工艺对两种微碳BH钢组织与性能的影响_陈继平

第34卷第5期2013年
5月
材料热处理学报
TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENT
Vol ．34No ．5May
2013
工艺对两种微碳BH 钢组织与性能的影响
陈继平1，康永林
2
（1.安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山
243002；
2.北京科技大学材料科学与工程学院，北京
100083）
摘
要：对工业生产的No.1微碳BH 钢和No.2微碳BH 钢热轧板、冷轧板和退火板的工艺和组织性能进行研究。

结果表明，
No.1和No.2微碳BH 钢的!织构组分在｛111｝＜110＞附近分别达到了最大值12.046和10.549。

No.2微碳BH 钢退火板平均晶粒尺寸均小于No.1微碳BH 钢，细晶强化效果使得其强度略高。

No.2微碳BH 钢退火板铁素体晶界处和晶粒内均存在游离渗碳体，晶界处珠光体片层较少，No.1微碳BH 钢退火板铁素体晶界处存在片层状珠光体和块状渗碳体，更多珠光体片层结构也使其强度较低。

No.2微碳BH 钢中较高含量P 、Cr 、Cu 元素固溶在基体中引起固溶强化，碳氮化物析出的弥散强化作用，均弥补了C 含量较低引起的强度下降。

关键词：微碳；
烘烤硬化钢；
γ纤维织构；组织和性能
中图分类号：TG142.3
文献标志码：A
文章编号：1009-6264（2013）05-0070-06Effect of processing on microstructure and properties of
two micro-carbon bake hardening steels
CHEN Ji-ping 1，KANG Yong-lin 2
（1.School of Materials Science and Engineering ，Anhui University of Technology ，Ma ’anshan 243002，China ；2.School of Materials Science and Engineering ，University of Science and Technology Beijing ，Beijing 100083，China ）
Abstract ：Effects of hot rolling ，cold rolling and continuous annealing processes on microstructure and mechanical properties of two commercial micro-carbon BH steels were studied．The results show that the maximum !fiber texture intensity values of the annealed No.1and No.2micro-carbon BH steel strips reach 12.046and 10.549nearby ｛111｝＜110＞，respectively．The average grain size of annealed No.2micro-carbon BH steel is lower than that of No.1BH steel．Strength of the No.2BH steel is higher than that of the No.1BH steel due to the strengthening of the grain refinement．For the annealed No.2BH steel ，free cementites are observed along ferrite grain boundaries and in ferrite grains ，and small amount of lamellar pearlite structure exists along the grain boundaries while for the annealed No.1micro-carbon BH steel ，lamellar pearlite and bulk cementites are detected along the ferrite grain boundaries ，and its lower strength is attributed to the more lamellar pearlitic structure in the No.1micro-carbon BH steel．The higher contents of P ，Cr ，Cu in No.2BH steel than in No.1BH steel also contribute to the higher strength due to solid solution strengthening of the elements in matrix and dispersion strengthening of carbonitrides containing theses elements．
Key words ：micro-carbon ；bake hardening steel ；γfiber texture ；microstructure and property
收稿日期：2012-02-29；修订日期：2013-02-26
基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目（2006BAE03A13）作者简介：
陈继平（1975—）男，讲师，从事烘烤硬化汽车钢板的组织性能
研究与开发，发表论文10余篇，电话：0555-*******，E-mail ：leavejames9443@yahoo．com．cn 。

烘烤硬化（BH-bake hardening ）钢主要用在汽车门外板、发动机盖板、行李箱外板等覆盖件，经过冲压后要进行喷漆和烘烤。

BH 钢板的特点是冲压成形前较软，原始屈服强度比较低，成形性好，冲成汽车零件后在涂漆烘烤过程中通过时效提高钢板的屈服强度，最终冲压后的零件表现出较高的抗凹陷
性能，解决了高强度钢板强度高但成形性差的问题
［1-6］。

与传统微合金化处理的超低碳BH 钢板在成分设计和工艺控制上有所不同，微碳BH 钢基本上不添加Ti 、
Nb 等微合金元素。

另外，BH 钢基体中存在的固溶碳容易引起位错缠结和形成柯氏气团，在冷轧和退火过程中造成晶粒转动和微观滑移困难，影响有利于深冲性能的γ织构发展，
采用微碳化则可有效减轻甚至避免上述情况的出现，提高微碳BH 钢板的r 值。

但碳含量过低会使A r3相变点升高，给热轧过程中终轧温度的控制带来难度，并且退火时晶粒易粗化，在热轧时容易形成游离渗碳体，尤其是沿晶界分
DOI:10.13289/j.issn.1009-6264.2013.05.015
第5期陈继平等：工艺对两种微碳BH钢组织与性能的影响
布的三次渗碳体会严重影响深冲钢板最终性能。

微碳BH钢板的轧制和退火工艺对其深冲性能与烘烤硬化性能具有重要影响，其内在机制是影响碳、氮化物的析出及钢中残余C、N原子含量的控制［7-11］。

本文以工业生产的两种成分微碳BH钢为研究对象，分析成分和热轧、冷轧以及连续退火工艺对其组织和性能的影响，对工业微碳BH钢成分和生产工艺的优化有重要意义。

1实验材料及方法
两种成分的微碳BH钢热轧板、冷轧板和退火板试样取自某冷轧板厂。

微碳BH钢化学成分见表1。

表1微碳BH钢的化学成分（质量分数，%）
Table1Chemical composition of micro-carbon BH steels（mass fraction，%）
No.C Si Mn S P N Al Cr Cu Ni Fe 10.025"0.010.20.00690.0090.00220.0520.0120.00520.0044Bal．20.019"0.010.20.00730.00980.00290.0380.0150.00720.0058Bal．
微碳BH钢采用相同的热轧、冷轧和连续退火工艺。

热轧工艺为：出炉温度1250ħ，粗轧出口温度1100ħ，终轧温度为910ħ，卷取温度为700 750ħ，热轧板厚度为3.0mm；冷轧工艺为：冷轧压下率为73.3%，冷轧板厚度为0.8mm；连续退火工艺为：均热段温度为810ħ，缓冷段温度为650ħ，快冷温度410ħ，过时效温度为400ħ，平整伸长率为1.3%。

线切割后的微碳BH钢热轧板、冷轧板和退火板试样经磨制抛光后，用4%硝酸酒精侵蚀后观察其组织。

微碳BH钢板力学性能的测试在MTS材料试验机上进行，r值和n值分别按国标GB/T5027-2007和国标GB/T5028-2008测定，实测以拉伸变形15%时的对应值为准。

烘烤硬化BH值由预变形为2%时所对应的流变应力与随后经170ħ、20min烘烤再次拉伸时屈服应力的差值而定。

在D5000X射线衍射仪上对微碳BH钢热轧板、冷轧板和退火板进行织构测试，考虑到钢板厚向织构存在差异，统一测试距钢板表面1/4厚度处的织构。

2实验结果与分析
2.1热轧板的显微组织
No.1和No.2微碳BH钢热轧板显微组织如图1所示。

由图可见，微碳BH钢热轧板室温组织主要是等轴多边形铁素体，铁素体晶界有少量游离渗碳体析出。

No.1和No.2微碳BH钢热轧板的SEM组织照片如图2所示。

由图2（a）可见，No.1微碳BH 钢热轧板板面铁素体晶界处存在不规则形状的尺寸在10μm以下的MnS和AlN复合析出粒子，沿着铁素体晶界有游离的三次渗碳体析出。

在热轧板纵截面的晶界处既存在如图2（c）中的块状渗碳
体
图1No.1和No.2微碳BH钢热轧板的显微组织（a）No.1热轧板板面；（b）No.2热轧板板面Fig.1Microstructure of No.1and No.2micro-carbon
BH steel hot-rolled strips
（a）No.1steel hot strip；（b）No.2steel hot strip
A和短棒状游离渗碳体B。

由图2（d）可见，No.2微碳BH钢热轧板板面的晶界处也出现了块状渗碳体，在晶界处连续或者不连续分布着游离渗碳体，有的形成了渗碳体边圈。

由图2（e）可见，在热轧板的纵截面晶界处还发现了细小的尺寸在1μm左右的渗碳体颗粒A和尺寸在6μm左右的不规则形状的Al
2
O
3
析出物B。

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材料热处理学报第34
卷
图2No.1和No.2微碳BH钢热轧板SEM组织照片及析出物形态和能谱
（a）No.1钢板面组织和析出物形貌；（b）析出物能谱图；（c）No.1钢纵截面组织中渗碳体的形貌和分布；
（d）No.2钢板面组织；（e）No.2钢纵截面组织和析出物形貌；（f）析出物A和B能谱图Fig.2SEM micrographs showing microstructure and morphology of precipitates，and corresponding EDS spectra of
No.1and No.2micro-carbon BH steel hot-rolled strips
（a）microstructure and precipitate morphology of No.1steel plate surface；（b）EDS spectrum of the precipitate；
（c）morphology and distribution of cementites on longitudinal section of No.1steel strip；（d）microstructure of No.2steel plate surface；（e）microstructure and precipitate morphology on longitudinal section of No.2steel strip；（f）EDS spectra of the precipitate A and precipitate B
冷轧压下率对微碳BH钢板的织构有着重要的影响，冷轧压下率较小，冷轧织构中的非｛111｝组分织构占了较大优势并且会在退火过程中优先形核和长大，阻碍｛111｝组分织构的发展，最终导致退火织构是以非｛111｝组分织构为主要特征。

当压下率较大时，冷轧织构的｛111｝组分织构增强，当冷轧压下率在70% 73%之间时，r值出现峰值，微碳BH钢的冲压成形性能最佳［12-15］。

2.2退火板的显微组织
No.1和No.2微碳BH钢连续退火板的显微组织如图3所示。

通过图像处理软件对组织晶粒进行测算，得到No.1退火板板面和纵截面平均晶粒尺寸分别为25.5μm和22.5μm，No.2退火板板面和纵截面平均晶粒尺寸分别为24.2μm和24.1μm。

No.1和No.2微碳BH钢连续退火板的SEM照片如图4所示。

由图中可见，在No.1微碳BH钢退火板铁素体晶界处存在片层状的珠光体和块状的渗碳体，No.2微碳BH钢退火板铁素体晶界处存在着游离的细棒状渗碳体，在晶粒内分布着短棒状的渗碳体。

连续退火过程的第一阶段是进行再结晶和晶粒长大，在此阶段形成了对成形性能很重要的组织及织构特征。

退火过程的第二阶段包括
快速冷却到过时
图3No.1和No.2微碳BH钢退火板的显微组织（a）No.1退火板；（b）No.2退火板
Fig.3Microstructure of No.1and No.2micro-carbon BH steel annealed strips（a）No.1steel；（b）No.2steel
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第5期陈继平等：工艺对两种微碳BH钢组织与性能的影响
效温度进行过时效处理，决定了组织中的碳化物分布
和固溶碳含量。

由于退火时｛111｝织构优先形成，并
在第一个冷却段通过晶粒长大过程织构还得以加强，
形成了有利于r值的组织。

在连续退火过程的第二
阶段，快速冷却是为了渗碳体的析出和弥散，也是为
了强制固溶碳的过冷，有大量的过饱和固溶碳残留下
来，严重影响带钢的冲压性、抗时效性。

连续退火过
程中的过时效处理就是要使高温快冷时固溶在铁素
体中的固溶碳很快析出成为碳化物，降低固溶碳量，
以改善延伸性［16］。

2.3微碳BH钢板的织构分析
影响微碳BH钢r值的主要因素是成分、析出相尺
寸、晶粒度和织构等，核心因素是织构对r值的影响，
其它因素都或多或少通过改变钢板织构的组分来影响
r值。

微碳BH钢的γ取向线如图5所示，由图可见，
对于微碳BH钢，从热轧板到冷轧板、退火板，｛111｝织
构组分在不断增强，No.1微碳BH钢退火板的γ纤维
织构组分要略强于No.2微碳BH钢退火钢板，No.1和
No.2微碳BH钢的γ纤维织构组分在｛111｝＜110＞和
｛111｝＜011＞附近均较强，在｛111｝＜110＞附近达到
了最大值，分别为12.046和10.549。

2.4微碳BH钢退火板的力学性能
对两种成分的微碳BH钢连续退火板进行了拉
伸力学性能测试如表2所示。

从表2中可见，No.1
和No.2热轧板的下屈服强度R
eL
值分别为153和
163MPa，上屈服强度R
eH
值分别为160和167MPa，
抗拉强度R
m 分别为296和308MPa，伸长率A
80
分别
为47.6%和47.8%，与轧向成90ʎ的横向试样的应变硬化指数n
90
分别是0.246和0.251。

两种成分的微碳BH钢退火板的主要性能指标均达到国标GB/ T20564.1-2007中CR140BH的性能指标要求。

表2微碳BH钢退火板拉伸力学性能
Table.2Mechanical properties of the annealed
micro-carbon BH steel strips
No．R eL/MPa R eH/MPa R m/MPa A80/%n90r90BH2/MPa 115316029647.60.246 2.62635.6 216316730847.80.251 2.38338.1 No.2微碳BH钢屈服强度和抗拉强度值略高于No.1钢，一方面，No.2退火钢板的板面和纵截面平均晶粒尺寸分别为24.2和24.1μm，均小于No.1微碳BH钢退火钢板的板面和纵截面平均晶粒尺寸，细晶强化的效果使得其强度略高于No.1微碳BH钢退火板。

由显微组织和SEM照片可见，No.2微碳BH 钢退火板中铁素体晶界处存在游离的细棒状渗碳体，在晶粒内分布着短棒状的渗碳体，晶界处珠光体片层结构较少，No.1微碳BH钢退火板中铁素体晶界处存在片层状的珠光体和块状的渗碳体，更多珠光体片层结构的存在使得No.1微碳BH钢强度较低。

另一方面，这可能与No.2微碳BH钢中微合金化元素含量略高有关，No.2微碳BH钢中P、Cr、Cu元素的含量分别为0.0098%、0.015%和0.0072%，略高于No.1微碳BH钢的0.0090%、0.012%和0.0052%，微量合金化元素固溶在钢基体晶格中可以引起固溶强化，形成碳氮化物析出则能起到弥散强化的作用，弥补C含量较低引起的强度下降。

No.1微碳BH钢退火板与轧向成90ʎ横向试样的厚向异性指数r
90
为2.626，高于No.2钢微碳BH 钢退火板，这与两种成分的退火板γ织构的强弱程度相对应。

退火织构变化与卷取温度引起的热轧组织结构变化是分不开的。

卷取温度变化将导致热轧板组织的晶粒大小和粒子析出形态的变化，这些影响对退火织构的发展产生两种作用：一方面，卷取温度升高使得热轧卷取板组织晶粒粗大，既不利于冷轧变形过程中｛111｝织构组分的形成，也导致变形储能的减少，再结晶推迟发生且｛111｝取向晶粒的形核率降低，同样退火条件下，｛111｝再结晶织构的继续发展受到限制，其他再结晶织构组分的发展相对增强；另一方面，粒子的粗化和稀疏分布使其对位错和晶界运动的阻碍作用减弱，有利于热激活条件下位错组态的重排和再结晶晶粒形核长大，以致再结晶过程提前发生和完成，晶粒长大容易进行且其过程相对延长，从而促进了｛111｝取向晶粒的优先形核和继续长大。

由此可见，卷取温度的变化对于γ纤维织构的发展有相互对立的两种作用。

当卷取温度升高时，有利作用在两种作用的竞争中占据上风，即在γ纤维织构的发展中处于主导地位，因而γ纤维织构得到较强发展。

尽管非｛111｝织构部分也有一定发展，但相比γ纤维织构的发展较慢，因此，成品板的r值得到提高。

综上所述，卷取温度升高有利于微碳BH钢板深冲性能的改善，这主要是粒子粗化和稀疏分布对γ纤维织构发展的主导作用所致。

实际生产中，根据具体条件适当调整卷取温度对改善该板深冲性能是有效的。

但应注意的是，一方面，随着卷取温度升高至一定温度时，可能晶粒粗化导致深冲性能削弱的作用将占据上风；另一方面，提高卷取温度又使得钢板表面
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图4No.1和No.2微碳BH钢退火板的SEM照片（a）No.1微碳BH钢退火板晶界处的珠光体和渗碳体形貌；
（b）珠光体片层结构；（c）No.2微碳BH钢退火板组织；（d）晶界处和晶内分布的游离的渗碳体
Fig.4SEM micrographs of annealed No.1and No.2micro-carbon BH steel strips（a）morphology of pearlite and cementite along grain boundaries of annealed No.1micro-carbon BH steel strips；（b）lamellar pearlite structure；（c）microstructure of
annealed No.2micro-carbon BH steel strips；（d）free cementites distributed along grain boundaries and in
grains
图5微碳BH钢板的γ取向线
（a）No.1钢热轧板、冷轧板和退火板的γ纤维织构；
（b）No.1和No.2退火板的γ纤维织构
Fig.5γfibers of micro-carbon BH steel strips
（a）!fiber textures of the hot-rolled，cold-rolled and
annealed No.1steel strips；（b）!fiber textures of
annealed No.1and No.2steel strips
氧化铁皮增厚、酸洗效率降低，致使除鳞成本增加［16］。

微碳BH钢烘烤硬化的物理机制是钢中固溶碳及其析出物在位错处的聚集，使预应变产生的可动位错被钉扎的结果。

在相同退火工艺条件下，由于碳原子含量低的钢比碳含量高的钢基体碳浓度低，比较难以析出，所以退火后具有较高的固溶碳量，获得较高的BH值，这可能是No.2微碳BH钢退火板比No.1微碳BH钢退火板的的BH值要大的原因。

较高的过时效温度使原子扩散容易而有利于碳的析出，导致固溶碳的降低；另一方面在较高的过时效温度下，基体中碳的溶解度相对较高，经二次冷却后得以保留，正是两者同时起作用的结果决定了退火成品板BH 值的大小。

微碳BH钢的生产中采用了较高的卷取温度使碳化物和AlN得以充分析出，热轧板中存在的少量固溶C原子易于偏聚到铁素体晶界上以降低体系能量，并在过时效过程中以渗碳体形式析出，使得成品板中固溶C原子量减少，BH值降低。

根据本文研究，要使微碳BH钢退火板获得40MPa以上的BH值并且具有优良的深冲性能，即r
90
在1.8以上，同时改善热轧板的表面质量，减少氧化铁皮量，提高酸洗效率，实际生产中可以考虑可以适当降低卷取温度到600 650ħ。

3结论
1）微碳BH钢热轧板室温组织是等轴多边形铁素体，铁素体晶界有少量游离渗碳体析出。

No.1微碳BH钢热轧板铁素体晶界处存在不规则形状的尺寸在10μm以下MnS和AlN复合析出粒子，沿着铁素体晶界有块状和短棒状游离渗碳体析出。

No.2微碳BH钢热轧板晶界处出现了块状渗碳体，在晶界处连续或者不连续分布着游离渗碳体，有的形成了渗碳体边圈；
2）No.1微碳BH钢退火板的!纤维织构组分要略强于No.2微碳BH钢退火钢板，No.1和No.2微碳BH钢的!纤维织构组分在｛111｝＜110＞和｛111｝＜011＞附近均较强，在｛111｝＜110＞附近达到了最大值，分别为12.046和10.549；
3）No.2微碳BH钢退火板板面和纵截面平均晶粒尺寸均小于No.1微碳BH钢退火板平均晶粒尺
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第5期陈继平等：工艺对两种微碳BH钢组织与性能的影响
寸，细晶强化效果使得其强度略高。

No.2微碳BH 钢退火板中晶界处存在游离细棒状渗碳体，在晶粒内分布着短棒状渗碳体，晶界处珠光体片层结构较少，No.1微碳BH钢退火板中晶界处存在片层状珠光体和块状渗碳体，更多珠光体片层结构存在使得其强度较低。

No.2微碳BH钢中P、Cr、Cu元素含量分别为0.0098%、0.015%和0.0072%，略高于No.1微碳BH钢，微量合金化元素固溶在钢基体晶格中可以引起固溶强化，形成碳氮化物析出则能起到弥散强化作用，弥补C含量较低引起的强度下降。

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