高P含量IF钢中心缺陷的遗传及控制研究

李梦龙， 李梦英， 刘丽萍， 李 波， 冯晓勇

（河钢集团唐钢公司， 河北 唐山 063016）

铸坯中心缺陷一般在高碳、高合金类钢种中较为严重，对低碳、超低碳类钢种影响很小。然而，部分超低碳IF钢为同时满足深冲性能及较高强度的使用要求，加入大量的 P、Mn、Si、Nb、Ti等合金元素进行固溶强化，特别是强偏析元素P的质量分数可高达0.080%～0.100%，因此需要关注这类高强IF钢的偏析情况。铸坯的中心缺陷会一定程度地遗传至下游热轧乃至冷轧工序，使成品钢带厚度方向的力学性能变差，容易导致钢带冲压和弯折分层缺陷，降低其使用性能[1-2]。

本研究利用原位分析、化学分析、扫描电镜能谱分析等方法，对唐钢该系列钢种铸坯和热轧卷的中心缺陷进行了观察研究，并结合分析结果与产线实际提出工艺优化措施，避免了中心缺陷对成品冲压使用性能的危害。

1 试验材料与方法

河钢集团唐钢公司（以下简称唐钢）生产该钢种的工艺流程为100 t顶底复吹转炉—RH精炼—常规板坯连铸，在连铸生产过程中取稳态铸坯进行分析，铸坯厚度200 mm，取样铸坯中间包过热度45℃，该炉钢水主要成分见表1。

表1 试验钢的化学成分 %

对于常规板坯连铸，偏析最严重的位置一般在宽度方向1/4处，因此于此处取试样进行原位分析和化学分析试样，取样示意图见图1。原位分析试样为铸坯沿厚度方向线切割为3块65 mm×65 mm样品，随后进行清洗并对观察面进行打磨，利用金属原位分析仪OPA-100进行元素宏观分布分析。因设备限制，每块试样扫描范围为中心处的45 mm×45 mm（见图1-1），扫描结束后用自带软件进行处理，获得P、S和Mn等元素在扫描面上的二维浓度分布图和三维浓度分布图。化学分析取样方式为沿厚度方向每间隔10 mm钻屑进行成分定量分析，钻屑前将试样进行清洗并打磨取样面。在厚度3 mm的高P含量IF钢热轧卷取样，经磨样、抛光后利用4%硝酸酒精试剂浸蚀后，利用光镜及扫描电镜观察样品金相组织，并利用EDS能谱分析中心处的偏析元素含量和夹杂物等。

图1 原位分析和化学分析的铸坯取样示意图

2 试验结果与讨论

2.1 原位分析结果

P、Mn、S的沿铸坯厚度方向的原位分析二维分布图见图2。原位分析表明，对于超低碳的高P含量IF钢，P、S元素除在中心处偏析较为严重外，其余位置宏观偏析很轻，Mn元素的整体分布较为均匀。同时，P和S在中心偏析的具体位置相同，说明中心偏析处应该伴随着中心疏松的存在，二者形成原因是，随着凝固过程进行，由于选分结晶，P、S等强偏析倾向元素向剩余液相中逐渐富集，而在凝固末期时，尽管连铸产线配置了动态轻压下，但可能由于冷却工艺、拉速、轻压下位置与压下量匹配不合理等原因，效果发挥有限，导致铸坯存在一定的中心疏松，而富含P、S等元素的剩余液相残留在疏松处，因此凝固后在相同的位置表现出宏观偏析现象[3-4]。因此，尽管一般认为超低碳类钢种枝晶不发达、偏析并不严重，但对于高P、高合金含量的此类高强IF钢，仍存在发生中心偏析的可能。

图2 P、S和Mn元素原位分析结果

同时，凝固末期液相中的Mn、S元素逐渐富集，实际活度积达到平衡生成活度积（aMn·aS）eq后，会开始析出硫化物夹杂并逐渐长大，如式（1）和（2）所示。因此，铸坯中心偏析和疏松位置一般伴随着大量硫化物的生成，这会进一步加剧中心缺陷的危害。

2.2 化学分析结果

沿铸坯厚度方向每隔10 mm对主要元素P、Mn、S等进行化学成分分析，并依据式（3）计算元素偏析比。式中，Di为试样中不同取样位置处P、Mn、S元素的偏析度（i=1～19），wi为取样处元素质量百分数，w¯为所有取样点元素平均质量百分数。化学分析结果如图3所示，铸坯中心处存在P、S元素的明显偏析，厚度方向其余位置分布则相对均匀，与原位分析结果相符合。

图3 P、S和Mn元素化学分析结果

根据原位分析和化学分析结果，连铸坯中心处集中存在元素宏观偏析、疏松及硫化物夹杂缺陷，这些缺陷组合的遗传性及对下游轧制的影响需要加以关注。

2.3 中心缺陷对热轧卷的影响

在热轧生产加P高强IF钢时取样进行金相观察，如图4所示。热轧卷中心处存在一条细小的铁素体带，具有明显地方向性，并与周围块状铁素体组织存在明显差异，而中心疏松在轧制过程中已经完全焊合。

图4 热轧卷厚度方向中心位置金相观察

利用SEM对中心铁素体带进行观察并进行EDS分析，发现P、S、Mn含量较高，且中心铁素体带上存在较多的小MnS颗粒，如图5所示。热轧卷中心的偏析和夹杂物分布与铸坯相似，表明了缺陷自铸坯到热轧卷存在遗传性。由于热轧卷中心处P含量偏高，而P元素容易在晶界处偏距，铁素体晶粒向四周的生长受到限制，而主要沿轧制方向伸长，因此热轧卷中心铁素体最终呈细长条状分布，两侧的块状铁素体与中心铁素体带之间也因此呈现出明显的边界。这种中心细小的组织与附近组织的不均匀性，在后续冷轧工序经过80%以上压下率轧制后会得到一定减轻，同时夹杂物会在冷轧过程进一步伸长，但夹杂物和偏析在中心处的分布位置基本不会变化。

图5 TS210P1热轧卷厚度中心位置夹杂物分析

2.4 分析与讨论

加P高强IF钢相对普通IF钢，更易发生冲压开裂现象，有关研究人员也有相关报道。有研究对断口和裂纹处分析认为，因精炼工艺和连铸保护浇铸工艺操作不当导致生成大量的氧化物类夹杂，是造成加磷IF钢汽车板冲压开裂的原因[5]，此研究对夹杂物和洁净度控制有一定借鉴，但与钢种特性关系不大。另有研究认为，加P高强IF钢中因P含量高易偏聚于晶界，导致晶界脆性较大，同时钢中多处位置均存在MnS和TiN线状夹杂，是导致冲压易分层的原因[6]，这与本研究结果也有一定区别。本研究中对应的产线，通过前期的炼钢工艺优化及严格控制，加P高强IF钢钢水洁净度控制较好，氧化物夹杂数量很少；同时优化了成分设计加入B元素，可以减轻P在晶界的偏距，有利于避免冲压开裂。但本文观察结果表明，加P高强IF钢在此工艺下仍存在中心偏析较重、硫化物夹杂数量较多的现象，在成形过程中发生中心分层和开裂的风险较大，因此需要进一步优化工艺。

针对中心生成了较多的MnS，由于此钢种为RH单精炼工艺路线，重点加强铁水预处理脱硫，控制钢中w（S）≤0.008%，大大减少了MnS数量。根据产线设备特点，采取优化动态轻压下工艺参数、满足生产节奏匹配情况下适当优化拉速和二冷水量，发挥轻压下作用减轻了中心疏松和相应地偏析；配合热轧适当提高加热温度和均热时间等措施，大大减轻高P含量IF钢的中心偏析。通过以上工艺措施的实施，避免了对成品冲压性能的影响，用户使用反馈良好。3 结论

1）高强IF钢的由于高P、高合金的成分特性，铸坯存在明显地中心偏析现象，一般会伴随中心疏松和硫化物夹杂的存在，铸坯厚度方向其余位置的偏析较轻。

2）铸坯中心的缺陷会遗传至热轧工序，导致中心长条铁素体带的生成，与周围组织存在差异，与中心处的硫化物夹杂共同作用下，会增加成品冲压分层、开裂的风险。

3）通过优化成分设计、调整连铸动态轻压下参数、改进热轧加热制度等工艺措施，可以有效减轻中心缺陷和夹杂物对高P含量IF钢的影响。

[1]蔡开科，孙彦辉，韩传基.连铸坯质量控制零缺陷战略[J].连铸，2011（S1）：288-298.

[2]隋晓红，谢广群，刘明，等.连铸坯中心偏析和疏松缺陷在轧制过程中的形态演化[J].理化检验（物理分册），2009，45（11）：661-664.

[3]姬颍伦，左秀荣，洪良，等.连铸坯中心偏析控制技术的新进展[J].热加工工艺，2017，46（7）：17-20.

[4]田陆，包燕平，黄郁君.凝固组织对连铸板坯中心偏析的影响[J].北京科技大学学报，2009，31（S1）：164-167.

[5]杨泉山，孙朝太，冯胤明.M170P1加磷高强汽车板冲压开裂研究[J].安徽冶金科技职业学院学报，2013，23（4）：1-4.

[6]杨西鹏，陈文超，贾贵兴，等.HC250IF冷轧板冲压分层缺陷分析[J].河北冶金，2017（4）：77-81.