低碳鋼微合金化抗時(shí)效性研究及工藝改進(jìn)

韓 冰， 宋卓斐， 王言峰， 馬琳琳

（1.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院， 河北 唐山 063016；

2.河鋼股份有限公司唐山分公司汽車板事業(yè)部， 河北 唐山 063016；3.河北機(jī)車技師學(xué)院， 河北 唐山 063016）

隨著國(guó)內(nèi)外家電行業(yè)的蓬勃發(fā)展，家電產(chǎn)量及產(chǎn)品質(zhì)量得到了飛速的提升，客戶對(duì)家電用鋼的產(chǎn)品品質(zhì)提出了更高的要求。鍍鋅板以其優(yōu)秀的耐腐蝕性、涂裝性能在家電用鋼中占有重要比例。

唐鋼大力推進(jìn)家電用鍍鋅鋼帶的開(kāi)發(fā)及市場(chǎng)推廣，開(kāi)發(fā)了電視機(jī)后殼、冰箱背板、微波爐U 板系等列家電用鋼，得到了國(guó)內(nèi)主要家電企業(yè)的認(rèn)可。然而，唐鋼家電板在使用過(guò)程中仍然存在一定問(wèn)題，主要集中在外板的生產(chǎn)和使用過(guò)程中。首先，在運(yùn)輸過(guò)程中為防止出現(xiàn)磕碰等問(wèn)題，要求家電外板有一定的強(qiáng)度。其次，家電外板一般具有較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，要求產(chǎn)品具有良好的加工成形性。第三，家電產(chǎn)品的加工制造流程較長(zhǎng)，同時(shí)彩涂過(guò)程有烘烤工序，這就要求家電外板要有很好的抗時(shí)效性能，尤其是高溫抗時(shí)效性能。如何很好地協(xié)調(diào)統(tǒng)一各方面要求，制約著唐鋼家電用鋼的發(fā)展。

1 試驗(yàn)方案制定及工藝控制

原有家電外板以SPHD 為原料，鍍鋅成品牌號(hào)為DX52D+Z，產(chǎn)品的強(qiáng)度及成形性能均可滿足要求，但使用過(guò)程中存在一定比例的加工起楞缺陷，經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析為局部變形量較小導(dǎo)致的拉伸應(yīng)變痕。本實(shí)驗(yàn)在原有方案的基礎(chǔ)上對(duì)產(chǎn)品成分、熱軋工藝及鍍鋅工藝進(jìn)行調(diào)整，滿足產(chǎn)品強(qiáng)度及成形性的同時(shí)，提升抗時(shí)效性。

1.1 化學(xué)成分

自然時(shí)效主要是由于鋼中原子量小的間隙原子N 及C 等原子在鋼中的快速擴(kuò)散造成的，控制鋼種間隙原子的數(shù)量是提升抗時(shí)效性的關(guān)鍵。固定游離C、N 原子的常規(guī)辦法為加入Nb、Ti[1]，使其形成TiC、NbN 等化合態(tài)。

本實(shí)驗(yàn)方案將C、N 原子控制在較低范圍內(nèi)，并向原料中加入一定量的Ti，C、N 原子優(yōu)先與Ti 結(jié)合形成鈦的碳氮化物，為避免退火工序再結(jié)晶溫度過(guò)高及降低成本考慮，Ti 的加入量不足以完全消除C、N 原子。于是向鋼水中加入微量B 合金，B 一方面與N 形成BN[3]，起到降低間隙原子數(shù)量的目的，同時(shí)起到一定強(qiáng)化作用，實(shí)驗(yàn)用鋼的成分見(jiàn)表1。

表1 抗時(shí)效家電用鋼中包成分 %

實(shí)驗(yàn)用鋼通過(guò)真空熔煉工藝及配比合適量的中碳錳鐵，將碳含量降低至較低水平，并加入一定量鈦和硼，其余元素基本一致。

1.2 熱軋工藝

采用高精軋入口溫度、高軋制速度的方式保證較高的終軋溫度及溫度精度的控制能力，終軋溫度控制在890 ℃，奧氏體區(qū)軋制，采用較高的終軋溫度主要目的在于提升晶粒軋制過(guò)程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力，避免在兩相區(qū)軋制導(dǎo)致的晶粒尺寸不均勻，最終獲得均勻細(xì)化的熱軋組織。

卷曲溫度采用730 ℃的高溫卷曲，提升間隙原子的擴(kuò)散動(dòng)力，同時(shí)為間隙原子提供充足的擴(kuò)散時(shí)間，以促進(jìn)碳氮化物的充分析出。另外，較高的卷曲溫度，使靜態(tài)再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大過(guò)程更充分，抵消因合金元素加入導(dǎo)致的強(qiáng)度提升。

熱軋組織以鐵素體基體為基體，晶粒內(nèi)部較純凈，鐵素體晶界上彌散分布著碳化物，晶粒尺寸約為20 μm 左右。

1.3 鍍鋅工藝優(yōu)化

C 含量的降低影響碳當(dāng)量，進(jìn)而影響鐵素體再結(jié)晶溫度，同時(shí)Ti 和B 的加入形成的析出相阻止晶粒的長(zhǎng)大，該成分體系下的退火溫度要高于傳統(tǒng)的SPHD。對(duì)該成分體系進(jìn)行熱模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 成分優(yōu)化后的熱模擬結(jié)果

結(jié)合熱模擬的結(jié)果及平時(shí)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)工藝制度進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)，最終退火溫度采用790 ℃。

1.4 成品性能

鍍鋅生產(chǎn)后的成品力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表2 成品力學(xué)性能

實(shí)驗(yàn)品抗拉屈服強(qiáng)度與一般DX52D+Z 性能基本一致，同時(shí)延伸率也略有提升，強(qiáng)塑積13 162.5 MPa·%，具有良好的強(qiáng)度和塑性的綜合性能。

實(shí)驗(yàn)品金相組織見(jiàn)圖2。

圖2 金相組織X200

實(shí)驗(yàn)品充分完成再結(jié)晶，晶粒呈等軸狀，晶粒尺寸均勻，晶粒度8 級(jí)，基體為鐵素體組織，晶粒內(nèi)部更加純凈，析出物在晶界處聚集。

2 帶鋼抗時(shí)效能力

2.1 自然時(shí)效

取樣板在室溫條件下分別放置一個(gè)月和三個(gè)月，使其自然時(shí)效[4]，并對(duì)時(shí)效后的樣板進(jìn)行單向拉伸實(shí)驗(yàn)，各段拉伸曲線見(jiàn)圖3，檢測(cè)時(shí)效后的力學(xué)性能及屈服平臺(tái)長(zhǎng)度，并與初始性能進(jìn)行對(duì)比。

圖3 自然時(shí)效條件下的單向拉伸曲線

對(duì)比初始性能與時(shí)效后性能可見(jiàn)，時(shí)效一個(gè)月，力學(xué)性能基本不變，且未出現(xiàn)屈服現(xiàn)象；時(shí)效三個(gè)月后，屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度提升20 MPa 左右，延伸率略有下降，屈服平臺(tái)長(zhǎng)度在1.4%左右。

2.2 烘烤加速時(shí)效

取樣分別在270 ℃下進(jìn)行烘烤實(shí)現(xiàn)[5]，烘烤時(shí)間60 s，烘烤后水淬至室溫，第一組試樣烘烤+水淬，第二組試樣重復(fù)兩次烘烤+水淬過(guò)程，第三組試樣重復(fù)三次烘烤+水淬過(guò)程。對(duì)處理后的試樣進(jìn)行單向拉伸實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 烘烤加速時(shí)效條件下的單向拉伸曲線

對(duì)比初始性能及不同烘烤方式處理后的性能可見(jiàn)，進(jìn)行一次烘烤試驗(yàn)后，抗拉強(qiáng)度上升20～25 MPa，屈服強(qiáng)度上升25～30 MPa，并開(kāi)始出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，屈服平臺(tái)長(zhǎng)度小于1%；經(jīng)過(guò)兩次烘烤處理后，抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度上升30～40 MPa，屈服平臺(tái)長(zhǎng)度在1.5%左右，延伸率下降2%左右；經(jīng)過(guò)三次烘烤相比兩次處理，力學(xué)性能變化不大，屈服平臺(tái)長(zhǎng)度提升至2.2%左右。

帶鋼的抗時(shí)效能力較強(qiáng)，經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的自然時(shí)效以及多次烘烤后屈服平臺(tái)長(zhǎng)度仍在較低范圍之內(nèi)。由于材料的家電外板的變形量往往在5%以上，大大超出帶鋼屈服延伸的長(zhǎng)度，而當(dāng)材料的變形量超于屈服延伸量時(shí)，材料將發(fā)生均勻變形，為避免家電板加工過(guò)程中的“起楞”缺陷起到積極作用。

3 結(jié)論

1）通過(guò)熔煉技術(shù)控制帶鋼中的C、N 含量，配比一定量的Ti 和B 的微合金化處理，降低基體中間隙原子的數(shù)量，配合合適的熱軋及鍍鋅工藝，可生產(chǎn)出強(qiáng)度及塑性良好的產(chǎn)品。

2）經(jīng)自然時(shí)效及烘烤處理加速時(shí)效后，帶鋼強(qiáng)度有所上升，屈服平臺(tái)長(zhǎng)度控制在較小范圍之內(nèi)，可有效避免帶鋼加工過(guò)程中的“起楞缺陷”的出現(xiàn)。