卷取温度对冷轧SPCD钢组织与性能的影响

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陈玉宝，许兴

(马鞍山钢铁股份有限公司质监中心安徽马鞍山 243000)

摘要：为了研究不同卷取温度对CSP工艺生产的SPCD冷轧成品板的影响，采用两种卷取温度(其他的热轧、冷轧、退火工艺都相同)生产了1、2号的冷轧SPCD试验板，并通过单向拉伸试验对两种钢的基本成形性能(r值、n值)和力学性能指标(屈服强度、抗拉强度、伸长率)进行了测定。对比分析发现，卷取温度对SPCD冷轧板的成形性能影响显著，其主要原因为卷取温度能影响最终SPCD成品板的自由氮含量。

关键词：CSP；成形性能；力学性能；自由氮

中图分类号：TP2 TG335．1 文献标识码：B 文章编号：1003—0514(2008)05—0001—03

控制轧制和控制冷却对产品的显微组织和综合力学性能有着重要的影响，是控制产品组织和性能的常用工艺。在CSP工艺中，铸坯始终在奥氏体区，不经过γ－α相变直接进入连轧机组轧制后，通过层流冷却达到规定的卷取温度后进行卷取。在钢带的冷却过程中，要发生钢的组织转变和二相粒子的析出，特别是A1N粒子的析出与卷取温度的高低密切相关，而A1N粒子析出的大小、形态、数量等与最终退火钢的成形性能密切相关。因此研究CSP线卷取温度对产品组织、力学性能的影响，对于工艺过程控制、新产品开发以及满足不同用户的要求具有特别重要的实际意义。

1 试验材料和研究方法

1．1 试验材料

试验材料：1、2号钢分别来自于具有7架精轧机架的CSP生产线生产的同种化学成分的SPHD的冷轧基板，轧后厚度均为3．5 mm，试验用钢的化学成分如表1所示，热轧工艺参数如表2所示。其中1号钢轧后卷取温度为660℃、2号钢轧后卷取温度为550℃。

1．2 研究方法

对1、2号SPCD冷轧基板在4辊冷轧机上进行轧制所采用的冷轧总压下率均为65．7％，轧后厚度均为1．2 mm。对冷轧后的试样在HION/H₂。罩式退火炉中进行再结晶罩式退火。为防止试样氧化，内通H．进行保护，其中升温速度及保温时间由仪表自动控制。为了取得最佳可比性，1、2号钢试样采用相同的再结晶退火制度。首先对1、2号钢试样以180℃／h加热速度升温至300℃，然后以40℃／h的加热速度升温至710℃，保温8 h，随炉冷却到室温出炉。在MTS试验机上对1、2号钢板进行单向拉伸试验，试验按GB／T 228—2002执行，用于测定550、660℃卷取温度下退火板的基本成形性能指标(r、n)和力学性能指标(R_P0.2、Rm、A)，采用日本HORIBAEMGA一620W型氧氮分析仪进行1、2号氮分析，利用Axioskop2MAT光学金相细微镜进行金相组织观察，金相试样取自拉伸试验拉断后的试样，沿轧件的横断面将小试样磨平、抛光，侵蚀剂为3％～4％的硝酸酒精溶液，试验按(GB 4335—84)和(GB／T 13298—91)执行。

2 结果与分析

不同卷取温度的热轧带卷在冷轧开卷时取样所测得的屈服强度和延伸率十分接近，见表3。这说明它们是在几乎相同的力学性能“起跑线”上开始进入冷轧一退火流程的。然而带卷内部的AlN析出状况的差别只有在随后的冷轧退火过程中表现出来，并影响到冷轧成品板的强度、织构和r值，如表4。同时从表4可见，其两种工艺下的冷轧SPCD1、2号成品的基本性能都能充分满足DQ级冷轧板的指标要求，满足日本JIS G3141标准对SPCD的要求，而且满足美国ASTM A1008标准对DS和德国DIN 10130标准对DC03的要求。两种工艺生产的DQ级冷轧板的延伸率均达到深冲DDQ级性能指标要求。

2．1 卷取温度对屈服强度的影响

比较660℃和550℃卷取后的冷轧SPCD板的屈服强度，可以看到，经过T_C=660℃高温卷取生产的冷轧DQ级板的1号屈服强度(YS_m=200MPa)低于经过T_C=550℃低温卷取生产的冷轧DQ级板2号屈服强度(YS_m=215 MPa)。

两种卷取温度的热轧带钢显微组织和相应的冷轧带钢显微组织照片如图1。可以看到，热轧低温T_C=550℃卷取带钢1号的晶粒度为8．5级，比高温T_C=660℃卷取带钢2号的晶粒度(8级)要细小半级，但是低温卷取的热轧基料在冷轧退火后的SPCD级板表现为比较粗大的饼形晶粒II 6级，比高温卷取的热轧基料在冷轧退火后的晶粒度(II7级)要粗大一级。如果没有其他因素的影响，与低温卷取对应的冷轧SPCD级板2号的屈服强度，应该由于粗化软化而比高温卷取的冷轧板2号屈服强度低一些。然而，低温卷取后的冷轧板2号屈服强度平均值为YS_m=215 MPa，却高于高温卷取后的冷轧板1号的平均屈服强度YS_m=200 MPa。对同一炉号、同一成分、相同碳当量、相同游离渗碳体级别的冷轧带钢，晶粒粗大反而屈服强度升高，这个现象说明冷轧带钢还有其它强化机制引起的强度变化。

冷轧低碳钢板屈服强度的影响因素，与热轧低碳钢板相似，主要取决于碳当量和晶粒度，而对于氮含量较高的钢来说，自由氮N_f的含量与影响是十分重要的。众所周知，自由氮是由炉气进入钢液中的，氮在α一Fe中溶解度在591℃时可达到0．1wt％左右，室温时降低至10^-5％左右，含氮量较高的钢，由高温快速冷却时，过剩的氮便过饱和的溶解在铁素体中，在室温静置时，自由氮将以Fe₄N的形式析出，导致钢的强度、硬度上升，而塑性、韧性下降。对冷轧退火态试验板l号和2号进行了氮含量与AlN分析，结果表明：经过低温卷取的冷轧板2号的总氮含量N_T为0．010％N，略高于经过高温卷取的冷轧板1号的氮含量0．009％N；而经过低温卷取的冷轧板2号中的AlN含量为0．020 3％，其中被固定的氮含量N_AlN。为0．006 9％N；略低于高温卷取后的冷轧板l号中的AlN含量0．0223％及其固定的氮0．007 6％N。

因此，在经过高温卷取的冷轧板1号中的自由氮为N_f=N_T－N_AlN=0．009％一0．0076％=0．0014％，而经过低温卷取的冷轧板2号中的自由氮为N_f=N_T－N_AlN =0．010％一0．006 9％=0．0031％，见表5。可见经过低温卷取的冷轧板2号中的自由氮含量比经过高温卷取的冷轧板1号要高17 ppm。根据Pickering的强度模型，自由氮Ⅳr对屈服强度的贡献为△YS(N_f)=354．2N_f^0.5，这17ppm自由氮会导致屈服强度的增量为△YS(N_f)=14．6 MPa。因此采用低温卷取热轧基料生产的冷轧退火板2号的屈服强度比采用高温卷取热轧基料生产的冷轧退火板1号要高一些。这说明钢中的自由氮是冷轧SPCD板屈服强度偏高的重要因素。

2．2 卷取温度对r、n值的影响

从表2可以看出，高温卷取的冷轧板1号的r值远小于低温卷取的冷轧板2号的r值，这也间接说明了在热轧过程中，通过高温终轧、低温卷取会尽量使AlN在热轧过程中不析出，而在随后的再结晶退火时析出，使之更有利于{111}织构的发展，从而获得良好的成形性能。在CSP工艺条件下，第二相AlN析出的粒子粒径细小，在冷轧退火回复再结晶过程中更能抑制不利织构，促进有利织构的发展。其细小的AlN质点对再结晶形核有阻碍作用，使驱动力较小的晶粒的形核受到抑制，驱动力大的{111}晶粒的形核虽也受到阻碍，但在形核竞争中占优势，因此AlN加强了成核的选择性，从而有利于更强的{111}织构产生，使之r值增大。

一般认为，铁素体晶粒尺寸和钢中的夹杂物对n值影响较明显，其中，n值是随着铁素体晶粒尺寸减小而增加的。另外，在平衡组织下，钢的成分与n值有如下的经验关系式：