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        260MPa 級冷軋?zhí)麓捎娩撻_發(fā)與應(yīng)用

        2022-05-30 08:35:56汪建威
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2022年16期

        汪建威

        (馬鞍山鋼鐵股份有限公司 技術(shù)中心,安徽 馬鞍山243000)

        儲水式熱水器內(nèi)膽常年在高溫高壓下的儲水的使用環(huán)境,因此要求內(nèi)膽用鋼具有良好的力學(xué)性能,還要求耐高溫,耐腐蝕等性能,以延長產(chǎn)品使用壽命[1]。熱水器內(nèi)膽主要生產(chǎn)工藝流程:沖壓、卷圓→焊接→脫脂→搪瓷,其中在沖壓、卷圓工序要求鋼板具有一定成型性能,且強度不能太高,搪瓷后不能發(fā)生鱗爆,在搪瓷生產(chǎn)過程中,需要通過830~850℃高溫搪燒8~10min,當(dāng)前國內(nèi)市場上主流熱水器內(nèi)膽用鋼的屈服強度在200MPa 級,搪瓷生產(chǎn)后強度下降約20~50MPa[2],制成內(nèi)膽后按QB/T 4101-2010《儲水式電熱水器內(nèi)膽》標準要求進行膽脈沖壓力試驗,循環(huán)次數(shù)達到8 萬次以上。隨著產(chǎn)品升級,為了提高安全使用性能,內(nèi)膽脈沖壓力循環(huán)次數(shù)要求提升達到20 萬次以上,要求在不能降低鋼板抗鱗爆性能及沖壓成型性能基礎(chǔ)上提高內(nèi)膽用鋼的強度,且高溫搪燒后的強度不能降低或降低較少,因此提出開發(fā)屈服強度260MPa 級熱水器內(nèi)膽用冷軋?zhí)麓射摗?/p>

        1 化學(xué)成分設(shè)計

        根據(jù)260MPa 級冷軋?zhí)麓射摰氖褂锰卣?,并考慮終端用戶的加工需求和經(jīng)濟性,結(jié)合生產(chǎn)線裝備特點,在低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼基礎(chǔ)上,增加碳、錳元素含量并添加適量經(jīng)濟性的第二相析出粒子形成元素,提升強度同時提高抗鱗爆性能。

        碳是提高強度最經(jīng)濟且最有效的固溶強化元素,碳含量增加,形成的珠光體增加,強度增加,但碳含量過高,在搪燒過程中,會產(chǎn)生大量的氣泡,導(dǎo)致搪燒后出現(xiàn)針孔缺陷[3-5]。適當(dāng)硫可以與錳形成MnS,提高抗鱗爆性能,但過多的硫會顯著降低鋼板的塑性和韌性[3-5]。鈦元素為提高抗鱗爆性能的核心元素,可以促進生成大量第二相粒子(Ti(C,N)、TiN,TiC)[4-6],能有效增加鋼板的抗鱗爆性能。微量硼元素可以提高鋼的淬透性,且與氮形成BN,顯著提高鋼的搪瓷性能,但硼含量過高時,在連鑄時會引起鑄坯開裂[7]。屈服強度260MPa 級冷軋?zhí)麓射揟C260 產(chǎn)品化學(xué)成分設(shè)計見表1。

        表1 TC260 的化學(xué)成分設(shè)計(質(zhì)量分數(shù)%)

        2 工藝設(shè)計

        屈服強度260MPa 級冷軋?zhí)麓射揟C260 產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程為:鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→合金微調(diào)站→RH精煉→連鑄→熱軋→酸洗冷連軋→連退→平整→成品。

        對進入轉(zhuǎn)爐冶煉之前的鐵水做去除雜質(zhì)元素的處理,包括鐵水脫硅、脫硫、脫磷,提高鐵水的純凈度;轉(zhuǎn)爐控制終點溫度及成分,RH 微調(diào)成分達到目標值要求后連鑄成板坯;將鑄坯加熱至1100~1250℃,有利于形成更多、更細小的第二相粒子,另外高的加熱溫度能保障命中高終軋溫度和高卷取溫度;終軋溫度850~930℃,卷取溫度650~730℃;酸洗工序重點關(guān)注酸洗后表面質(zhì)量;冷軋大壓下能將熱軋鋼板中的析出粒子充分碎裂,增加析出相界面數(shù)量,有利于提升氫滲透時間,結(jié)合軋機能力,冷連軋總壓下率通常大于60%;連退退火溫度700~800℃;平整壓下率0.5~2.0%,可以消除屈服平臺,改善鋼板表面微觀形貌,提高搪瓷密著性能。

        3 組織與性能

        3.1 試驗材料及方法

        沿冷軋?zhí)麓射摪鍣M向切取拉伸、金相、搪瓷等試樣,為對比鋼板搪燒前后力學(xué)性能變化,采用馬弗爐模擬熱水器內(nèi)膽搪瓷生產(chǎn)過程,搪燒溫度830~850℃,搪燒時間8~10min 后空冷。

        3.2 顯微組織

        根據(jù)《GB/T 13298-2015 金屬顯微組織檢驗方法》對冷軋?zhí)麓射揟C260 鋼板搪燒前后試樣進行分析,其顯微組織均為鐵素體+少量滲碳體。從圖1a 可知,搪燒前試樣的鐵素體晶粒較為細小,晶粒度為10 級;從圖1b 可知,經(jīng)830~850℃搪燒后試樣仍保持細小均為的等軸態(tài),晶粒度為9 級。

        圖1 未搪燒鋼板(a);830~850℃模擬搪燒8~10min 后鋼板組織形貌(b)

        3.3 第二相粒子

        從圖2a 可知,冷軋?zhí)麓射揟C260 產(chǎn)品第二相粒子均勻彌散分布在鐵素體中,且數(shù)量較多,從圖2a-A、2a-B、2a-C 可知,析出物主要為Ti(C,N),MnS,TiN,TiC 等;從圖2b 可知,經(jīng)830~850℃搪燒后試樣析出物數(shù)量略微減少,表明搪燒后第二相粒子部分溶解,從圖3b-A 可知,此時析出物主要為MnS、Ti4S2C2,這些析出物不僅作為有效的不可逆氫陷阱,提高抗鱗爆性能,而且可以保證鋼板搪燒后的強度。

        圖2 未搪燒鋼板形貌(a)及能譜分析(a-A、a-B、a-C),SEM

        圖3 搪燒后鋼板形貌(b)及能譜分析(b-A),SEM

        3.4 力學(xué)性能

        冷軋?zhí)麓射揟C260 產(chǎn)品力學(xué)性能見表2 所示。從表2 可知,冷軋?zhí)麓射揟C260 鋼板經(jīng)高溫模擬搪燒后,強度基本未下降,由此保證了儲水式電熱水器內(nèi)膽脈沖壓力試驗性能。

        表2 冷軋?zhí)麓射揟C260 力學(xué)性能

        3.5 抗鱗爆性能

        根據(jù)BS EN ISO17081-2014《氫滲透的測量方法和用電化學(xué)法技術(shù)測定金屬中的氫吸收和遷移》試驗方法利用雙電解池試驗裝置測量冷軋?zhí)麓射摎錆B透時間及在實驗室采用鋼板進行搪瓷試驗用來評估TC260 的抗鱗爆性能。

        EN 10209-2013《Cold rolled low carbon steel flat products for vitreous enamelling - Technical delivery conditions》標準中要求搪瓷鋼(1mm)氫滲透時間應(yīng)≥6.7min,圖4a 為TC260 的氫滲透曲線,橫坐標為氫滲透時間,縱坐標為歸一化通量J/J∞,在曲線中J/J∞為0.096時對應(yīng)的時間為氫滲透時間TH[8-10],由此可知試樣的tb(TH 換算成1mm 的數(shù)據(jù),tb=TH/L2,其中L 為試樣厚度)11.6min,抗鱗爆性能優(yōu)良。

        圖4 氫滲透曲線(a),搪瓷試驗(b)

        實驗室濕法搪瓷工藝流程:鋼板表面脫脂→清洗→烘干→濕法涂搪→釉料烘干→燒結(jié)→空冷,燒結(jié)溫度為830~850℃,保溫10min。從圖4b 可知,試樣鋼經(jīng)雙面涂搪后靜置7 天,未發(fā)生鱗爆,且密著試驗后評估密著性能達到2 級(EN 10209 標準:1 級最優(yōu))。

        4 應(yīng)用

        260MPa 級冷軋?zhí)麓射揟C260 產(chǎn)品批量應(yīng)用于熱水器內(nèi)膽行業(yè),根據(jù)QB/T 4101-2010《儲水式電熱水器內(nèi)膽》標準中要求,制成搪瓷內(nèi)膽后經(jīng)脈沖壓力試驗,循環(huán)次數(shù)均達到26 萬次以上,相對于普通搪瓷內(nèi)膽,安全性能得到極大提升。

        5 結(jié)論

        5.1 通過合理化學(xué)成分設(shè)計及工藝設(shè)計,開發(fā)出了屈服強度260MPa 級冷軋?zhí)麓射揟C260 產(chǎn)品,其屈服強度大于260MPa,延伸率大于26%,氫滲透時間大于6.7min。

        5.2 冷軋?zhí)麓射揟C260 鋼板顯微組織均為鐵素體+少量滲碳體,晶粒度10 級,并含有大量第二相粒子Ti(C,N),MnS,TiN,TiC,經(jīng)830~850℃搪燒后顯微組織均為鐵素體+少量滲碳體,晶粒度9 級,析出物數(shù)量略微減少。

        5.3 冷軋?zhí)麓射揟C260 經(jīng)830~850℃搪燒模擬后屈服強度基本不下降。

        5.4 冷軋?zhí)麓射揟C260 氫滲透時間11.6min,實驗室雙面搪瓷不鱗爆,密著性能4 級,抗鱗爆性能優(yōu)良,制成搪瓷內(nèi)膽后經(jīng)脈沖壓力試驗,循環(huán)次數(shù)均達到26 萬次以上。

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