各个国家标准的力学性能对比[26]。图2-2为美国纽柯公司Berkeley厂生产的冷轧深冲板的力学性能，与深冲性能有关的力学性能指标主要有塑性应变比r值，加工硬化指数n，另外还有强度和硬度指标。

图2-2 美国纽柯公司Berkeley厂生产的冷轧深冲板的力学性能

表2-6 DDQ（深冲钢）美国、德国、日本及中国力学性能对比

标准 屈服强度

（MPa） 抗拉强度延伸率（MPa） （%）

— n值 r值 ASTMA1008-2000 115~200

DIN10130-199140~220 9

JISG3141-1996— （0.60~1.0mm）

GB/T5213-2001 ≤210 (＞0.70mm)

A50≥38 n90=0.20~0.25 rm=1.4~1.8 n90≥0.16 — n90≥0.18 r90≥1.6 — r90≥1.6

270~350 A80≥37 ＞270 A50≥40 270~350 A80≥38

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qbyj.html