罩式退火和連續(xù)退火對(duì)鐵素體不銹鋼織構(gòu)和起皺性能的影響

杜 偉,余海峰

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

起皺是鐵素體不銹鋼在成形過程中應(yīng)變量較大時(shí)產(chǎn)生的一種表面缺陷,這種缺陷發(fā)生在平行于板的軋制方向,表現(xiàn)為狹窄凸起條紋,即表面皺折?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為起皺[1-4]是由于與鋼板的軋制方向平行延伸的、結(jié)晶方位近的晶粒群的塑性變形不同而產(chǎn)生的,也可以說是由混合織構(gòu)的各向異性塑性流動(dòng)引起的。這個(gè)聚集組織被認(rèn)為是起因于凝固柱狀晶在熱軋板上形成條狀組織,殘留于冷軋退火板上而產(chǎn)生的。因此,有效地抑制起皺的產(chǎn)生,就要分割此條狀組織,抑制冷軋退火板上聚集組織的形成。

熱軋?zhí)幱谡麄€(gè)鐵素體不銹鋼冶金工藝的中間環(huán)節(jié),具有承上啟下的作用。因此,國(guó)內(nèi)外冶金工作者[5-6]詳細(xì)研究了熱軋制度對(duì)常規(guī)SUS430不銹鋼起皺的影響,并得出了一些卓有成效的結(jié)果,包括:降低板坯加熱溫度、增加粗軋道次間隔時(shí)間、增大后道次壓下率以促進(jìn)γ/α的相變過程,在雙相區(qū)反復(fù)熱處理并快速冷卻促進(jìn)γ→M相變。以上熱軋及熱處理制度是基于SUS430不銹鋼高溫時(shí)具有的雙相特征,并充分利用了有限相變,顯著改善了SUS430不銹鋼的抗起皺性能。而對(duì)于在超低碳中鉻鐵素體不銹鋼,整個(gè)熱軋區(qū)間無任何相變,通過相變改善起皺性能的路徑不通,通過熱軋改善抗起皺性能的主要方法包括低溫抽鋼、增大精軋壓下率、降低終軋溫度等,這些措施可以顯著增大平面變形,細(xì)化晶粒,進(jìn)而獲取低的起皺高度[7-8]。

本文以現(xiàn)場(chǎng)熱軋的超低碳中鉻鐵素體不銹鋼為基礎(chǔ),實(shí)驗(yàn)室模擬不同的熱處理工藝(模擬罩式爐退火和連續(xù)退火),詳細(xì)研究了不同退火方式對(duì)其微觀組織、織構(gòu)演化以及起皺性能的影響。

1 試驗(yàn)材料和方案

試驗(yàn)材料選用寶鋼生產(chǎn)的超低碳鐵素體不銹鋼熱軋板料,化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為:C 0.01,N 0.01,Si 0.4,Mn 0.3,Cr 16.5,Ti 0.13,Nb 0.15,Fe余量。為了詳細(xì)研究熱軋退火工藝對(duì)最終性能的影響,設(shè)計(jì)了三種工藝制度:熱軋不退火直接冷軋、模擬罩式退火和模擬連續(xù)退火。模擬罩式退火:隨爐升溫到850 ℃保溫5 h,然后隨爐冷卻到室溫；模擬連續(xù)退火:箱式爐加熱到960 ℃,放入熱軋板保溫5 min,空冷到室溫。退火完畢后用噴丸機(jī)去除表面的氧化鐵皮,然后將3塊試驗(yàn)鋼板進(jìn)行冷軋,冷軋?jiān)趲埩Φ乃妮伩赡媸嚼滠垯C(jī)上進(jìn)行,經(jīng)九道次冷軋至0.7 mm,冷軋總壓下率為80%,最后將不同退火工藝后的冷軋板在950 ℃下再結(jié)晶退火2 min,空冷到室溫。

微觀織構(gòu)檢測(cè):將試樣經(jīng)1 200#砂紙打磨,經(jīng)8%的高氯酸酒精溶液進(jìn)行電解拋光以去掉表面的變形層,然后使用安裝在SEM上的EBSD系統(tǒng)對(duì)試樣的縱截面進(jìn)行分析。

起皺檢測(cè):對(duì)冷軋退火板沿著軋制方向進(jìn)行15%的預(yù)拉伸,而后測(cè)量其起皺高度。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 微觀織構(gòu)分析

為了研究不同的熱軋退火組織對(duì)最終成品板的影響,通過EBSD詳細(xì)分析了整個(gè)冶金工藝過程中顯微組織在厚度方向上的梯度分布及其演化規(guī)律。圖1所示為熱軋后的組織成像圖以及不同部位的φ2=45°的ODF截面圖。試樣的表層到中心層,顯微組織由細(xì)小等軸晶向扁平晶粒逐漸轉(zhuǎn)變,延伸到中心層則為拉長(zhǎng)的變形帶；微觀織構(gòu)方面,表層發(fā)現(xiàn)了極強(qiáng)的剪切變形織構(gòu),其峰值強(qiáng)度位置介于黃銅型織構(gòu)和高斯織構(gòu)之間,取向密度高達(dá)21.56;圖1中的2號(hào)區(qū)域?yàn)橹行淖冃螀^(qū)和表層的過渡區(qū),具有鮮明的過渡特征,隨著剪切變形的減弱剪切織構(gòu)的強(qiáng)度明顯降低,但是依然很高,同時(shí)剪切變形區(qū)域由于其高的形變儲(chǔ)能,熱軋過程時(shí)1/4層的溫降也沒有表層那么大,這樣在道次間隔內(nèi)發(fā)生了靜態(tài)再結(jié)晶,但由于極快的動(dòng)態(tài)回復(fù)因此只發(fā)現(xiàn)了少量的再結(jié)晶晶粒,表現(xiàn)在微織構(gòu)上,出現(xiàn)了少量的{111}織構(gòu);熱軋板的中心層是強(qiáng)烈的纖維狀組織,生成顯著的平面變形織構(gòu),集中在{001}<110>-{113}<110>區(qū)域。

圖2為熱軋罩式退火后的成像圖以及不同部位的φ2=45°的ODF截面圖。熱軋板經(jīng)罩式退火后,在試樣的表層,熱軋時(shí)形成的細(xì)小晶粒逐漸長(zhǎng)大,隨著晶粒的長(zhǎng)大,熱軋時(shí)形成的高斯織構(gòu)的強(qiáng)度明顯減弱,并逐漸向銅型織構(gòu)和黃銅型織構(gòu)偏轉(zhuǎn),剪切變形織構(gòu)的峰值強(qiáng)度也從熱軋時(shí)的21.56降低到11.78;隨著罩式退火的進(jìn)行,1/4層的高斯織構(gòu)也明顯減弱,最高取向密度降低到7.14,同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了一些變形織構(gòu)和中間類型織構(gòu);同表層的剪切織構(gòu)強(qiáng)度經(jīng)過罩式退火后顯著降低不同,在罩式退火板的中心層,α變形織構(gòu)強(qiáng)度的變化可以分為兩部分,在{113}<110>-{111}<110>區(qū)間的α變形織構(gòu)獲得了顯著的降低,但在{001}<110>-{113}<110>區(qū)域依然有很高的強(qiáng)度,強(qiáng)度的降低并不明顯。

圖3為熱軋連續(xù)退火后的成像圖以及不同部位的φ2=45°的ODF截面圖。熱軋板經(jīng)高溫連續(xù)退火后,從試樣的表層到中心層,熱軋態(tài)的形變組織完全消失,取而代之的是完全的再結(jié)晶組織,但是在板厚方向上晶粒的大小存在明顯的梯度分布,即邊部的細(xì)小等軸晶,中心大尺寸的再結(jié)晶組織。沿著板厚方向上微織構(gòu)的變化:表層細(xì)晶區(qū)的剪切織構(gòu)經(jīng)連續(xù)退火后顯著降低,也低于罩式退火后的強(qiáng)度,但并沒有完全消失,因此,退火的進(jìn)行只能進(jìn)一步降低剪切織構(gòu)的強(qiáng)度。試樣中心層的變形織構(gòu)已經(jīng)很弱,生成了γ再結(jié)晶織構(gòu),值得注意的是,中心層的再結(jié)晶組織并不是等軸晶結(jié)構(gòu),而是多邊形組織。

圖1 熱軋板的顯微組織及沿板厚方向上不同部位的φ2=45°的ODF截面圖Fig.1 Microstructure of hot-rolled band and φ2=45° ODF sections in different position

圖2 熱軋罩式退火板的顯微組織及沿板厚方向上不同部位的φ2=45°的ODF截面圖Fig.2 Microstructure of hot band after batch annealing and φ2=45° ODF sections in different position

圖4～6為不同熱軋退火制度后冷軋成品板的取向成像圖和φ2=45°的ODF截面圖。其中,{111}取向的晶粒用藍(lán)色表示,{110}取向的晶粒用綠色表示,{001}取向的晶粒用紅色表示。不同退火工藝的成品板都顯示了大量的{111}再結(jié)晶晶粒,但是又有一些顯著的差異,在熱軋不退火的成品板中,沿著軋制方向存在非常明顯的紅色{001}晶粒簇；熱軋罩式退火的成品板中,隱約也有一些條狀的{001}晶粒簇的存在,但被藍(lán)色的{111}晶粒打亂；與前兩種工藝不同,在熱軋連續(xù)退火的成品板中,各種取向的晶粒彌散分布,很難看到{001}晶粒簇的存在,同時(shí){111}取向晶粒的含量明顯多于前兩種工藝。另一方面,對(duì)微織構(gòu)的取向進(jìn)行了分析(圖4(b)～圖6(b)),熱軋不退火成品板生成了發(fā)達(dá)的{111}織構(gòu),但是織構(gòu)的偏轉(zhuǎn)也最嚴(yán)重,同時(shí)還有少量的{112}<110>取向殘留在薄板中,連續(xù)退火的試樣則生成了均勻的、最強(qiáng)的{111}織構(gòu)。

圖3 熱軋連續(xù)退火板的顯微組織及沿板厚方向上不同部位的φ2=45°的ODF截面圖Fig.3 Microstructure of hot band after continuous annealing and φ2=45° ODF sections in different position

圖4 熱軋不退火工藝成品板的取向成像圖和φ2=45°的ODF截面圖Fig.4 Orientation map and φ2=45° ODF section of final sheets without hot band annealing

圖5 熱軋罩退工藝成品板的取向成像圖和φ2=45°的ODF截面圖Fig.5 Orientation map and φ2=45° ODF section of final sheets with hot band batch annealing

圖6 熱軋連退工藝成品板的取向成像圖和φ2=45°的ODF截面圖Fig.6 Orientation map and φ2=45° ODF section of final sheets with hot band continuous annealing

2.2 起皺高度對(duì)比

圖7所示為不同退火工藝的成品板沿軋制方向預(yù)拉伸15%后的宏觀照片。在不進(jìn)行退火的成品板中,肉眼可見沿著軋制方向存在顯著的起皺現(xiàn)象,用手觸摸有明顯的凹凸感,這些皺褶的寬度為1～3 mm,起皺高度高達(dá)39 μm,嚴(yán)重的皺褶極大地增加后續(xù)的拋光難度；熱軋后采用罩式退火的成品板中,肉眼的觀察不是很明顯,皺褶高度在21 μm左右,說明采用罩式退火后,盡管并未完全消除熱軋的帶狀組織,但是顯著降低了薄板的起皺高度；熱軋采用連續(xù)退火的成品板(圖7(c)),皺褶高度明顯降低,為17 μm左右,說明冷軋前的完全退火組織有利于成品板起皺的改善,熱軋退火織構(gòu)的不均勻性主導(dǎo)了最終成品板的皺褶現(xiàn)象。

圖7 不同退火工藝的成品板預(yù)拉伸15%后的宏觀形貌Fig.7 Macroscopical appearance of final sheets with different hot band annealing processes after a strain of 15%

3 討論

鐵素體不銹鋼的起皺現(xiàn)象同成品板的微織構(gòu)有密切的關(guān)系,成品板中沿著軋制方向上存在不同晶粒簇,這些晶粒簇由于具有不同的塑性應(yīng)變比,在拉伸變形時(shí)晶粒簇在應(yīng)力作用下抗厚度減薄能力的差異導(dǎo)致了起皺[9-12]。成品板中存在的晶粒簇主要是熱軋帶鋼中不均勻的顯微組織和織構(gòu)造成的,熱軋板在板厚方向上具有最大的組織不均勻性,表現(xiàn)在微織構(gòu)上:表層為嚴(yán)重的剪切織構(gòu),中心層為強(qiáng)烈的形變織構(gòu),這種不均勻組織通過后續(xù)的冷軋和再結(jié)晶退火遺傳到成品板上,并在成品板中呈現(xiàn)明顯的{001}晶粒簇。圖8～10即為不同退火工藝的成品板中特定取向晶粒的成像圖。未熱軋退火的成品板中,{001}<110>、{114}<110>、{112}<110>、{111}<110>和{111}<112>取向的體積含量分別為0.060、0.161、0.239、0.195和0.345；經(jīng)熱軋罩式退火后,成品板中{001}<110>、{114}<110>、{112}<110>、{111}<110>和{111}<112>取向的體積含量分別為0.038、0.105、0.167、0.175和0.364；熱軋連續(xù)退火后,成品板中{001}<110>、{114}<110>、{112}<110>、{111}<110>和{111}<112>取向的體積含量分別為0.026、0.077、0.140、0.224和0.459。隨著熱軋板退火的完成,成品板中的α取向含量逐漸下降,γ取向的含量則明顯增加。雖然未退火的成品板的平均晶粒尺寸較小,但存在少量較大尺寸的晶粒,這些較大尺寸的晶粒大都具有{114}<110>的取向,且沿著軋制方向呈帶狀分布；與之明顯不同的是,熱軋連續(xù)退火的成品板中,不同取向的晶粒分布比較均勻,晶粒大小的差別也不大。因此,如果熱軋不進(jìn)行退火直接冷軋,容易惡化材料的抗皺性能,導(dǎo)致較大的制耳。

圖8 熱軋不退火成品板中特定取向晶粒的成像圖Fig.8 Orientation map of specific orientations for final sheet without hot band annealing

圖9 熱軋罩式退火的成品板中特定取向晶粒的成像圖Fig.9 Orientation map of specific orientations for final sheet with hot band batch annealing

圖10 熱軋連續(xù)退火的成品板中特定取向晶粒的成像圖Fig.10 Orientation map of specific orientations for final sheet with hot band continuous annealing

4 結(jié)論

(1) 熱軋板在板厚方向上展示了顯著的織構(gòu)梯度,表層為強(qiáng)烈發(fā)展的高斯織構(gòu),中心層為發(fā)達(dá)的變形織構(gòu),這種不均勻分布隨著熱軋退火的進(jìn)行逐漸減弱,其中連續(xù)退火的熱軋板在厚度方向的織構(gòu)梯度最小。

(2) 熱軋板不同退火制度導(dǎo)致了成品板組織和織構(gòu)呈現(xiàn)明顯差異,熱軋不退火鋼的成品板晶粒最細(xì),再結(jié)晶織構(gòu)明顯偏離了{(lán)111}<112>位置；熱軋連續(xù)退火鋼的成品板晶粒尺寸要更加均勻,各種不同取向的織構(gòu)分布更加均勻。

(3) 相對(duì)熱軋不退火鋼和熱軋罩式退火鋼,熱軋連續(xù)退火鋼的成品板獲得最佳的抗起皺性,這同成品板獲得均勻彌散分布的γ再結(jié)晶織構(gòu)相關(guān)。