孫榮生 ，王植 ，王靜 ，阮國(guó)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(lái)，隨著我國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展以及汽車保有量的不斷增長(zhǎng)，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(lái)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(diǎn)，在酸軋機(jī)組實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，各工序工藝參數(shù)的細(xì)微波動(dòng)就會(huì)對(duì)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(duì)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(wèn)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(lái)看，存在的主要問(wèn)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)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(duì)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(huì)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(duì)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(guò)大，很容易超過(guò)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(guò)程中易出現(xiàn)打滑、邊裂、板形不良，甚至斷帶等問(wèn)題。由于高強(qiáng)鋼熱軋來(lái)料的力學(xué)性能和厚度波動(dòng)較大，軋硬材的厚度波動(dòng)也較大。冷軋過(guò)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(duì)先進(jìn)高強(qiáng)鋼熱軋基板取樣，測(cè)試其組織及力學(xué)性能，熱軋基板頭尾組織見(jiàn)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(guò)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(guò)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(guò)50%時(shí)，帶鋼強(qiáng)度超過(guò)1 000 MPa，會(huì)增加軋制難度，導(dǎo)致軋制力超限，無(wú)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(guò)合理控制熱軋工藝保證熱軋基板頭尾厚度精度，同時(shí)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(jiàn)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(guò)合理控制熱軋工藝避免熱軋基板鐵皮過(guò)厚，同時(shí)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(guò)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(guò)程本身帶來(lái)的頭尾部組織、性能差異問(wèn)題，有效保證熱軋?jiān)贤ň硇阅芫鶆?。通過(guò)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(guò)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(guò)程穩(wěn)定，先進(jìn)高強(qiáng)鋼軋制工藝參數(shù)見(jiàn)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(píng)價(jià)

3.1 焊縫質(zhì)量評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)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(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)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(wú)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(píng)價(jià)

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(duì)比見(jiàn)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(duì)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程中各機(jī)架變形均勻，可以有效改善軋制過(guò)程的穩(wěn)定性。