李夢龍， 李夢英， 劉麗萍， 李 波， 馮曉勇

（河鋼集團唐鋼公司， 河北 唐山 063016）

鑄坯中心缺陷一般在高碳、高合金類鋼種中較為嚴重，對低碳、超低碳類鋼種影響很小。然而，部分超低碳IF鋼為同時滿足深沖性能及較高強度的使用要求，加入大量的 P、Mn、Si、Nb、Ti等合金元素進行固溶強化，特別是強偏析元素P的質(zhì)量分數(shù)可高達0.080%～0.100%，因此需要關(guān)注這類高強IF鋼的偏析情況。鑄坯的中心缺陷會一定程度地遺傳至下游熱軋乃至冷軋工序，使成品鋼帶厚度方向的力學(xué)性能變差，容易導(dǎo)致鋼帶沖壓和彎折分層缺陷，降低其使用性能[1-2]。

本研究利用原位分析、化學(xué)分析、掃描電鏡能譜分析等方法，對唐鋼該系列鋼種鑄坯和熱軋卷的中心缺陷進行了觀察研究，并結(jié)合分析結(jié)果與產(chǎn)線實際提出工藝優(yōu)化措施，避免了中心缺陷對成品沖壓使用性能的危害。

1 試驗材料與方法

河鋼集團唐鋼公司（以下簡稱唐鋼）生產(chǎn)該鋼種的工藝流程為100 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐—RH精煉—常規(guī)板坯連鑄，在連鑄生產(chǎn)過程中取穩(wěn)態(tài)鑄坯進行分析，鑄坯厚度200 mm，取樣鑄坯中間包過熱度45℃，該爐鋼水主要成分見表1。

表1 試驗鋼的化學(xué)成分 %

對于常規(guī)板坯連鑄，偏析最嚴重的位置一般在寬度方向1/4處，因此于此處取試樣進行原位分析和化學(xué)分析試樣，取樣示意圖見圖1。原位分析試樣為鑄坯沿厚度方向線切割為3塊65 mm×65 mm樣品，隨后進行清洗并對觀察面進行打磨，利用金屬原位分析儀OPA-100進行元素宏觀分布分析。因設(shè)備限制，每塊試樣掃描范圍為中心處的45 mm×45 mm（見圖1-1），掃描結(jié)束后用自帶軟件進行處理，獲得P、S和Mn等元素在掃描面上的二維濃度分布圖和三維濃度分布圖?；瘜W(xué)分析取樣方式為沿厚度方向每間隔10 mm鉆屑進行成分定量分析，鉆屑前將試樣進行清洗并打磨取樣面。在厚度3 mm的高P含量IF鋼熱軋卷取樣，經(jīng)磨樣、拋光后利用4%硝酸酒精試劑浸蝕后，利用光鏡及掃描電鏡觀察樣品金相組織，并利用EDS能譜分析中心處的偏析元素含量和夾雜物等。

圖1 原位分析和化學(xué)分析的鑄坯取樣示意圖

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 原位分析結(jié)果

P、Mn、S的沿鑄坯厚度方向的原位分析二維分布圖見圖2。原位分析表明，對于超低碳的高P含量IF鋼，P、S元素除在中心處偏析較為嚴重外，其余位置宏觀偏析很輕，Mn元素的整體分布較為均勻。同時，P和S在中心偏析的具體位置相同，說明中心偏析處應(yīng)該伴隨著中心疏松的存在，二者形成原因是，隨著凝固過程進行，由于選分結(jié)晶，P、S等強偏析傾向元素向剩余液相中逐漸富集，而在凝固末期時，盡管連鑄產(chǎn)線配置了動態(tài)輕壓下，但可能由于冷卻工藝、拉速、輕壓下位置與壓下量匹配不合理等原因，效果發(fā)揮有限，導(dǎo)致鑄坯存在一定的中心疏松，而富含P、S等元素的剩余液相殘留在疏松處，因此凝固后在相同的位置表現(xiàn)出宏觀偏析現(xiàn)象[3-4]。因此，盡管一般認為超低碳類鋼種枝晶不發(fā)達、偏析并不嚴重，但對于高P、高合金含量的此類高強IF鋼，仍存在發(fā)生中心偏析的可能。

圖2 P、S和Mn元素原位分析結(jié)果

同時，凝固末期液相中的Mn、S元素逐漸富集，實際活度積達到平衡生成活度積（aMn·aS）eq后，會開始析出硫化物夾雜并逐漸長大，如式（1）和（2）所示。因此，鑄坯中心偏析和疏松位置一般伴隨著大量硫化物的生成，這會進一步加劇中心缺陷的危害。

2.2 化學(xué)分析結(jié)果

沿鑄坯厚度方向每隔10 mm對主要元素P、Mn、S等進行化學(xué)成分分析，并依據(jù)式（3）計算元素偏析比。式中，Di為試樣中不同取樣位置處P、Mn、S元素的偏析度（i=1～19），wi為取樣處元素質(zhì)量百分數(shù)，wˉ為所有取樣點元素平均質(zhì)量百分數(shù)?；瘜W(xué)分析結(jié)果如圖3所示，鑄坯中心處存在P、S元素的明顯偏析，厚度方向其余位置分布則相對均勻，與原位分析結(jié)果相符合。

圖3 P、S和Mn元素化學(xué)分析結(jié)果

根據(jù)原位分析和化學(xué)分析結(jié)果，連鑄坯中心處集中存在元素宏觀偏析、疏松及硫化物夾雜缺陷，這些缺陷組合的遺傳性及對下游軋制的影響需要加以關(guān)注。

2.3 中心缺陷對熱軋卷的影響

在熱軋生產(chǎn)加P高強IF鋼時取樣進行金相觀察，如圖4所示。熱軋卷中心處存在一條細小的鐵素體帶，具有明顯地方向性，并與周圍塊狀鐵素體組織存在明顯差異，而中心疏松在軋制過程中已經(jīng)完全焊合。

圖4 熱軋卷厚度方向中心位置金相觀察

利用SEM對中心鐵素體帶進行觀察并進行EDS分析，發(fā)現(xiàn)P、S、Mn含量較高，且中心鐵素體帶上存在較多的小MnS顆粒，如圖5所示。熱軋卷中心的偏析和夾雜物分布與鑄坯相似，表明了缺陷自鑄坯到熱軋卷存在遺傳性。由于熱軋卷中心處P含量偏高，而P元素容易在晶界處偏距，鐵素體晶粒向四周的生長受到限制，而主要沿軋制方向伸長，因此熱軋卷中心鐵素體最終呈細長條狀分布，兩側(cè)的塊狀鐵素體與中心鐵素體帶之間也因此呈現(xiàn)出明顯的邊界。這種中心細小的組織與附近組織的不均勻性，在后續(xù)冷軋工序經(jīng)過80%以上壓下率軋制后會得到一定減輕，同時夾雜物會在冷軋過程進一步伸長，但夾雜物和偏析在中心處的分布位置基本不會變化。

圖5 TS210P1熱軋卷厚度中心位置夾雜物分析

2.4 分析與討論

加P高強IF鋼相對普通IF鋼，更易發(fā)生沖壓開裂現(xiàn)象，有關(guān)研究人員也有相關(guān)報道。有研究對斷口和裂紋處分析認為，因精煉工藝和連鑄保護澆鑄工藝操作不當導(dǎo)致生成大量的氧化物類夾雜，是造成加磷IF鋼汽車板沖壓開裂的原因[5]，此研究對夾雜物和潔凈度控制有一定借鑒，但與鋼種特性關(guān)系不大。另有研究認為，加P高強IF鋼中因P含量高易偏聚于晶界，導(dǎo)致晶界脆性較大，同時鋼中多處位置均存在MnS和TiN線狀夾雜，是導(dǎo)致沖壓易分層的原因[6]，這與本研究結(jié)果也有一定區(qū)別。本研究中對應(yīng)的產(chǎn)線，通過前期的煉鋼工藝優(yōu)化及嚴格控制，加P高強IF鋼鋼水潔凈度控制較好，氧化物夾雜數(shù)量很少；同時優(yōu)化了成分設(shè)計加入B元素，可以減輕P在晶界的偏距，有利于避免沖壓開裂。但本文觀察結(jié)果表明，加P高強IF鋼在此工藝下仍存在中心偏析較重、硫化物夾雜數(shù)量較多的現(xiàn)象，在成形過程中發(fā)生中心分層和開裂的風險較大，因此需要進一步優(yōu)化工藝。

針對中心生成了較多的MnS，由于此鋼種為RH單精煉工藝路線，重點加強鐵水預(yù)處理脫硫，控制鋼中w（S）≤0.008%，大大減少了MnS數(shù)量。根據(jù)產(chǎn)線設(shè)備特點，采取優(yōu)化動態(tài)輕壓下工藝參數(shù)、滿足生產(chǎn)節(jié)奏匹配情況下適當優(yōu)化拉速和二冷水量，發(fā)揮輕壓下作用減輕了中心疏松和相應(yīng)地偏析；配合熱軋適當提高加熱溫度和均熱時間等措施，大大減輕高P含量IF鋼的中心偏析。通過以上工藝措施的實施，避免了對成品沖壓性能的影響，用戶使用反饋良好。3 結(jié)論

1）高強IF鋼的由于高P、高合金的成分特性，鑄坯存在明顯地中心偏析現(xiàn)象，一般會伴隨中心疏松和硫化物夾雜的存在，鑄坯厚度方向其余位置的偏析較輕。

2）鑄坯中心的缺陷會遺傳至熱軋工序，導(dǎo)致中心長條鐵素體帶的生成，與周圍組織存在差異，與中心處的硫化物夾雜共同作用下，會增加成品沖壓分層、開裂的風險。

3）通過優(yōu)化成分設(shè)計、調(diào)整連鑄動態(tài)輕壓下參數(shù)、改進熱軋加熱制度等工藝措施，可以有效減輕中心缺陷和夾雜物對高P含量IF鋼的影響。

[1]蔡開科，孫彥輝，韓傳基.連鑄坯質(zhì)量控制零缺陷戰(zhàn)略[J].連鑄，2011（S1）：288-298.

[2]隋曉紅，謝廣群，劉明，等.連鑄坯中心偏析和疏松缺陷在軋制過程中的形態(tài)演化[J].理化檢驗（物理分冊），2009，45（11）：661-664.

[3]姬潁倫，左秀榮，洪良，等.連鑄坯中心偏析控制技術(shù)的新進展[J].熱加工工藝，2017，46（7）：17-20.

[4]田陸，包燕平，黃郁君.凝固組織對連鑄板坯中心偏析的影響[J].北京科技大學(xué)學(xué)報，2009，31（S1）：164-167.

[5]楊泉山，孫朝太，馮胤明.M170P1加磷高強汽車板沖壓開裂研究[J].安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2013，23（4）：1-4.

[6]楊西鵬，陳文超，賈貴興，等.HC250IF冷軋板沖壓分層缺陷分析[J].河北冶金，2017（4）：77-81.