Research on Cold Rolling Process of Ultra-low Carbon DQ-grade Cold Rolled Steel

超低碳鋼DQ級冷軋板冷軋工藝研究

Research on Cold Rolling Process of Ultra-low Carbon DQ-grade Cold Rolled Steel

作者單位：酒鋼宏興股份有限公司碳鋼薄板廠，甘肅 嘉峪關，735100

內容導讀

采用CSP工藝生產超低碳鋼DQ級冷軋板，分析了冷軋壓下率、退火溫度、平整延伸率對帶鋼組織及力學性能的影響。結果表明，采用76%冷軋壓下率、710 ℃罩式爐退火溫度及0.5%平整延伸率，得到的帶鋼產品力學性能最優(yōu)，生產成本得到大幅度降低。

超低碳鋼由于其良好的沖壓性能被廣泛應用在汽車及五金制造工業(yè)。目前國內生產企業(yè)一般采用鋁鎮(zhèn)靜鋼工藝來生產，但也有些企業(yè)采用IF鋼工藝來生產。由于IF鋼工藝生產過程復雜，合金成本也較高，導致IF鋼生產成本持高不下。酒鋼冷軋自投產以來一直采用鋁鎮(zhèn)靜鋼工藝來生產汽車用冷軋板，為了提高其沖壓性能，鋼中碳含量控制按照≤200×10?6控制，但是當碳含量在100×10?6左右時，帶鋼伸長率有明顯的降低。為進一步提升汽車用冷軋板沖壓性能，本文設計了采用超低碳工藝來生產汽車用冷軋板，并研究了冷軋壓下率、退火溫度及平整量對超低碳鋼冷軋板性能及組織的影響。

試驗材料及方法

試驗材料通過RH爐深脫碳冶煉，大幅度降低鋼中C含量水平，未進行Nb、Ti合金化處理。冶煉中嚴格控制鋼中[O]≤40×10-6、[N]≤50×10-6，防止鋼中O含量過高引起夾雜物增多，及固溶N過高引起強度提升惡化鋼帶成形性能。試驗材料冶煉化學成分見表1。

試驗材料經(jīng)過CSP薄板坯熱連軋軋制成熱軋板，然后分別采用76%、80%、82%壓下率進行冷軋；退火溫度按照690 ℃、710 ℃和730 ℃進行全氫氣氛罩式爐退火；采用0.50%、0.70%的延伸率進行平整工藝，冷軋階段各工序工藝參數(shù)見表2所示。

試驗材料經(jīng)過冷軋、退火、平整后，取樣進行拉伸試驗，測定屈服強度、抗拉強度、伸長率、與軋制方向成90°的塑性應變比r值及應變硬化指數(shù)n值，通過JEOL5600LV掃描電子顯微鏡觀察冷軋成品鋼帶的顯微組織形貌。

表1　試驗材料化學成分(質量分數(shù))%

表2　冷軋階段各工序工藝參數(shù)

試驗結果及分析

試驗結果

試驗材料經(jīng)過CSP熱軋、冷軋、退火及平整工序加工后，最終力學性能見表3所示。

冷軋壓下率對性能及組織的影響

在690℃退火和采用0.5%平整延伸率時，試驗材料壓下率變化與力學性能、成型性能對應關系見圖1和圖2所示。從圖1可以看出，相同的退火溫度及平整延伸率下，試驗材料隨壓下率的增大，材料屈服強度和抗拉強度逐漸上升，呈線性關系。一般理解為，隨著冷軋壓下率的增大，晶粒在軋制過程中壓碎程度越來越大，冷軋后晶粒尺寸更為細小。屈服強度及晶粒尺寸間的關系符合霍爾-佩奇(Hall-Petch)方程：σ=σ0+kd-1/2，式中，σ為屈服強度，σ0極大單晶的屈服強度，k為變形系數(shù)，d為晶粒尺寸。晶粒尺寸減小，屈服強度增大，并且晶粒尺寸形貌在退火前后有一定的“遺傳性”。

表3　試驗材料力學性能

圖1　壓下率變化與試驗材料力學性能關系

圖2　壓下率變化與試驗材料成型性能指標關系

圖2是相同的退火溫度及平整延伸率下，試驗材料隨著冷軋壓下率的增加，材料的主要成型指標伸長率與r90逐漸降低。有文獻指出[1]，過大的壓下量使有利于深沖性能的{111}織構開始減少，而對深沖性能不利的{110}織構增加；可見并不是冷軋壓下率越大越好，當壓下率超過76%時，材料成型性能呈降低趨勢。

圖3　不同冷軋壓下率下試驗材料組織形貌 (a) 冷軋壓下率76%；(b) 冷軋壓下率80%；(c) 冷軋壓下率82%

在690 ℃退火和采用0.5%平整延伸率時，試驗材料的顯微組織見圖3。從退火后的顯微組織上可以看出，隨著冷軋壓下率的增加退火后晶粒尺寸呈減小趨勢。這是因為隨著變形量的增加，組織中冷變形儲存能增大，再結晶驅動力增加，再結晶更易發(fā)生，再結晶時其形核速率和晶粒長大速度也增加。由于再結晶形核速率遠遠大于晶粒的長大速度[2]，再結晶形核速率相比晶粒長大速度對退火時帶鋼晶粒度的影響更為顯著。冷軋后晶粒尺寸相對細小的晶粒在再結晶過程中經(jīng)歷回復、重新形核階段消耗的時間就短，這使尺寸細小的晶粒在退火過程中形核速率大于尺寸粗大的晶粒。在相同的退火溫度及再結晶驅動力下，晶粒的長大速度相同。退火過程中再結晶形核速率越高，對應的晶粒越細小，帶鋼的強度指標越高。

退火溫度對性能及組織的影響

從圖4和圖5，可以看出76%的冷軋壓下率及0.50%平整延伸率下，退火溫度逐漸升高，冷軋帶鋼屈服、抗拉強度均逐漸降低，但降幅不大。

試驗材料在710 ℃的退火溫度時，伸長率指標達到最佳，但是隨著退火溫度進一步升高，伸長率指標沒有繼續(xù)提升。但是r90隨著退火溫度的提高，逐漸提高。

圖6是76%的冷軋壓下率及0.50%平整延伸率下，不同退火溫度后的微觀組織相貌?？梢钥闯?，690 ℃退火溫度下晶粒尺寸明顯小于后兩者，晶粒的均勻性也差于后兩者。這是因為隨著退火溫度升高，加熱速率增大，再結晶動力增加，晶粒的長大速度加快，同時晶粒長大克服微觀阻礙的能力也增加。當晶粒的均勻性較差時，延伸率也會隨之降低。

圖4　退火溫度與試驗材料力學性能關系

圖5　退火溫度與試驗材料成型性能指標關系

退火溫度達到710 ℃時，小尺寸晶粒分布較少，晶粒均勻性較好，晶粒形貌基本呈等軸晶，再結晶退火過程比較完全。

當退火溫度達到730 ℃時，晶粒的均勻性基本維持不變，這是因為當退火溫度不斷的提升，其加熱速率逐漸降低，晶粒長大速度減緩，并且均勻長大，同時有利于沖壓性能的{111}織構所占組分基本維持不變，塑性應變比r值也達到一個較高的穩(wěn)定值，即便退火溫度繼續(xù)提高，r值增加的幅度也不大。退火溫度的提高大幅度增加了退火時間，在酒鋼全氫罩式爐退火過程中，退火溫度每增加20 ℃退火周期增加3.5~4h，生產成本也增加20元/t，罩式爐機時產量及退火效率降低。

圖6　不同退火溫度下試驗材料組織形貌 (a) 690℃退火；(b) 710℃退火；(c) 730℃退火

平整延伸率對性能及組織的影響

從表3中可以看出0.50%的平整延伸率下有較低的屈服強度及較高的伸長率，當平整機延伸率達到0.7%時，試驗材料的屈服強度和抗拉強度提高，但材料伸長率降低，不利于帶鋼的沖壓性能。這是因為未經(jīng)平整處理的退火板中柯式氣團的數(shù)量與鋼板本身固溶C含量有關[3]，超低碳鋼中較低固溶C含量需要較小的平整延伸率就能消除屈服點延伸現(xiàn)象，此外由于C含量較低，間隙固溶C、N原子對位錯的釘扎也小，較小的平整變形量足以使位錯脫離間隙原子團，相反平整延伸率增大時產生的附加位錯又會導致帶鋼強度的升高，延伸率降低。

結論

(1) 690 ℃退火和采用0.5%平整延伸率時，隨著冷軋壓下率增大，試驗材料屈服強度、抗拉強度增加，材料伸長率和r90逐漸下降，試驗材料的晶粒尺寸逐漸減小。

(2) 采用76%的冷軋壓下率和0.50%平整延伸率，隨退火溫度逐漸升高，試驗材料屈服強度、抗拉強度均逐漸降低，伸長率和r90逐漸增大。710 ℃退火時，試驗材料晶粒大小分布均勻，晶粒形貌基本呈等軸晶。

(3) 平整機延伸率控制達到0.5%，即可消除試驗材料屈服平臺，試驗材料具有良好的力學性能和成型性能；平整機延伸率控制繼續(xù)增大，會惡化試驗材料性能。

參考文獻

[1] 李濤，金自力. 冷軋及退火工藝對包鋼CSP薄板織構演變的影響. 包頭鋼鐵學院學報, 2005, 24(3): 258-262

[2] 毛衛(wèi)民，趙新兵. 金屬的在結晶與長大. 北京：冶金工業(yè)出版社, 1994

[3] 崔巖, 胡吟萍, 王瑞珍, 等. 平整和自然時效對超低碳烘烤硬化鋼板性能的影響. 特殊鋼, 2010, 31(4): 49

作者簡介：羅曉陽(1986—)，男，陜西寶雞人，助理工程師?，F(xiàn)從事冷軋新產品研發(fā)工作。

DOI:10.3969/j.issn.1000－6826.2015.04.17