碳含量對(duì)Ti-IF鋼微觀組織的影響分析

夏茂森

（山鋼股份濟(jì)南分公司技術(shù)中心，山東濟(jì)南 250101）

試驗(yàn)研究

碳含量對(duì)Ti-IF鋼微觀組織的影響分析

夏茂森

（山鋼股份濟(jì)南分公司技術(shù)中心，山東濟(jì)南 250101）

利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡、X射線衍射儀等，分析不同工序下，碳含量對(duì)Ti-IF鋼金相組織和微觀織構(gòu)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著碳含量的降低，Ti-IF鋼的晶粒較粗大，有利織構(gòu)增加，宏觀表現(xiàn)為具有較低的強(qiáng)度值和較高的r值。

Ti-IF鋼；碳含量；金相組織；微觀織構(gòu)

1 前言

在超低碳鋼中加入一定量的鈦（或鈮），使鋼中碳、氮原子被固定成碳化物、氮化物，而鋼中無(wú)間隙原子存在，稱為無(wú)間隙原子鋼，即IF鋼。IF鋼實(shí)際碳、氮含量的控制及鈦（鈮）加入量的控制非常重要?，F(xiàn)代汽車用鋼對(duì)鋼質(zhì)量的要求日益提高，對(duì)鋼中碳含量也提出了更高要求，特別是超深沖用鋼，要求鋼中碳含量控制在30×10-6以內(nèi)［1］。本研究以濟(jì)鋼ASP中薄板坯連鑄連軋和罩式退火工藝下批量生產(chǎn)的Ti-IF鋼為研究對(duì)象，分析不同工序下，碳含量對(duì)IF鋼金相組織和微觀織構(gòu)的影響，以期為今后生產(chǎn)Ti-IF鋼提供理論指導(dǎo)。

2 分析試驗(yàn)

試驗(yàn)材料選用山鋼股份濟(jì)南分公司大生產(chǎn)的Ti-IF鋼，所選試驗(yàn)鋼的含碳量：1#鋼36×10-6，2#鋼24×10-6，兩試驗(yàn)鋼種的生產(chǎn)工藝基本一致。分別對(duì)其熱軋態(tài)、冷軋態(tài)和退火態(tài)進(jìn)行取樣，分析其力學(xué)性能、微觀組織、宏觀織構(gòu)組分并分析其遺傳性規(guī)律；同時(shí)對(duì)1#試樣的熱軋態(tài)、退火態(tài)的析出物進(jìn)行分析。試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分和成品性能（成品厚度1.0 mm）

對(duì)1#、2#試樣的熱軋態(tài)、冷軋態(tài)及退火態(tài)，取觀察面（平行于軋向的板面），依次用200#、400#、600#、800#、1 000#、1 200#的水砂紙打磨，拋光，用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相觀察。利用德國(guó)西門子D5000型X射線織構(gòu)儀進(jìn)行織構(gòu)分析，測(cè)量板面的織構(gòu)，測(cè)得{110}、{200}、{211}3張不完整極圖，并利用級(jí)數(shù)展開(kāi)法計(jì)算取向分布函數(shù)（ODF）。

3 結(jié)果討論與分析

3.1 金相組織分析

試驗(yàn)鋼的金相組織如圖1所示。兩組試樣熱軋態(tài)和退火態(tài)組織都是相似等軸的晶粒，而冷軋態(tài)為長(zhǎng)板條狀組織。冷軋板組織為變形鐵素體，其組織形態(tài)是沿軋向伸長(zhǎng)的、大小不均且含有大量位錯(cuò)及亞結(jié)構(gòu)的晶粒和一些形變帶。1#鋼熱軋態(tài)和退火態(tài)的晶粒度略高于2#鋼，分析原因應(yīng)該是隨著Ti-IF鋼中碳原子的增加，與合金元素形成的碳化物相應(yīng)增加，對(duì)奧氏體晶粒的長(zhǎng)大有一定阻礙作用，在相同軋制工藝下會(huì)形成較細(xì)的晶粒和較多的柯氏氣團(tuán)。在宏觀上表現(xiàn)為具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，這與試樣的實(shí)際性能相符。

3.2 織構(gòu)ODF圖分析

試驗(yàn)鋼種熱軋—冷軋—退火工序下的織構(gòu)ODF圖如圖2所示。

通過(guò)橫向?qū)Ρ龋▓D2d～f）可以明顯看出，從熱軋到冷軋?jiān)俚酵嘶?，其γ取向線逐漸增強(qiáng)；α取向線熱軋最弱，冷軋后最強(qiáng)，退火后有所減弱但仍然較強(qiáng)，織構(gòu)的演變符合實(shí)際規(guī)律。退火再結(jié)晶過(guò)程中（圖2a～c），{111}織構(gòu)的發(fā)展被抑制，分析是大量碳原子的固溶促進(jìn)了再結(jié)晶晶粒的隨機(jī)行核。

縱向比較，含碳量高的1#鋼與含碳量低的2#鋼相比，2#鋼的γ線發(fā)展的更加強(qiáng)烈，退火態(tài){111}取向分布函數(shù)達(dá)到了9.2，宏觀性能表現(xiàn)為2#鋼具有較高的沖壓成型性能，即具有較高的r值。IF鋼深沖性能主要取決于C、N間隙原子的固溶量、熱軋鋼板晶粒大小以及析出相形態(tài)尺寸分布等因素，具體原因還需通過(guò)織構(gòu)的定量分析進(jìn)一步闡述。

圖1 試驗(yàn)鋼的光學(xué)顯微組織

圖2 試驗(yàn)鋼在不同工序條件下的織構(gòu)ODF圖（恒Φ2=45°）

3.3 織構(gòu)的定量分析

在深沖板的生產(chǎn)過(guò)程中，織構(gòu)發(fā)展是連續(xù)的。各工藝過(guò)程的織構(gòu)發(fā)展?fàn)顟B(tài)及其相互間的聯(lián)系，決定著成品板的最終織構(gòu)特征。因此，板的最終織構(gòu)實(shí)際上是整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中織構(gòu)連續(xù)發(fā)展及演變的結(jié)果。對(duì)1#、2#試驗(yàn)板，分析其板面上熱軋、冷軋和退火織構(gòu)及其聯(lián)系。

3.3.1 熱軋織構(gòu)

鋼板的熱軋織構(gòu)為連鑄坯經(jīng)熱軋變形、卷取后得到的織構(gòu)，熱軋織構(gòu)延骨骼線取向密度如圖3所示。1#和2#鋼板的熱軋織構(gòu)基本上都是微弱的，但是已呈現(xiàn)出γ纖維織構(gòu)的雛形，主要由許多具有較弱的取向分布函數(shù)值［f（g）≤4］的織構(gòu)組分組成，而α纖維織構(gòu)也非常微弱，只有{111}〈110〉織構(gòu)，取向分布函數(shù)達(dá)到了4，一般取向密度都在2以下。熱軋是在Ar3相變溫度以上完成，通過(guò)熱軋期間的反復(fù)軋制和再結(jié)晶以獲得細(xì)的再結(jié)晶組織。由于熱軋后再結(jié)晶的奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變，這與奧氏體區(qū)軋制變形機(jī)制和奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變時(shí)的取向關(guān)系有關(guān)，熱軋晶體取向轉(zhuǎn)變具有一定的任意性［1］。在熱軋工序，碳含量對(duì)織構(gòu)的擇優(yōu)取向影響較小。

3.3.2 冷軋織構(gòu)

冷軋工序的要點(diǎn)就是以良好的潤(rùn)滑條件保證大的壓下量，以產(chǎn)生強(qiáng)的有利形變織構(gòu)，為下步退火產(chǎn)生理想退火織構(gòu)（高r值）的深沖用板創(chuàng)造條件。鋼板冷軋期間由于位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)，其變形組織的晶粒不僅沿軋向伸長(zhǎng)而且發(fā)生一定的轉(zhuǎn)動(dòng)。冷軋織構(gòu)延骨骼線取向密度見(jiàn)圖4。

圖3 試驗(yàn)鋼熱軋織構(gòu)沿骨骼線取向密度變化對(duì)比

圖4 試驗(yàn)鋼冷硬織構(gòu)沿骨骼線取向密度變化對(duì)比

從圖4可以看出，冷軋織構(gòu)主要由{001}〈110〉、{112}〈110〉、{111}〈110〉和{111}〈112〉組成。1#和2#鋼在冷軋后的織構(gòu)（無(wú)論沿α線還是沿γ線）都比熱軋后的強(qiáng)烈，尤其是2#鋼沿γ線的取向密度在7～8之間，沿α線在{112}〈110〉和{111}〈110〉處的取向密度約為7左右?？梢缘贸鲆粋€(gè)結(jié)論：含碳量低的2#鋼的有利冷軋織構(gòu)比含碳量高的1#鋼強(qiáng)烈。

冷軋工序形成畸變的帶狀組織，為退火再結(jié)晶過(guò)程做準(zhǔn)備，在冷軋過(guò)程中會(huì)發(fā)生{111}面趨向于和板面平行的晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)，形成晶界和晶內(nèi)剪切帶，在退火過(guò)程中為再結(jié)晶提供形核位置［2］。含碳量的增加使碳氮化物等二相粒子對(duì)金屬變形時(shí)位錯(cuò)的釘扎作用增強(qiáng)，阻礙深沖板中晶粒的滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)，抑制有利形變織構(gòu)γ織構(gòu)的形成。

3.3.3 再結(jié)晶退火織構(gòu)

在退火過(guò)程中要完成鐵素體再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大和發(fā)展再結(jié)晶織構(gòu)，再結(jié)晶退火織構(gòu)直接決定了鋼板的深沖性能。試驗(yàn)鋼種的再結(jié)晶退火織構(gòu)延骨骼線取向密度如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)鋼退火織構(gòu)沿骨骼線取向密度變化

從圖5可以看出，經(jīng)過(guò)再結(jié)晶退火后，γ纖維織構(gòu)得到了一定發(fā)展，α纖維織構(gòu)依然存在，但已較明顯減弱，呈現(xiàn)特征為：{111}〈110〉織構(gòu)組分有一定增強(qiáng)，{112}〈110〉織構(gòu)組分稍有減弱，其他織構(gòu)組分都明顯減弱。{111}取向的晶粒主要在再結(jié)晶過(guò)程形成，依靠吞并{100}取向的晶粒而長(zhǎng)大；同時(shí)在{111}取向晶粒長(zhǎng)大過(guò)程中，γ纖維織構(gòu)之間也發(fā)生互相轉(zhuǎn)化，主要由{111}〈112〉織構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閧111}〈110〉織構(gòu)。再結(jié)晶退火工序后，含碳量低的2#板的有利織構(gòu)較含碳量高的1#板更加有優(yōu)勢(shì)，宏觀表現(xiàn)為2#試樣的塑性應(yīng)變比r值（2.35）比1#板r值高0.2，具有更好的加工成形性能。

再結(jié)晶織構(gòu)的形成和發(fā)展是各種取向晶核形成和生長(zhǎng)的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程。冷軋IF鋼再結(jié)晶退火后具有較強(qiáng)的γ纖維織構(gòu)，是初始γ取向晶核含量較高和生長(zhǎng)速度較快的綜合結(jié)果。由于再結(jié)晶過(guò)程的復(fù)雜性及形核的不均勻性等因素，人們對(duì)IF鋼再結(jié)晶織構(gòu)的形成機(jī)制一直存有爭(zhēng)議。持定向形核觀點(diǎn)的研究者認(rèn)為，IF鋼冷軋γ-{111}織構(gòu)的形成經(jīng)歷了較為復(fù)雜的位錯(cuò)滑移過(guò)程，使其具有較高的形變儲(chǔ)能，退火過(guò)程中，這些亞晶（或晶粒）將優(yōu)先回復(fù)并在原位形核，其后吞并其他取向的晶粒，使γ-{111}織構(gòu)加強(qiáng)；持選擇生長(zhǎng)觀點(diǎn)的人認(rèn)為，具有γ-{111}取向的晶粒會(huì)優(yōu)先長(zhǎng)入{112}〈110〉取向附近的形變基體，從而形成較強(qiáng)的{111}再結(jié)晶織構(gòu)［3］。認(rèn)為冷軋工序中形成的有利織構(gòu)，為再結(jié)晶退火有利織構(gòu)的形成奠定了基礎(chǔ)。2#試驗(yàn)鋼試樣在冷軋工序的有利織構(gòu)較多，在再結(jié)晶退火工序中，有利織構(gòu)形核及發(fā)展均較快，使得退火后最終成品的有利織構(gòu)進(jìn)一步增強(qiáng)。

4 結(jié)論

4.1 隨著IF鋼碳含量降低，所形成的碳化物等析出相減少，使熱軋及冷軋成品晶粒較為粗大，宏觀表現(xiàn)為具有較低的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

4.2 Ti-IF鋼中，碳含量對(duì)熱軋工序擇優(yōu)取向的影響較??；對(duì)冷軋工序擇優(yōu)取向影響明顯，隨著碳含量的降低，冷硬卷的有利織構(gòu){111}〈110〉增加明顯，在后續(xù)再結(jié)晶退火工序促使γ-{111}織構(gòu)優(yōu)先形核并長(zhǎng)大，使冷軋成品的有利織構(gòu)增加，宏觀表現(xiàn)為具有較高的r值。

［1］陳亮，陳天明，張桂芳，等.IF鋼碳含量不穩(wěn)定因素控制［J］.鋼鐵釩鈦，2009，30（1）：68-72．

［2］朱帥，康永林，王川，等.冷軋壓下率對(duì)Nb+Ti-IF鋼織構(gòu)及成形性的影響［J］.材料熱處理學(xué)報(bào)，2011，32（3）：107-110.

［3］于鳳云，王軼農(nóng)，蔣奇武.深沖IF鋼再結(jié)晶{111}纖維織構(gòu)形成機(jī)制探討［J］.材料科學(xué)與工藝，2008，16（6）：724-727.

表1 精軋側(cè)導(dǎo)板開(kāi)度修正量

4 改進(jìn)效果

1）精軋軋制穩(wěn)定性提高，帶鋼中心線游蕩明顯減輕，側(cè)彎得到較好控制，軋制中心線漂移量由原來(lái)的50 mm以上控制在15 mm以內(nèi)。

2）冷軋基料頭尾側(cè)彎改進(jìn)明顯，酸洗工序卡鋼、跑偏現(xiàn)象較少，頭尾切邊損耗較低，單側(cè)切邊量控制在5 mm以內(nèi)，為冷軋料、極限薄規(guī)格的開(kāi)發(fā)及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整創(chuàng)造了有利條件，顯著提高萊鋼寬帶產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)形象。

參考文獻(xiàn)：

［1］代曉莉，趙憲明.熱軋帶鋼側(cè)彎的形成機(jī)理及主要影響因素的分析［J］.鋼鐵研究，2002（6）：26-28.

Abstract:Starting from the analysis of the factors influencing the lateral bending of the steel strip,combined with the characteristics of production line,some improvements in ameliorating billet heating quality,increasing the stability of rolls and improving centering degree of side guide system and the mill zeroing accuracy etc.were made.After the improvements,the rolling center line shift was controlled within 15 mm from 50 mm and above.The cold-rolled base end side bending was obviously improved and the unilateral trimming was controlled within 5 mm.

Key words:hot rolled wide strip;lateral bending;centering

Influence of Carbon Content on the Microstructure of Ti-IF Steel

XIA Maosen
（The Technology Center of Jinan Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

The effect of carbon content on microstructure and inner texture of the grain of the Ti-IF steel sheet had been investigated by means of optical microscope,scanning electron microscope and X-ray diffraction in different production process.The results showed that with the decreasing of carbon content,the grain size of Ti-IF become coarser and the favorable texture become stronger, which makes the macroscopic properties of Ti-IF steel is lower strength and higherrvalue.

Ti-IF steel;carbon content;microstructure;microtexture

Cause Analysis and Control of Lateral Bending of Hot Rolled Wide Strip Steel

SUN Yehua,ZHANG Mingjin
（The Quality Assurance Department of Laiwu Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Laiwu 271126,China）

TF142.31

A

1004-4620（2015）02-0025-04

2015-01-13

夏茂森，男，1967年生，1989年畢業(yè)于華東冶金學(xué)院金屬材料專業(yè)；2004年畢業(yè)于山東大學(xué)材料工程專業(yè)，工程碩士?，F(xiàn)為山鋼股份濟(jì)南分公司技術(shù)中心部長(zhǎng)，高級(jí)工程師，從事新產(chǎn)品研發(fā)及推廣工作。