退火溫度對(duì)350 MPa級(jí)冷軋鋼板微觀組織和力學(xué)性能的影響

張 翼,丁志龍,2

(1.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,江蘇 南京 210039;2.鋼鐵研究總院先進(jìn)金屬材料涂鍍國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

為了保護(hù)鋼鐵基體不發(fā)生銹蝕,通常在鋼板表面熱浸鍍?nèi)廴诮饘傩纬射撹F鍍層產(chǎn)品,主流鍍層產(chǎn)品有鍍鋅板、鍍鋁鋅板和鍍鋁板。20世紀(jì)初鍍鋅鋼板由于其加工性能和較好的耐蝕性得到廣泛的應(yīng)用,隨著室外用部件對(duì)耐蝕性能的進(jìn)一步提高,20世紀(jì)60年代美國(guó)伯利恒鋼鐵公司在純鋅鍍層基礎(chǔ)上添加55 %鋁作為鍍層進(jìn)行熱浸鍍?cè)囼?yàn),結(jié)果表明,其耐蝕性相當(dāng)于熱鍍鋅鋼板的2～6倍。由于鍍鋁鋅板的優(yōu)良的耐蝕、耐熱、表面美觀等綜合性能,1990年后鍍鋁鋅產(chǎn)品的得到快速發(fā)展,鍍鋁鋅產(chǎn)品被大量應(yīng)用到建筑廠房的屋頂板[1],其使用年限可達(dá)20年之久。近年來(lái),建筑廠房在沿海一線大量建廠,沿海氣候伴有大風(fēng)天氣,要求廠房具有較強(qiáng)的抗風(fēng)能力,屈服強(qiáng)度350 MPa級(jí)高強(qiáng)鍍鋁鋅建筑用鋼產(chǎn)品相對(duì)普通鍍鋁鋅具有較高抗風(fēng)能力,目前在建筑行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。

實(shí)現(xiàn)屈服350 MPa級(jí)鍍鋁鋅建筑高強(qiáng)鋼可以通過(guò)多種技術(shù)路徑來(lái)實(shí)現(xiàn),產(chǎn)品成分中合金含量決定了產(chǎn)品的制造和加工成本。公開(kāi)研究的屈服強(qiáng)度350 MPa鋼是通過(guò)在低碳鋼中添加添加鈮、釩、鈦等微合金元素方式,采用細(xì)晶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化等方式獲得最佳的材料強(qiáng)韌性[2],微量鈮對(duì)材料細(xì)晶強(qiáng)化效果更為明顯[3]?，F(xiàn)有采用合金強(qiáng)化或相變強(qiáng)化的方式,會(huì)帶來(lái)制造合金成本增高或?qū)ΜF(xiàn)有裝備加熱、冷卻過(guò)程中溫度控制要求更高,造成產(chǎn)品成本高,競(jìng)爭(zhēng)力不足,為了開(kāi)發(fā)一種不添加或少添加微合金低成本屈服強(qiáng)度350 MPa級(jí)的高強(qiáng)鋼作為建筑鍍鋁鋅基板,本文通過(guò)模擬低成本350 MPa軋硬板鋼在不同溫度條件下的工藝過(guò)程,研究退火溫度對(duì)材料組織和性能影響。根據(jù)控制冷軋退火溫度中鐵素體再結(jié)晶行為,綜合調(diào)控冷軋鋼板的性能,得到高強(qiáng)高韌低成本的建筑鍍鋁鋅鋼板。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為上海梅山鋼鐵公司冷軋廠冷軋1422冷軋機(jī)組軋制的軋硬鋼,鋼板厚度為0.6 mm,熱軋?jiān)搴穸葹?.5 mm,冷軋變形壓縮比76%。冷軋軋硬鋼板切取長(zhǎng)度為310 mm、寬度為260 mm試樣,長(zhǎng)度方向是沿鋼板軋制方向,在寶鋼自主研制的退火模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行模擬退火試驗(yàn),每組試驗(yàn)按同樣工藝模擬兩塊鋼板,用來(lái)分析退火溫度對(duì)材料組織和性能的影響。退火后的鋼板按GB/T 228-2010《金屬材料 室溫拉伸方法》加工成拉伸試樣進(jìn)行材料力學(xué)性能測(cè)試,分析屈服強(qiáng)度變化規(guī)律,同時(shí)將沿軋制方向的試樣面制成金相試樣,經(jīng)4%的硝酸酒精溶液侵蝕后,用Zeiss Axiophot2金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。材料化學(xué)成分如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分 單位:%

試樣在退火模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行工藝試驗(yàn),根據(jù)熱浸鍍鋁鋅退火爐加熱曲線,確定試驗(yàn)?zāi)M方案如下:試樣以27.5 ℃/s的速度加熱到550 ℃,然后在35 s時(shí)間內(nèi)加熱到退火均熱溫度進(jìn)行模擬退火試驗(yàn),退火加熱溫度分別設(shè)定為570、590、610、640、670、700、730、750、780 ℃,最后以20 ℃/s冷卻速度冷卻至室溫,圖1為模擬方案。

圖1 退火模擬方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 退火加熱溫度對(duì)試驗(yàn)材料力學(xué)性能的影響

通過(guò)研究不同溫度條件下材料力學(xué)性能變化規(guī)律,分析不同溫度下材料再結(jié)晶行為,開(kāi)展低成本350 MPa級(jí)軋硬板退火后的材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分析。如圖2,可以看出退火過(guò)程中的軋硬板經(jīng)歷了材料屈服和抗拉強(qiáng)度具有較高強(qiáng)度(與軋硬板強(qiáng)度相當(dāng)),然后材料發(fā)生軟化現(xiàn)象,此時(shí)材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度急劇下降,最后到材料力學(xué)性能趨于穩(wěn)定的階段,根據(jù)材料再結(jié)晶理論可以判斷材料退火過(guò)程中經(jīng)歷了回復(fù)、再結(jié)晶和長(zhǎng)大三階段。進(jìn)一步詳細(xì)分析,在低成本350 MPa級(jí)成分體系條件下,當(dāng)退火加熱溫度為570～590 ℃時(shí),材料屈服在900 MPa以上,表明材料仍處于回復(fù)階段,此階段主要表現(xiàn)為空位的運(yùn)動(dòng)和位錯(cuò)的攀移;當(dāng)退火加熱溫度為610～640 ℃時(shí),屈服強(qiáng)度從回復(fù)階段的953 MPa下降到536 MPa,表明材料發(fā)生再結(jié)晶,并且隨著溫度的升高,材料軟化明顯,表明此過(guò)程中退火再結(jié)晶較充分;當(dāng)退火加熱溫度在640～780 ℃時(shí),屈服強(qiáng)度進(jìn)一步從536 MPa緩慢下降到486 MPa,表明材料力學(xué)性能趨于穩(wěn)定,材料退火充分。在工業(yè)條件下,根據(jù)材料使用的力學(xué)性能要求,結(jié)合材料組織特征,可以選擇在退火充分溫度區(qū)間640～780 ℃進(jìn)行退火溫度的設(shè)定。

圖2 不同溫度條件下試驗(yàn)材料力學(xué)性能

2.2 退火溫度對(duì)組織的影響

根據(jù)材料學(xué)經(jīng)典科學(xué)理論,金屬在冷塑變形之后,加熱過(guò)程中會(huì)發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶行為。再結(jié)晶過(guò)程前的回復(fù)過(guò)程主要為材料內(nèi)應(yīng)力消除,隨著退火加熱溫度的升高,再結(jié)晶過(guò)程表現(xiàn)為形核和長(zhǎng)大,由無(wú)畸變的等軸新晶粒逐漸取代變形晶粒,冷變形金屬的儲(chǔ)存能將全部釋放[4]。

冷軋鋼板是熱軋鋼板經(jīng)冷塑變形,軋制過(guò)程中形成大量的空位和位錯(cuò)結(jié)構(gòu)缺陷,表現(xiàn)為材料強(qiáng)度顯著提高和塑性的明顯下降[5],冷軋鋼板的組織是熱軋鋼板組織遺傳性變形得到。如圖3(a)圖所示,低成本屈服強(qiáng)度350 MPa熱軋金相組織顯示為鐵素體、針狀鐵素體和塊狀的魏氏組織,常規(guī)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼(C含量0.021 %,Mn含量0.136 %)為等軸鐵素體+珠光體或滲碳體[6],高強(qiáng)鋼熱軋鋼板的熱軋組織與常規(guī)的低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼組織有較大差異。根據(jù)目前對(duì)魏氏組織的形成規(guī)律及機(jī)理的研究[7],塊狀的魏氏組織是基于碳含量較高的成分體系鋼種,在熱軋軋后冷卻過(guò)程中呈針狀富含碳的非平衡鐵素體和滲碳體的混合物。圖3(b)圖為熱軋酸洗后軋制變形后的組織,可見(jiàn)軋后組織呈纖維狀形態(tài),塊狀的魏氏組織在變形后仍有局部聚集。研究退火前熱軋板和軋硬板的組織,對(duì)分析不同加熱退火溫度后的組織演變過(guò)程更有意義。

熱軋板

酸軋板圖3 原始材料顯微組織

圖4顯示了不同退火加熱溫度下材料金相組織觀察結(jié)果。退火加熱溫度在570～590 ℃,觀察到材料金相組織沒(méi)有明顯變化,退火加熱溫度達(dá)到610 ℃時(shí),可見(jiàn)在變形的鐵素體組織上有少量新生晶粒,當(dāng)退火加熱溫度為640 ℃時(shí),可以看到大量的鐵素體新生晶粒形成,材料發(fā)生再結(jié)晶行為,圖2數(shù)據(jù)表明此溫度條件下材料力學(xué)性能明顯軟化,觀察到金相組織中原始的魏氏組織仍保持纖維狀,說(shuō)明魏氏組織中固溶碳原子或滲碳體對(duì)再結(jié)晶過(guò)程起到阻礙作用;當(dāng)退火加熱溫度升至700 ℃,初生的鐵素體晶粒局部長(zhǎng)大,并沿軋制變形方向分布,此時(shí)纖維狀魏氏組織中出現(xiàn)細(xì)小鐵素體晶粒和滲碳體,表明變形魏氏組織也發(fā)生再結(jié)晶行為;當(dāng)退火溫度在730 ℃時(shí),再結(jié)晶鐵素體晶粒趨于等軸狀,組織中的滲碳體在晶界處聚集,變形塊狀魏氏組織再結(jié)晶后形成較大的鐵素體晶粒;當(dāng)退火加熱溫度為750～780 ℃時(shí),再結(jié)晶鐵素體晶粒趨于均勻并進(jìn)一步長(zhǎng)大,滲碳體也在鐵素體晶界處聚集長(zhǎng)大。通過(guò)組織和性能觀察可以發(fā)現(xiàn),材料在退火加熱溫度640～780 ℃范圍內(nèi)組織變化較大,而材料力學(xué)性能卻趨于穩(wěn)定,說(shuō)明隨著溫度的升高,最初新生鐵素體晶粒長(zhǎng)大會(huì)帶來(lái)屈服強(qiáng)度的下降,但魏氏組織再結(jié)晶過(guò)程中形成的再結(jié)晶細(xì)小鐵素體和析出的滲碳體對(duì)基體又起到強(qiáng)化作用。

圖4 試驗(yàn)材料不同退火溫度的顯微組織

2.3 工業(yè)試制應(yīng)用分析

研究結(jié)果表明,在不添加鈮鈦等微合金元素的成分條件下,結(jié)合低成本350 MPa級(jí)鍍鋁鋅建筑用鋼的使用要求,通過(guò)調(diào)控冷軋退火過(guò)程中鐵素體和魏氏組織的再結(jié)晶和析出行為,達(dá)到綜合性能優(yōu)異的冷軋鋼板的性能,經(jīng)熱浸鍍后得到高強(qiáng)高韌鍍鋁鋅建筑鋼板。熱鍍鋁鋅鋼板時(shí)的退火溫度可選擇為700～750 ℃時(shí),生產(chǎn)實(shí)績(jī)的性能如表2。

表2 高強(qiáng)熱鍍鋁鋅鋼板實(shí)物性能統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

(1)不同退火加熱溫度條件下力學(xué)性能變化規(guī)律表明,隨著退火加熱溫度的升高材料發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和長(zhǎng)大行為。退火加熱溫度從590 ℃升到640 ℃時(shí)材料軟化明顯,退火加熱溫度在640～780 ℃時(shí),材料力學(xué)性能趨于穩(wěn)定。

(2)不同退火加熱溫度條件下組織變化規(guī)律表明,變形鐵素體在退火加熱溫度610 ℃時(shí)開(kāi)始發(fā)生再結(jié)晶,在退火加熱溫度640 ℃時(shí)出現(xiàn)大量的鐵素體新生晶粒;退火加熱溫度升至700 ℃時(shí)纖維狀魏氏組織中才發(fā)生再結(jié)晶和組織的變化,表明纖維狀魏氏組織中固溶碳或碳的析出物對(duì)再結(jié)晶過(guò)程起到一定的阻礙作用。

(3)退火加熱溫度在640～780 ℃時(shí),材料的力學(xué)性能結(jié)果和金相組織的演變過(guò)程表明,隨著溫度的升高,初生鐵素體晶粒會(huì)逐步長(zhǎng)大降低基體強(qiáng)度,但變形魏氏組織在退火過(guò)程中析出的較多細(xì)小碳化物對(duì)基體又起到強(qiáng)化作用,兩者互相補(bǔ)充。

(4)實(shí)驗(yàn)研究和工業(yè)性試制表明,通過(guò)調(diào)控冷軋退火過(guò)程中鐵素體和魏氏組織的再結(jié)晶和析出行為,可實(shí)現(xiàn)低成本350 MPa鍍鋁鋅鋼板的試制。