高強(qiáng)度熱鍍鋅結(jié)構(gòu)鋼SGC570的退火工藝

李 鵬， 李人杰， 楊 雄， 黃 利

(1. 內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司技術(shù)中心， 內(nèi)蒙古 包頭 014010；2. 內(nèi)蒙古包鋼(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化調(diào)整，人們的節(jié)能環(huán)保意識逐漸增強(qiáng)，高強(qiáng)度鍍鋅板由于其具有自重輕、強(qiáng)度高、造價(jià)低、施工快、污染少、防風(fēng)抗震性能好等特點(diǎn)，作為高附加值鋼鐵產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于建筑、輕工、汽車、農(nóng)牧等行業(yè)，產(chǎn)品具有耐腐蝕性強(qiáng)、表面質(zhì)量好、利于深加工、經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)[1-2]。傳統(tǒng)的高強(qiáng)度鋼板可分為TF、BH、HSLA以及C-Mn高強(qiáng)鋼板，本文所研究的C-Mn高強(qiáng)度鍍鋅結(jié)構(gòu)鋼板相對于其他高強(qiáng)度鋼板具有易生產(chǎn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)對熱鍍鋅板需求量最大的建筑行業(yè)用戶，需要通過高強(qiáng)度熱鍍鋅結(jié)構(gòu)板提高結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度，減輕質(zhì)量，降低成本[3]。SGC570鋼產(chǎn)品是目前所有鍍鋅產(chǎn)品中強(qiáng)度級別最高的結(jié)構(gòu)鋼，是一種典型的低成本高效益產(chǎn)品，經(jīng)過退火處理后不僅能夠消除冷軋過程中產(chǎn)生的部分加工硬化，而且還可以改善冷軋鋼帶的顯微組織和力學(xué)性能[4]。本文針對SGC570鋼產(chǎn)品高強(qiáng)度的特點(diǎn)結(jié)合成本控制要求，設(shè)計(jì)合理的化學(xué)成分體系，配合最佳的鍍鋅退火工藝，運(yùn)用材料的加工硬化效應(yīng)，采用不完全再結(jié)晶退火的方式通過實(shí)驗(yàn)室模擬退火試驗(yàn)、工業(yè)化小批量試制對SGC570鋼的退火工藝進(jìn)行研究，生產(chǎn)出滿足客戶需求的高品質(zhì)鍍鋅產(chǎn)品。

1 產(chǎn)品技術(shù)要求

SGC570鋼作為高強(qiáng)度熱鍍鋅結(jié)構(gòu)用鋼，主要用于各類支撐件、加強(qiáng)件、建筑鋼結(jié)構(gòu)等。JIS G3302《熱鍍鋅鋼板和鋼帶》對SGC570鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能要求如表1和表2 所示。

表1 SGC570鋼的化學(xué)成分技術(shù)要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 SGC570鋼的力學(xué)性能技術(shù)要求

2 工藝路線

針對SGC570鋼的產(chǎn)品要求，不僅需要力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，而且還要根據(jù)當(dāng)前的工藝裝備技術(shù)水平保證低成本投入高效益產(chǎn)出，最終確定以C-Mn成分體系為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，通過控制冷軋后冷硬鋼帶熱鍍鋅過程中連續(xù)退火溫度，從而保證強(qiáng)度的提高。

生產(chǎn)工藝路線為轉(zhuǎn)爐冶煉→LF爐精煉→2250 mm熱連軋機(jī)組→2030 mm酸洗冷軋機(jī)組→連續(xù)退火熱鍍鋅機(jī)組→成品。主要工藝參數(shù)見表3。

表3 SGC570鋼的主要生產(chǎn)工藝參數(shù)

熱連軋溫度制度執(zhí)行“兩低一高”工藝制度，由于低溫加熱可減少AlN等二相粒子固溶，加熱溫度控制在1180 ℃左右；低溫終軋可通過控制回復(fù)與再結(jié)晶程度進(jìn)而提高材料的強(qiáng)度，終軋溫度控制在870 ℃左右；高溫卷取通過充分析出Fe3C和AlN進(jìn)而提高材料性能，卷取溫度設(shè)定高于640 ℃；冷軋壓下工藝采取大變形量，冷軋壓下率不低于70%，因?yàn)楦叩睦滠垑合侣试黾恿虽撝械膬Υ婺埽欣阡摳斓赝瓿稍俳Y(jié)晶，獲得均勻的再結(jié)晶織構(gòu)，提高材料的性能[5]。

3 模擬退火試驗(yàn)

通常情況下，為使熱鍍鋅鋼帶具有良好的性能，就熱鍍鋅工藝而言，主要通過建立適宜的退火溫度和嚴(yán)格工藝管理制度加以實(shí)現(xiàn)[6]。為了確定SGC570鋼的最佳連續(xù)退火工藝，在工業(yè)化小批量試制前進(jìn)行了模擬退火試驗(yàn)，并且在退火完成后進(jìn)行了拉伸性能檢測、硬度檢驗(yàn)以及顯微組織分析。

3.1 試驗(yàn)方案

SGC570鋼的熱模擬連續(xù)退火工藝示意圖如圖1所示，其中OA段為加熱階段，AB段為保溫階段，BC段為緩冷段，CD段為快冷段，DE段為鋅鍋內(nèi)鍍鋅段，EF段為出鋅鍋后溫度變化。在實(shí)驗(yàn)室用AS-300Ⅲ模擬退火試驗(yàn)機(jī)對熱鍍鋅生產(chǎn)線實(shí)際連續(xù)退火過程進(jìn)行模擬試驗(yàn)。根據(jù)熱鍍鋅結(jié)構(gòu)鋼產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定熱模擬連續(xù)退火溫度依次為520、530、540、550、560、580、600、620、640、660 ℃，結(jié)合熱鍍鋅機(jī)組實(shí)際退火能力，爐區(qū)速度控制在90 m/min，當(dāng)溫度達(dá)到所設(shè)定溫度后保溫120 s，緩冷卻至490 ℃，隨即快冷至465 ℃，并模擬實(shí)際連續(xù)退火生產(chǎn)線460 ℃在鋅鍋內(nèi)保溫90 s，試驗(yàn)結(jié)束后對不同溫度退火后的試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測以及顯微組織分析。按照日標(biāo)JIS G3302，制作拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣長度方向與軋制方向平行。

圖1 熱模擬連續(xù)退火工藝示意圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 拉伸性能

不同溫度退火后試樣的拉伸性能如表4所示。

表4 不同溫度熱模擬連續(xù)退火試樣的拉伸性能

3.2.2 硬度

試樣經(jīng)不同溫度熱模擬連續(xù)退火后分別檢測其硬度值，并繪制出硬度與退火溫度的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 試樣硬度與熱模擬連續(xù)退火溫度的關(guān)系曲線

模擬退火完成后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)金相試樣制備→鑲嵌→研磨→拋光→侵蝕(體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液)，并在光學(xué)顯微鏡下觀察試樣在各退火溫度下的顯微組織，如圖3 所示。退火溫度的穩(wěn)定控制是保證產(chǎn)品獲得良好性能及質(zhì)量的關(guān)鍵[7]。退火溫度在520 ℃時(shí)，鐵素體晶粒變形嚴(yán)重，鋼帶的顯微組織為拉長的纖維狀，無再結(jié)晶跡象，顯微組織如圖3(a)所示，此時(shí)鋼帶屈服強(qiáng)度無數(shù)值、抗拉強(qiáng)度偏高、伸長率較低，不滿足要求；550 ℃退火后，試樣中纖維狀組織原來平直的晶界發(fā)生了扭轉(zhuǎn)彎曲，說明已經(jīng)發(fā)生回復(fù)，并開始出現(xiàn)個別再結(jié)晶小晶粒，但晶粒并未長大，如圖3(b)所示，鋼帶力學(xué)性能各數(shù)值余量均適中，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；隨著退火溫度的進(jìn)一步升高，560 ℃時(shí)變形的纖維狀組織幾乎消失，再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)提高，晶粒進(jìn)一步長大；580 ℃ 時(shí)纖維狀組織完全消失，出現(xiàn)了等軸狀鐵素體晶粒，晶界清晰，說明再結(jié)晶過程完成，如圖3(d)所示；但560～580 ℃退火后鋼帶的力學(xué)性能顯著降低，已不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 不同熱模擬連續(xù)退火溫度下試樣的顯微組織

通過表4中拉伸性能數(shù)據(jù)可知，隨著退火溫度升高，試樣的強(qiáng)度降低，伸長率升高，當(dāng)退火溫度設(shè)定為530～550 ℃時(shí)，試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；當(dāng)退火溫度高于550 ℃時(shí)，試樣的屈服強(qiáng)度逐漸降低且不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。將試樣原始硬度和完全軟化后的硬度差定義為100%，定義材料再結(jié)晶的結(jié)晶溫度為硬度降低為50%時(shí)的溫度[8]。根據(jù)模擬退火試驗(yàn)的結(jié)果可知，SGC570鋼帶試樣的再結(jié)晶溫度為550 ℃，為了達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的高強(qiáng)度，需以不完全再結(jié)晶退火方式保留基板部分加工硬化組織的方法，即略低于再結(jié)晶溫度進(jìn)行退火，從而提高屈服強(qiáng)度，因此可避免使用其它昂貴的金屬元素，降低生產(chǎn)成本，有利于市場推廣應(yīng)用[9]。綜上所述，SGC570鋼帶的退火溫度設(shè)定在530～540 ℃為宜。

4 工業(yè)試生產(chǎn)鍍鋅退火工藝的優(yōu)化

鍍鋅退火工藝決定了產(chǎn)品最終的性能[7]。為實(shí)現(xiàn)低合金成分下屈服強(qiáng)度達(dá)到560 MPa，退火工藝設(shè)計(jì)需以不完全再結(jié)晶或未再結(jié)晶退火的工藝來完成[10]。鋼帶在再結(jié)晶溫度以下退火的目的主要是為了保留較高密度位錯，通過位錯強(qiáng)化的方式使鋼帶的屈服強(qiáng)度達(dá)到560 MPa，同時(shí)使鋼帶發(fā)生高溫回復(fù)，去除高能態(tài)非平衡內(nèi)應(yīng)力，使鋼帶具備一定的形變能力。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室模擬退火試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)SGC570鋼帶的工業(yè)化小批量試制連續(xù)退火方案，并開展工業(yè)化試制，連續(xù)退火關(guān)鍵工藝參數(shù)見表5。

表5 SGC570鋼帶的工業(yè)化試制連續(xù)退火關(guān)鍵工藝參數(shù)

針對以上3種方案的成品進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能檢測分析，如表6所示。同時(shí)分析每種方案成品的顯微組織，如圖4所示。

圖4 不同加熱溫度下工業(yè)試生產(chǎn)SGC570鋼帶的顯微組織

表6 工業(yè)試生產(chǎn)SGC570鋼帶的力學(xué)性能

根據(jù)工業(yè)試制結(jié)果可知：①方案1生產(chǎn)的鋼帶為軋硬態(tài)纖維狀鐵素體組織，符合SGC570鋼的組織要求，但力學(xué)性能檢測結(jié)果說明無屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度偏高、伸長率偏低，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，故加熱均熱溫度設(shè)定為510 ℃的工藝方案1不可行。②方案2生產(chǎn)的鋼帶產(chǎn)品退火后顯微組織仍為纖維狀鐵素體組織，此時(shí)出現(xiàn)較為明顯的晶界，處于回復(fù)階段，力學(xué)性能綜合檢測結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)余量適中，滿足設(shè)計(jì)要求。③隨著加熱溫度進(jìn)一步升高，按照方案3退火后的鋼帶顯微組織已開始發(fā)生再結(jié)晶，晶界清晰可見，晶粒明顯長大。通過力學(xué)性能檢測可知屈服強(qiáng)度顯著降低，已經(jīng)不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，這是由于再結(jié)晶導(dǎo)致了材料力學(xué)性能的退化[11]。SGC570鋼產(chǎn)品的高強(qiáng)度性能是通過保留大部分原始纖維組織來實(shí)現(xiàn)，退火溫度控制產(chǎn)品獲得不完全再結(jié)晶組織的程度，因此退火溫度的控制精度尤為重要[7]。

產(chǎn)品性能的優(yōu)劣決定了產(chǎn)品進(jìn)一步的加工使用效果，通過走訪用戶了解到，客戶對該產(chǎn)品的使用要求除了具備高強(qiáng)度外還需要伸長率至少達(dá)到8%。通過對多次現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)試制的工藝參數(shù)和產(chǎn)品性能之間的關(guān)系進(jìn)行總結(jié)分析，得出SGC570鋼帶產(chǎn)品連續(xù)退火最佳加熱均熱溫度為530 ℃。綜上所述，按照方案2生產(chǎn)的鋼帶產(chǎn)品既符合標(biāo)準(zhǔn)要求又滿足客戶需求。

5 應(yīng)用情況

目前，高強(qiáng)度熱鍍鋅結(jié)構(gòu)鋼SGC570產(chǎn)品已進(jìn)入批量生產(chǎn)階段，實(shí)際生產(chǎn)厚度規(guī)格為0.8～2.3 mm，寬度規(guī)格為1000～1600 mm，依照本文提供的退火工藝生產(chǎn)的SGC570鋼帶產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)及表面質(zhì)量均符合相關(guān)技術(shù)要求。目前已通過某建筑企業(yè)試用和出口國外用于蔬菜大棚支架，經(jīng)用戶試用后反饋良好，滿足使用需求。

6 結(jié)論

1) 根據(jù)模擬連續(xù)退火試驗(yàn)得到SGC570鋼帶試樣的再結(jié)晶溫度為550 ℃，最佳退火溫度為530～540 ℃。

2) 通過工業(yè)化試制總結(jié)出SGC570鋼的加熱均熱溫度為530 ℃時(shí)最終產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)最好，同時(shí)滿足JIS G3302標(biāo)準(zhǔn)要求和客戶使用需求。