節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼冷軋生產(chǎn)過程相關問題研究

張 澤，陳俊哲，閆 亮

（天津冶金集團天材科技發(fā)展有限公司，天津300308）

0 引言

奧氏體不銹鋼是指含有適量鎳、鉻，含量大于12%，晶體結構成面心立方的鐵基合金[1]。在我國逐年遞減合金元素鎳供給量的背景下，生產(chǎn)企業(yè)為了減少鎳合金的用量，開發(fā)出了一類高強度的不銹鋼，即節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼。節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼，是在傳統(tǒng)304 不銹鋼的基礎上，用錳和氮等元素代替部分或全部的鎳，獲得室溫下單一奧氏體組織的經(jīng)濟型不銹鋼。由于節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼具有類似304 不銹鋼優(yōu)異的機械性能和較好的耐腐蝕性能，在最近幾年受到了很多不銹鋼生產(chǎn)企業(yè)的關注與追逐，其品種開發(fā)數(shù)量和產(chǎn)量均處于不斷增長的趨勢。

不銹鋼板在冷軋、退火、拉矯等過程中均會對材料性能的改變產(chǎn)生影響，從而導致不銹鋼帶材料機械性能、表面質量、板型尺寸等多方面的問題。在日益激增的材料品質要求下，不同客戶對于材料有不同的高標準要求，故對生產(chǎn)企業(yè)于材料的尺寸、性能要求也要精益求精。天材科技發(fā)展有限公司（下稱天材科技）生產(chǎn)精密冷軋不銹鋼帶已有近十年，積累了一定的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，本文就該種材料在冷軋生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一些問題做出進一步研究討論，通過實驗對比，優(yōu)化軋制工藝，為產(chǎn)品的后續(xù)生產(chǎn)提供重要的技術依據(jù)。

1 實驗材料及實驗過程

1.1 實驗材料

實驗采用寶新BNDDQ 原料卷坯，寬度600 mm厚度1.0 mm，表面為2B 表面，其主要成分如表1所示。

1.2 實驗過程

1.2.1 冷軋

采用森吉米爾20 輥軋機軋制實驗材料。在冷軋過程中，選取5～50%不同軋制變形率的冷軋后樣品，每檔選取3 張樣品，規(guī)格30 mm×30 mm。通過維氏硬度計測量樣品硬度，使之與軋制變形率一一對應，擬合出變形率—硬度曲線，從而分析節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼的加工硬化程度。

表1 實驗用節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼化學成分 /%

再對不同硬度區(qū)間的樣品300 mm×300 mm 沿軋制方向進行取樣測試力學性能，比較經(jīng)過不同冷軋變形率之后，實驗材料的力學性能變化。

1.2.2 退火

由于帶材的長度及連續(xù)性的特點，不銹鋼帶材的退火采用連續(xù)退火爐工藝。連續(xù)退火工藝是通過退火過程中鋼帶行進速度來調節(jié)保溫時間的長度。退火行進速度越快，相對保溫時間越短。

針對實驗材料軋制后的極薄帶材，采用奧地利艾伯納立式連續(xù)光亮退火爐進行光亮退火，不銹鋼帶厚度約為0.1 mm，選取退火工藝如表2 所示。而后從實驗材料上取下規(guī)格為0.1×300×300 樣品，沿軋制方向進行力學性能測試，分析出材料的力學性能在不同的退火工藝下的變化。

表2 實驗材料退火工藝匯總

1.2.3 拉矯

板型的實質是帶鋼纖維長度不等，在拉矯過程中，板帶在彎曲輥上劇烈彎曲，板帶同時受到延伸應力與彎曲應力的聯(lián)合作用，此時材料受到拉伸和彎曲的疊加應力。由于應力疊加作用，板帶彎曲變形后的中性層將不通過其斷面形心，而是朝著板帶的壓應力方向偏移，致使斷面上的拉伸應變大于壓縮應變，經(jīng)過多次反復彎曲后，拉伸應變和壓縮應變不能相互抵消，使得材料產(chǎn)生塑性延伸[2]。故拉矯工序主要工藝參數(shù)即為設備設定延伸率，通過設定延伸率來改善實驗材料板型。

采用德國B+S 23 輥拉彎矯直機，對實驗材料進行板型精整，改善軋制、退火之后材料平面度問題。在拉矯過程中采用不同的拉矯延伸率：0.1%，0.3%，0.5%，拉矯后截取長度1 m 的原寬樣板對于平整度進行分析，探究拉矯延伸率對材料平面度的整平效果。

2 實驗結果

2.1 原材料相關數(shù)據(jù)分析

截取樣品1.0 mm×30 mm×30 mm，用維氏硬度計測量實驗材料維氏硬度，硬度測量值為170 HV～200 HV。

另取樣品1.0 mm×300 mm×300 mm 沿軋制方向進行力學性能測試，實驗材料屈服強度≥250 MPa，抗拉強度≥650 Mpa，延伸率A50≥45%。

2.2 冷軋變形率-硬度曲線

根據(jù)不同軋制變形率取得測試樣板，用維氏硬度計測量樣板HV 值，載荷1 000 g，根據(jù)測試結果與軋制變形率行程對應關系，擬合出軋制變形率—硬度曲線如圖1 所示。

圖1 軋制變形率-硬度曲線

從圖1 曲線可知，變形率—硬度曲線斜率先增大隨后放緩，實驗材料受變形率影響先大后小。說明在軋制變形率30%以下，材料硬度隨軋制變形率增長較快，隨后至30%以后，實驗材料硬化情況開始變緩，最高硬度可達到500 HV。

而后取各個硬度區(qū)間內(nèi)樣品，沿軋制方向做力學拉伸測試，得出結果如表3 所示。

由表3 可知，冷軋過后的節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼，強度有所增長，延伸率下降。

又選取張家港浦項SUS304 不銹鋼，在相同軋制變形率下，測試樣品的力學性能，如表4 所示：

由表4 可知，相比于普通的304 材料，由于Ni含量較低的原因，BNDDQ 材料加工硬化速率較快，在相同的軋制變形率下，節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼的硬度較高，強度稍好，但延伸率與304 差距比較明顯；在35%以上的大軋制變形率下，較304 相比延伸率低的同時強度基本和304 材料保持在同一水平。故生產(chǎn)及使用過程中，在同強度、低延伸要求的情況下，可以替代304 材料，大大節(jié)約成本。

表3 不同軋制變形率下的樣品力學性能

表4 SUS304 材料不同軋制變形率下的樣品力學性能

2.3 退火工藝性能分析

2.3.1 退火力學性能

實驗材料經(jīng)多軋程軋制之后厚度為0.1 mm，采用不同溫度、不同速度下的退火工藝，分別取樣沿軋制方向進行力學測驗，結果如表5 所示。

由表5 可知，高溫及更慢的退火速度，會使實驗材料的強度下降，延伸率提高。溫度越高，延伸率越高，但材料強度大大降低。低溫使得材料延伸率下降，但材料強度得到一定保障。

表5 不同退火工藝下下的樣品力學性能

在生產(chǎn)過程中，應針對不同材料產(chǎn)品使用用途的不同，區(qū)別不同節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼的性能要求，從而靈活調節(jié)退火工藝已達到要求。

2.3.2 退火氧化

此外，在退火的實驗過程中，發(fā)現(xiàn)了實驗材料1～3 組、6 組，不同程度的表面氧化情況，表面經(jīng)過氧化后呈淡藍色。該氧化區(qū)域的力學性能經(jīng)測試顯示，延伸和強度均大幅下降，會對后續(xù)冷加工環(huán)節(jié)，造成重大影響，故在實際退火生產(chǎn)過程中，應避免氧化發(fā)藍情況。

經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，退火溫度較低、速度較快會在一定程度上導致氧化的產(chǎn)生，使得實驗材料的力學性能大幅下降。但在退火環(huán)節(jié)，影響材料氧化的根本原因在于退火時爐內(nèi)氣氛的情況。

奧地利艾伯納立式連續(xù)光亮退火爐，判定爐內(nèi)氣氛指標為各個區(qū)域的露點情況：氫氣供應管線、氮氣供應管線、輻射冷卻器、冷卻區(qū)域2、頂輥。

在上述實驗過程中，各個部位的露點情況做出記錄；后采用同樣工藝，加以對露點進行調節(jié)改善，退火之后材料未發(fā)現(xiàn)氧化發(fā)藍情況。具體改善情況如表6 所示。

表6 退火爐各區(qū)域露點調節(jié)前后變化

由此可知，在節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼材料退火過程中，由于合金元素較304 不銹鋼產(chǎn)生了一定變化，故材料抗氧化性略有下降，對于退火爐爐內(nèi)氣氛要求較高，應保證爐內(nèi)氣氛穩(wěn)定。

2.4 拉矯對板型平整的影響

對于上述0.076 mm 退火后材料進行拉矯，改善由于冷軋后導致的板型不良，現(xiàn)采取3 種不同方式的拉矯方式拉矯。將樣片寬度方向平均分為7 處測量點，分別測量邊浪及中松情況。分析實驗材料初始板型及拉矯后板型，具體分析結果如圖3 所示。

圖3 不同延伸率拉矯后的板型情況

從圖3 可以看出：設定延伸率0.1%，為延伸率不足，導致板型整體無法得以更好的改善，邊浪、中松均下降但下降幅度不明顯；設定延伸率0.3%，延伸率達到一定值，邊浪及中松均改善較好，仍有少量優(yōu)化空間；設定延伸率0.5%，邊浪較上述兩種工藝有所下降，但中松由于延伸率過大，反而高于延伸0.3%實驗材料。因此，可得出原始冷軋退火后板型邊浪和中松均較大，而經(jīng)過拉矯之后，板型有整體性改善。設定延伸率越大，邊浪趨于平整，改善明顯；但延伸率過大會導致板型中松加強，從而致使整板平整度有所反彈。

3 結語

節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼通過額外元素取代鎳元素，使得其在冷軋生產(chǎn)中，較304 不銹鋼有一定差異，在實際的生產(chǎn)過程中，相應的工藝要按照實驗結果嚴格控制。

（1）冷軋方面，在軋制變形量30%之前，加工硬化速率較快，而后硬化幅度減緩。

（2）在冷軋過后的材料力學性能上，強度較304不銹鋼材料相當，但延伸率有所降低。

（3）退火方面，高溫低速退火，在一定程度上會減少氧化發(fā)生，退火后材料延伸率提高，但強度有所下降，應根據(jù)使用用途及性能要求進行靈活調整。但嚴格保證爐內(nèi)氣氛，才是材料不發(fā)生氧化的最根本得保證。

（4）拉矯方面，加大設定延伸率會保證材料邊浪有明顯改善，但至一臨界值之后，中松高度反而上升，對改善板型起到反作用，故在拉矯過程中，應優(yōu)先考慮整板板型情況，根據(jù)整板情況適當調節(jié)設定延伸率。

綜上所述，對節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼的冷軋生產(chǎn)工藝有了系統(tǒng)的總結，且在實際生產(chǎn)中起到了良好效果，可以穩(wěn)定的生產(chǎn)出厚度在0.1 mm 及0.1 mm以下，性能優(yōu)異的高質量節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼冷軋帶材，在同強度、低延伸要求的情況下，可以替代304 不銹鋼，節(jié)約生產(chǎn)和使用成本。