孫榮生 ，王植 ，王靜 ，阮國慶 ，蔡順達(dá) ，劉仁東

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧 鞍山114021；3.鞍鋼股份有限公司系統(tǒng)創(chuàng)新部，遼寧鞍山114021）

近年來，隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展以及汽車保有量的不斷增長，汽車的減重、節(jié)能、環(huán)保等備受人們關(guān)注，冷軋先進(jìn)高強(qiáng)鋼在汽車上得到了越來越廣泛的應(yīng)用。通常先進(jìn)高強(qiáng)鋼的抗拉強(qiáng)度在 800～1 500 MPa［1-2］，由于其具有合金元素含量高、強(qiáng)度大等特點，在酸軋機(jī)組實際的生產(chǎn)過程中，各工序工藝參數(shù)的細(xì)微波動就會對高強(qiáng)鋼穩(wěn)定性及表面質(zhì)量等造成嚴(yán)重影響，甚至使生產(chǎn)不能正常進(jìn)行。本文主要對先進(jìn)高強(qiáng)鋼在酸軋機(jī)組的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行了分析，提出了保證先進(jìn)高強(qiáng)鋼穩(wěn)定生產(chǎn)的措施。

1 存在問題及原因分析

從目前冷軋先進(jìn)高強(qiáng)鋼在酸軋聯(lián)合機(jī)組的生產(chǎn)情況來看，存在的主要問題包括：焊縫質(zhì)量差易斷帶，酸洗表面質(zhì)量差色差嚴(yán)重，軋制穩(wěn)定性差等，下面主要對先進(jìn)高強(qiáng)鋼在酸軋聯(lián)合機(jī)組生產(chǎn)中焊接、酸洗及軋制工序的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1.1 焊縫質(zhì)量分析

由于先進(jìn)高強(qiáng)鋼添加合金較多，碳當(dāng)量較高，熱軋基板頭尾厚度精度、板形精度差，在后續(xù)軋制過程中極易在焊縫處發(fā)生斷帶，影響生產(chǎn)的順行。圖1為優(yōu)化前杯凸試樣及焊縫組織圖片，通過觀察焊縫組織，焊縫區(qū)域組織多為硬質(zhì)馬氏體組織且比例較大，激光焊接后冷卻到室溫，造成焊縫硬脆開裂，在后續(xù)過程中極易發(fā)生斷帶現(xiàn)象［3-4］。

圖1 優(yōu)化前杯凸試樣及焊縫組織圖片F(xiàn)ig.1 Pictures of Samples for Cupping Test and Microstructures in Welding Seam before Optimization

1.2 酸洗表面質(zhì)量分析

受先進(jìn)高強(qiáng)鋼中各種合金元素影響，熱軋鋼板表面氧化鐵皮的厚薄及特性對溫度較為敏感，加上超高強(qiáng)鋼熱軋板拉矯延伸率很難達(dá)到要求，因此酸洗不易洗凈，圖2為酸洗后鋼板質(zhì)量，從中可以看出鋼板表面質(zhì)量較差，有較厚的氧化鐵皮未被清洗干凈，會影響最終產(chǎn)品質(zhì)量和涂裝質(zhì)量［5-6］。

利用掃描電鏡對熱軋板基板形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3所示。能譜分析表明，高強(qiáng)鋼熱軋卷表面氧化鐵皮較厚且表面合金元素偏析較重，Si、Mn含量較高。SEM觀察表明，不同顏色條紋處的氧化層厚度存在差異，即淺色條紋處氧化層較薄，深色條紋處氧化層較厚。氧化層與基體的結(jié)合部位存在一層薄而致密的Si、Mn富集層，氧化層底部存在類似二相粒子析出的Si、Mn的氧化物顆粒，氧化層頂部是較厚的Fe的氧化物［4-6］。

圖2 酸洗后鋼板質(zhì)量Fig.2 Quality of Steel Sheets after Pickling

圖3 酸洗洗后質(zhì)量元素分析Fig.3 Analysis on Mass Elements after Pickling

1.3 軋制穩(wěn)定性分析

先進(jìn)高強(qiáng)鋼合金含量高，變形抗力大，硬化速率快，軋制力過大，很容易超過軋機(jī)馬達(dá)負(fù)荷，因而不得不減小軋制變形量，降低軋制速度。此外，超高強(qiáng)鋼軋制過程中易出現(xiàn)打滑、邊裂、板形不良，甚至斷帶等問題。由于高強(qiáng)鋼熱軋來料的力學(xué)性能和厚度波動較大，軋硬材的厚度波動也較大。冷軋過程中，軋制力大，軋輥彎曲嚴(yán)重，由此引起軋硬材橫斷面凸度較大，邊緣降較嚴(yán)重，軋輥易發(fā)生開、斷裂等［7-8］。

對先進(jìn)高強(qiáng)鋼熱軋基板取樣，測試其組織及力學(xué)性能，熱軋基板頭尾組織見圖4。帶鋼頭尾組織性能差異大，頭部為正常鐵素體+珠光體，尾部為鐵素體+貝氏體，頭尾性能差約為150 MPa，造成帶尾厚度超差及板形質(zhì)量較差。

圖4 熱軋基板頭尾組織Fig.4 Microstructures in Head and Tail of Hot Rolled Sheet

冷連軋機(jī)組軋制過程中金屬變形的程度同樣是影響冷軋帶鋼變形抗力的重要參數(shù)，直接影響著冷連軋軋制過程中各架軋制力的大小。典型冷軋先進(jìn)高強(qiáng)鋼變形抗力曲線如圖5所示，當(dāng)壓縮比超過50%時，帶鋼強(qiáng)度超過1 000 MPa，會增加軋制難度，導(dǎo)致軋制力超限，無法進(jìn)行軋制。

圖5 典型冷軋先進(jìn)高強(qiáng)鋼變形抗力曲線Fig.5 Deformation Resistance Curves of Typical Cold Rolled Advanced High Strength Steels

2 控制措施

2.1 焊縫質(zhì)量控制

為保證先進(jìn)高強(qiáng)鋼焊縫質(zhì)量，通過合理控制熱軋工藝保證熱軋基板頭尾厚度精度，同時控制焊接功率及速度，改善焊縫在橫向方向上的充盈度，深度方向上的中心位置完全焊合，并合理控制前后預(yù)熱功率，先進(jìn)高強(qiáng)鋼焊接工藝參數(shù)見表1。

表1 先進(jìn)高強(qiáng)鋼焊接工藝參數(shù)Table 1 Welding Process Parameters for Advanced High Strength Steels

2.2 酸洗表面質(zhì)量控制

為保證高強(qiáng)鋼酸洗后的表面質(zhì)量，通過合理控制熱軋工藝避免熱軋基板鐵皮過厚，同時提高拉矯機(jī)的延伸率及增加插入量，合理控制酸洗工藝參數(shù)，采用盡可能高的酸液溫度、濃度和較低的亞鐵濃度及酸洗速度，先進(jìn)高強(qiáng)鋼酸洗工藝參數(shù)如表2所示。

表2 先進(jìn)高強(qiáng)鋼酸洗工藝參數(shù)Table 2 Pickling Process Parameters for Advanced High Strength Steels

2.3 軋制穩(wěn)定性控制

為保證高強(qiáng)鋼軋制工序的穩(wěn)定性，通過熱軋工序投入邊部加熱器等手段，可有效降低由于熱軋軋制過程本身帶來的頭尾部組織、性能差異問題，有效保證熱軋原料通卷性能均勻。通過優(yōu)化冷連軋機(jī)組軋制策略，包括負(fù)荷分配、張力制度等相關(guān)參數(shù)，保證軋制過程中各架軋機(jī)均勻變形，避免出現(xiàn)軋制力差異較大的情況，進(jìn)而保證軋制過程穩(wěn)定，先進(jìn)高強(qiáng)鋼軋制工藝參數(shù)見表3。

表3 先進(jìn)高強(qiáng)鋼軋制工藝參數(shù)Table 3 Cold Rolling Process Parameters for Advanced High Strength Steels

3 效果評價

3.1 焊縫質(zhì)量評價

通過對焊縫質(zhì)量的分析，制定相應(yīng)的控制措施，能夠有效改善焊縫組織，降低馬氏體硬度及比例，進(jìn)而達(dá)到改善焊縫質(zhì)量的目的。優(yōu)化后合格焊縫杯凸試樣及組織如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后合格焊縫杯凸試樣及組織Fig.6 Samples Taken from Qualified Welding Seams for Cupping Test and Microstructures after Optimization

3.2 酸洗表面質(zhì)量評價

通過對酸洗表面質(zhì)量的分析，制定相應(yīng)的控制措施，有效提高酸洗后表面質(zhì)量，無明顯色差缺陷，優(yōu)化工藝后酸洗表面質(zhì)量如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后酸洗表面質(zhì)量Fig.7 Surface Quality of Pickled Steel Sheets after Optimization

3.3 軋制穩(wěn)定性評價

分析軋制穩(wěn)定性后，制定了相應(yīng)的控制措施，保證了高強(qiáng)鋼在冷連軋機(jī)組能夠穩(wěn)定運(yùn)行。優(yōu)化前后的機(jī)組各參數(shù)對比見表4，從表中看出，改進(jìn)后的軋制力控制約為1 500 t，減少了其負(fù)荷超限、斷帶等情況；對厚度精度控制和板形精度分別控制在±0.06 mm和20 I以內(nèi)，均在公差范圍之內(nèi)。

表4 優(yōu)化前后的機(jī)組各參數(shù)對比Table 4 Comparison of Parameters for Mill Unit before and after Optimization

4 結(jié)論

冷軋先進(jìn)高強(qiáng)鋼仍是今后汽車板發(fā)展的主流，大量使用冷軋先進(jìn)高強(qiáng)鋼是解決汽車減重、節(jié)能、安全、環(huán)保的重要途徑。批量冷軋先進(jìn)高強(qiáng)鋼在酸軋機(jī)組工業(yè)化生產(chǎn)，為保證其焊縫質(zhì)量、酸洗后表面質(zhì)量及高強(qiáng)鋼軋制穩(wěn)定性，可在酸軋聯(lián)合機(jī)組采取如下控制措施：

（1）通過合理控制熱軋工藝，保證熱軋基板頭尾厚度精度，激光功率在10～11 kW，前后預(yù)熱功率分別在2～4 kW和16～20 kW，可以改善焊縫的充盈度及焊縫組織，降低馬氏體硬度及比例，以改善焊縫質(zhì)量。

（2）通過降低熱軋基板鐵皮厚度及Si、Mn元素的富集，合理控制拉矯機(jī)延伸率、插入量及酸洗工藝參數(shù)，采用盡可能高的酸液溫度（70～90℃）、濃度、較低的亞鐵濃度和酸洗速度，可以有效提高酸洗后表面質(zhì)量。

（3）通過優(yōu)化熱軋和冷連軋機(jī)組軋制工藝，能夠減少熱軋頭尾部組織、性能差異，適當(dāng)提高冷軋第1、2架的壓下量及各機(jī)架單位張力（＞160 MPa），保證軋制過程中各機(jī)架變形均勻，可以有效改善軋制過程的穩(wěn)定性。