180,MPa级超低碳烘烤硬化汽车钢板烘烤硬化稳定性研究

卜凡征 吴庆美 郭强 肖景江 王霆

（鞍钢蒂森克虏伯汽车钢有限公司，大连 116600）

目前，汽车薄板市场的主流深冲钢产品主要有无间隙原子钢（Interstitial Free Steel,IF）、高强含磷无间隙原子钢（High Strength Interstitial Free Steel with Phosphours,IF-P）和烘烤硬化钢（Bake Hardening Steel,BH）等。塑性很好的IF 钢虽然能满足复杂冲压成形的要求，但由于较低的屈服强度和较差的抗凹陷性能，使其大范围应用受到了限制。在过去的二十多年里，多种烘烤硬化钢被开发而且被汽车制造商所应用，其中超低碳烘烤硬化钢板是在传统软IF 钢的基础上开发出来，具有IF 钢优异的冲压成形性能，经烘烤处理后又可兼具高强度和较好抗凹陷性能，冲压烘烤后钢板屈服强度增加约30～50 MPa[1-2]。

超低碳烘烤硬化钢板（Ultra Low Carbon Bake Hardening Steel,ULC-BH）作为烘烤硬化钢中的一种，由于其优异的成形性能和良好的抗凹陷性能，成为当今汽车车身面板主要材料之一。目前我国国内只有少数钢厂能够生产高成品合格率和稳定烘烤硬化性能的热镀锌超低碳烘烤硬化钢。对于生产ULC-BH 钢板来说，最核心的技术是对烘烤硬化性能和时效性的稳定化控制[3-4]。合理的成分设计和退火工艺是保证烘烤硬化钢在满足强度和冲压要求前提下最大化发挥烘烤硬化性能的关键。

2.1 试验材料

采用Ti 微合金设计的烘烤硬化钢对炼钢工序要求非常严格。采用Nb 微合金设计的烘烤硬化钢需要相对较高的温度才能发生再结晶，对退火炉的要求较高。而采用Ti-Nb 微合金设计的烘烤硬化钢析出物种类少，且炼钢过程中Nb 元素的波动对固溶C 影响较小；
另外，Nb 可显著细化铁素体晶粒并提高强度，因此，采用Ti-Nb 微合金设计烘烤硬化钢中可用Ti 来固定钢中N，Nb 来固定钢中C，炼钢生产控制难度较低。

试验材料为工业化生产的热镀锌烘烤硬化钢板H180BD，化学成分如表1所示。该材料采用的是Ti-Nb 微合金设计的超低碳烘烤硬化钢，成分体系的设计思路为保留适量间隙固溶C 原子产生烘烤硬化作用，将钢中C 含量控制在0.001 8%～0.003 3%，N 含量不大于0.003%，冶炼、热轧及其退火过程中与Ti、Nb 元素共同配合，在不同阶段固溶析出，并最终实现控制固溶碳含量的目的。

表1 试验钢板化学成分（质量分数）%

2.2 试验方法

分别对八种试验材料进行自然时效并检验力学性能。自然时效条件为25 ℃环境温度下放置1～6 个月。在以上时效结束后，利用Zwick 50KN 电子万能材料试验机，按照国标GB/T 228.1—2021《金属材料室温拉伸试验方法》）P6 试样，检测样板的基础力学性能指标以及烘烤硬化值。烘烤硬化处理是模拟车身生产过程中外板冲压并涂漆后的烤漆过程。汽车钢板经冲压成形以后，在150～200 ℃的温度烤漆后发生时效硬化，从而产生烘烤硬化效果。

测量烘烤硬化值时，首先需要对试样进行2%预拉伸处理，同时测得该预应变对应的Rt2.0，随后将该试样卸载后放入BINDER FED53 烤箱中，在（170±2）℃下保温20 min。保温完成后将试样取出待空冷至室温后再继续进行拉伸试验，并测得最终得烘烤硬化值。烘烤硬化值为试样经保温处理后钢板的下屈服强度或者非比例延伸0.2%（无明显屈服时）对应的屈服强度与烘烤前相同试样2%预应变对应的屈服强度的差值。

3.1 钢板力学性能结果

表2为试验钢板力学性能检测结果，分析表2数据可知试验钢板力学性能指标比较稳定，均满足VDA239-100 标准要求范围，初始试样的烘烤硬化值在30～50 MPa 之间。

表2 试验钢板力学性能结果

3.2 钢板自然时效结果

试验钢板经1～6 个月自然时效后，每个月取拉伸试样对力学性能以及烘烤硬化性能进行复检，对应的烘烤硬化值如图1所示。可以发现烘烤硬化值随着时效时间的增加，整体有小幅降低的趋势，不同钢板在相同时效时间内的烘烤硬化值差异也相对较小，烘烤硬化值基本可以稳定在30 MPa 以上。

图1 自然时效对烘烤硬化性能的影响

超低碳烘烤硬化钢板具有烘烤硬化性能主要依赖于固溶于基体内的自由C 原子数量。而固溶C 原子偏聚到位错处不仅使得钢板产生烘烤硬化效果，也可能导致室温下的自然时效现象，二者存在相互竞争，互补平衡的关系。固溶C 含量偏低，钢板虽然可以达到优异的抗自然时效性能，但烘烤硬化性能较低；
固溶C 含量偏高，钢板的抗自然时效性能大幅降低，不利于钢板储存；
在其它条件不变的前提下，适量的自由C（5×10-6～15×10-6）可以保证钢板足够的烘烤硬化性能，同时又不会产生明显的自然时效现象。

3.3 碳化物析出对烘烤硬化性能的影响

从高温冶炼到低温冷却过程中，含Ti-Nb 的微合金钢中依次发生以下碳氮化物的析出反应：Ti+N→TiN，Al+N→AlN，Nb+C→NbC，Ti+C→TiC。为确保最终成品板材中固溶碳含量满足要求，钢中Nb/C 原子比需介于0.3～0.6 之间，目的是为了实现钢中Nb 与C 完全结合同时又能形成少量TiC；
当Ti/N 原子比小于1 时，钢中主要形成NbC，固溶碳含量主要由总碳含量与Nb 含量决定，可依照如下公式（1）调整元素含量。当Ti/N 原子比大于1 时，钢中主要形成NbC 和少量TiC，固溶碳含量除了与Nb 含量相关外，还与Ti 含量相关，可依照如下公式（2）调整元素含量。

式中，w(C)free为钢中固溶碳百分含量，w(C)total为钢中总碳百分含量，w(Ti)为钢中Ti 百分含量，w(N)为钢中氮百分含量。

通过利用钢中原有固溶C 以及热镀锌退火过程中碳化物分解形成的固溶C来调控最终成品钢板中固溶C含量满足5×10-6～15×10-6要求，即固溶C含量的动态调整是由退火工艺来决定的，通过控制固溶碳C 的含量来实现成品板材稳定的烘烤硬化性能。

3.4 平整延伸率对烘烤硬化性能的影响

平整延伸率除了可获取优良板面质量的热镀锌钢板，同时利用平整所产生的轧制力迫使柯氏气团中的C 原子与位错分离，该过程不仅降低了屈服点并消除屈服平台，还能增加基体中自由C原子数量，有利于获取足够的烘烤硬化性能。值得注意的是平整延伸率过低会造成屈服平台存在，烘烤硬化性能偏低；
平整延伸率过高，由于加工硬化作用使屈服强度升高，另外带钢形变过程中产生的位错会大大削弱钢中自由C 原子数量。试验中测得的平整延伸率对试验钢板烘烤硬化性能的影响规律如图2所示。

图2 平整延伸率对试验钢板烘烤硬化性能的影响

3.5 退火炉露点对烘烤硬化性能的影响

退火炉内气氛的露点是炉内保护气体中含水量的标志，露点越高含水量越高，露点的高低可影响带钢表面氧化铁的还原以及表面脱碳行为。一般工业中退火气氛是N2+5%H2，露点为-30 ℃，称之为镀锌气氛。该气氛下能够减少氧化铁皮，但不能阻止带钢脱碳氧化，因为气氛中还存在少量的水蒸气和氧气。而脱碳的钢板中固溶碳含量会显著降低并影响最终烘烤硬化值，因此，控制退火炉内保温段露点温度不高于-30 ℃，从而确保炉内气氛中的水蒸气和氧气含量处于较低水平，从而降低其对钢板脱碳而导致的固溶碳含量变化。在确保其它工艺参数不变的前提下，通过设置炉内保温段不同露点温度可以发现其对试验钢烘烤硬化性能的影响规律，试验结果如图3所示，当炉内露点高于-10 ℃时，成品板材的烘烤硬化值将大幅降低，其主要原因正是由于钢板在炉内发生氧化脱碳而导致基体中固溶C 含量显著降低。

图3 露点温度对试验钢烘烤硬化性能的影响

3.6 热轧终轧温度和卷取温度对烘烤硬化性能的影响

热轧终轧和卷取温度对烘烤硬化性能的影响可以从2 方面分析。

a.一是晶粒尺寸的影响，如图4所示。超低碳烘烤硬化钢在退火后的冷却过程中会发生部分固溶碳向晶界偏聚，因此晶界面积直接影响了基体中的固溶碳含量，从而影响烘烤硬化性能。相对粗大的晶粒尺寸可以有效降低晶界面积，减少由于固溶碳的晶界偏聚作用对烘烤硬化产生的不利影响[5]。

图4 终轧和卷取温度对晶粒尺寸的影响[5]

b.二是碳化物析出状态的影响。在热轧过程中，较低的终轧温度有利于微合金元素的析出，从而导致后续退火过程中微合金碳化物溶解较多，由此产生的固溶碳含量增加有利于获得理想的烘烤硬化性能[6]。较高的卷取温度，NbC 析出比较充分，可以避免后续退火过程中由于Nb、C 过饱和而再次析出造成的固溶碳含量过低，同时有利于退火过程中NbC 回溶的控制。

3.7 连续退火工艺对烘烤硬化性能的影响

连续退火工艺流程如图5所示，该过程中主要发生NbC 的固溶和析出，而NbC 在铁素体基体中的溶解和沉淀析出过程是一个可逆的化学反应过程，改变钢板的化学成分或温度，Nb、C 的平衡固溶量和NbC 的量将随之改变。由于Ti 的氮化物在铁素体相区稳定性极好，在退火时的溶解量微乎其微，因此在加热保温和冷却过程中无需考虑氮化物析出的影响，只需考虑NbC 在保温和冷却时的固溶和析出情况。一般情况下，随着保温温度的升高，NbC 的溶解量随着保温温度的升高而增加，而NbC 的沉淀析出主要发生在缓冷（冷却速率约3 ℃/s）过程中，快冷过程由于温度低、冷速高（冷却速率＞20 ℃/s），C、Nb 元素的扩散较难从而导致NbC 不易析出。NbC 在铁素体中的平衡固溶度积可参考如公式（3）和（4）进行估算，

图5 热镀锌退火工艺示意

式中，wt(Nb)、wt(C)为钢中Nb、C 元素的质量分数；
T表示温度[7]。考虑到NbC 的析出过程实际上是Nb原子扩散控制过程，因此增大缓冷×段冷却速度能够抑制NbC 析出，提高基体内固溶C 含量和烘烤硬化性能。而增大缓冷段冷却速度的方式主要是通过降低缓冷温度或提高线速度。

实际生产退火过程中，因TiC 固溶温度约780～820 ℃，NbC 固溶温度约800～840 ℃，可以通过小范围调整退火温度来实现钢板中固溶碳含量的微调，当原料碳含量出现波动时，可在热镀锌线上通过适当调整退火温度来灵活控制钢板最终的烘烤硬化性能满足30～50 MPa 要求，如碳含量高于35×10-6时降低保温温度至790～810 ℃，碳含量低于15×10-6时升高保温温度至820～840 ℃

a.本设计采用Ti-Nb 的超低碳烘烤硬化钢经1～6 个月自然时效后，可保持烘烤硬化值稳定在30 MPa 以上。

b.成品钢板中固溶碳含量主要取决于钢中原有固溶碳和退火过程中NbC 溶解形成的固溶碳，调整退火工艺可实现固溶碳含量的动态调整。

c.退火过程中的平整延伸率和露点对烘烤硬化性能的影响不可忽视，适当的平整延伸率和较低的露点是确保基体产生一定固溶碳的重要因素。

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