潤滑條件對溫軋含磷IF鋼組織性能的影響

郭衛(wèi)民，王作成，劉 勝，王協(xié)彬，宋立彬，王 曉

(1.山東大學材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點實驗室，濟南250061; 2.山東大學材料科學與工程學院，濟南250061)

潤滑條件對溫軋含磷IF鋼組織性能的影響

郭衛(wèi)民1，2，王作成1，2，劉 勝1，2，王協(xié)彬1，2，宋立彬1，2，王 曉1，2

(1.山東大學材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點實驗室，濟南250061; 2.山東大學材料科學與工程學院，濟南250061)

為研究潤滑條件對熱軋高強鋼板的組織和性能的影響機理，對熱軋坯料分別進行了潤滑和不潤滑兩種軋制，并對兩種軋制條件下的鋼板進行了顯微組織觀察及力學性能測試.結(jié)果表明：潤滑條件對鐵素體區(qū)熱軋高強IF鋼的屈服強度(σs)、抗拉強度(σb)、總延伸率(η)和n值影響不大，但對r值和Δr值有顯著的影響.在未潤滑條件下軋制的鋼板的r值(0.96)明顯低于潤滑條件下軋制的鋼板的r值(1.27)，|Δr| (0.465)值則明顯高于潤滑條件下的|Δr|值(0.075).使用潤滑軋制可以獲得具有優(yōu)異深沖性能的高強IF鋼板.

潤滑條件;高強IF鋼;鐵素體區(qū)軋制;r值;深沖性能

汽車用鋼要求具有良好的深沖性和成形性，而IF鋼因其優(yōu)異的深沖性能，高r值，高延伸率，高n值和較低的屈強比等性能，被廣泛應用于汽車工業(yè)［1－5］.隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，為了減輕汽車質(zhì)量節(jié)約能源，高強IF鋼板的需求越來越大.由于P元素的加入，在提高鋼板強度的同時也損傷了深沖性能，因而通過控制軋制參數(shù)提高產(chǎn)品性能的方法受到越來越多的關(guān)注［6－9］.采用鐵素體區(qū)熱軋工藝可以降低成本，簡化工序、節(jié)約能源、提高生產(chǎn)效率，使得鐵素體區(qū)軋制工藝研究成為軋制工藝研究的熱點之一.目前，日本、美國、德國比利時等國一些鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)已將該技術(shù)成功地應用于工業(yè)生產(chǎn)中［10］.有研究表明［11］，鐵素體區(qū)軋制工藝在簡化工藝過程，節(jié)約成本的同時，還可以有效地提高＜111＞//ND織構(gòu)的強度.

潤滑條件是影響熱軋高強IF鋼深沖性能的重要工藝參數(shù).高強IF鋼在鐵素體區(qū)熱軋時，潤滑條件的改變將會引起鋼板表層變形模式的改變［12－14］:在潤滑條件下，鋼板表層的變形模式和鋼板中心的變形模式都為壓縮變形;而在未潤滑條件下，由于軋輥和鋼板表面的摩擦產(chǎn)生剪切應力，鋼板表層的變形模式由壓縮變形轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟凶冃?鋼板厚度方向上不同的變形模式將導致組織和織構(gòu)的不一致，進而引起鋼板性能的變化.因此，研究潤滑條件對熱軋高強IF鋼組織和性能的影響規(guī)律，揭示其影響機理對指導實際生產(chǎn)具有重要意義.

本文將以寶鋼冶煉的含磷高強IF鋼板為研究對象，進行不同潤滑條件下的鐵素體區(qū)熱軋，詳細研究潤滑條件對高強IF鋼性能的影響規(guī)律，分析不同潤滑條件下鋼板厚度方向上組織的分布情況.

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗材料在寶鋼CONSARC500公斤真空感應爐冶煉并澆鑄成鋼錠，鋼錠經(jīng)鍛造后切割成熱軋坯料，化學成分見表1.

表1 實驗材料的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

1.2 工藝過程

將化學成分相同(如表1)的鋼坯加熱到1050℃保溫2 h后，從爐中取出空冷至開軋溫度(800℃)，進行鐵素體區(qū)有/無潤滑熱軋，軋制的總壓下率為90%，終軋溫度為680℃，軋后空冷至室溫.然后裝入真空爐中隨爐加熱到750℃，保溫3 h后隨爐冷卻，模擬熱軋鋼板的罩式退火.為了研究潤滑條件對熱軋高強IF鋼組織和性能的影響，在熱軋過程中分別采用潤滑軋制和無潤滑軋制.潤滑軋制時，在軋制前將軋輥表面均勻涂抹熱軋潤滑油，潤滑油為高溫極壓合成潤滑脂，由固體潤滑油，高溫合成劑，無灰無磨損型無機潤滑劑組成.熱軋實驗在二輥可逆式軋機上進行，軋輥直徑 300 mm，輥身長度 350 mm，軋輥轉(zhuǎn)速75 rad/min.板坯加熱使用碳硅棒加熱的電箱式電爐，爐溫由溫度控制柜來控制.

1.3 力學性能測定

對退火后的鋼板進行單向拉伸實驗以測量其力學性能.在退火后的鋼板上，沿與軋向成0°、45°、90°的方向上取樣并加工成標準的拉伸試樣，每個方向上加工3片試樣進行測量，測量后取其平均值作為該方向上的力學性能，試樣力學性能的最終結(jié)果按X=(X0+2X45+X90)/4進行計算，Δr的計算公式為Δr=(r0－2r45+r90)/2.其中，r值的測定按國標GB5027－2007進行，n值的測定按國標GB5028－2008進行.

1.4 顯微組織觀察

本研究中顯微組織觀察包括金相顯微組織觀察和微觀織構(gòu)的觀察.用Nikon Epiphot300光學顯微鏡(OM)對熱軋板和退火板進行金相顯微組織觀察，觀察面為平行于軋制方向的縱截面(RD－ND);用牛津儀器公司生產(chǎn)的HKL Channel 5 EBSD探頭裝在Apollo 300掃描電鏡上進行顯微織構(gòu)觀察.

2 潤滑條件對力學性能和組織的影響

2.1 潤滑條件對力學性能的影響

表2和圖1給出了潤滑條件對熱軋高強IF鋼力學性能的影響.由圖1分析可見，潤滑條件對屈服強度(σs)、抗拉強度(σb)、總延伸率(η)和n值的影響都很小，但對r值和Δr值的影響很大.如表2所示，開軋溫度為800℃時，在潤滑軋制條件下，鋼板的r為分別為1.14、1.12、1.27，|Δr|分別為0.125、0.125和0.075;而在未潤滑條件下，鋼板的r不超過1，|Δr|則高達0.465.從圖1中可以更清晰地看出，采用潤滑軋制的鋼板具有更優(yōu)異的深沖性能(高r值、低|Δr|值)，而未采用潤滑軋制的鋼板，其深沖性受到了嚴重損害.

表2 不同潤滑條件下熱軋高強IF鋼的力學性能

圖1 潤滑條件對熱軋高強IF鋼力學性能的影響

從圖2和圖3中可以看出，潤滑條件對高強IF鋼的強度幾乎沒有影響，但對r值的影響很大:不潤滑時，試驗鋼的r值僅為0.96左右，采用潤滑軋制后r值顯著增加，達到1.27.因此，優(yōu)異的深沖性能需要良好的潤滑條件.

圖2 不同潤滑條件下的真應力-真應變曲線

2.2 潤滑條件對顯微組織的影響

如圖4所示(圖中組織距離表面0～1300 μm)，在未潤滑熱軋條件下，組織沿板厚方向分布不均勻，在距表層0～600 μm為等軸細晶粒，隨著距表層距離的增大，組織逐漸過渡為帶狀的變形組織;在潤滑熱軋條件下，試驗鋼板的組織在整個厚度方向上分布均勻，與圖 4(a)中700 μm以下的組織相似.

圖3 不同潤滑條件下的r-真應變關(guān)系曲線

圖5給出了潤滑條件對熱軋板中心層組織的影響(圖中組織距離表面 1300～1700 μm).由圖5可見，潤滑和未潤滑的熱軋板中心層的組織相當，都為扁平狀晶粒，在未潤滑的鋼板組織中存在少量的再結(jié)晶顆粒.

圖6中組織距離表面約1300～1700 μm.如圖6(a)所示，未潤滑時，退火后鋼板組織仍然存在不均勻性，表層形成細小、均勻的等軸鐵素體晶粒.在表層600 μm范圍內(nèi)是均勻等軸的細晶粒層;從邊部向心部至距表層約600 μm后，組織逐漸過渡為粗大的等軸鐵素體晶粒.表層等軸細小鐵素體晶粒的形成是由于鋼板表面與軋輥表面的摩擦形成了剪切應力.由圖6(b)、(c)、(d)可見，在潤滑條件下，退火板的組織在厚度方向上保持了良好的一致性，鋼板的表層組織和中心層組織基本相同，都為粗大等軸狀的鐵素體晶粒.

圖4 潤滑條件對熱軋板表層組織的影響

中心層的組織如圖7所示(圖中組織距離表面約1300～1700 μm)，潤滑和未潤滑退火板的組織基本相同，都為粗大等軸狀的鐵素體晶粒.結(jié)合圖4～圖7可以看出，潤滑條件只是對熱軋板和退火板表層組織有很大影響，但對中心層的組織幾乎沒有影響.無論是熱軋板還是退火板，中心層的組織在未潤滑條件下與在潤滑條件下基本相同.

圖5 潤滑條件對熱軋板中心層組織的影響

圖6 潤滑條件對退火板表層組織的影響

圖7 潤滑條件對退火板中心層組織的影響

2.3 潤滑條件對退火織構(gòu)的影響

圖8為潤滑和未潤滑兩種軋制條件下的鋼板表層和心部的φ2=45°ODF截面圖.由圖8可見，在未潤滑條件下，鋼板表層的織構(gòu)類型和強度與中心層顯著不同，表層形成了散漫的織構(gòu)狀態(tài)，而中心層則形成了極弱的γ－＜111＞//ND纖維織構(gòu);在潤滑條件下，鋼板表層和中心層的織構(gòu)類型保持了較好的一致性，強度相當，表層和中心層均形成了較強的γ纖維織構(gòu).進一步分析發(fā)現(xiàn)，在未潤滑條件下，退火鋼板表層僅存在較強的剪切織構(gòu)，取向密度約為10，而中心層不存在該剪切織構(gòu)，其主要織構(gòu)組分為{111}＜112＞和{554}＜225＞，取向密度約為6.而在潤滑條件下，退火鋼板的表層和中心層均形成了強烈的{111}＜110＞、{111}＜112＞和{554}＜225＞織構(gòu)，最強織構(gòu)組分為{554}＜225＞，取向密度分別達到了6和8.

圖8 試驗用退火板φ2=45°ODF截面圖

由上述分析可以看出，潤滑熱軋使試驗鋼退火板沿板厚方向形成均勻分布的、強烈的有利于深沖性能的γ纖維織構(gòu)，而未潤滑熱軋將使鋼板表層形成{110}＜001＞剪切織構(gòu)，心部形成極弱的{111}＜112＞及{554}＜225＞有利織構(gòu).潤滑條件對熱軋高強IF鋼退火織構(gòu)的影響規(guī)律與其r值由良好潤滑條件下的1.27降為未潤滑條件下的0.96的變化趨勢是相符合的.

3 分析與討論

從本文的實驗結(jié)果可以看出，潤滑條件對鐵素體區(qū)熱軋高強IF鋼的屈服強度、抗拉強度、總延伸率和n值的影響都比較小，但對r值和Δr值有很大影響.未潤滑時，由于鋼板表面和軋輥表面產(chǎn)生摩擦剪切應力使鋼板表層形成細小的等軸晶，導致形成的組織在厚度方向上不均勻.這種組織的不均勻性會嚴重損害鋼板的深沖性能，降低r值、增大|Δr|值.

在未潤滑條件下，由于鋼板表面與軋輥的摩擦，使鋼板表面的變形模式改變，由無摩擦時的純壓縮變形轉(zhuǎn)變?yōu)榧兗羟凶冃?在鋼板表面一定范圍內(nèi)產(chǎn)生一個強烈的剪切應變區(qū).在剪切應變區(qū)內(nèi)，高的塑性應變能剪切應變區(qū)形成了大量的等軸細晶粒，從而使厚度方向上組織不均勻［15］.這種不均勻性保留至退火組織中，形成的主要織構(gòu)類型是Goss剪切織構(gòu)，如圖8(a)所示.而鋼板中心層的組織是粗大的等軸鐵素體晶粒，形成了微弱的 γ纖維織構(gòu)，取向為 ＜111＞//ND，如圖8(c)所示.這與已有的相關(guān)研究結(jié)果是相符合的［14，16］.由以上分析可知，在未潤滑熱軋條件下，鋼板在厚度方向上織構(gòu)的變化是由表層的＜110＞//ND剪切織構(gòu)取向過渡到中心層＜111＞//ND取向.這種厚度方向上的取向不均勻性會嚴重降低鋼板的r值同時損害鋼板的深沖性能［12］.相反，在潤滑熱軋條件下，鋼板整個厚度方向上的主要變形模式是壓縮變形，組織和織構(gòu)在鋼板整個厚度方向分布均勻，組織都是等軸狀的鐵素體晶粒，主要織構(gòu)的類型是＜111＞//ND的γ有利織構(gòu)，如圖8(b)、(d)所示.

胡恒法，裴新華認為［17］，鋼板組織的均勻性決定了其|Δr|值:組織越均勻，薄板的各向異性越小，|Δr|值越小.由于未潤滑熱軋條件下高強IF鋼的組織存在嚴重的不均勻性，因而未潤滑條件下的|Δr|值明顯高于潤滑條件下的|Δr|值(圖1).未潤滑鋼板表層與中心層的晶粒尺寸相差非常大，在厚度方向上存在嚴重的組織不均勻性(圖5(a))，因此，未采用潤滑處理的熱軋高強IF鋼板具有很強的各向異性和高的|Δr|值.

此外，如圖6(a)所示，鋼板中晶粒最細小處并不是在最表層與軋輥的接觸面上，而是在距表層約200 μm處.這是因為未潤滑條件下熱軋鋼板剪切應變的峰值出現(xiàn)在距板表面1/10厚度處［14］.

4 結(jié)論

1)在本實驗范圍內(nèi)，潤滑條件對鐵素體區(qū)熱軋高強IF鋼的屈服強度、抗拉強度、總延伸率和n值影響不大，但對Δr值和Δr值有顯著的影響.潤滑軋制使得鋼板的Δr值顯著提高，而|Δr|值則明顯降低.

2)在未潤滑熱軋條件下，由于軋板表層和心部變形方式不同，熱軋板的組織在厚度方向上存在嚴重的不均勻性，退火后，這種不均勻性依然存在.鋼板厚度方向上組織的不均勻性是造成鋼板深沖性能變差的本質(zhì)原因.

3)在潤滑熱軋條件下，鋼板在厚度方向上變形均勻，熱軋板和退火板的組織在整個厚度方向上都分布均勻.經(jīng)熱軋、退火后，鋼板能獲得優(yōu)異的深沖性能.

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Effects of lubricate condition on microstructure and mechanical properties of ferritic rolled P-added IF steels

GUO Wei-min1，2，WANG Zuo-cheng1，2，LIU Sheng1，2，WANG Xie-bin1，2，SONG Li-bin1，2，WANG Xiao1，2
(1.Key Laboratory for Liquid-Solid Structural Evolution and Processing of Materials(Ministry of Education)，Shandong University，Jinan 250061，China;2.School of Materials Science and Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China)

To figure out the influence mechanism of lubricant condition on microstructures and properties of warm rolled high strength IF steels and guide industrial production further，rollings with or without lubricants were performed，then microstructure observation and mechanical property test were carried out.The results show that:lubrication condition has little effect on yield strength(σs)，tensile strength(σb)，total elongation(η)and n value，but has prominent effect on Δr value and r value.Without lubrication，ferritic rolled steel sheet has lower r value(0.96)than that(1.27)of the steel rolled with good lubrication，and has higher |Δr|value(0.465)than that(0.075)of the steel rolled with good lubrication.Lubricant rolling is applicable to get good deep drawability.

lubricate condition;high strength IF steel;ferritic rolling;r value;deep drawability

TG142.1 文獻標志碼：A 文章編號：1005－0299(2011)04－0059－05

2010－07－05.

山東省科技廳計劃項目(9925).

郭衛(wèi)民(1984－)，女，博士研究生;

王作成(1965－)，男，教授，博士生導師.

聯(lián) 系 人：王作成，E-mail:zcwang@sdu.edu.cn.

(編輯 呂雪梅)