本文介绍一类钢板，现在来看可能不那么特别，但它在汽车钢的发展历史上绝对算是一个非常重要的进步，它的出现可以说是极大的提高了汽车部件冲压成型的成功率，也直接促进了具有优美流线造型的高端车的发展，它就是无间隙原子钢，又称为IF（Interstitial
Free）钢。
2021年全球汽车产量约8000万辆，生产一辆汽车的费用，原材料53%，制造30%，设计开发5%，其它占12%。而原材料中70%是钢材，钢材中用量最大的是薄钢板，一辆汽车约使用600~800kg薄钢板，薄板成型件500~600件。薄板成型件大多使用冷轧深冲板，由此可见冷轧深冲板在汽车工业中的重要性。现在，各汽车生产厂家为了在竞争激烈的市场中站稳脚跟，需要不断降低其产品的成本，提高劳动生产率。而减少冲压件数量，减少焊接量和减少机加工数量是一个有效的途径。这就意味着几个简单的零件合并为一个复杂的零件或者变机加工件为冲压件，于是对冲压板的性能要求越来越高。
无间隙原子钢有着极优异的深冲性能，广泛应用于形状特别复杂、应变量大的车身覆盖件。例如侧围外板、后轮罩内板、前翼子板等。深冲性能好与坏是一个相对的概念，所以这里就不得不先来介绍一下评价标准。
在材料性能中，最简单的是用材料拉伸时的延伸率来表示材料的塑性行为，但钢板的冲压加工对材料不同方向的延伸性能要求并不一样，即希望各方向的延伸性能具有各向异性，希望材料在冲压变形时的塑性流动尽量在长度或宽度方向进行，而厚度方向的塑性变形尽量小，沿钢板厚度方向的变形抵抗力要比垂直厚度的另两个方向要大为好，说白了材料在冲压时厚度不能变太薄否则就冲裂了。
在工程上这一性质用塑性应变比值表示。r值被定义为，板材在进行单向拉伸时，垂直于板法线某一方向上的正应变（ε）与板法线方向的正应变（εN）的比值，即：
r=ε/εN （1.1）
由式（1.1）可以看出，r值越大板材在垂直于板法线方向的变形抗力越小，而沿法线方向（厚度）的相对变形抗力越大，因此深冲性能越好。
一般将深冲钢板分为CQ、DQ、DDQ、EDDQ四个级别，目前工业生产的IF钢（EDDQ）的r值通常在2~2.5之间。随着汽车制造业对开发更高深冲性能钢板的需求，目前正在开发所谓的超深冲加工用钢（Supr-DDQ），其r值一般>2.5。
图 1 冷轧钢板等级与伸长率
冲压钢板的发展经历了三代产品，表1列出了第一代沸腾钢、第二代Al镇静钢、及第三代IF钢的基本性能指标，从r值和n值我们可以明显看出冲压性能区别。
表 1 三代冲压钢基本性能对比
1. 什么是IF钢
IF钢，无间隙原子钢，顾名思义，没有间隙原子，间隙原子即存在于铁原子晶格间隙之中的原子，这里主要指碳和氮原子，当然在铁中不可能完全去除上述原子，但含量很低。IF钢的冶金学特点是：1）超低碳：2）微合金化：3）钢质纯净。
IF钢最终能付诸生产就是由于采用真空脱气技术使碳含量大大降低的结果。八十年代以前，传统的IF钢含C量为0.005~0.01%。现代IF钢，采用底吹转炉冶炼和改进过的真空脱气处理，可以使C含量大大降低，一般C≤0.005%（甚至C≤0.002%），N≤0.003%（甚至N≤0.002%）。
在钢中加入多少量的强碳、氮化合物形成元素钛、铌才能使C、N原子完全被固定而无间隙固溶原子存在，这是IF钢冶金学的基础。以处理IF钢为例，按化学当量计算，只要钢中钛含量满足：
Ti（at.%）/（C（at.%）+N（at.%）》≥1
为了保证良好的表面质量，对钢中的非金属夹杂物要求严格。日本企业提出IF钢冷轧板中非金属夹杂物的尺寸必须小于100μm。
另外，在性能上IF钢的深冲压性特别好，在各标准中对塑性应变比r及应变硬化指数n有明确的要求。
2. IF钢牌号
提到IF钢的牌号，的确有点乱，不同地区都是自己的牌号，您可能听过DC04钢，这是一种较常用的深冲钢，来自欧洲标准EN10130 Cold-rolled low-carbon steel flat products for cold forming，本标准中还有DC03/05/06，数字越大冲压性能越好。
另外，日本的IF钢也比较牛，日本标准J1S G
3141中的牌号：SPCC、SPCD、SPCE
符号：S-钢（Steel）、P-板（Plate）、C-冷轧（cold）、第四位C-普通级（common）、D-冲压级（Draw）、E-深冲级（Elongation）。
还有德国牌号：st12、st13、st14、st15、st14-T
符号：ST-钢（Steel）、12-普通级冷轧薄钢板、13-冲压级冷轧薄钢板、14-深冲级冷轧薄钢板、15-特深冲级冷轧薄钢板、14-T-超级冷轧薄钢板。表面质量：FC-高级的精整表面，FB-较高级的精整表面。
我们宝钢也有自己的冲压用冷连轧钢带牌号命名方法：
1、一般冲压用钢：BLC
B一宝钢（BAOSTEEL）缩写；L一低碳（Low Carbon）；C一一般用Commercial
2、抗时效性低屈服钢：BLD
B一宝钢（BAOSTEEL）缩写L低碳（Low Carb.on）：D一冲压用（Drawing）
3、非时效性极深冲用钢：BUED（BUSD）B—宝钢（BAOSTEEL）缩写；U—超级（Ultra）；F—成型（Formability）：
D—冲压（Drawing）
4、非时效性超深冲用钢：BSUFD
B一宝钢（BAOSTEEL）缩写；SU一超高级（Ultra+Super）；F成型Formability ）
D—冲压（Drawing）
*BUSD、BUFD非时效性超深冲冷连轧钢带
3. IF钢代替铝镇静钢的优点
下面具体讨论一下IF钢与上代铝镇静钢相比，有哪些优点：
（1）与铝镇静钢和沸腾钢相比，冷轧IF钢具有较高的塑性应变比，较好的延伸性和较低的屈服强度。IF钢的值可达2.0以上，而铝镇静锅和沸腾钢分别为1.5和1.2。
IF钢典型的屈服强度在160MPa左右，抗拉强度约为300MPa。
（2）IF钢具有良好的可成型性，用它可代替深冲级铝镇静钢，减少甚至取消用户冲制过程中的中间退火操作工序，因而大大节约能源，同时还可避免铝镇静钢在中间退火时因晶粒长大而引起的桔状脱皮或从粗化晶粒处的破裂。
（3）使用IF钢作深冲件时还可减少冲制次数，这不仅能降低冲模成本，而且还能提高冲压车间设备效率和生产速度。
（4）由于IF钢的强度和金属流动性，有可能减薄冲压件厚度。
（5）IF钢具有的优越性能直接反映在减少深冲制品的报废率上。例如美国威斯康星州某工业公司，在汽车底盘和盖装配线上使用铝镇静钢时，废品率曾是40~50%，改用IF钢后，消除了废品。俄亥俄州某公司的汽车难冲部件改用IF钢后，使废品率由原来的30%下降到5%以下，恰好在可接受的限度以内。
（6）IF锅的无屈服点延伸现象使IF钢冲制件不会出现沟纹。IF钢的无时效性，在贮存期间不会影响其深冲性能，并可提高用户安排生产的灵活性。
（7）IF钢不仅为钢铁厂带来许多利益，而且也方便了用户。除了必须使用真空脱气设备达到超低碳和氮以外，其余冶炼和处理均可在常规设备上进行。冷轧后的退火可用箱式退火，也可用连续退火。另外，由于IF钢退火时无屈服点延伸现象，因此可省略平整轧制，而制成的IF钢在任何加工条件下都是稳定的。
4. 什么影响了冲压性能
前面简单介绍过，薄板冲压希望具有各向异性的塑性应变性能，而织构是钢板各向异性塑性行为的重要决定因素，织构是一个材料学定义，一般而言，多晶体各晶粒在空间的取向是任意的，各晶粒之间没有一定的位向关系。织构是指多晶体的取向分布状态偏离随机分布的现象，许多晶粒取向更倾向于某一某一些取向位置附近时称为择优取向，择优取向的多晶体结构称为织构。
图 2 织构示意
轧钢界的研究人员一直以来努力做的一件事，就是通过优化冶炼、轧制、退火等工艺来优化材料中的织构，如第二代冲压用钢 --- 铝镇静钢，一般采用罩式炉退火工艺，通过控制加热速度来控制AlN第二相粒子的预先析出来得到强烈的{111}织构，从而获得良好的冲压性能。但从最根本上，铝镇静钢中存在很多间隙原子（碳、氮等），当这些原子以固溶形式存在时，会显著影响钢板的塑变行为，即使通过退火使碳原子以渗碳体Fe3C形式存在，在后续加工或存放时，碳原子可能也不会那么老实，会不时蹦跶出去，这就发生了时效现象，从而会使冲压性能变差。
图 3 间隙原子与位错
表 2 冶炼提纯技术进步
年代C
%
N
%
19490.050.003
19720.010.003
19850.005<0.003
Now<0.0020<0.0020
而IF钢，是随着冶炼技术的升级，将间隙原子数量大大降低，之后通过加入Ti、Nb微合金形成碳或氮化物，再通过后续工艺优化材料中的织构，从而得到优异的冲压性能，所以IF钢的深冲性能非常好，而且还不会随着时间而改变，即不会发生时效行为。
图 4 冷轧冲压板生产工艺控制
5. 汽车冲压板发展历史
第一代是广泛应用于20世纪50~60年代的普通沸腾钢。沸腾钢（rimmed steel；rimming
steel）是指炼钢时未能很好脱氧的钢。炼钢时要依靠氧气去除多余的碳，而过量的氧将生成多种氧化物成为夹杂物，为此必须脱氧。沸腾钢的脱氧是仅加弱脱氧剂，如加锰铁可生成氧化锰，同时生成氧化铁。但氧化铁在浇注钢锭时还会与钢中的碳生成一氧化碳和铁，此时一氧化碳气体逸出钢锭使之成沸腾状，故称沸腾钢。沸腾钢由于含有较多的O和固溶N，应变时效明显，r值最大1.2，只能制造普通冲压件。
第二代是以铝镇静钢为代表的冷轧深冲钢板。铝镇静钢是通过往钢中加入铝脱氧，铝镇静钢含氧量低（0.004%~0.007%），并且通过合适的轧制及退火工艺，形成利于冲击的结晶取向，冲压级别最高能达到DDQ级（r=1.7）。但由于间隙态存在的碳、氮、氧原子可能在存放时间的重新分布而产生时效现象（即时效硬化），使钢的成型性降低。
无间隙原子钢（IF钢）属于第三代深冲钢板，特点是碳、氮含量很低，并在钢中加入Ti和Nb，形成Ti和Nb的C、N化合物，使钢中的碳、氮间隙原子得以消除，从而具有优越的深冲性能。这种观点自1949年由Comstock等人提出来之后，由于受当时冶炼水平的限制，钢中C、N含量难以降得很低，以当时技术水平，低碳钢含0.05%C，0.003%N，那么固定C、 N所需的Ti约为0.25%~0.35%。由于钛价格昂贵，Comstock的发现被搁置。
20世纪六十年代末期，随着真空脱气技术在冶金生产中的应用，人们又重新开始了无间隙原子钢的研制，这时钢中的碳含量已降至0.01%以下，所需钛的加入量大为减少。当时铝镇静（AK）钢是用于汽车制造的主要钢种。Ti处理的IF钢的深冲性能比AK钢好，但需要真空脱气和昂贵的Ti合金化，成本高，使之应用范围仅限于少数特殊零件，如难以用AK钢生产的油箱底盘。
1972年，日本NKK和Nippon steel公司分别开发了连续退火机组，但是在当时用连续退火来生产高r值的深冲级的铝镇静钢却不大合适，因为连续退火存在加热速度快和退火周期简单的问题。但另一方面，连续退火却比较适合生产具有良好深冲性能IF钢。由于价格昂贵，当时一般用连续退火机组生产商用级（Commercial Quality,CQ）、冲压级（Drawing Quality,DQ），而用罩式退火生产深冲级（Deep Drawing Quality,DDQ）的铝镇静AK钢。用连续退火机组生产的IF钢只用于为数很少的特定的零件。七十年代，工业生产的IF钢的成分大致为：0.01%C、0.003%N、0.10%Ti或0.156Nb。
IF钢作为主要汽车钢板大量生产始于1979年，当时第一套热镀锌机组首次用于生产防腐汽车外壳用板。连续镀锌线上的连续退火没有过时效段，却适合生产具有良好成型性能IF镀锌钢，并且用IF钢生产深冲镀锌板的工艺过程与用铝镇静钢的相比，工艺简单（如图5），因而更经济。
图 5 Al镇静钢退火与IF钢退火工艺对比
八十年代后，冶金生产技术进一步发展，无间隙原子钢无论从研制方面，还是在生产上都有了长足的进步，顶底复合吹炼，
KR脱硫以及改进的RH真空脱气。使得人们可经济地生产出C≤30ppm，钢质纯净的超低碳钢。真空脱气处理时间缩短至10~25min，从而由传统的IF钢时期步入到现代IF钢时期。现代IF钢的成分范围大致为：C≤0.005%、N≤0.003%、（X（at.%）/C（at.%）=1，X代表有效Nb或有效Ti质量分数。
在无间隙原子钢的研制与生产上，日本是先驱者，1980年，川崎钢铁公司的无间隙原子钢产量不足10万吨，然而，到1986年已高达80万吨，1989年竟已接近200万吨。同样，新日本钢铁公司的无间隙原子钢产量也在1986~1989年期间翻了一番多。在这三年中，日本的无间隙原子钢产量增加了11倍，已达400万吨。
我国80年代末成功研制IF钢，90年代末宝山钢铁公司实现批量生产。此后，武钢、鞍钢、攀钢都先后投入了IF钢生产。现在，我国已经能够生产全部普通强度（o，≤180Mpa）的商用级（CQ）、冲压级（DQ）和深冲级（DDQ）IF钢板，并试制了超深冲级（EDDQ）和特超深冲级（SEDDQ）IF钢汽车板。目前国产IF钢已能满足中低档轿车和卡车用钢板的质量要求，中高档轿车用高品质钢板仍需大量进口，尤其是对于表面质量要求非常严格的汽车面板，与国外同类型IF钢产品的质量还存在差距。
