超低碳鋼DQ級(jí)冷軋板冷軋工藝研究

Research on Cold Rolling Process of Ultra-low Carbon DQ-grade Cold Rolled Steel

超低碳鋼DQ級(jí)冷軋板冷軋工藝研究

Research on Cold Rolling Process of Ultra-low Carbon DQ-grade Cold Rolled Steel

作者單位：酒鋼宏興股份有限公司碳鋼薄板廠，甘肅 嘉峪關(guān)，735100

內(nèi)容導(dǎo)讀

采用CSP工藝生產(chǎn)超低碳鋼DQ級(jí)冷軋板，分析了冷軋壓下率、退火溫度、平整延伸率對(duì)帶鋼組織及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，采用76%冷軋壓下率、710 ℃罩式爐退火溫度及0.5%平整延伸率，得到的帶鋼產(chǎn)品力學(xué)性能最優(yōu)，生產(chǎn)成本得到大幅度降低。

超低碳鋼由于其良好的沖壓性能被廣泛應(yīng)用在汽車及五金制造工業(yè)。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)一般采用鋁鎮(zhèn)靜鋼工藝來生產(chǎn)，但也有些企業(yè)采用IF鋼工藝來生產(chǎn)。由于IF鋼工藝生產(chǎn)過程復(fù)雜，合金成本也較高，導(dǎo)致IF鋼生產(chǎn)成本持高不下。酒鋼冷軋自投產(chǎn)以來一直采用鋁鎮(zhèn)靜鋼工藝來生產(chǎn)汽車用冷軋板，為了提高其沖壓性能，鋼中碳含量控制按照≤200×10?6控制，但是當(dāng)碳含量在100×10?6左右時(shí)，帶鋼伸長(zhǎng)率有明顯的降低。為進(jìn)一步提升汽車用冷軋板沖壓性能，本文設(shè)計(jì)了采用超低碳工藝來生產(chǎn)汽車用冷軋板，并研究了冷軋壓下率、退火溫度及平整量對(duì)超低碳鋼冷軋板性能及組織的影響。

試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料通過RH爐深脫碳冶煉，大幅度降低鋼中C含量水平，未進(jìn)行Nb、Ti合金化處理。冶煉中嚴(yán)格控制鋼中[O]≤40×10-6、[N]≤50×10-6，防止鋼中O含量過高引起夾雜物增多，及固溶N過高引起強(qiáng)度提升惡化鋼帶成形性能。試驗(yàn)材料冶煉化學(xué)成分見表1。

試驗(yàn)材料經(jīng)過CSP薄板坯熱連軋軋制成熱軋板，然后分別采用76%、80%、82%壓下率進(jìn)行冷軋；退火溫度按照690 ℃、710 ℃和730 ℃進(jìn)行全氫氣氛罩式爐退火；采用0.50%、0.70%的延伸率進(jìn)行平整工藝，冷軋階段各工序工藝參數(shù)見表2所示。

試驗(yàn)材料經(jīng)過冷軋、退火、平整后，取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)定屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、與軋制方向成90°的塑性應(yīng)變比r值及應(yīng)變硬化指數(shù)n值，通過JEOL5600LV掃描電子顯微鏡觀察冷軋成品鋼帶的顯微組織形貌。

表1　試驗(yàn)材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

表2　冷軋階段各工序工藝參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)材料經(jīng)過CSP熱軋、冷軋、退火及平整工序加工后，最終力學(xué)性能見表3所示。

冷軋壓下率對(duì)性能及組織的影響

在690℃退火和采用0.5%平整延伸率時(shí)，試驗(yàn)材料壓下率變化與力學(xué)性能、成型性能對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖1和圖2所示。從圖1可以看出，相同的退火溫度及平整延伸率下，試驗(yàn)材料隨壓下率的增大，材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸上升，呈線性關(guān)系。一般理解為，隨著冷軋壓下率的增大，晶粒在軋制過程中壓碎程度越來越大，冷軋后晶粒尺寸更為細(xì)小。屈服強(qiáng)度及晶粒尺寸間的關(guān)系符合霍爾-佩奇(Hall-Petch)方程：σ=σ0+kd-1/2，式中，σ為屈服強(qiáng)度，σ0極大單晶的屈服強(qiáng)度，k為變形系數(shù)，d為晶粒尺寸。晶粒尺寸減小，屈服強(qiáng)度增大，并且晶粒尺寸形貌在退火前后有一定的“遺傳性”。

表3　試驗(yàn)材料力學(xué)性能

圖1　壓下率變化與試驗(yàn)材料力學(xué)性能關(guān)系

圖2　壓下率變化與試驗(yàn)材料成型性能指標(biāo)關(guān)系

圖2是相同的退火溫度及平整延伸率下，試驗(yàn)材料隨著冷軋壓下率的增加，材料的主要成型指標(biāo)伸長(zhǎng)率與r90逐漸降低。有文獻(xiàn)指出[1]，過大的壓下量使有利于深沖性能的{111}織構(gòu)開始減少，而對(duì)深沖性能不利的{110}織構(gòu)增加；可見并不是冷軋壓下率越大越好，當(dāng)壓下率超過76%時(shí)，材料成型性能呈降低趨勢(shì)。

圖3　不同冷軋壓下率下試驗(yàn)材料組織形貌 (a) 冷軋壓下率76%；(b) 冷軋壓下率80%；(c) 冷軋壓下率82%

在690 ℃退火和采用0.5%平整延伸率時(shí)，試驗(yàn)材料的顯微組織見圖3。從退火后的顯微組織上可以看出，隨著冷軋壓下率的增加退火后晶粒尺寸呈減小趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著變形量的增加，組織中冷變形儲(chǔ)存能增大，再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力增加，再結(jié)晶更易發(fā)生，再結(jié)晶時(shí)其形核速率和晶粒長(zhǎng)大速度也增加。由于再結(jié)晶形核速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于晶粒的長(zhǎng)大速度[2]，再結(jié)晶形核速率相比晶粒長(zhǎng)大速度對(duì)退火時(shí)帶鋼晶粒度的影響更為顯著。冷軋后晶粒尺寸相對(duì)細(xì)小的晶粒在再結(jié)晶過程中經(jīng)歷回復(fù)、重新形核階段消耗的時(shí)間就短，這使尺寸細(xì)小的晶粒在退火過程中形核速率大于尺寸粗大的晶粒。在相同的退火溫度及再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力下，晶粒的長(zhǎng)大速度相同。退火過程中再結(jié)晶形核速率越高，對(duì)應(yīng)的晶粒越細(xì)小，帶鋼的強(qiáng)度指標(biāo)越高。

退火溫度對(duì)性能及組織的影響

從圖4和圖5，可以看出76%的冷軋壓下率及0.50%平整延伸率下，退火溫度逐漸升高，冷軋帶鋼屈服、抗拉強(qiáng)度均逐漸降低，但降幅不大。

試驗(yàn)材料在710 ℃的退火溫度時(shí)，伸長(zhǎng)率指標(biāo)達(dá)到最佳，但是隨著退火溫度進(jìn)一步升高，伸長(zhǎng)率指標(biāo)沒有繼續(xù)提升。但是r90隨著退火溫度的提高，逐漸提高。

圖6是76%的冷軋壓下率及0.50%平整延伸率下，不同退火溫度后的微觀組織相貌?？梢钥闯觯?90 ℃退火溫度下晶粒尺寸明顯小于后兩者，晶粒的均勻性也差于后兩者。這是因?yàn)殡S著退火溫度升高，加熱速率增大，再結(jié)晶動(dòng)力增加，晶粒的長(zhǎng)大速度加快，同時(shí)晶粒長(zhǎng)大克服微觀阻礙的能力也增加。當(dāng)晶粒的均勻性較差時(shí)，延伸率也會(huì)隨之降低。

圖4　退火溫度與試驗(yàn)材料力學(xué)性能關(guān)系

圖5　退火溫度與試驗(yàn)材料成型性能指標(biāo)關(guān)系

退火溫度達(dá)到710 ℃時(shí)，小尺寸晶粒分布較少，晶粒均勻性較好，晶粒形貌基本呈等軸晶，再結(jié)晶退火過程比較完全。

當(dāng)退火溫度達(dá)到730 ℃時(shí)，晶粒的均勻性基本維持不變，這是因?yàn)楫?dāng)退火溫度不斷的提升，其加熱速率逐漸降低，晶粒長(zhǎng)大速度減緩，并且均勻長(zhǎng)大，同時(shí)有利于沖壓性能的{111}織構(gòu)所占組分基本維持不變，塑性應(yīng)變比r值也達(dá)到一個(gè)較高的穩(wěn)定值，即便退火溫度繼續(xù)提高，r值增加的幅度也不大。退火溫度的提高大幅度增加了退火時(shí)間，在酒鋼全氫罩式爐退火過程中，退火溫度每增加20 ℃退火周期增加3.5~4h，生產(chǎn)成本也增加20元/t，罩式爐機(jī)時(shí)產(chǎn)量及退火效率降低。

圖6　不同退火溫度下試驗(yàn)材料組織形貌 (a) 690℃退火；(b) 710℃退火；(c) 730℃退火

平整延伸率對(duì)性能及組織的影響

從表3中可以看出0.50%的平整延伸率下有較低的屈服強(qiáng)度及較高的伸長(zhǎng)率，當(dāng)平整機(jī)延伸率達(dá)到0.7%時(shí)，試驗(yàn)材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高，但材料伸長(zhǎng)率降低，不利于帶鋼的沖壓性能。這是因?yàn)槲唇?jīng)平整處理的退火板中柯式氣團(tuán)的數(shù)量與鋼板本身固溶C含量有關(guān)[3]，超低碳鋼中較低固溶C含量需要較小的平整延伸率就能消除屈服點(diǎn)延伸現(xiàn)象，此外由于C含量較低，間隙固溶C、N原子對(duì)位錯(cuò)的釘扎也小，較小的平整變形量足以使位錯(cuò)脫離間隙原子團(tuán)，相反平整延伸率增大時(shí)產(chǎn)生的附加位錯(cuò)又會(huì)導(dǎo)致帶鋼強(qiáng)度的升高，延伸率降低。

結(jié)論

(1) 690 ℃退火和采用0.5%平整延伸率時(shí)，隨著冷軋壓下率增大，試驗(yàn)材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度增加，材料伸長(zhǎng)率和r90逐漸下降，試驗(yàn)材料的晶粒尺寸逐漸減小。

(2) 采用76%的冷軋壓下率和0.50%平整延伸率，隨退火溫度逐漸升高，試驗(yàn)材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均逐漸降低，伸長(zhǎng)率和r90逐漸增大。710 ℃退火時(shí)，試驗(yàn)材料晶粒大小分布均勻，晶粒形貌基本呈等軸晶。

(3) 平整機(jī)延伸率控制達(dá)到0.5%，即可消除試驗(yàn)材料屈服平臺(tái)，試驗(yàn)材料具有良好的力學(xué)性能和成型性能；平整機(jī)延伸率控制繼續(xù)增大，會(huì)惡化試驗(yàn)材料性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 李濤，金自力. 冷軋及退火工藝對(duì)包鋼CSP薄板織構(gòu)演變的影響. 包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào), 2005, 24(3): 258-262

[2] 毛衛(wèi)民，趙新兵. 金屬的在結(jié)晶與長(zhǎng)大. 北京：冶金工業(yè)出版社, 1994

[3] 崔巖, 胡吟萍, 王瑞珍, 等. 平整和自然時(shí)效對(duì)超低碳烘烤硬化鋼板性能的影響. 特殊鋼, 2010, 31(4): 49

作者簡(jiǎn)介：羅曉陽(yáng)(1986—)，男，陜西寶雞人，助理工程師?，F(xiàn)從事冷軋新產(chǎn)品研發(fā)工作。

DOI:10.3969/j.issn.1000－6826.2015.04.17