尹翠蘭

（山東鋼鐵集團(tuán)有限公司鋼鐵研究院，山東濟(jì)南 250101）

試驗(yàn)研究

冷軋SPCC帶鋼沖壓性能分析與優(yōu)化

尹翠蘭

（山東鋼鐵集團(tuán)有限公司鋼鐵研究院，山東濟(jì)南 250101）

對(duì)不同退火溫度下SPCC帶鋼試樣的金相分析表明，SPCC鋼在600℃退火時(shí)已經(jīng)發(fā)生再結(jié)晶，680～720℃，晶粒均勻且存在一定數(shù)量的餅形晶粒，超過(guò)720℃時(shí)，晶粒長(zhǎng)大；冷軋板壓下率分別為73.85%及70%時(shí)，也表現(xiàn)為晶粒均勻的組織；對(duì)應(yīng)的綜合力學(xué)性能最好。通過(guò)優(yōu)化冷軋總壓下率為70%～78%，優(yōu)化罩式退火工藝參數(shù)，衡量SPCC退火卷沖壓性能的屈強(qiáng)強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、n值、r值、IE值等指標(biāo)明顯提高，工藝穩(wěn)定性增強(qiáng)，因性能導(dǎo)致的不合格率降低了2.68%，年減少質(zhì)量異議損失12.5萬(wàn)元。

SPCC帶鋼；沖壓性能；冷軋壓下率；金相分析

1 前言

山鋼股份萊蕪分公司冷軋廠生產(chǎn)的SPCC鋼板硬度偏高，沖壓性能不穩(wěn)定。統(tǒng)計(jì)表明，塑性應(yīng)變比r值為1.0～1.2，加工硬化指數(shù)n值一般＜0.2，而攀鋼、本鋼、唐鋼等同級(jí)別鋼種的r值在1.35以上，n 值0.22以上。

在當(dāng)前嚴(yán)峻的鋼鐵形勢(shì)下，下游客戶都希望采用以低代高的方式來(lái)節(jié)約成本，爭(zhēng)取利益最大化。這也就對(duì)低一級(jí)的產(chǎn)品提出了更高的要求，要求SPCC有優(yōu)良的沖壓性能。雖然已生產(chǎn)的退火卷性能指標(biāo)能達(dá)到甚至超過(guò)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的要求，但是其整體物理性能的主要參數(shù)（伸長(zhǎng)率、n值、r值等）波動(dòng)較大。為此，在現(xiàn)有鋼種SPCC的基礎(chǔ)上，不增加成本，僅通過(guò)工藝調(diào)整提高并穩(wěn)定SPCC的沖壓性能，以提高冷軋產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 衡量沖壓性能的主要指標(biāo)

1）屈強(qiáng)比。在材料與成形性能有關(guān)的其他指標(biāo)大致相同時(shí)，Rm越大材料的綜合成形性能越好，即屈強(qiáng)比越小，表明薄板在破裂前能進(jìn)行更大的變形加工，材料的成形性好，有利于沖壓成形。

2）伸長(zhǎng)率。均勻伸長(zhǎng)率Au反映了薄板變形開始發(fā)生頸縮時(shí)的變形量，一般來(lái)講Au和A大，板材允許的塑性變形程度也大，薄板變形時(shí)發(fā)生頸縮變形越遲，綜合成形性能越好。

3）n。材料的硬化規(guī)律服從指數(shù)曲線σ＝nBε（B是硬化系數(shù)，σ是應(yīng)力，ε是應(yīng)變）。一般情況下，冷軋板的n值在O.18～0.25之間，由于n值與失穩(wěn)極限應(yīng)變有關(guān)，所以在沖壓成形中n值是一個(gè)極為重要的參數(shù)。實(shí)踐證明加工硬化系數(shù)大時(shí)，材料就不易出現(xiàn)頸縮，杯突性能就好。在以拉應(yīng)力為主的零件成形時(shí)，n值小的材料由于變形不均勻，變形的部位又不能迅速硬化，易于產(chǎn)生裂紋。n值大的材料則相反。以壓應(yīng)力為主的零件成形時(shí)，n值大的材料應(yīng)變均化能力強(qiáng)，危險(xiǎn)斷面的承載能力高。另外，莫里森（Morrison）公式表明n值與晶粒直徑d有以下關(guān)系：n＝5/（10＋d-1/2）。可知n值的大小與鐵素體晶粒尺寸有很大關(guān)系，適當(dāng)增加鐵索體晶粒尺寸可增加n值。

4）r。塑性應(yīng)變比指單向拉伸變形時(shí)板材的寬向與厚向?qū)嶋H應(yīng)變之比，即r＝εw/εt。評(píng)價(jià)薄板深沖性能參數(shù)的依據(jù)是平均塑性應(yīng)變比rm值，rm＝（r90＋r0＋2r45）/4。當(dāng)rm＞l時(shí)，板材在寬度方向收縮比厚度方向變薄更容易，傳力區(qū)不容易拉破；當(dāng)rm＜1時(shí)，板材在厚度方向變薄比寬度方向收縮更容易；當(dāng)rm＝l時(shí)，說(shuō)明在寬度和厚度上的流變強(qiáng)度相等，呈各向同性。在薄板平面內(nèi)各方向上所測(cè)的各向異性稱平面各向異性，用△r表示，△r＝（r90＋r0＋2r45）/2。當(dāng)△r＝0時(shí)，沖件無(wú)制耳效應(yīng)；當(dāng)△r＞0時(shí)，在縱向和橫向上產(chǎn)生制耳效應(yīng)；當(dāng)△r＜0時(shí)，則在與軋向成45°方向上產(chǎn)生凸耳。實(shí)際檢測(cè)中常用r90做為判定標(biāo)準(zhǔn)。

5）杯突值IE。杯突試驗(yàn)時(shí)，用球頭凸模把周邊被凹模與壓邊圈壓住的金屬薄板頂入凹模，形成半球鼓包直至鼓包頂部出現(xiàn)裂紋為止，此時(shí)凸模的壓入深度稱為IE值（杯突值）。IE值愈高，說(shuō)明鋼板的拉脹性能愈好。在國(guó)內(nèi)對(duì)r值、n值供方難以提供，需方無(wú)法復(fù)查的情況下，使用IE值作為評(píng)定鋼板成形性能的主要指標(biāo)。但在杯突試驗(yàn)中，人為地觀看透光裂縫出現(xiàn)來(lái)確定IE值，即IE值測(cè)定存在人為因素，一定程度上存在人為誤差。為正確利用機(jī)械性能指標(biāo)去評(píng)定鋼板的可成形性，必須全面考核鋼板的各項(xiàng)指標(biāo)，不能僅僅依靠某個(gè)指標(biāo)去評(píng)價(jià)鋼板的可成形性能。

3 SPCC帶鋼組織性能分析

3.1 金相組織

2.0～3.5 mm厚的熱軋坯料分別軋制成0.21～1.77 mm厚的冷軋卷，壓下率49.43%～89.5%。設(shè)定模擬退火溫度分別為600、650、680、700、710、720、750、800℃，隨爐加熱至設(shè)定溫度，保溫0.5 h隨爐冷卻至室溫。

不同退火溫度下的部分金相組織如圖1所示。從中可看出：SPCC在600℃退火時(shí)已經(jīng)發(fā)生再結(jié)晶，冷軋后的纖維狀變形晶粒已消失，但晶粒還處在被拉長(zhǎng)的狀態(tài)。隨溫度的升高，晶粒繼續(xù)長(zhǎng)大，拉長(zhǎng)晶粒消失，形成形狀不規(guī)則且晶界扭曲、大小不均勻且有少量混晶組織的晶粒。當(dāng)溫度升高至680～720℃，不規(guī)則晶粒消失，呈現(xiàn)晶粒大小均勻且存在一定數(shù)量餅形晶粒的金相組織狀態(tài)。繼續(xù)升溫超過(guò)720℃時(shí)，晶粒尺寸突然變大。至750℃退火后的晶粒大小不一，部分晶粒長(zhǎng)軸＞50 μm。薄板晶粒的大小對(duì)塑性影響很大，晶粒過(guò)大，則塑性降低，在沖壓成形時(shí)，容易產(chǎn)生破裂，而且制件表面還容易產(chǎn)生粗糙的桔皮，對(duì)后續(xù)的拋光、電鍍、涂漆等工序帶來(lái)不利的影響。

圖1 不同退火溫度下SPCC帶鋼的金相組織

不同厚度（壓下率）的部分金相組織如圖2所示。從圖2可看出：0.85 mm與1.05 mm厚的鋼帶試樣組織均勻（見圖2b、c），餅形晶粒較其他厚度多。這是因?yàn)?.85 mm與1.05 mm厚度的冷軋板壓下率分別為73.85%與70%，接近低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼高r值的最佳冷軋壓下率，所以經(jīng)合適的溫度和時(shí)間退火后鐵素體晶粒呈餅狀；0.27 mm規(guī)格晶粒（見圖2a）較其他規(guī)格大，說(shuō)明此規(guī)格在700℃已完成再結(jié)晶；1.77 mm規(guī)格晶粒（見圖2d）不規(guī)則，大部分晶粒呈不規(guī)則多邊形，表明再結(jié)晶不徹底。

圖2 不同厚度（壓下率）SPCC帶鋼的金相組織

3.3 力學(xué)性能分析

不同厚度規(guī)格（壓下率）在不同退火溫度下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比和伸長(zhǎng)率如圖3所示。

圖3 不同規(guī)格帶鋼在不同退火溫度下的力學(xué)性能變化規(guī)律

由圖3可以看出：

1）各規(guī)格試樣的強(qiáng)度整體隨溫度升高而降低，但不同規(guī)格變化情況略有不同。厚度＜0.60 mm與＞1.30 mm規(guī)格在700℃之前，抗拉強(qiáng)度隨著溫度的增加而有明顯的降低，在700℃之后，抗拉強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，無(wú)明顯變化；另外隨著規(guī)格的減薄，即隨著壓下率的增大，抗拉強(qiáng)度有增大的趨勢(shì)，但變化不明顯。說(shuō)明壓下率對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響不大。

2）各個(gè)規(guī)格的屈服強(qiáng)度隨著溫度的升高而明顯降低。退火溫度在700～720℃時(shí)，各規(guī)格的強(qiáng)度變化較平緩，當(dāng)溫度超過(guò)720℃時(shí)，各規(guī)格屈服強(qiáng)度值下降幅度大，這是由于高溫下鐵素體晶粒過(guò)分長(zhǎng)大導(dǎo)致的。厚度＜0.6 mm規(guī)格在680℃之后，屈服強(qiáng)度大幅降低；厚度＞1.3 mm規(guī)格要在720℃之后才開始大幅度降低，說(shuō)明厚規(guī)格試樣的再結(jié)晶溫度高于薄規(guī)格試樣。

3）屈強(qiáng)比隨著溫度的升高而呈降低趨勢(shì)，在750℃后晶粒繼續(xù)長(zhǎng)大，屈強(qiáng)比減小尤為明顯，這與強(qiáng)度變化情況一致。屈強(qiáng)比是衡量沖壓性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，屈強(qiáng)比越低，產(chǎn)品沖壓性能越好。單從屈強(qiáng)比這一指標(biāo)來(lái)看，溫度越高越好，但屈強(qiáng)比只能作為衡量材料是否具有良好沖壓性能的一個(gè)參數(shù)指標(biāo)，不能僅由此判斷材料的成形性能好壞。

4）隨著溫度的升高，伸長(zhǎng)率先升高后降低，在700～720℃退火溫度區(qū)間達(dá)到一個(gè)峰值。不同規(guī)格試樣達(dá)到峰值的溫度不同，0.35 mm和0.6 mm兩種規(guī)格在700℃達(dá)到峰值，1.3 mm和1.77 mm厚度規(guī)格要到720℃之后才達(dá)到峰值。

4 冷軋生產(chǎn)工藝優(yōu)化

4.1 優(yōu)化壓下率

冷軋壓下率是影響形變織構(gòu)的主要因素，低碳鋼板的r值隨冷軋壓下率的增加而提高［1］。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，綜合考慮各影響因素，合理分配冷軋壓下率。性能分析表明，冷軋1 500 mm六輥可逆軋機(jī)合理的冷軋總壓下率為70%～78%，并形成最終優(yōu)化后的冷軋退火卷軋制規(guī)程。根據(jù)萊鋼實(shí)際生產(chǎn)情況，分析不同來(lái)料厚度、相同冷軋壓下率以及相同來(lái)料厚度、不同壓下率情況下的金相組織和織構(gòu)變化，找出最有利于沖壓性能{111}織構(gòu)形成的冷軋壓下率。

4.2 優(yōu)化罩退工藝

罩式退火主要使第二相能在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間析出，有足夠的時(shí)間控制鋼板的組織和織構(gòu)。一般說(shuō)來(lái)，退火溫度升高，保溫時(shí)間延長(zhǎng)，有利于{111}取向的發(fā)展長(zhǎng)大，從而獲得高的r值。帶鋼深沖性能的好壞與晶粒結(jié)構(gòu)與晶粒大小有密切的關(guān)系，與帶鋼板面平行的{111}晶面越多，深沖性能就越好；再結(jié)晶結(jié)構(gòu)多以餅形晶粒（長(zhǎng)軸/短軸≥1.5）出現(xiàn)，所以具有餅形晶粒的帶鋼，其深沖性能要比具有等軸晶粒的帶鋼好得多。研究表明，低碳鋼板最佳晶粒度在6～8級(jí)時(shí)沖壓成形性較好，過(guò)于粗大晶粒會(huì)使制品表面產(chǎn)生桔皮效應(yīng)，太細(xì)小的晶粒組織提高強(qiáng)度，但消弱其均勻變形的能力。優(yōu)化后的退火工藝如表1所示（其中自由加熱溫度均為室溫～470℃）。

表1 優(yōu)化后罩式退火工藝制度

4.3 優(yōu)化效果分析

1）沖壓性能提高。生產(chǎn)工藝優(yōu)化改進(jìn)后，SPCC退火卷的屈強(qiáng)強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、n值、r值、IE值等沖壓性能指標(biāo)有了明顯的提高（見表2），產(chǎn)品品質(zhì)控制穩(wěn)定性改善，客戶質(zhì)量異議下降。

表2 優(yōu)化前后SPCC帶鋼性能指標(biāo)對(duì)比

2）晶粒度更理想（見圖4）。優(yōu)化前晶粒度為7～7.5級(jí)（見圖4a），優(yōu)化后晶粒度7～8級(jí)但餅形晶數(shù)量增多（見圖4b），說(shuō)明SPCC產(chǎn)品的r值增大，沖壓性能提高。

圖4 優(yōu)化前后SPCC帶鋼的金相組織

3）工藝穩(wěn)定性增強(qiáng)。通過(guò)六西格瑪過(guò)程流程能力分析，典型規(guī)格（厚度0.7 mm、1.0 mm）的伸長(zhǎng)率分別達(dá)到3.65與3.67西格瑪水平（見圖5），均有大幅改進(jìn)。

圖5 優(yōu)化后典型規(guī)格帶鋼伸長(zhǎng)率的過(guò)程能力

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)冷軋SPCC帶鋼的沖壓性能進(jìn)行系統(tǒng)分析并優(yōu)化后，整體提高了萊鋼冷軋SPCC帶鋼的沖壓性能并保持穩(wěn)定水平，因性能導(dǎo)致的不合格率降低了2.68%，年減少質(zhì)量異議損失12.5萬(wàn)元，促進(jìn)了冷軋新產(chǎn)品尤其是深沖新產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)度，并形成了完善、穩(wěn)定、高效的生產(chǎn)工藝。

［1］齊建群.冷軋板SPCC的工藝優(yōu)化與性能分析［J］.金屬世界，2008（4）:34-36.

Analysis and Optimization of Stamping Properties of SPCC Cold Rolled Strip

YIN Cuilan

（The Iron and Steel Research Institute of Shandong Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

The analysis to the different annealing temperature under SPCC strip of metallographic showed that SPCC steel in the annealed at 600℃has occurred recrystallization,in 680-720℃,the grain is uniform,and there are a certain number of pancake grains,higher than 720℃,grain start growing.Cold rolled plate pressure ratio respectively 73.85%and 70%,the grain is uniform, the corresponding comprehensive mechanical properties can be got the best.Through optimizing cold rolling total percent reduction rate to 70%-78%and optimal annealing process parameters,stamping property indexes such as yield strength,tensile strength, elongation at break,nvalue,rvalue and IE value were significantly increased,and the process stability improved.The unqualified ratio due to the properties was reduced by 2.68%,and the loss due to quality objection was decreased by 125 000 Yuan per year.

SPCC steel;stamping performance;cold rolling degree of reduction;metallographic examination

TG335.12；TG142.4

A

1004-4620（2015）03-0028-04

2015-04-07

尹翠蘭，女，1984年生，2007年畢業(yè)于江西理工大學(xué)金屬材料工程專業(yè)?，F(xiàn)為山鋼集團(tuán)鋼鐵研究院工程師，從事冷軋汽車用鋼的技術(shù)研發(fā)工作。