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CaF2在不同酸碱性CaO-Al2O3基保护渣中的作用研究

施怡 亓捷 刘承军 姜茂发

周莉, 薛仁杰, 曹晓恩, 文才君. DH&DP钢显微组织、力学性能及形变机制差异研究[J]. 钢铁钒钛, 2023, 44(6): 186-191. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2023.06.026
引用本文: 施怡, 亓捷, 刘承军, 姜茂发. CaF2在不同酸碱性CaO-Al2O3基保护渣中的作用研究[J]. 钢铁钒钛, 2023, 44(6): 139-148. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2023.06.020
Zhou Li, Xue Renjie, Cao Xiaoen, Wen Caijun. Study on the differences in microstructure, mechanical properties, and deformation mechanism between DH and DP steels[J]. IRON STEEL VANADIUM TITANIUM, 2023, 44(6): 186-191. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2023.06.026
Citation: Shi Yi, Qi Jie, Liu Chengjun, Jiang Maofa. Study on the role of CaF2 in CaO-Al2O3-based mold fluxes with different acid-base property[J]. IRON STEEL VANADIUM TITANIUM, 2023, 44(6): 139-148. doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2023.06.020

CaF2在不同酸碱性CaO-Al2O3基保护渣中的作用研究

doi: 10.7513/j.issn.1004-7638.2023.06.020
基金项目: 国家自然科学基金(U1908224,51904064)资助;中央高校基本科研业务专项资金(N2125013)资助。
详细信息
    作者简介:

    施怡,1997年出生,女,黑龙江哈尔滨人,硕士研究生,主要从事连铸保护渣设计及基础性能研究,E-mail:2861243592@qq.com

    通讯作者:

    亓捷,1987年出生,男,山东莱芜人,博士,副教授,主要从事特殊冶金渣系设计与熔体物理化学研究,E-mail:qij@smm.neu.edu.cn

  • 中图分类号: TF777

Study on the role of CaF2 in CaO-Al2O3-based mold fluxes with different acid-base property

  • 摘要: 采用新型CaO-Al2O3基结晶器保护渣进行高铝钢浇铸,可有效抑制钢液中Al与渣中组元的界面反应。但是,浇铸过程中仍存在着结晶性能强、传热不均等问题。助熔剂是调整熔渣理化性能的关键因素之一。基于此,系统研究了典型助熔剂CaF2对不同酸碱性CaO-Al2O3基保护渣微观结构、黏度及结晶物相的影响。结果表明,在近中性CaO-Al2O3基保护渣中加入CaF2后,析晶物相由Ca12Al14O33+Ca3Al2O6转变为Ca12Al14O32F2+LiAlO2+CaF2,LiAlO2的析出可导致转折点温度上升,升幅约175 ℃,熔渣高温段黏度基本保持不变。在偏碱性CaO-Al2O3基保护渣中加入CaF2后,析晶物相由Ca3Al2O6+CaO转变为Ca12Al14O32F2+LiAlO2+CaF2,单一CaO的过早析出得到有效抑制,转折点温度降低约70 ℃,高温段黏度明显减小。
  • 冷轧双相钢(DP钢)作为第1代先进高强钢(Advanced High Strength Steel),具有屈服强度低、初始加工硬化率高以及良好强塑性匹配的特点,广泛应用于白车身零部件[1]。传统DP钢显微组织由铁素体(F)与马氏体(M)组成,其中F/M的比例决定了强度/塑性的匹配[2]。然而,随着强度的提升、塑性衰减较快,限制了复杂零件的成形与应用。随着汽车制造业的发展与升级,安全与节能成为汽车评价的主要指标,对汽车用钢的生产提出了更高要求。面对汽车行业新发展需求及高强双相钢的应用限制,首钢联合北京科技大学成功开发了增强成形性双相钢(DH钢),在传统双相钢两相组织基础上引入少量亚稳态残余奥氏体,在受力变形状态下,残余奥氏体发生相变诱导塑性(即TRIP效应),使材料强度与塑性得到提升[3],更适合用于复杂结构件与安全件的加工成形,作为新型先进高强钢极具市场应用前景。

    目前,关于DH钢的研究主要集中在退火热处理工艺对组织性能的影响方面[4-6],关于DH钢与DP钢显微组织、力学性能及形变机制的差异报道较少。笔者选取典型牌号DH780与DP780作为研究对象,对不同应变速率下钢的力学性能及扩孔性能进行了对比分析,探究了增强成形性双相钢强韧性机制,对汽车选材与DH钢的应用推广具有重要参考意义。

    试验材料为某钢厂采用260 t转炉→LF+RH双精炼→板坯连铸→2250热连轧→2180酸连轧→2030连续退火工艺路径生产的厚度为1.2 mm 的DH780与DP780冷轧高强钢,其主要化学成分如表1所示。传统DP780采用低C-Mn-Si-Cr-Nb-Ti成分体系,低碳设计保证良好焊接性能;Mn为奥氏体稳定元素及发挥固溶强化作用[1];Si为铁素体强化元素,抑制碳化物的生成;Cr发挥固溶强化作用,同时提高淬透性;固溶Nb在高温奥氏体晶界偏聚,对高温奥氏体晶界具有拖曳作用,可细化形变奥氏体晶粒,进而细化相变组织;Nb、Ti具有第二相析出强化作用[7]。增强成形性双相钢DH780较DP780具有更高C含量,目的是实现两相区均热过程具有足够C原子向奥氏体富集,提升奥氏体(残余奥氏体)的稳定性;Al元素与Si元素作用相似,促进铁素体相变、C原子扩散与抑制碳化物析出,同时Al具有推迟珠光体相变的作用[8]

    表  1  试验钢主要化学成分
    Table  1.  Main chemical compositions of experimental steels %
    牌号CMnSiPSCrAlNbTi
    DH7800.17~0.192.1~2.30.4~0.5≤0.010≤0.0050.18~0.210.7~0.90.02~0.04-
    DP7800.09~0.122.0~2.40.5~0.6≤0.010≤0.0050.28~0.30-0.02~0.030.02~0.04
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    利用Empyrean型X射线衍射仪(XRD)对试验钢中残余奥氏体含量进行检测。试验采用Co靶、步宽为0.02°、扫描速率1°/min、扫描角度30°~130°、管电压40 kV、管电流200 mA。选取γ相中(200)、(220)、(311)衍射线与α相中(200)、(211)衍射线,利用五峰法对各晶面累计衍射强度进行计算得到残余奥氏体含量[9]。试验钢经抛光、4%硝酸酒精溶液侵蚀后分别在Zeiss金相显微镜与ZeissUItra55 型场发射扫描电子显微镜(SEM)下进行显微组织观察。经20%高氯酸酒精溶液电解抛光后进行电子背散射衍射(EBSD)表征。

    为了研究板料冲压成形过程中的受力状态,同时考虑拉伸数据准确性,采用CMT5305型拉伸试验机分别以0.001、0.01、0.1 s−1的应变速率进行准静态拉伸试验,采用HTM5020型高速拉伸试验机分别以1、10、50、100、200、500、1000 s−1的应变速率进行动态拉伸试验。按照ISO 26203-2-2011《金属材料.高应变率拉伸试验.第2部分:伺服液压和其他试验系统》要求,采用钼丝切割机将钢板加工成高速拉伸试样,线切割加工后用砂纸打磨去除线切割切割痕,以保证试样切割面平整光滑,试样尺寸如图1所示。扩孔试验能够反映板料凸缘翻边性能,为了对比成形过程凸缘翻边能力,按照ISO16630标准进行扩孔试验。

    图  1  高速拉伸试样示意(单位:mm)
    Figure  1.  Schematic diagram of the sample for high-speed stretching tests

    图2为DH780与DP780试样XRD衍射图谱,可知,DH780存在(200)γ、(220)γ、(311)γ特征峰,根据公式(1)[10]计算,可知DH780中残余奥氏体含量为5.1%,而DP780中几乎不存在残余奥氏体。

    图  2  DH780与DP780试样XRD衍射谱
    Figure  2.  XRD patterns of DH780 and DP780 samples
    $$ {V}_{{\rm{A}}}=\frac{1-{V}_{{\rm{C}}}}{1+G\dfrac{{I}_{{\mathrm{M}}_{{\left(\mathrm{h}\mathrm{k}\mathrm{l}\right)}_{\mathrm{i}}}}}{{{{I}_{\mathrm{A}}}_{\left(\mathrm{h}\mathrm{k}\mathrm{l}\right)}}_{\mathrm{j}}}} $$ (1)

    式中,VA为奥氏体相的体积分数,%;VC为碳化物相总量的体积分数,%;IM(hkl)i为马氏体(hkl)i晶面衍射线的累计强度;IA(hkl)i为奥氏体(hkl)i晶面衍射线的累计强度;G为奥氏体(hkl)晶面与马氏体(hkl)晶面所对应的强度因子之比。

    图3为DH780与DP780光学显微组织形貌,二者均为铁素体与马氏体,其中DH780晶粒均匀细小,马氏体组织分布更为弥散,而DP780组织中存在大块状多边形铁素体与明显的碳化物析出,带状组织较明显。由于光学显微镜无法分辨是否存在残余奥氏体与马氏体的分布形态,需要借助扫描电镜与EBSD进一步表征。在扫描电镜下发现,DH780与DP780显微组织中马氏体均为板条马氏体,其中DP780中马氏体以淬火态为主,而DH780中存在少量回火马氏体,分析与过时效过程中马氏体中碳化物析出有关,如图45所示。

    图  3  DH780与DP780显微组织(OM)
    Figure  3.  Optical microstructures of DH780 and DP780
    图  4  DH780与DP780显微组织(SEM)
    Figure  4.  Scanning electron microscopes of DH780 and DP780

    综合SEM与EBSD结果显示,DH780中残余奥氏体呈块状、薄膜状、链状与细小粒状在铁素体基体中分布[11],其主要以3种形式分别位于铁素体界面(F/F,γ)、位于铁素体或马氏体晶粒中(M&F,γ)、位于铁素体和马氏体交界(F/M,γ),且多数位于相界面与铁素体晶界处,如图4图5所示。点链状或者薄膜长条状分布的残余奥氏体较稳定,一般在应力加载过程的中期才发生应力诱导马氏体相变;块状形式存在的残余奥氏体在施加应力初期优先发生TRIP效应。残余奥氏体γ在F/M边界呈亮白边圈,主要因为两相区退火过程中Mn元素短程扩散致使在F/M边界形成富Mn区,富Mn区淬透性较高,局部区域Ms点下降,奥氏体稳定性提高,以残余奥氏体形式保留至室温,与岛内马氏体组织具有不同的色差效应。

    图  5  DH780残余奥氏体分布
    Figure  5.  Distribution of residual austenite in DH780
    2.3.1   不同应变速率下力学性能对比分析

    钢铁材料变形本质是位错滑移与增殖的过程。冷轧双相钢以马氏体与铁素体组织为主,两相中位错主要以无钉扎自由态存在,在低应变速率下(含准静态),铁素体内可动位错优先开启进行滑移与增殖,故DP780与DH780应力-应变曲线均无明显屈服现象,如图6所示。应变速率增加初期,DP780和DH780的屈服强度、抗拉强度随应变速率的增加均呈现小幅度增加的趋势。在准静态条件下,当应变速率达到10 s−1时,屈服强度、抗拉强度出现较为明显的提升,之后随着应变速率增加,强度不断升高。

    图  6  工程应力-应变曲线
    Figure  6.  Engineering stress-strain curves

    图7为应变速率对强塑性指标的影响。应变速率的提高改变了位错滑移与增殖机制,高应变速率下材料强塑性均明显增加。在应变速率由0.001 s−1增加至1000 s−1过程中,DP780屈服强度由531 MPa增加到724 MPa,增加了36%,抗拉强度由876 MPa增加到1021 MPa,增加了16%;而DH780屈服强度由500 MPa增加到690 MPa,增加了38%,抗拉强度由796 MPa增加到997 MPa,增加了26%,说明DH780较DP780表现出较强的应变速率敏感性特征。由于DH780基体存在一定量的残余奥氏体,奥氏体面心立方结构(FCC)中可动滑移系多,有利于位错滑移,更为重要的是变形过程应变速率的提高为残余奥氏体转变为马氏体(即TRIP效应)提供了足够动力,使变形区域的塑性进一步提升,从而延缓裂纹的形成与扩展,提高材料的变形能力。

    图  7  强塑性指标与应变速率的关系
    Figure  7.  Relationship between strength & plasticity index and strain rate

    残余奥氏体的引入使DH780具有TRIP效应的增塑机制,可有效降低位错运动阻力,较传统DP780表现出更高强塑特性。随着应变速率提升,DH780强塑积由27.06 GPa·%增加至38.83 GPa·%,其材料吸能性能显著增强。表2为试验钢应变速率0.01 s−1条件下的准静态力学性能,DP780和DH780垂直轧制方向(横向)的强度均高于轧制方向,DH780的断后延伸率均达到30%以上,整体断后延伸率较DP780高6.9~12.5个百分点,塑性指标显著优于DP780。

    表  2  准静态力学性能(ε=0.01 s−1
    Table  2.  Quasi-static mechanical properties(ε=0.01 s−1
    牌号方向屈服强度/MPa抗拉强度/MPa断后伸长率/%强塑积/(GPa·%)
    DH78050182331.325.76
    45°48780431.625.41
    90°52283130.825.59
    DP78051181819.518.41
    45°52982124.717.82
    90°54184318.316.27
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    2.3.2   扩孔性能对比分析

    根据GB/T 24524-2021《金属材料 薄板和薄带 扩孔试验方法》分别对试验钢DH780和DP780进行扩孔率检测,测量3次取平均值。DP780试样扩孔率为50.32%,而DH780试样扩孔率达到74.61%,较DP780提升48.27%。扩孔试验过程中与锥头接触的板料下表面(凸缘翻边后为内侧)受压应力作用,而板料上表面(凸缘翻边后为外侧)受张应力作用。扩孔过程中板料上表面变形程度大于下表面,随着扩孔直径的增大,凸缘翻边外侧受到的张应力越大,当超过材料强度极限时出现裂纹萌生及扩展,裂纹由凸缘翻边外侧向内侧延伸,扩展路径与板料厚度方向呈45°分布。由于板带横向强度高,塑性指标低于轧制方向,裂纹多在垂直轧向的两侧出现,具体如图8所示。

    图  8  扩孔裂纹宏观形貌
    Figure  8.  Macro morphology of reaming cracks
    (a)DH780;(b)DP780

    宏观而言由于铁素体与马氏体硬度、弹性模量不同,受力过程两相变形能力存在显著差异,导致在铁素体/马氏体两相界面处产生应力集中,当相界面处应力超过两相结合力时开始萌生裂纹,并且随着变形过程裂纹沿铁素体/马氏体相界面处扩展。微观组织观察可知,DH780与DP780显微组织均以铁素体与弥散分布马氏体为主,组织细小均匀,扩孔变形初期,位错在铁素体中滑移,并在晶界与相界处产生塞积,随着应力提高,马氏体位错开启与增殖,在相界面处不断交织与缠结,形成较大应力集中,进而发展成为裂纹源。试验钢DH780中存在约5%残余奥氏体,奥氏体具有更多滑移系可有效减缓位错塞积,同时应力作用下残余奥氏体TRIP效应更为显著,从而延缓了应力集中与裂纹源的形成[12]

    图9为试验钢扩孔试验断口微观形貌,两者均为韧性断裂,DH780韧窝较大且深、撕裂脊明显,而DP780韧窝相对较浅、无明显撕裂脊。亦说明扩孔过程中DH780抗局部变形能力更强,具有更高的塑性与扩孔性能。

    图  9  扩孔裂纹断口形貌
    Figure  9.  Fracture morphology of reaming cracks

    1) 试验钢DH780由铁素体、马氏体、残余奥氏体组成,其中残余奥氏体含量约5.1%,呈块状、薄膜状、链状与细小粒状,位于相界面与铁素体晶界处。

    2) 随着应变速率的提升,材料屈服强度、抗拉强度均呈现增强趋势,DH780较DP780具有更高的应变速率敏感性特征,DH780强塑积增加至38.83 GPa·%,吸能性能显著增强。

    3) DH780残余奥氏体在塑性变形过程中转变为马氏体,TRIP效应显著实现材料塑性提升;同时奥氏体具有更多滑移系可有效减缓位错塞积、延缓应力集中与裂纹源的形成,使得DH780较DP780具有更高扩孔率,扩孔率达到74.61%。

  • 图  1  CaO-Al2O3二元相图

    Figure  1.  CaO-Al2O3 binary phase diagram

    图  2  CaO-Al2O3-Li2O液相线

    Figure  2.  CaO-Al2O3-Li2O liquidus diagram

    图  3  CaO-Al2O3-Li2O-CaF2液相线

    Figure  3.  CaO-Al2O3-Li2O-CaF2 liquidus diagram

    图  4  S1与S3渣试验曲线

    Figure  4.  Experimental curve of S1 and S3 slags

    图  5  不同温度下结晶物相的扫描电镜照片

    Figure  5.  SEM images of crystalline phases at different temperatures

    图  6  XRD分析结果

    Figure  6.  XRD analysis results

    图  7  S1与S3渣拉曼光谱曲线及拉曼光谱解谱

    Figure  7.  Raman spectra curves and solutions of S1 and S3 slags

    图  8  各结构单元的相对面积百分数

    Figure  8.  The relative area percentage of each structural unit

    图  9  S2与S4渣试验曲线

    Figure  9.  Experimental curve of S2 and S4 slags

    图  10  不同温度下结晶物相的扫描电镜照片

    Figure  10.  SEM images of crystalline phases at different temperatures

    图  11  XRD分析结果

    Figure  11.  XRD analysis results

    图  12  S2与S4渣拉曼光谱曲线及拉曼光谱解谱

    Figure  12.  Raman spectra curves and solutions of S2 and S4 slags

    图  13  各结构单元的相对面积百分数

    Figure  13.  The relative area percentage of each structural unit

    表  1  保护渣的化学成分(摩尔分数)

    Table  1.   Chemical compositions of mold fluxes (mole fraction) %

    序号CaOAl2O3Li2OCaF2C/A
    S159.832.281.86
    S263.528.582.23
    S359.832.28101.86
    S463.528.58102.23
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    表  2  拉曼光谱峰值分析

    Table  2.   Peak analysis of Raman spectra

    拉曼位移/cm−1振动方式参考文献
    530 ~550Al-O-Al键的拉伸振动[24-25]
    550~600[AlO6]9−键的拉伸振动[26-28]
    680~720Q2(Al)中Al-O键拉伸振动[29-30]
    750 ~790Q3(Al)中Al-O键拉伸振动[30-31]
    800~850Q4(Al)中Al-O键拉伸振动[31-32]
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-12-30
  • 网络出版日期:  2024-01-11
  • 刊出日期:  2023-12-28

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