340 MPa級(jí)冷軋低合金高強(qiáng)鋼的罩式退火工藝

供稿|康華偉 /

內(nèi)容導(dǎo)讀

冷軋罩式退火屬于再結(jié)晶退火工藝，退火工藝參數(shù)的變化對再結(jié)晶織構(gòu)的演變和消除冷變形造成的晶體缺陷起著關(guān)鍵的作用，直接影響最終組織、綜合力學(xué)性能以及焊接性能。本文研究了不同罩式退火生產(chǎn)工藝對340 MPa級(jí)的冷軋低合金高強(qiáng)鋼性能和組織的影響，通過分析單片試樣的退火性能為整個(gè)鋼卷的罩式退火工業(yè)化生產(chǎn)提供參考依據(jù)。優(yōu)化并確定了HC340LA工業(yè)生產(chǎn)的罩式退火工藝參數(shù)，工業(yè)試制的整卷HC340LA屈服強(qiáng)度達(dá)352 MPa以上，抗拉強(qiáng)度達(dá)431 MPa以上，延伸率A50達(dá)31%以上，得到了汽車生產(chǎn)廠商的認(rèn)可與推廣應(yīng)用。

目前國內(nèi)大部分鋼鐵廠采用連續(xù)退火線生產(chǎn)340 MPa級(jí)的冷軋低合金高強(qiáng)鋼，但是冷軋后采用罩式退火工藝進(jìn)行生產(chǎn)的較少。本文重點(diǎn)研究不同罩式退火生產(chǎn)工藝對340 MPa級(jí)的冷軋低合金高強(qiáng)鋼性能和組織的影響，通過分析單片試樣的退火性能為整個(gè)鋼卷的罩式退火工業(yè)化生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

冷軋罩式退火屬于再結(jié)晶退火工藝，退火過程中組織變化包括回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大三個(gè)過程，為了得到較好的綜合力學(xué)性能，探索合適的退火工藝顯得尤其重要。罩式退火工藝參數(shù)變化對再結(jié)晶織構(gòu)的演變和消除冷變形造成的晶體缺陷起著關(guān)鍵的作用，直接影響最終的組織以及成型焊接性能。

實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用的HC340LA主要化學(xué)成分見表1。

選取同一爐中具有代表性的三支HC340LA連鑄坯，熱軋至厚度分別為3.5、3.75、4.0 mm，酸洗后冷軋至1.0、1.5、1.8 mm，冷軋總壓下率分別為71.4%、60%、55%。冷軋后的冷硬卷力學(xué)性能見表2。

冷軋后的冷硬卷金相組織見圖1。從圖中可看出，冷硬態(tài)的金相都是纖維狀組織，說明冷軋軋制充分，晶粒全部破碎。

表1 HC340LA的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 HC340LA冷硬卷的力學(xué)性能

實(shí)驗(yàn)方案

通過截取單片冷硬卷試樣，放置在罩式退火爐中隨卷退火，退火后進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)與金相組織觀察。對比不同冷軋壓下率、不同厚度規(guī)格的HC340LA在采取不同的罩式退火工藝后的力學(xué)性能與金相組織。

具體方案：對冷軋厚度為1.0、1.5和1.8 mm的HC340LA冷硬鋼卷，在每支鋼卷的中間部位各取4塊試樣，試樣尺寸為400 mm×150 mm×冷軋板厚，將每組試樣(3個(gè)不同厚度)分別放置在4個(gè)罩式退火爐的對流板上，分別采取工藝1～工藝4進(jìn)行工業(yè)化實(shí)驗(yàn)，退火工藝參數(shù)見表3。

圖1 不同厚度的冷軋HC340LA冷硬卷的金相組織：(a) 1.0 mm；(b) 1.5 mm；(c) 1.8 mm

表3 HC340LA的4種罩式退火工藝方案工藝參數(shù)對比

結(jié)果分析

不同厚度規(guī)格下的HC340LA試樣分別進(jìn)行4種不同罩式退火工藝方案實(shí)驗(yàn)，并對HC340LA試樣進(jìn)行拉伸測試，其力學(xué)性能見表4。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)，對不同罩式退火工藝方案下的試樣力學(xué)性能與厚度規(guī)格間的關(guān)系繪制成折線圖，如圖2所示。

從圖2(a)與(b)可以看出，隨著厚度的減薄，即冷軋總壓下率的增加，屈服強(qiáng)度呈上升趨勢。冷軋壓下量對再結(jié)晶的開始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間都影響較大，隨著壓下量的增加，再結(jié)晶開始時(shí)間提前，持續(xù)時(shí)間變短[1]。因?yàn)殡S著冷軋壓下率的增大，晶粒拉長使晶界面增加、晶格畸變程度增大，變形晶格間儲(chǔ)存的能量增大，晶格間及晶界上的變形缺陷增多，而再結(jié)晶退火時(shí)，晶粒首先在晶界缺陷和晶格畸變點(diǎn)處形核，從而使形核點(diǎn)增多，因而在相同的退火工藝條件下，冷軋壓下率越大，其晶粒尺寸越小，由Hall-Petch公式得出其強(qiáng)度值也越大。同時(shí)通過對退火工藝1～工藝4的對比，隨著退火溫度的升高或保溫時(shí)間的延長，相同厚度規(guī)格鋼的晶粒尺寸明顯增大，原因主要是隨著溫度升高，晶粒長大速率增大，從而導(dǎo)致強(qiáng)度下降。。

表4 不同罩式退火工藝方案HC340LA退火卷的力學(xué)性能

圖2 不同罩式退火工藝方案下HC340LA退火卷的力學(xué)性能

從圖2(c)可以看出，隨著厚度的減薄，即冷軋總壓下率的增加，延伸率呈下降趨勢。分析造成延伸率下降的主要影響因素有：一是軋制壓下率增大，晶格扭曲變形大，在退火時(shí)形核點(diǎn)增多，晶粒尺寸小，C、N原子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)距離小，碳化物和AlN顆粒長大容易；二是隨著規(guī)格的減薄，同樣大小的碳化物和AlN顆粒對薄規(guī)格基體的隔斷更加顯著，更容易在表面形成裂紋缺陷，所以整體延伸率偏小。另外，在退火升溫階段，由于鋼中碳原子的活躍運(yùn)動(dòng)和在鐵素體的溶解度增大，使碳化物處于溶解狀態(tài)，加熱溫度越高，碳化物溶解越多，當(dāng)退火溫度低于A3點(diǎn)時(shí)，碳化物顆粒得不到溶解，形成未溶“孤島”[2]；在退火冷卻階段，碳原子在鐵素體中的溶解度降低，碳原子的運(yùn)動(dòng)，使碳化物進(jìn)一步長大且易呈網(wǎng)狀，從而影響了集體的塑性，導(dǎo)致延伸率降低。

工業(yè)試制

根據(jù)罩式退火試制的單片試樣性能確定HC340LA整卷工業(yè)試制的罩式退火工藝。由于單片試樣是放置在罩式退火爐內(nèi)鋼卷間的對流板間隙處，此區(qū)域的加熱與冷卻傳導(dǎo)速度均最快，相對大鋼卷而言，相當(dāng)于加熱段升溫時(shí)間短，保溫時(shí)間長。因此，HC340LA整卷工業(yè)試制的罩式退火工藝優(yōu)化為：(1)加熱保溫時(shí)間仍為680 ℃，通過實(shí)驗(yàn)得出此溫度下已完成了再結(jié)晶；(2)保溫時(shí)間除正常8 h的保溫段外，再增設(shè)了一個(gè)帶加熱罩緩慢冷卻的1.5 h時(shí)間段，此時(shí)間段不僅增加了在高溫段的停留時(shí)間，有助于粗細(xì)晶粒的進(jìn)一步均勻化，而且此溫度段的緩冷也有助于帶鋼內(nèi)應(yīng)力的有效釋放，對退火后帶鋼的板形質(zhì)量有良好的提升效果[3]。HC340LA工業(yè)試制的罩式退火工藝見表5。

通過進(jìn)行三個(gè)不同厚度規(guī)格下的HC340LA鋼卷罩式退火工業(yè)試制，退火后鋼卷的力學(xué)性能見表6。

罩式退火后的退火卷金相組織見圖3。從圖中可以看出，退火態(tài)的金相組織晶粒都呈等軸晶狀，說明退火過程已完全再結(jié)晶，相組成為鐵素體和極少量彌散分布的細(xì)小珠光體，晶粒度約為10級(jí)左右。

結(jié)束語

通過HC340LA冷軋低合金高強(qiáng)鋼的單片試樣罩式退火工藝實(shí)驗(yàn)，摸索出了HC340LA的罩式退火工藝窗口，同時(shí)結(jié)合單片試樣與整支鋼卷在罩式退火爐內(nèi)的特點(diǎn)，優(yōu)化制定了HC340LA工業(yè)生產(chǎn)的罩式退火工藝。工業(yè)試制整卷HC340LA的力學(xué)性能測試表明，HC340LA的屈服強(qiáng)度達(dá)到352 MPa以上，抗拉強(qiáng)度達(dá)到431 MPa以上，延伸率A50達(dá)到31%以上，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求且有較大富余量，得到了汽車生產(chǎn)廠商的認(rèn)可和推廣應(yīng)用，可有效促進(jìn)冷軋產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)調(diào)整。

表5 HC340LA整卷工業(yè)試制的罩式退火工藝

表6 工業(yè)試制的HC340LA退火卷的力學(xué)性能

圖3 工業(yè)試制的HC340LA冷硬卷的金相組織：(a) 1.0 mm；(b) 1.5 mm；(c) 1.8 mm

【光的魅力】陳躍先 攝