一種先進(jìn)高強(qiáng)鋼熱軋卷取后相變規(guī)律研究

鐘 勇

(1.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999;2.汽車用鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(寶鋼),上海 201999)

1 概述

先進(jìn)高強(qiáng)鋼(Advanced High-Strength Steels,AHSS)是指在鋼材中引入馬氏體、貝氏體、奧氏體等高強(qiáng)度相,利用這些高強(qiáng)相的強(qiáng)化作用,實(shí)現(xiàn)低成本合金設(shè)計(jì)條件下的高強(qiáng)高韌的一類交通用輕量化鋼鐵材料[1]。受到環(huán)保壓力,AHSS在汽車車身上的使用量增長(zhǎng)很快,以滿足越來越嚴(yán)格的輕量化需求[2-3]。以寶鋼開發(fā)的一種AHSS超高強(qiáng)度耐候鋼為例,該鋼主要用于集裝箱生產(chǎn),為馬氏體鋼,采用C-Si-Mn-Cr-Cu成分設(shè)計(jì),除保證耐候性必需的Cr、Cu外,不添加其他昂貴的合金元素,是一種低成本、高性能的新型陸運(yùn)集裝箱用鋼。該鋼屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)≥700 MPa,顯著高于原使用的400 MPa和500 MPa級(jí)別產(chǎn)品,可將集裝箱面板原設(shè)計(jì)厚度1.6 mm減薄至1.1～1.2 mm,有效實(shí)現(xiàn)了材料的減量化使用。使用該鋼的53呎(1呎=0.3048 m)陸運(yùn)集裝箱可實(shí)現(xiàn)減重2～3 t。

超高強(qiáng)度耐候鋼在生產(chǎn)中存在的重要難點(diǎn)之一是易發(fā)生熱卷扁卷問題。熱卷扁卷是帶鋼生產(chǎn)中發(fā)生的一種制造缺陷,表現(xiàn)為整個(gè)熱軋鋼卷截面由卷取結(jié)束時(shí)的正圓形自發(fā)變形為橢圓形[4],見圖1。這種變形會(huì)導(dǎo)致熱卷無(wú)法進(jìn)入后續(xù)的冷軋退火工序。扁卷程度以鋼卷內(nèi)圈水平和垂直兩個(gè)方向上的直徑之差ΔD來表征,一般認(rèn)為ΔD≥40 mm即為扁卷。即使在扁卷程度不太嚴(yán)重時(shí),部分鋼卷能夠進(jìn)入酸洗冷軋工序,也經(jīng)常會(huì)因?yàn)樾螤畈灰?guī)整而造成機(jī)架振動(dòng)過大或者軋制力波動(dòng)過大,嚴(yán)重影響工廠的生產(chǎn)效率和成本。

圖1 鋼卷扁卷以及卷徑差的測(cè)量

影響扁卷的因素較多,以往工程上一般著重從力學(xué)方面分析,認(rèn)為鋼卷內(nèi)部應(yīng)力分布、卷取張力、帶鋼厚度等是扁卷的主要影響因素。常用的解決辦法是立式運(yùn)輸、降低卷取溫度以提高卷取時(shí)帶鋼的強(qiáng)度、對(duì)卷取后的鋼卷噴水冷卻、加大卷取張力、使用卷芯支撐芯筒等。但是這些方法對(duì)于現(xiàn)有的AHSS扁卷問題解決效果有限,且易導(dǎo)致卷取負(fù)荷過大、鋼卷內(nèi)外圈性能不均、卷取時(shí)鋼帶跑偏等嚴(yán)重問題。支撐芯筒也存在效率低、可靠性低、實(shí)際操作難度大等問題。影響AHSS扁卷的另一大因素是溫度變化導(dǎo)致的鋼卷相變膨脹。大多數(shù)情況下,帶鋼均是在奧氏體區(qū)進(jìn)行熱軋,若開始卷取時(shí),鋼卷內(nèi)仍有殘余奧氏體,則熱軋卷在冷卻過程中會(huì)發(fā)生相變。受卷形影響,熱軋卷不同區(qū)域之間溫差異較大[5],而鋼卷冷點(diǎn)(外圈)與熱點(diǎn)(距內(nèi)圈1/3處)最大溫差可達(dá)到近300 K[6-7]。這種鋼卷內(nèi)部溫差異會(huì)導(dǎo)致鋼卷內(nèi)部相變種類和速度的不均勻分布,特別是對(duì)于相變速度快而且相變膨脹量較大的貝氏體/馬氏體相變[8],這種不均勻相變會(huì)導(dǎo)致各部位相變膨脹不同步,使得層間摩擦力被破壞,最終發(fā)生扁卷。

為闡明超高強(qiáng)度耐候鋼卷取后相變規(guī)律及影響因素、制訂扁卷控制措施,有必要對(duì)產(chǎn)品卷取后相變規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究,以掌握超高強(qiáng)度耐候鋼在卷取后的相變及膨脹行為,從而為解決相關(guān)產(chǎn)品熱卷扁卷問題提出有效方案。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為超高強(qiáng)度耐候鋼大生產(chǎn)成品鋼板,厚度1.2 mm。制造流程為煉鋼—連鑄—熱軋—冷軋—連退。材料成分見表1。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT)和等溫轉(zhuǎn)變曲線(TTT)計(jì)算

采用英國(guó)Sente Software公司開發(fā)的JMatPro V9.1材料性能模擬軟件,計(jì)算超高強(qiáng)度耐候鋼的CCT和TTT曲線。計(jì)算初始條件為:加熱溫度900 ℃,材料成分采用表1數(shù)據(jù),初始晶粒度為20 μm。對(duì)于卷取后相變計(jì)算,采用JMatPro的Quenching property功能,complex profile曲線,初始溫度為880 ℃,以50 K/s冷卻至卷取溫度,再以10 K/min緩冷至300 ℃,計(jì)算模擬卷取過程中的各相比例變化規(guī)律。

表1 試驗(yàn)用鋼的主要化學(xué)成分

2.2.2 CCT曲線測(cè)定

成品加工成10 mm×3 mm×1.2 mm熱膨脹樣品,試驗(yàn)裝置為Fujisu Electric Industrial Co.,Ltd.制造的Formastor-FII型熱膨脹儀。樣品以5 K/s升溫速率加熱到900 ℃后,保溫300 s,分別以1、2、5、10、20、50、100、150K/s的冷卻速度冷卻至100 ℃以下,測(cè)量連續(xù)冷卻過程中的樣品膨脹曲線,以測(cè)定材料的CCT曲線。

2.2.3 模擬卷取后相變熱膨脹試驗(yàn)

成品加工成10 mm×3 mm×1.2 mm熱膨脹樣品,試驗(yàn)裝置為Fujisu Electric Industrial Co.,Ltd.制造的Formastor-FII型熱膨脹儀。樣品以5 K/s升溫速率加熱到900 ℃后,保溫300 s,分別以20和50 K/s冷卻速度冷卻到不同卷曲溫度(500、550、600、650、700、725、750、800 ℃),再以10 K/min緩冷至300 ℃,測(cè)量連續(xù)冷卻過程中的樣品膨脹曲線,以模擬材料在卷取過程中的相變及膨脹行為。相變時(shí)間定義為試樣從開始膨脹至達(dá)到95%最大膨脹量所經(jīng)歷的時(shí)間,膨脹量定義為膨脹曲線上最大值和最小值之間的差值。

2.2.4 金相觀察

不同試驗(yàn)條件下的樣板,切取20 mm×15 mm尺寸樣品,經(jīng)研磨、拋光和4%硝酸酒精溶液侵蝕后,用Leica DM600M型金相顯微鏡對(duì)四種材料在不同熱處理工藝下的微觀組織形貌進(jìn)行觀察和表征。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

超高強(qiáng)度耐候鋼的實(shí)測(cè)CCT、計(jì)算CCT和TTT曲線見圖2。比較圖2(a)和(b)可以看出計(jì)算CCT與實(shí)測(cè)CCT吻合度較好,表明計(jì)算的精確度滿足研究要求。從CCT可以看出,超高強(qiáng)度耐候鋼冷卻過程的A3為825.3 ℃,因此在常規(guī)熱軋終軋溫度880 ℃下,材料將保持全奧氏體狀態(tài),不會(huì)發(fā)生任何相變。在終軋后的層流冷卻過程中,鋼帶溫度將從880 ℃冷卻至卷取溫度。按照層流冷卻模式的不同,冷卻速度一般為20～50 K/s。按照CCT曲線,在層流冷卻過程中會(huì)依次發(fā)生鐵素體—珠光體相變和貝氏體相變。超高強(qiáng)度耐候鋼的馬氏體相變開始點(diǎn)低于400 ℃,因此在實(shí)際生產(chǎn)中一般不會(huì)發(fā)生卷取前馬氏體相變。如果把卷取后鋼卷的冷卻近似看做等溫過程,那么按照TTT曲線,卷取溫度大于550 ℃時(shí),卷取后主要發(fā)生的是鐵素體—珠光體相變;卷取溫度小于550 ℃時(shí),卷取后發(fā)生的主要是貝氏體相變。隨著卷取溫度的降低,相變完成所需時(shí)間縮短?？傮w上鐵素體—珠光體相變所需時(shí)間顯著大于貝氏體相變。在不同相變溫度下,鐵素體—珠光體等溫相變時(shí)間從100 s至10 000 s,貝氏體相變時(shí)間則小于50 s。

圖2 超高強(qiáng)度耐候鋼的CCT和TTT曲線(JmatPro計(jì)算)

熱膨脹曲線結(jié)果表明,所有的模擬卷取工藝下樣品中都發(fā)生了相變,并伴隨著明顯的體積膨脹,如圖3所示。隨著模擬卷取溫度的升高,相變完成所需的時(shí)間增加,表現(xiàn)在隨著卷取溫度提高,相變膨脹平臺(tái)變長(zhǎng)。當(dāng)卷取溫度在800 ℃時(shí),由于是在奧氏體—鐵素體兩相區(qū),相變過程較為緩慢,表現(xiàn)在試樣的熱膨脹曲線變化也比較平緩。隨卷取溫度下降,相變膨脹速度顯著增加,熱膨脹曲線變得更加陡峭。

圖3 不同卷取溫度下樣品的熱膨脹曲線

相變時(shí)間與相變膨脹量隨卷取溫度的變化規(guī)律見圖4。卷取溫度低于650 ℃時(shí),大部分樣品相變過程都比較劇烈,會(huì)形成陡峭的膨脹曲線。盡管在550 ℃以上卷取時(shí),材料中主要發(fā)生的是鐵素體—珠光體相變,其相變完成時(shí)間仍然隨卷取溫度的下降顯著縮短。相變膨脹量隨卷取溫度的上升先上升后下降,在650 ℃左右有一個(gè)峰值,這是因?yàn)榈蜏鼐砣r(shí),在卷取前的冷卻過程中已經(jīng)發(fā)生了一部分相變,從而降低了卷取后相變的體積分?jǐn)?shù),導(dǎo)致了卷取后相變膨脹量的下降。在高溫卷取時(shí),由于相變時(shí)間顯著延長(zhǎng),可達(dá)200～1 000 s,模擬卷取的又是一個(gè)緩慢冷卻的過程,因此部分相變膨脹量與冷卻造成的體積收縮發(fā)生抵消,導(dǎo)致表觀上測(cè)量到的試樣膨脹量降低。當(dāng)卷取溫度為700 ℃時(shí),相變時(shí)間為200 s左右,最終組織為鐵素體+珠光體;卷區(qū)溫度為600 ℃時(shí),相變時(shí)間為70 s,最終組織為鐵素體+珠光體,珠光體比例較700 ℃更大;500 ℃卷取時(shí),相變時(shí)間小于20 s,最終組織為少量鐵素體+貝氏體。對(duì)比50 K/s和20 K/s這兩個(gè)卷取前冷卻速度下的卷取后相變行為,表明卷取前冷卻速度對(duì)于卷取后相變速率的影響不顯著。但是低卷取前冷卻速度下,中低卷取溫度的相變膨脹量會(huì)明顯降低。這可能是因?yàn)榫砣∏暗牡屠鋮s速度導(dǎo)致發(fā)生了明顯的卷取前相變,從而減少了卷取后材料中的奧氏體含量。卷取溫度700、600和500 ℃時(shí)的最終組織計(jì)算結(jié)果和金相觀察見圖5。

圖4 相變時(shí)間與相變膨脹量隨卷取溫度的變化規(guī)律

圖5 不同卷取溫度鋼板相比例及金相

根據(jù)這些試驗(yàn)結(jié)果,可以推測(cè)扁卷的主要原因是卷取前的快冷抑制了鋼卷的鐵素體轉(zhuǎn)變,卷取后的鋼卷處于超高強(qiáng)度耐候鋼的鐵素體快速相變區(qū)或貝氏體相變區(qū)。超高強(qiáng)度耐候鋼的卷取溫度一般為550～650 ℃,在此溫度區(qū)間內(nèi),鐵素體或貝氏體相變的速度都很快,基本在100 s以內(nèi)都可以完成大部分相變,相變導(dǎo)致鋼卷發(fā)生膨脹、松卷,之后鋼卷在自重作用下發(fā)生塌陷。由于鋼卷整體的溫度分布和相變進(jìn)程并不均勻,因此快速的相變導(dǎo)致鋼卷來不及協(xié)調(diào)由膨脹帶來的尺寸變化,從而造成扁卷。高溫下鐵素體相變的膨脹則要平緩得多,整個(gè)鋼卷的尺寸變化較為緩慢,加上鋼卷不同部位的相變進(jìn)程不同,因此可以通過不同部分的變形協(xié)調(diào)緩解松卷,以避免扁卷問題。

4 扁卷改善技術(shù)方案及實(shí)施效果

基于以上試驗(yàn)結(jié)果及分析,制定了兩種思路的改進(jìn)方案。

方案1:減少卸卷后相變。根據(jù)前述試驗(yàn)結(jié)果,降低鋼卷的卷取溫度,盡量增加卷取前相變程度,使得卷取后相變量盡量減少。卷取溫度采用550 ℃,卷取后鋼卷在卷筒上停留一定時(shí)間(0、10、15、30、40 s)后再取下,使相變進(jìn)一步完成。這樣絕大部分相變膨脹可以在卸卷前完成,從而顯著改善扁卷問題。

方案2:降低卷取后相變劇烈程度。高溫(>700 ℃)卷取,使得鋼卷在卷取后發(fā)生較為平緩的鐵素體相變,從而改善扁卷問題。

大生產(chǎn)試驗(yàn)了93卷鋼卷,其中采用方案1的79卷,方案2的3卷,方案3(常規(guī)650 ℃卷取、無(wú)卷筒停留)工藝的11卷。鋼卷厚度3.0 mm的83卷,2.8 mm的10卷。最終結(jié)果見表2。

表2 扁卷措施大生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果匯總

方案3(常規(guī)工藝)的11卷發(fā)生9卷扁卷,扁卷發(fā)生率近90%。方案2全部未發(fā)生扁卷,表明高溫卷取可有效防止扁卷。方案1發(fā)生扁卷的7卷,其中3.0 mm的3卷,2.8 mm的4卷。發(fā)生扁卷的3卷3.0 mm鋼卷都沒有采用卷筒停留;4卷2.8 mm鋼卷中,1卷沒有采用卷筒停留,3卷停留時(shí)間少于30 s。發(fā)生扁卷的鋼卷數(shù)量不到總數(shù)的10%,與不采用措施的近90%扁卷發(fā)生率相比,設(shè)定的方案有效改善了扁卷問題。卷筒停留時(shí)間是保持鋼卷卷形的關(guān)鍵因素。試驗(yàn)結(jié)果表明,鋼板厚度對(duì)于扁卷也有重要影響,增加板厚可減小鋼帶長(zhǎng)度,因此可以減少相變膨脹帶來的長(zhǎng)度變化,以改善鋼卷的扁卷問題。而且板厚增加,鋼帶的剛性增加,對(duì)鋼卷抵御坍塌也有一定的作用。對(duì)于3.0 mm的鋼卷,發(fā)生了扁卷的11個(gè)鋼卷都沒有采用卷筒停留;而對(duì)于2.8 mm的鋼卷,需要的卷筒停留時(shí)間明顯長(zhǎng)于3.0 mm鋼卷。方案1中試驗(yàn)的9卷2.8 mm鋼卷,其中停留0～25 s的4卷,鋼卷內(nèi)徑差都在40 mm以上;停留30～40 s的鋼卷5卷,鋼卷內(nèi)徑差都小于10 mm。3.0 mm和2.8 mm鋼卷的卷徑與卷筒停留時(shí)間的具體結(jié)果如圖6。

圖6 卷筒停留時(shí)間對(duì)2.8 mm鋼卷內(nèi)卷徑差的影響

這次試驗(yàn)較好驗(yàn)證了卷筒停留的作用。熱膨脹試驗(yàn)結(jié)果表明,在貝氏體相變區(qū)間,超高強(qiáng)度耐候鋼的大部分相變膨脹可以在30 s之內(nèi)完成。而這次的熱軋?jiān)囼?yàn)也證明,對(duì)于2.8 mm鋼卷,30 s是是否發(fā)生扁卷的臨界卷筒停留時(shí)間。這個(gè)結(jié)果與先前的熱膨脹結(jié)果是一致的。這也證實(shí)了前面關(guān)于扁卷原因的推測(cè),即超高強(qiáng)度耐候鋼的扁卷是由于在快速相變區(qū)卷取時(shí)發(fā)生的相變膨脹導(dǎo)致。該措施還可應(yīng)用于具有相似材料設(shè)計(jì)和相變行為的其他先進(jìn)高強(qiáng)鋼,如雙相鋼、馬氏體鋼等。

5 結(jié)論

以一種馬氏體型超高強(qiáng)度耐候鋼為試驗(yàn)材料,研究了不同卷取溫度對(duì)材料卷取后相變行為的影響規(guī)律,并以此為指導(dǎo)進(jìn)行了相關(guān)產(chǎn)品扁卷解決方案的制訂和大生產(chǎn)驗(yàn)證,獲得結(jié)論如下:

(1)超高強(qiáng)度耐候鋼的熱卷卷取溫度處于材料快速相變區(qū),卷取后鋼卷中會(huì)發(fā)生快速鐵素體—珠光體相變或貝氏體相,導(dǎo)致材料發(fā)生明顯膨脹,可能是這類鋼種熱卷扁卷的重要原因。

(2)材料卷取溫度是卷取后相變行為的關(guān)鍵影響因素。隨卷取溫度降低,材料的卷取后相變速度顯著提升,而且相變類型從高溫的珠光體相變逐漸變?yōu)橹袦刎愂象w相變。卷取后相變的表觀膨脹量隨卷取溫度下降,呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),膨脹量峰值出現(xiàn)在約650 ℃。

(3)卷取前冷卻速度對(duì)于材料卷取后相變速度的影響不顯著,但是低冷卻速度會(huì)降低材料中低溫卷取后相變膨脹量。這可能是因?yàn)榈屠鋮s速度下,在卷取前的冷卻過程中已經(jīng)發(fā)生了一部分相變。

(4)卷取溫度低于600 ℃或者高于700 ℃都有利于降低扁卷發(fā)生率。對(duì)于本文中的超高強(qiáng)度耐候鋼,采用低卷取溫度≤600 ℃,并實(shí)施卷筒停留30～40 s,可有效改善扁卷問題。