Research on Cold Rolling Process of Ultra-low Carbon DQ-grade Cold Rolled Steel

超低碳鋼DQ級冷軋板冷軋工藝研究

Research on Cold Rolling Process of Ultra-low Carbon DQ-grade Cold Rolled Steel

作者單位：酒鋼宏興股份有限公司碳鋼薄板廠，甘肅 嘉峪關(guān)，735100

內(nèi)容導讀

采用CSP工藝生產(chǎn)超低碳鋼DQ級冷軋板，分析了冷軋壓下率、退火溫度、平整延伸率對帶鋼組織及力學性能的影響。結(jié)果表明，采用76%冷軋壓下率、710 ℃罩式爐退火溫度及0.5%平整延伸率，得到的帶鋼產(chǎn)品力學性能最優(yōu)，生產(chǎn)成本得到大幅度降低。

超低碳鋼由于其良好的沖壓性能被廣泛應用在汽車及五金制造工業(yè)。目前國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)一般采用鋁鎮(zhèn)靜鋼工藝來生產(chǎn)，但也有些企業(yè)采用IF鋼工藝來生產(chǎn)。由于IF鋼工藝生產(chǎn)過程復雜，合金成本也較高，導致IF鋼生產(chǎn)成本持高不下。酒鋼冷軋自投產(chǎn)以來一直采用鋁鎮(zhèn)靜鋼工藝來生產(chǎn)汽車用冷軋板，為了提高其沖壓性能，鋼中碳含量控制按照≤200×10?6控制，但是當碳含量在100×10?6左右時，帶鋼伸長率有明顯的降低。為進一步提升汽車用冷軋板沖壓性能，本文設(shè)計了采用超低碳工藝來生產(chǎn)汽車用冷軋板，并研究了冷軋壓下率、退火溫度及平整量對超低碳鋼冷軋板性能及組織的影響。

試驗材料及方法

試驗材料通過RH爐深脫碳冶煉，大幅度降低鋼中C含量水平，未進行Nb、Ti合金化處理。冶煉中嚴格控制鋼中[O]≤40×10-6、[N]≤50×10-6，防止鋼中O含量過高引起夾雜物增多，及固溶N過高引起強度提升惡化鋼帶成形性能。試驗材料冶煉化學成分見表1。

試驗材料經(jīng)過CSP薄板坯熱連軋軋制成熱軋板，然后分別采用76%、80%、82%壓下率進行冷軋；退火溫度按照690 ℃、710 ℃和730 ℃進行全氫氣氛罩式爐退火；采用0.50%、0.70%的延伸率進行平整工藝，冷軋階段各工序工藝參數(shù)見表2所示。

試驗材料經(jīng)過冷軋、退火、平整后，取樣進行拉伸試驗，測定屈服強度、抗拉強度、伸長率、與軋制方向成90°的塑性應變比r值及應變硬化指數(shù)n值，通過JEOL5600LV掃描電子顯微鏡觀察冷軋成品鋼帶的顯微組織形貌。

表1　試驗材料化學成分(質(zhì)量分數(shù))%

表2　冷軋階段各工序工藝參數(shù)

試驗結(jié)果及分析

試驗結(jié)果

試驗材料經(jīng)過CSP熱軋、冷軋、退火及平整工序加工后，最終力學性能見表3所示。

冷軋壓下率對性能及組織的影響

在690℃退火和采用0.5%平整延伸率時，試驗材料壓下率變化與力學性能、成型性能對應關(guān)系見圖1和圖2所示。從圖1可以看出，相同的退火溫度及平整延伸率下，試驗材料隨壓下率的增大，材料屈服強度和抗拉強度逐漸上升，呈線性關(guān)系。一般理解為，隨著冷軋壓下率的增大，晶粒在軋制過程中壓碎程度越來越大，冷軋后晶粒尺寸更為細小。屈服強度及晶粒尺寸間的關(guān)系符合霍爾-佩奇(Hall-Petch)方程：σ=σ0+kd-1/2，式中，σ為屈服強度，σ0極大單晶的屈服強度，k為變形系數(shù)，d為晶粒尺寸。晶粒尺寸減小，屈服強度增大，并且晶粒尺寸形貌在退火前后有一定的“遺傳性”。

表3　試驗材料力學性能

圖1　壓下率變化與試驗材料力學性能關(guān)系

圖2　壓下率變化與試驗材料成型性能指標關(guān)系

圖2是相同的退火溫度及平整延伸率下，試驗材料隨著冷軋壓下率的增加，材料的主要成型指標伸長率與r90逐漸降低。有文獻指出[1]，過大的壓下量使有利于深沖性能的{111}織構(gòu)開始減少，而對深沖性能不利的{110}織構(gòu)增加；可見并不是冷軋壓下率越大越好，當壓下率超過76%時，材料成型性能呈降低趨勢。

圖3　不同冷軋壓下率下試驗材料組織形貌 (a) 冷軋壓下率76%；(b) 冷軋壓下率80%；(c) 冷軋壓下率82%

在690 ℃退火和采用0.5%平整延伸率時，試驗材料的顯微組織見圖3。從退火后的顯微組織上可以看出，隨著冷軋壓下率的增加退火后晶粒尺寸呈減小趨勢。這是因為隨著變形量的增加，組織中冷變形儲存能增大，再結(jié)晶驅(qū)動力增加，再結(jié)晶更易發(fā)生，再結(jié)晶時其形核速率和晶粒長大速度也增加。由于再結(jié)晶形核速率遠遠大于晶粒的長大速度[2]，再結(jié)晶形核速率相比晶粒長大速度對退火時帶鋼晶粒度的影響更為顯著。冷軋后晶粒尺寸相對細小的晶粒在再結(jié)晶過程中經(jīng)歷回復、重新形核階段消耗的時間就短，這使尺寸細小的晶粒在退火過程中形核速率大于尺寸粗大的晶粒。在相同的退火溫度及再結(jié)晶驅(qū)動力下，晶粒的長大速度相同。退火過程中再結(jié)晶形核速率越高，對應的晶粒越細小，帶鋼的強度指標越高。

退火溫度對性能及組織的影響

從圖4和圖5，可以看出76%的冷軋壓下率及0.50%平整延伸率下，退火溫度逐漸升高，冷軋帶鋼屈服、抗拉強度均逐漸降低，但降幅不大。

試驗材料在710 ℃的退火溫度時，伸長率指標達到最佳，但是隨著退火溫度進一步升高，伸長率指標沒有繼續(xù)提升。但是r90隨著退火溫度的提高，逐漸提高。

圖6是76%的冷軋壓下率及0.50%平整延伸率下，不同退火溫度后的微觀組織相貌?？梢钥闯?，690 ℃退火溫度下晶粒尺寸明顯小于后兩者，晶粒的均勻性也差于后兩者。這是因為隨著退火溫度升高，加熱速率增大，再結(jié)晶動力增加，晶粒的長大速度加快，同時晶粒長大克服微觀阻礙的能力也增加。當晶粒的均勻性較差時，延伸率也會隨之降低。

圖4　退火溫度與試驗材料力學性能關(guān)系

圖5　退火溫度與試驗材料成型性能指標關(guān)系

退火溫度達到710 ℃時，小尺寸晶粒分布較少，晶粒均勻性較好，晶粒形貌基本呈等軸晶，再結(jié)晶退火過程比較完全。

當退火溫度達到730 ℃時，晶粒的均勻性基本維持不變，這是因為當退火溫度不斷的提升，其加熱速率逐漸降低，晶粒長大速度減緩，并且均勻長大，同時有利于沖壓性能的{111}織構(gòu)所占組分基本維持不變，塑性應變比r值也達到一個較高的穩(wěn)定值，即便退火溫度繼續(xù)提高，r值增加的幅度也不大。退火溫度的提高大幅度增加了退火時間，在酒鋼全氫罩式爐退火過程中，退火溫度每增加20 ℃退火周期增加3.5~4h，生產(chǎn)成本也增加20元/t，罩式爐機時產(chǎn)量及退火效率降低。

圖6　不同退火溫度下試驗材料組織形貌 (a) 690℃退火；(b) 710℃退火；(c) 730℃退火

平整延伸率對性能及組織的影響

從表3中可以看出0.50%的平整延伸率下有較低的屈服強度及較高的伸長率，當平整機延伸率達到0.7%時，試驗材料的屈服強度和抗拉強度提高，但材料伸長率降低，不利于帶鋼的沖壓性能。這是因為未經(jīng)平整處理的退火板中柯式氣團的數(shù)量與鋼板本身固溶C含量有關(guān)[3]，超低碳鋼中較低固溶C含量需要較小的平整延伸率就能消除屈服點延伸現(xiàn)象，此外由于C含量較低，間隙固溶C、N原子對位錯的釘扎也小，較小的平整變形量足以使位錯脫離間隙原子團，相反平整延伸率增大時產(chǎn)生的附加位錯又會導致帶鋼強度的升高，延伸率降低。

結(jié)論

(1) 690 ℃退火和采用0.5%平整延伸率時，隨著冷軋壓下率增大，試驗材料屈服強度、抗拉強度增加，材料伸長率和r90逐漸下降，試驗材料的晶粒尺寸逐漸減小。

(2) 采用76%的冷軋壓下率和0.50%平整延伸率，隨退火溫度逐漸升高，試驗材料屈服強度、抗拉強度均逐漸降低，伸長率和r90逐漸增大。710 ℃退火時，試驗材料晶粒大小分布均勻，晶粒形貌基本呈等軸晶。

(3) 平整機延伸率控制達到0.5%，即可消除試驗材料屈服平臺，試驗材料具有良好的力學性能和成型性能；平整機延伸率控制繼續(xù)增大，會惡化試驗材料性能。

參考文獻

[1] 李濤，金自力. 冷軋及退火工藝對包鋼CSP薄板織構(gòu)演變的影響. 包頭鋼鐵學院學報, 2005, 24(3): 258-262

[2] 毛衛(wèi)民，趙新兵. 金屬的在結(jié)晶與長大. 北京：冶金工業(yè)出版社, 1994

[3] 崔巖, 胡吟萍, 王瑞珍, 等. 平整和自然時效對超低碳烘烤硬化鋼板性能的影響. 特殊鋼, 2010, 31(4): 49

作者簡介：羅曉陽(1986—)，男，陜西寶雞人，助理工程師?，F(xiàn)從事冷軋新產(chǎn)品研發(fā)工作。

DOI:10.3969/j.issn.1000－6826.2015.04.17