冷軋低碳鋼終軋溫度試驗對比分析

供稿|王鵬，馮帆，何召東，展英姿/ WANG Peng,FENG Fan,HE Zhao-dong,ZHAN Ying-zi

內(nèi)容導讀 對冷軋低碳鋼DC01 熱軋生產(chǎn)時設(shè)定不同的終軋溫度，通過金相和拉伸實驗，對比其熱軋基板內(nèi)部顯微組織及力學性能的差異，并對比了冷軋和退火后其冷軋成品內(nèi)部組織和力學性能的差異。試驗結(jié)果表明，在終軋溫度低于奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的開始溫度Ar3 時，熱軋基板表層會隨著終軋溫度的降低出現(xiàn)越來越嚴重的混晶缺陷，通過冷軋及退火再結(jié)晶，表層混晶缺陷能夠得到一定改善。輕微混晶缺陷不會直接對帶鋼熱軋及冷軋力學性能數(shù)據(jù)產(chǎn)生明顯影響，但會增大塑性應變比r 值的各向異值|Δr|，即增加了材料的各向異性。

低碳鋼是目前冷軋市場中分布最廣也是用量最大的鋼種，其牌號主要包括SPCC、SPCD、DC01、CS-B 等，因其較好的沖壓性能，較低的生產(chǎn)成本，所以被廣泛應用于家電、汽車、建筑、化工等行業(yè)。終軋溫度為帶鋼在精軋機組出口的溫度，是熱軋工藝中的重要參數(shù)，終軋溫度對熱軋板的組織分布、晶粒大小有著極大影響，從而對熱軋基板及冷軋成品的機械性能產(chǎn)生巨大影響。一般研究認為，低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼終軋溫度應高于冷卻時奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的開始溫度Ar3，只有當終軋溫度高于Ar3時，變形中和變形后的再結(jié)晶及相變過程才會消除熱變形織構(gòu)，熱軋變形取向才是混亂的，這正是低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼所需要的[1]。

對冷軋產(chǎn)品終軋溫度的高溫控制、產(chǎn)線的節(jié)能降耗以及產(chǎn)品的表面氧化鐵皮控制存在一定矛盾，在產(chǎn)線投產(chǎn)初期，本文通過實際生產(chǎn)研究了不同的熱軋終軋溫度對冷軋低碳鋼熱軋基板的顯微組織及力學性能的影響，以及冷軋成品組織結(jié)構(gòu)與力學性能的影響，為合理制定冷軋低碳鋼的熱軋溫度制度提供理論依據(jù)。

試驗材料與方法

選取4 支同一爐次的冷軋低碳鋼DC01 坯料，4 支試驗坯料的化學成分相同，C，Si 和Mn 的質(zhì)量分數(shù)分別為0.014%，0.005%和0.174%，在軋制冷卻時Ar3相同，均為891 °C。

4 支坯料熱軋生產(chǎn)時終軋目標溫度分別設(shè)定為900、885、870 和855 °C，其他工藝參數(shù)保持一致，對比其熱軋基板及冷軋成品的顯微組織和力學性能差異。

熱軋基板對比分析

對所選的4 支DC01 低碳鋼試驗坯，如表1 所示在熱軋工序的精軋機組分別控制855～900 °C 的終軋溫度進行軋制，其他熱軋工藝參數(shù)保持一致，從4 支試驗坯的熱卷尾部同樣位置取樣進行對比。

表1 DC01 試驗坯熱軋工序軋制信息

熱軋基板金相組織

從熱軋試樣的金相圖（圖1）可以看出，4 組試樣中只有1#試樣表層和內(nèi)部晶粒大小較為均勻，而其他3 組試樣表層均已出現(xiàn)了不同程度的粗晶現(xiàn)象，而且由圖1（b）～1（d）可見，隨著終軋溫度的降低，熱軋板表層晶粒的大小不均勻程度隨之加重，即表層混晶缺陷呈現(xiàn)加重趨勢。當終軋溫度為885 °C 時試樣表層發(fā)生輕微混晶缺陷，具體表現(xiàn)為粗大晶粒僅出現(xiàn)在最表層；當終軋溫度為870 °C時，試樣表層混晶缺陷程度較2#加深，表層粗晶現(xiàn)象較明顯，粗大晶粒層厚度也達到了100 μm；當終軋溫度為855 °C 時，試樣表面混晶現(xiàn)象進一步加重，表層粗晶現(xiàn)象明顯，而混晶層厚度也向內(nèi)擴展到了400 μm。

圖1 熱軋基板試樣表層金相圖：（a）1#； （b）2#； （c）3#； （d）4#

熱軋基板表層產(chǎn)生混晶現(xiàn)象的主要原因為帶鋼表層直接接觸水與空氣等介質(zhì)，溫降快，表層實際溫度明顯低于內(nèi)部溫度，在終軋溫度低于Ar3的情況下，低碳鋁鎮(zhèn)靜熱軋帶鋼由于邊部溫降大，部分區(qū)域進入兩相區(qū)軋制，形成鐵素體組織。加之軋后鋼板的表面層易殘留一定數(shù)量的加工硬化，其形變量接近或稍高于臨界形變量，在隨后的卷取過程中，組織內(nèi)的一些形變鐵素體晶粒將發(fā)生優(yōu)先長大，最終導致表層粗晶缺陷[2]。

熱軋基板力學性能

對試驗卷熱軋基板試樣寬度1/4 位置取橫向試樣做力學拉伸試驗，得出各試樣板的屈服強度、抗拉強度及斷后伸長率數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 DC01 熱軋基板力學性能

從以上數(shù)據(jù)可看出，4 組試樣雖然在內(nèi)部組織上混晶缺陷程度不同，表層晶粒大小及混晶厚度差異明顯，但熱軋基板的力學性能相差不大，說明終軋溫度不同造成的混晶缺陷并未直接對其熱軋基板的力學性能數(shù)據(jù)產(chǎn)生明顯影響。但由于混晶缺陷的存在，在帶鋼進行沖壓過程中，組織中的粗晶因為強度低，會優(yōu)先于細晶粒被拉長變形，并產(chǎn)生加工硬化，若粗晶在帶鋼表層，則會出現(xiàn)橘皮狀缺陷，影響外觀；若粗晶分布在整個厚度方向，則在鋼板內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，導致開裂[3]。

冷軋成品對比分析

對上述熱軋工序不存在混晶缺陷的1#試驗熱卷與混晶缺陷明顯的4#試驗熱卷經(jīng)平整機平分為兩小卷，在冷軋工序分別經(jīng)過58.9%（1#-1，4#-1）和78.0%（1#-2，4#-2）的冷軋總壓下率軋制，再通過780 °C 的均熱溫度進行退火得到其冷軋成品，在780 °C 退火后，帶鋼內(nèi)部再結(jié)晶過程都已完成，形成的再結(jié)晶組織為鐵素體。從各成品卷的中間位置取樣，對比它們的顯微組織及力學性能情況。

冷軋成品金相組織對比

從圖2 可以看出，終軋溫度低熱軋基板表層存在混晶缺陷的4#卷，在經(jīng)過58.9%壓下率冷軋及780 °C 退火后，冷軋成品的表層混晶程度得到改善，但未完全消除，帶鋼表層粗大混晶層厚度由原400 μm 降低至150 μm 左右。終軋溫度高基板不存在混晶缺陷的1#卷，在相同冷軋工藝下退火成品仍不存在混晶缺陷。雖然兩者表層晶粒相差較大，但兩者的中心部位晶粒等級基本一致，晶粒度均為7.0～7.5 級。

圖2 冷軋試樣表層金相組織：（a）1#-1；（b）4#-1

從圖3 可以看出，4#卷在經(jīng)過78.0%壓下率冷軋及780 °C 退火再結(jié)晶后，隨著冷軋壓下率的增加，退火后成品平均晶粒尺寸有所減小，與58.9%冷軋壓下率時相差明顯，原基板表層的混晶缺陷已經(jīng)基本完全消除。其表層及中心部位微觀組織與1#卷的微觀組織基本一致，其中心部位晶粒度同為7.5～8.0 級。

圖3 冷軋試樣表層金相組織：（a）1#-2；（b）4#-2

冷軋成品性能對比

從寬度1/4 位置取橫向試樣做拉伸實驗，對比試樣的屈服強度、抗拉強度、延伸率及加工硬化指數(shù)n值、塑性應變比r值情況（表3）。

表3 DC01 試驗卷冷軋成品力學性能結(jié)果

從力學性能結(jié)果來看，在經(jīng)冷軋和退火工序后，終軋溫度低熱軋基板表層存在混晶缺陷的4#卷，與終軋溫度高熱軋基板不存在混晶缺陷的1#卷相比，各向屈服強度、抗拉強度、延伸率、n值無明顯變化，平均r值也無明顯規(guī)律性，但其|Δr|值（|Δr|=|1/2·(r0+r90)-r45|）呈增加趨勢，即材料的各向異性增加了。

塑性應變比r值，也稱厚向異性系數(shù)，是評價金屬薄板成形性能的重要因素之一。r值反映的是金屬板料在受拉（或受壓）時板料抵抗變?。ɑ蜃兒瘢┑哪芰Γ瑀值越大，材料抵抗失穩(wěn)變薄的能力越大，越能發(fā)揮拉伸失穩(wěn)前的最大強度，拉動凸緣部分形成更深的壓延件[4]。|Δr|值代表帶鋼平面上0°、45°、90°之間各向異性大小，對于具有各向異性的材料，各向異性程度越低，塑性越好，成形性越好。對于沖壓用鋼，要求有高的r值，同時具備低的|Δr|值。所以，熱軋產(chǎn)生的混晶缺陷，會增加冷軋成品的材料各向異性，這對于沖壓用鋼來說是有害的。

小結(jié)

1）對于冷軋低碳鋼，當終軋溫度低于其Ar3時，在熱軋基板表層會率先出現(xiàn)混晶缺陷，而且隨著終軋溫度的降低，表層混晶程度會隨之向內(nèi)部延伸加重。

2）存在混晶缺陷的熱軋基板，在經(jīng)冷軋和退火后，表層混晶缺陷能夠得到改善。在混晶程度較為輕微且冷軋總壓下率足夠大時，從組織上基本可消除熱軋產(chǎn)生的混晶現(xiàn)象。

3）熱軋混晶缺陷是晶粒的異常長大，與織構(gòu)有密切關(guān)聯(lián)性，對于冷軋低碳鋼，混晶缺陷未直接對其熱軋基板的力學性能產(chǎn)生明顯影響，但在經(jīng)冷軋退火后材料的各向異性|Δr|值增加，各向成形性能不均勻，從而導致材料的沖壓性能降低。

4）對于冷軋低碳鋼產(chǎn)品，尤其作為沖壓產(chǎn)品，熱軋終軋溫度還是需要保證在Ar3以上，對于保證其冷軋成品的各向性能均勻性和綜合使用性能是有利的。