厚規(guī)格350Mpa級(jí)高強(qiáng)鍍鋁鋅結(jié)構(gòu)鋼開發(fā)

邵遠(yuǎn)飛

（江蘇省南京市雨花臺(tái)區(qū)梅山街道梅鋼公司，江蘇 南京 210039）

標(biāo)準(zhǔn)要求鍍鋁鋅板作為涂層產(chǎn)品，是冶金行業(yè)的深加工和高附加值產(chǎn)品，具有高耐腐蝕性、外表美觀、深加工性能優(yōu)良、成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電器柜、建筑、輕工、汽車零部件、農(nóng)牧等行業(yè)。隨著國家經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的提檔升級(jí)，一方面冷軋板或涂漆板逐漸被耐蝕性優(yōu)良的熱鍍鋁鋅板替代，另一方面高強(qiáng)度厚規(guī)格鍍鋁鋅板越來越受市場所青睞，特別是在某些機(jī)械支撐、承載應(yīng)用和建筑應(yīng)用領(lǐng)域。為順應(yīng)市場需求，努力拓展梅鋼厚規(guī)格鍍鋁鋅高強(qiáng)度等級(jí)品種，在梅鋼冷軋廠鍍鋁鋅產(chǎn)線開發(fā)了厚度1.95mm～2.00mm，350Mpa級(jí)高強(qiáng)厚規(guī)格鍍鋁鋅結(jié)構(gòu)鋼[1]。

1 標(biāo)準(zhǔn)要求

在開發(fā)厚規(guī)格高強(qiáng)鋼時(shí)主要參照了美標(biāo)ASTMA792/A792M–09，340MPa強(qiáng)度級(jí)別鍍鋁鋅產(chǎn)品，性能及成分要求如表1、表2所示。并與一些國內(nèi)知名下游用戶展開合作。它們?cè)谧畛鯂鴥?nèi)沒有很好供貨廠家的情況下，主要采購進(jìn)口材料。我們與它們開展合作，并針對(duì)它們對(duì)進(jìn)口材料性能（表3）要求，組織開展研究分析工作。該用戶要求材料在沖孔、輥壓折彎時(shí)不得有毛刺、孔變形和開裂等情況，所以要求此厚規(guī)格產(chǎn)品不僅具備一定的強(qiáng)度等級(jí)，還具備一定的變形能力，所以要求斷后伸長率需大于18%。

表1 Grade 50CL1力學(xué)性能要求

表3 下游用戶力學(xué)性能要求

2 工藝方案設(shè)計(jì)及樣件生產(chǎn)比較

2.1 工藝流程

鋼水預(yù)脫硫→轉(zhuǎn)爐→精煉(LF爐或氬站)→連鑄→熱連軋→酸軋→連續(xù)熱鍍鋁鋅。

2.2 成分體系

梅鋼酸洗機(jī)組因焊機(jī)最大可焊熱卷厚度4.00mm，成品厚度約2.00mm，壓縮比約50%左右。如采用低碳軟鋼，材料存儲(chǔ)畸變能較小，熱處理后晶粒尺寸差異較大，組織不良。如采用中碳、中錳鋼，因熔煉成分波動(dòng)較大，在滿足性能下限要求時(shí)，由于波動(dòng)有時(shí)強(qiáng)度較高，造成延伸率較低，用戶加工開裂風(fēng)險(xiǎn)較大。如采用低合金高強(qiáng)鋼，強(qiáng)度級(jí)別和穩(wěn)定性能夠得到較好的保證，但可能會(huì)增加冷軋機(jī)組軋制能耗和合金成本[2,3]。

圖1 零件加工過程及缺陷

充分討論上述情況后，對(duì)三種成分體系配以相應(yīng)生產(chǎn)工藝，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析、比較，從整體上擇優(yōu)選擇。然后再對(duì)選擇的成分體系及其對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化，提高滿足用戶使用能力，確定最優(yōu)成分體系及其對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)工藝。

2.2.1 典型成分體系、對(duì)應(yīng)工藝

表4 三個(gè)典型成分體系

表5 關(guān)鍵工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.2 試驗(yàn)料生產(chǎn)過程及成品性能

試驗(yàn)三卷材料，分別采用上述三種典型成分及相同的熱軋、冷軋工藝，通過過程工藝和成品性能結(jié)果，反饋材料的性能情況。

三卷試驗(yàn)料，鋼卷之間對(duì)應(yīng)道次采取相同壓縮比。從軋制力分布（圖2）上觀察，各道次的三個(gè)成分試驗(yàn)卷軋制力大小順序呈現(xiàn)出一致性，即。

圖2 五連冷軋軋機(jī)各道次軋制力

從成品力學(xué)性能和硬度（表6）觀察，成分3比成分2高38Mpa、9，成分2比成分1高33Mpa、6.5，成分3提高幅度較大。

表6 成品鍍鋁鋅成品性能

2.2.3 試驗(yàn)料生產(chǎn)小結(jié)

（1）成分1屈服287Mpa低于用戶性能要求下限；成分2屈服320Mpa緊貼下限；成分3屈服358Mpa、抗拉434Mpa和伸長率32%能較好滿足用戶性能要求。

（2）成分3晶類度I9.0級(jí)，晶粒最細(xì)小。成分1、3組織是鐵素體、珠光體；成分2組織是鐵素體、少量珠光體和滲碳體。

（3）不同成分、相同熱、冷軋工藝，且相同規(guī)格，采用低碳加微鈮（Nb0.015%）的成分3，在冷軋各道次中，軋制壓力最大。

綜上所述，成分3晶粒度較細(xì)小，組織良好，力學(xué)性能滿足用戶加工性能要求。同時(shí)也說明了低碳微合金成分體系能很好地保證厚規(guī)格高強(qiáng)度、高成形性能。

圖3 三種成分成品樣金相組織

3 工業(yè)生產(chǎn)

3.1 成分、工藝設(shè)計(jì)原理

經(jīng)查閱相關(guān)資料，微鈮的細(xì)化晶粒作用效果較好，同時(shí)伴隨著二相粒子析出沉淀強(qiáng)化作用。鈮元素是強(qiáng)碳化物，與碳結(jié)合力較強(qiáng)，其細(xì)化晶粒主要作用在加熱爐及熱軋中晶界處化合態(tài)鈮阻礙奧氏體長大，大大細(xì)化奧氏體，故鐵素體得到細(xì)化。在后續(xù)冷軋熱處理中，由于細(xì)小原始晶粒尺寸的遺傳性和退火時(shí)鈮對(duì)晶界釘扎阻礙鐵素體長大，成品鐵素體較細(xì)小，強(qiáng)度和塑性可同時(shí)得到明顯提高。

3.2 放量生產(chǎn)和措施保證

3.2.1 煉鋼工藝設(shè)計(jì)

（1）鑒于產(chǎn)品厚度規(guī)格為1.95mm～2.00mm，對(duì)材料成形性要求較高，且材料有焊接過程，為降低硫元素帶來的熱脆性和焊接質(zhì)量不良，要求在生產(chǎn)中，冶煉鐵水全部進(jìn)行預(yù)脫硫處理。

（2）LF爐處理應(yīng)防止鋼水增氮，全程保持微正壓操作，精煉時(shí)間≥35min，過程使用深度改性渣，確保硫控制在0.010%以下。

（3）轉(zhuǎn)爐不允許補(bǔ)吹，轉(zhuǎn)爐自由氧終點(diǎn)控制<750ppm。

（4）鋼包上臺(tái)前純吹氬時(shí)間不低于5min。

3.2.2 熱軋工藝設(shè)計(jì)

熱軋工藝設(shè)計(jì)采取低終軋低卷取（FT/CT：840/540℃）。熱卷厚度為4.0mm，板寬方向溫度均勻性較好，微合金化擴(kuò)大奧氏體區(qū)，降低Ar3線，精軋出口邊部溫度可較好保證在Ar3線上，防止兩相區(qū)軋制。低終軋低卷取可獲得較細(xì)小的晶粒和均勻彌散分布的滲碳體析出物。冷卻方式采用前段冷卻，減少出精軋后高溫段時(shí)間，進(jìn)一步細(xì)化晶粒組織。

表7 熱軋關(guān)鍵工藝參數(shù)（℃）

3.2.3 冷軋工藝設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)高厚度低合金的高強(qiáng)度要求，需進(jìn)行充分退火，故采用高退火溫度和低退火速度。鈮的析出物對(duì)晶界釘扎阻礙晶界的推移，限制再結(jié)晶，提高了再結(jié)晶溫度，同時(shí)厚度為2.00mm，為確保退火充分性，加熱段/均熱段設(shè)計(jì)為650/770度，退火速度70m/min以下。帶鋼入鍋溫度不宜過低，如溫度過低，鋅鍋內(nèi)帶鋼附近鋅液溫度低造成鐵在鋅液溶解量下降，且?guī)т摳浇F濃度較高，會(huì)產(chǎn)生大量鋅渣，嚴(yán)重影響表面質(zhì)量。如溫度過高，鐵基體上合金層增厚使合金層脆硬，惡化鍍層附著力，同時(shí)鐵溶解量增加，后續(xù)析出鋅渣增多，所以入鋅鍋溫度590℃～600℃，其中厚規(guī)格偏下限控制。為確保晶粒細(xì)化，冷卻段采用快速冷卻至入鍋溫度，三臺(tái)固定風(fēng)機(jī)和一臺(tái)移動(dòng)風(fēng)機(jī)功率設(shè)定100%，壓力設(shè)定1000Pa，在確保均熱和入鍋溫度前提下，盡可能提高退火速度。

表8 連續(xù)熱鍍鋅關(guān)鍵工藝參數(shù)（℃）

3.3 放量生產(chǎn)質(zhì)量情況

2018年1月份～4月份在梅鋼冷軋廠鍍鋁鋅C208機(jī)組試制生產(chǎn)了厚規(guī)格350Mpa級(jí)高強(qiáng)鍍鋁鋅板，厚度為1.97mm，寬度為1250mm，共生產(chǎn)687t，工藝按照既定設(shè)計(jì)方案執(zhí)行，生產(chǎn)過程控制穩(wěn)定，力學(xué)性能、表面質(zhì)量、規(guī)格尺寸精度、板形等均滿足標(biāo)準(zhǔn)和用戶要求。

3.3.1 力學(xué)性能

力學(xué)性能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，能較好滿足用戶要求，屈服強(qiáng)度均值為379Mpa，抗拉強(qiáng)度均值為442Mpa，延伸率均值為30.3%，詳見圖4。

圖4 放量試制力學(xué)性能

3.3.2 金相組織

從鍍鋁鋅成品金相組織（圖5）觀察，等軸狀鐵素體已發(fā)生完全再結(jié)晶，組織主要為鐵素體、游離滲碳體（晶界處）。鐵素體晶粒較細(xì)小，且晶粒間尺寸較均勻，晶粒度等級(jí)I9.0級(jí)。晶粒組織、尺寸及均勻性都達(dá)到預(yù)期效果。充分利用鈮析出物細(xì)晶強(qiáng)化和析出沉淀強(qiáng)化機(jī)制，使得厚規(guī)格鍍鋁鋅屈服強(qiáng)度穩(wěn)定在350Mpa以上。在高強(qiáng)度的穩(wěn)定性上，此成分設(shè)計(jì)要優(yōu)于碳錳鋼成分體系。

圖5 退火后金相組織

4 結(jié)語

（1）通過合理的成分，熱軋工藝和冷軋工藝設(shè)計(jì)，梅鋼鍍鋁鋅產(chǎn)線具備了穩(wěn)定生產(chǎn)2.00mm厚規(guī)格屈服350Mpa級(jí)以上的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼的能力。

（2）通過放量生產(chǎn)驗(yàn)證以及用戶的使用反饋，產(chǎn)品力學(xué)性能、表面質(zhì)量、鍍層均勻性、尺寸精度、板形等均滿足標(biāo)準(zhǔn)和用戶使用。