对IF钢组织性能影响因素分析

对IF钢组织性能影响因素的分析IF钢(Interstitial Free Steel)又叫无间隙原子钢，是继沸腾钢与铝镇静钢之后自动化工业广泛应用的又一代深冲用钢。

IF钢的特点是含碳量很低，加入Ti和Nb 之后，形成Ti和Nb的C、N化合物。

由于钢中无间隙原子，而使其具有优异的深冲性能：高塑性应变比、高延伸率、高硬化指数以及较低的屈强比，并具有优异的非时效性，因此被誉为第三代超深重用钢而广泛应用于汽车制造等行业[1]。

IF 钢按添加的微合金元素不同，通常分为Ti—IF钢、Nb—IF钢和(Nb+Ti)一IF钢，影响IF钢组织性能的因素有很多，总结起来有两大类：一是材质本身的因素，包括所含化学成分的影响，二是加工工艺的影响。

下面分别就两方面的影响因素予以具体阐述。

首先，介绍一下IF钢的成型性及其评价。

（一）IF钢的成型性及其评价汽车用钢板几乎全部经过冲压成型，所以成型性的好坏是材料面临的首要问题。

所谓成型性是指钢板在承受变形过程中抵抗失效的能力。

它除了与材料本身特性有关外还与变形条件有关。

评价钢板成型性能的指标有两大类，即基本成型性能指标和模拟成型性能指标。

前者是对材料本身性能的反映，取决于材料生产过程中的冶金因素；后者是对材料在某种变形条件下成型性能的反映，与具体的变形工艺有关。

与上述两大类成型性能指标相对应的实验方法中，应用最广泛的的成型性能实验是单向拉伸实验，而Swift冲杯实验、扩孔实验、极限拱高实验都是模拟成型性能实验。

单向拉伸实验获得两个主要的基本成型指标：加工硬化指数(n值)和塑性应变比(r值)，同时还可获得屈服强度(Ys)、拉伸强度(Ts)和延伸率等。

加工硬化指数(n值)是钢板在塑性变形过程中形变强化能力的一种量度，是评价板材在拉胀时成形性能的指标。

钢板在成形过程中，变形大的部位首先硬化，n值越高，硬化程度越强，变形越困难，促使变形小的部位的金属向变形大的部位流动，使整体钢板变形区域均匀，从而提高了钢板的成形性能。

r值是将金属薄板单轴拉伸到产生均匀塑性变形时，试样标距宽度方向的真应变与厚度方向的真实应变之比，其大小标志了薄板深冲性能的好坏，它反映了薄板承受拉力时抵抗厚度变薄的能力，是薄板塑性各向异性的一种量度。

r越大，成型性越好。

IF钢冷轧产品多用于冲压变形非常复杂的深拉延成形件和胀形一深拉成形件，影响其成形性能的最主要的指标是塑性应变比(r值)，r值高表示钢板在冲压变形时不易在厚度方向变形，即不易减薄，而冲裂时是先变薄再断裂，不易变薄即不易断裂，表示钢板具有良好的成形性能；r值越小，钢板厚度方向越容易变薄，即越容易冲裂。

r值大小与钢板的织构有关。

{111}织构是提高r值的有利织构。

对于钢板，当轧制变形量较大时，会出现择优取向，即大部分(或相当多的一部分)晶粒之间至少有一个晶面或者晶向相互平行或者接近平行起来，产生形变织构；钢的退火再结晶是一个形核及长大的过程，核在什么位置生成及那些核最终长大很大程度受到变形晶粒取向的影响，所以，钢在再结晶后会生成再结晶织构，或称作退火织构。

相关研究和生产实践均证实，冷轧板的r值高低主要取决于钢板的织构，{111}织构愈强、{100}织构愈弱则r值愈高。

在深冲冷轧板的生产中，从成分设计、冶炼、热轧、冷轧到连续退火各工艺环节中无不考虑到在最终产品中充分获得{111}类型织构(所谓有利织构)以保证深冲性能。

织构控制是钢冷轧产品生产中的核心问题，钢板中具有{111}取样的晶粒的体积比越大，r值越高[2]。

总之，由单向拉伸性能试验所确定的r值和n值能很好地衡量材料成型性的好坏。

r值和n值愈高，材料的成型性愈好。

（二）化学成分对IF钢性能的影响1．IF钢存在微量固溶碳时对其力学性能的影响（1）对钢板r值的影响[3]当IF钢存在微量固溶碳时对再结晶织构有严重的影响，随着钢中固溶碳的增加，{111}织构急剧减弱，{100}增强，r值下降。

主要原因是在连续退火过程中，随着固溶碳的增加，再结晶形核率增加而晶粒长大速度不变，从而导致非{111}取向晶粒的形核增加，最终造成钢板的具有{111}取向晶粒数量减少，r值变小。

（2）对钢板时效性的影响IF钢的一个主要特征就是无时效性，但钢中出现微量固溶碳时，会产生应变时效。

平整具有一定的变形量，会在钢板中产生一定数量的位错。

钢板放置一段时间后，钢中固溶的碳会向位错处扩散，碳和位错相互作用形成柯氏气团，造成应变时效，从而使钢板的屈服强度增加，成形性能下降，更为重要的是，当冲压零件的变形量或零件的某一区域变形量介于1.5％～10％时，零件表面可能会出现拉伸应变痕，严重的降低零件的表面质量。

（3）对冷轧板n值的影响[4]影响n值的主要因素是钢板的纯净度及铁素体晶粒大小。

为了获得高的n值，必须提高钢板的纯净度，即减少钢中碳的含量。

（4）对晶粒度的影响若IF钢在连退时存在微量固溶碳会提高再结晶形核率而长大速率不变，从而使晶粒细化(理想的晶粒度应控制在7～8级左右)，晶粒细化会使钢板的成形性能下降，会造成钢板的屈服强度升高，屈强比升高，n值和r值均减小。

（5）对屈服强度的影响造成屈服强度偏高的主要原因是晶粒细小，但钢中出现微量固溶碳时对屈服强度也会产生明显的影响。

碳、氮等间隙固溶元素产生的固溶强化效果远远大于任何置换固溶元素，因为间隙固溶能更大程度的使钢板部产生晶格畸变，从而使屈服强度升高。

总之，IF钢存在微量固溶碳时，将对钢板织构的类型产生严重的影响，使{111}织构急剧减弱，{l00}增强，r值下降，成形性能变差，还能导致钢板的应变时效。

另外，微量固溶碳会导致冷轧板晶粒细化，产生固溶强化，使钢板屈服强度升高，屈强比升高，n值下降。

2．氮(N)元素的影响一般氮在钢中使屈服强度和抗拉强度增加，硬度上升，r值下降并引起时效。

对于冲压用钢，氮的作用和碳元素一样，主要是造成屈服效应和应变时效。

但如果工艺控制不当，氮会和钛、铝等形成带棱角的夹杂物，对冲压有不利影响。

对于深冲用钢，要尽量降低氮的含量。

3．Ti、Nb含量对IF钢性能的影响[5]为了提高深冲性，钢中碳、氮含量应尽可能低(C≤0.008％，N≤0.008％)，特别是固溶碳、氮含量。

Ti、Nb是控制固溶碳、氮含量最有效的元素。

Ti是强碳化物和氮化物形成元素，能减少钢中固溶碳或固溶氮的数量，但同时，过剩Ti的增加会使钢板的再结晶温度提高，且钢板的力学性能的平面各向异性增大。

因此为了确保优先产生对深冲性有利的{111}织构，应添加适量的钛，以0.01％～0.20％为宜。

Nb也是强碳化物和氮化物形成元素，能减少钢中固溶碳和氮的含量，从而有助于在精轧前产生细晶粒。

但Huall01研究Ti+Nb—IF钢中铌的影响后认为，铌在Ti+Nb—IF钢中对于析出的影响并不大，因此铌对IF钢的影响主要应以固溶铌而不是析出物来考虑。

处在铁素体晶界和亚晶界上的固溶铌，有利于形成高强的织构。

另外，固溶铌可以增强钢板的抗粉化性能和改善二次加工脆性。

但如Nb>0.04％，就会提高再结晶温度且会使钢板的力学性能对生产工艺参数比较敏感，因此铌含量应控制在0.001％～0.04％之间。

图1为Ti、Nb含量对IF钢再结晶性能的影响曲线。

4．铝(A1)元素的影响在优质冲压钢中铝是作为脱氧剂加入的，主要用于去除吹氧冶炼时溶在钢液中的氧。

同时铝作为定氧剂，抑制氮在铁素体的固溶，消除应变时效，提高低温塑性。

图1 Ti、Nb含量对IF钢再结晶性能的影响5．氧(O)元素的影响氧是炼钢中不可缺少的元素，但是氧与其它许多元素的亲和力强，易在钢中形成各种夹杂物，这些夹杂物对钢的性能有不利影响。

氧含量过高也会影响其它元素的效果。

例如向钢中添加Ti以固定碳和氮时，如果O≤0.015％，则钢的{100} 织构弱，r值较高；但是当O>0.015％时，则{111}织构强度突然下降，r值也突然下降。

6．硫(S)元素的影响[6]硫在深冲钢中是有害元素，应尽可能的降低IF钢中硫的含量。

硫通常在钢中形成硫化物如MnS、TiS、Ti-NbS等。

根据国外对IF钢的分析结果，IF钢的硫含量均控制在0.008％以下。

硫在铁水预处理后可降至0.01％左右，然后经转炉吹炼降硫30％～50%时，IF钢中的硫可降至0.005％～0.007％的水平。

7．Zr的影响Chang等探讨了锆对再结晶和织构的作用。

结果表明Zr／C原子比大于1时，Zr促进了{111}<110>和{111)<112>织构的发展，因此有利于深冲性能的提高。

8．P的影响[7]P是固溶强化铁素体的元素，与其它置换式合金元素相比，它是提高铁素体强度最高的元素。

抗拉强度为340～400MPa级的超深冲高强度钢板都离不开P，其含量通常在0.04％～0.09％之间。

然而在IF钢中由于C、N被固定而使晶界清洁，P易于向晶界偏析，晶界处的P含量可比基体中的P含量高10多倍，容易引起二次加工脆化。

另一方面，P在提高强度的同时却使钢的r值降低，这主要是由于P含量的增加使{111}／／ND取向织构减弱，{100}／／ND取向织构加强造成的。

热镀锌时，P对镀层的相结构也有很大的影响，它使合金化速度降低，抑制了合金化。

9．Si的影响Si的固溶强化作用仅次于P，但在浸镀性方面存在很多问题，故很少用于镀层钢。

这主要是由于Si比Fe活泼，在热镀锌退火炉的直接燃烧加热段中，很容易在钢板表面形成一层Si的氧化物，在还原段中又不能彻底还原，从而形成了随机分布的岛状Si的氧化物，成为柱状组织的形核源，影响了镀层的附着力。

当钢中的Si含量大于0.3％时，镀层的附着力就会明显下降。

Si与P一样，使合金化反应显着推迟。

10．Mn的影响Mn是热镀锌高强度IF钢板的主要合金元素之一。

因Mn强化IF钢对深冲脆性较不敏感，且相对Si而言，Mn对镀层附着力的影响较小，所以对于强化级别在390MPa以上的IF钢多用P和Mn复合添加的方式。

但若Mn过高会降低再结晶开始温度且产生针状铁素体而使延伸力和r值急剧下降。

所以，其加入量通常在0.2％～1.6％之间。

11．B的影响少量的硼可抑制磷在晶界处的偏析而强化晶界，同时使脆性转变温度降低。

但硼有降低r值，提高再结晶温度的倾向，因而B的加入量不宜太高，一般在0.001～0.002％之间。

综上所述，IF钢中不同的化学成分对钢的性能有不同的影响，我们应该综合考虑这些元素的作用，做好IF钢的成分设计。

除了成分外，IF钢的加工工艺对钢的性能也有极其重要的影响。

（三）IF钢的冶金工艺流程介绍以及加工工艺对IF钢性能的影响1．IF钢的冶金工艺流程IF钢的冶金工艺流程见图2。

冶金工艺流程的每一步工序，从成份控制到热轧、冷轧、退火、平整等，都影响IF钢的最终性能。