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)國家重點實驗室(寶鋼),上海 201999)

1 概述

先進高強鋼(Advanced High-Strength Steels,AHSS)是指在鋼材中引入馬氏體、貝氏體、奧氏體等高強度相,利用這些高強相的強化作用,實現(xiàn)低成本合金設(shè)計條件下的高強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很快,以滿足越來越嚴格的輕量化需求[2-3]。以寶鋼開發(fā)的一種AHSS超高強度耐候鋼為例,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,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、高性能的新型陸運集裝箱用鋼。該鋼屈服強度設(shè)計≥700 MPa,顯著高于原使用的400 MPa和500 MPa級別產(chǎn)品,可將集裝箱面板原設(shè)計厚度1.6 mm減薄至1.1～1.2 mm,有效實現(xiàn)了材料的減量化使用。使用該鋼的53呎(1呎=0.3048 m)陸運集裝箱可實現(xiàn)減重2～3 t。

超高強度耐候鋼在生產(chǎn)中存在的重要難點之一是易發(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)為整個熱軋鋼卷截面由卷取結(jié)束時的正圓形自發(fā)變形為橢圓形[4],見圖1。這種變形會導(dǎo)致熱卷無法進入后續(xù)的冷軋退火工序。扁卷程度以鋼卷內(nèi)圈水平和垂直兩個方向上的直徑之差ΔD來表征,一般認為ΔD≥40 mm即為扁卷。即使在扁卷程度不太嚴重時,部分鋼卷能夠進入酸洗冷軋工序,也經(jīng)常會因為形狀不規(guī)整而造成機架振動過大或者軋制力波動過大,嚴重影響工廠的生產(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輸、降低卷取溫度以提高卷取時帶鋼的強度、對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。但是這些方法對于現(xiàn)有的AHSS扁卷問題解決效果有限,且易導(dǎo)致卷取負荷過大、鋼卷內(nèi)外圈性能不均、卷取時鋼帶跑偏等嚴重問題。支撐芯筒也存在效率低、可靠性低、實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)進行熱軋,若開始卷取時,鋼卷內(nèi)仍有殘余奧氏體,則熱軋卷在冷卻過程中會發(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(外圈)與熱點(距內(nèi)圈1/3處)最大溫差可達到近300 K[6-7]。這種鋼卷內(nèi)部溫差異會導(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,有必要對產(chǎn)品卷取后相變規(guī)律進行系統(tǒng)研究,以掌握超高強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 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗所用材料為超高強度耐候鋼大生產(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)計算

采用英國Sente Software公司開發(fā)的JMatPro V9.1材料性能模擬軟件,計算超高強度耐候鋼的CCT和TTT曲線。計算初始條件為: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。對于卷取后相變計算,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 ℃,計算模擬卷取過程中的各相比例變化規(guī)律。

表1 試驗用鋼的主要化學(xué)成分

2.2.2 CCT曲線測定

成品加工成10 mm×3 mm×1.2 mm熱膨脹樣品,試驗裝置為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,測量連續(xù)冷卻過程中的樣品膨脹曲線,以測定材料的CCT曲線。

2.2.3 模擬卷取后相變熱膨脹試驗

成品加工成10 mm×3 mm×1.2 mm熱膨脹樣品,試驗裝置為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。相變時間定義為試樣從開始膨脹至達到95%最大膨脹量所經(jīng)歷的時間,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型金相顯微鏡對四種材料在不同熱處理工藝下的微觀組織形貌進行觀察和表征。

3 試驗結(jié)果分析

超高強度耐候鋼的實測CCT、計算CCT和TTT曲線見圖2。比較圖2(a)和(b)可以看出計算CCT與實測CCT吻合度較好,表明計算的精確度滿足研究要求。從CCT可以看出,超高強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依次發(fā)生鐵素體—珠光體相變和貝氏體相變。超高強度耐候鋼的馬氏體相變開始點低于400 ℃,因此在實際生產(chǎn)中一般不會發(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,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,卷取后發(fā)生的主要是貝氏體相變。隨著卷取溫度的降低,相變完成所需時間縮短。總體上鐵素體—珠光體相變所需時間顯著大于貝氏體相變。在不同相變溫度下,鐵素體—珠光體等溫相變時間從100 s至10 000 s,貝氏體相變時間則小于50 s。

圖2 超高強度耐候鋼的CCT和TTT曲線(JmatPro計算)

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,相變完成所需的時間增加,表現(xiàn)在隨著卷取溫度提高,相變膨脹平臺變長。當卷取溫度在800 ℃時,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,大部分樣品相變過程都比較劇烈,會形成陡峭的膨脹曲線。盡管在550 ℃以上卷取時,材料中主要發(fā)生的是鐵素體—珠光體相變,其相變完成時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 ℃左右有一個峰值,這是因為低溫卷取時,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數(shù),導(dǎo)致了卷取后相變膨脹量的下降。在高溫卷取時,由于相變時間顯著延長,可達200～1 000 s,模擬卷取的又是一個緩慢冷卻的過程,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)致表觀上測量到的試樣膨脹量降低。當卷取溫度為700 ℃時,相變時間為200 s左右,最終組織為鐵素體+珠光體;卷區(qū)溫度為600 ℃時,相變時間為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,相變時間小于20 s,最終組織為少量鐵素體+貝氏體。對比50 K/s和20 K/s這兩個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明顯降低。這可能是因為卷取前的低冷卻速度導(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 ℃時的最終組織計算結(jié)果和金相觀察見圖5。

圖4 相變時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)這些試驗結(jié)果,可以推測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,整個鋼卷的尺寸變化較為緩慢,加上鋼卷不同部位的相變進程不同,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)方案及實施效果

基于以上試驗結(jié)果及分析,制定了兩種思路的改進方案。

方案1:減少卸卷后相變。根據(jù)前述試驗結(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間(0、10、15、30、40 s)后再取下,使相變進一步完成。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。卷筒停留時間是保持鋼卷卷形的關(guān)鍵因素。試驗結(jié)果表明,鋼板厚度對于扁卷也有重要影響,增加板厚可減小鋼帶長度,因此可以減少相變膨脹帶來的長度變化,以改善鋼卷的扁卷問題。而且板厚增加,鋼帶的剛性增加,對鋼卷抵御坍塌也有一定的作用。對于3.0 mm的鋼卷,發(fā)生了扁卷的11個鋼卷都沒有采用卷筒停留;而對于2.8 mm的鋼卷,需要的卷筒停留時間明顯長于3.0 mm鋼卷。方案1中試驗的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間的具體結(jié)果如圖6。

圖6 卷筒停留時間對2.8 mm鋼卷內(nèi)卷徑差的影響

這次試驗較好驗證了卷筒停留的作用。熱膨脹試驗結(jié)果表明,在貝氏體相變區(qū)間,超高強度耐候鋼的大部分相變膨脹可以在30 s之內(nèi)完成。而這次的熱軋試驗也證明,對于2.8 mm鋼卷,30 s是是否發(fā)生扁卷的臨界卷筒停留時間。這個結(jié)果與先前的熱膨脹結(jié)果是一致的。這也證實了前面關(guān)于扁卷原因的推測,即超高強度耐候鋼的扁卷是由于在快速相變區(qū)卷取時發(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)計和相變行為的其他先進高強鋼,如雙相鋼、馬氏體鋼等。

5 結(jié)論

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

(1)超高強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,膨脹量峰值出現(xiàn)在約650 ℃。

(3)卷取前冷卻速度對于材料卷取后相變速度的影響不顯著,但是低冷卻速度會降低材料中低溫卷取后相變膨脹量。這可能是因為低冷卻速度下,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。對于本文中的超高強度耐候鋼,采用低卷取溫度≤600 ℃,并實施卷筒停留30～40 s,可有效改善扁卷問題。