P元素強化高硬度T5鍍錫產(chǎn)品的試驗研究

魏寶民,穆海玲,白振華

(1.燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心、燕山大學亞穩(wěn)材料制備技術與科學國家重點實驗室,河北秦皇島 066004;2.上海梅山鋼鐵股份有限公司,江蘇南京 210039)

P元素強化高硬度T5鍍錫產(chǎn)品的試驗研究

魏寶民1,2,穆海玲2,白振華1

(1.燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心、燕山大學亞穩(wěn)材料制備技術與科學國家重點實驗室,河北秦皇島 066004;2.上海梅山鋼鐵股份有限公司,江蘇南京 210039)

為解決薄規(guī)格T5冷軋過程存在軋制力高,軋制速度低的問題,通過添加P元素強化,替代原T5產(chǎn)品采用C元素的強化思路,同時提高熱軋卷取溫度。試驗結果表明：P強化試驗料的冷軋軋制力比T5降低50～100噸,軋制速度最高由900 m/min提高至1200 m/min,同時力學性能能夠滿足T5的要求,在現(xiàn)場得到了應用。

P強化;T5鍍錫板;軋制力;內耗

1 引言

鍍錫產(chǎn)品以調質度來區(qū)分不同硬度級別,一次冷軋材從T-1到T-5級別,數(shù)字越大表示產(chǎn)品的硬度越高,隨著成本和環(huán)保的壓力,鍍錫產(chǎn)品正朝著厚度越來越薄,硬度越來越高的方向發(fā)展。在生產(chǎn)薄規(guī)格T5鍍錫產(chǎn)品時,由于軋制力高,在冷軋軋制工序存在生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)組織難度大、成本高、故障率高等急需解決的問題。P元素在鋼鐵材料中大多情況以雜質元素來對待,P會產(chǎn)生冷脆,影響鋼材的加工性能,但是有些鋼種中P作為功能元素添加,比如汽車用的烘烤硬化鋼(BH鋼);高強IF鋼,在普通無間隙元素鋼中添加P強化,替代Nb等貴重金屬強化,以及在汽車高強鋼中有專門的P強化鋼,有研究表明當添加小于0.10%P時,隨著P含量的提高,材料的n值、r值也相應的提高[1]。與Mn、Si等固溶強化元素相比,其強化效應7倍于Si,10倍于Mn[2]。作為強化元素不但強化效果好,在從熱軋帶鋼到冷軋退火薄板的生產(chǎn)工藝過程中,P元素強化的鋼與添加合金元素的析出強化和細晶強化的鋼相比,引起的強度損失很小[3]。本文提出在生產(chǎn)高硬度鍍錫板T5時,通過添加P元素進行強化,有效降低了冷軋軋制力,同時力學性能指標滿足T5的要求,在現(xiàn)場得到了應用。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

試驗料的成分是在T4的成分基礎上添加0.049%的P,與T5相比碳含量降低0.078%,P提高了0.048%。三者的成分比較見表1。

2.2 試驗方法

將試驗料進行熱軋軋制、冷軋軋制、連續(xù)退火以及烘烤試驗,其中熱軋采用7機架熱連軋機組,軋制冷卻后高溫卷取,冷軋采用五機架連軋機組。在連續(xù)退火試驗之前,首先在試驗室通過退火模擬試驗裝置模擬不同的退火溫度對組織性能的影響,得出600℃較為適宜,之后在連續(xù)退火機組進行退火試驗。在試驗室烘箱進行烘烤試驗,模擬鍍錫軟熔工序。各工序的試驗參數(shù)見表2。

表1 試驗料和T4、T5的成分比較(質量分數(shù),%)

表2 試驗參數(shù)

在試驗過程中,對熱軋板樣品進行組織性能分析,對退火板進行組織、硬度、拉伸和杯凸測試分析,同時比較三種材料的冷軋軋制力、軋制速率,觀察退火板烘烤前后硬度變化情況,用內耗法分析退火板加P的強化機理。

3 試驗結果及分析

3.1 熱板分析

對試驗的熱軋鋼板進行力學性能和微觀組織分析,同時與T4和T5鋼種進行比較,表3為力學性能的比較情況,圖1為金相組織的比較情況。

表3 試驗料與T4、T5料熱卷力學性能

試驗料在T4的基礎上添加P及優(yōu)化卷取溫度后,強度明顯提高,屈服強度提高的幅度比抗拉強度提高的幅度高近一倍,但均未達到T5的強度值。T4+P試驗料與T4相比,晶粒細小,無其它明顯變化。

圖1 試驗料與T4、T5料顯微組織

表明P在強度貢獻方面,提高屈服強度的作用高于提高抗拉強度的作用。

3.2 軋制力分析

三種料在冷軋均由2.0 mm軋制到0.18 mm厚度,總變形率以及各個機架的變形率均相當。表4為冷軋機組五個機架的壓下率和軋制張力,圖2為軋制力和軋制速度的比較。

表4 試驗料與T4、T5料冷軋壓下率和張力

圖2 試驗料與T4、T5料軋制力和軋制速度

從冷軋的軋制力和軋制速度比較可以看出,T4 +P試驗料的軋制力介于T4和T5之間：與T5相比,1#、2#機架軋制力比T5料低約100噸,3#～5#機架軋制力比T5料低約50噸;與T4料相比,1#、2#機架軋制力比T4料高40～60噸,3#～5#機架軋制力比T4料高約10～30噸;最高的軋制速度比T5料高300 m/min,比T4料低100 m/min。由于屈服強度表征材料對微量塑性變形的抗力,所以在其它因素不變的條件下,通常將材料的屈服強度作為衡量變形抗力的依據(jù),但是當軋制0.18 mm薄規(guī)格產(chǎn)品時冷軋壓縮比極大,已接近材料塑性變形的極限,這時軋制變形抗力不但要考慮材料的屈服強度,更要考慮材料的抗拉強度,因為抗拉強度表征材料能最大均勻塑性變形的抗力。在多機架連軋中的變形抗力前幾機架取決于材料的屈服強度,后幾機架取決于抗拉強度。

3.3 退火板分析

試驗料與T4、T5料退火和烘烤后的性能指標見表5,金相組織見圖3。

表5 試驗料與T4、T5料退火和烘烤后的性能

T5產(chǎn)品要求硬度(HR30T)62～68,斷后伸長率大于10%。可以看出試驗料退火板的硬度滿足T5產(chǎn)品要求,杯凸指標與原T5處于同一水平,經(jīng)過鍍錫軟熔工藝后的硬度增加值比原T5要小。

圖3 試驗料與T4、T5料退火后的顯微組織

從金相組織來看,三個產(chǎn)品基本完成再結晶, T5中珠光體數(shù)量明顯比后者多,顯然T5料是靠珠光體相強化,T4+P與T4相比,組織上無明顯差別,只是晶粒略微細小。

圖4為T4+P試驗料和T4料600℃退火樣品的內耗曲線。可以看出,T4+P試驗料的內耗低于T4料的內耗,表明添加P元素后,降低了可移動位錯密度。戢景文[4]等人的研究得出同樣的結論,P能顯著減小Fe的SKK內耗峰。關于降低內耗峰的機理方面,王華[5]的研究得出,P元素與位錯產(chǎn)生強烈的交互作用,造成位錯在變形過程中難以脫釘。P的這種偏聚不是單純以置換Fe的形式存在,而是為了降低鋼的畸變能而發(fā)生的在位錯處的聚集。同時,P除了自身的偏聚外,還與C存在共偏聚,偏聚的P與C原子發(fā)生相互滲透,共同對位錯造成釘扎作用,使得含P鋼中的位錯在變形過程中難以脫釘,故硬度顯著上升。

圖4 T4+P試驗料與T4料的內耗曲線

同時,Saitoh H等人的研究[6]得出P元素的加入能夠增加固溶C的含量,但是降低C-Snoek內耗峰,這是因為置換原子周圍的固溶C原子對內耗不起作用。通過內耗分析加P試驗料退火后的強度提高主要是P和C在位錯處共同偏聚,以及C的固溶量增加所致。

4 現(xiàn)場應用

采用P強化的技術方案,進行了工業(yè)性試生產(chǎn),首批250噸按照T5的期貨合同方式組織生產(chǎn),與同規(guī)格的原T5料相比,軋制速度由900 m/min提高至1200 m/min,材料的硬度指標滿足T5產(chǎn)品要求,用戶應用在三片罐罐身試用后能滿足使用要求。

5 結語

針對在冷軋軋制薄規(guī)格T5冷軋過程存在軋制力高,軋制速度低的問題,進行了優(yōu)化試驗：通過在T4成分基礎上添加一定量的P元素,同時提高熱軋卷取溫度。試驗結果表明T4+P試驗料的性能能夠滿足T5的要求,冷軋軋制力比T5降低50～100噸,軋制速度由900 m/min提高至1200 m/min。由內耗法分析得出,退火后P與C原子共同偏聚在位錯附近,共同對位錯造成釘扎作用,這是T4+P試驗料硬度顯著提高的主要原因,用此方法生產(chǎn)T5已在現(xiàn)場得到了應用。

[1] 傅作寶,張 魁,趙淑清.含磷深沖高強度冷軋汽車板的特性[J].鋼鐵,1991,26(7)：48-53.

[2] 冷啟明.高強度RP鋼板在汽車上的應用[J].汽車科技,1995,128(5)：25-34.

[3] 冷啟明.高強度RP鋼板在汽車上的應用[J].汽車技術,1995,26(7)：21-27.

[4] 戢景文,趙曾祺,賀禮瑞,等.鐵磷合金中的Snoek-Ke-Koster峰[J].物理學報,1985,34(12)：1620-1626.

[5] 王 華,史 文,何燕霖,等.Mn和P在超低碳烘烤硬化鋼中的分別形態(tài)及其對拉伸行為的影響研究[J].金屬學報,2011,47(3)：263-1268.

[6] Saitoh H,Ushioda K.Influences of phosphorus on the solubility of carbon in ferrite and on Snoek peak[J]. Materials Transactions,JIM,1993,34(1)：13-19.

Experimental Study on High Hardness T5 Tinplate With Phosphorus Strengthen

WEI Baomin1,2,MU Hailing2,BAI Zhenhua1
(1.National Engineering Research Center for Equipment and Technology of C.S.R,State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology,YanShan University,Qinhuangdao 066004,Hebei,China;
2.Shanghai Meishan Iron&Steel Co.,Ltd.,Nanjing 210039,Jiangsu,China)

In order to solve the problem of high rolling force and low rolling speed in thin rolling T5 cold rolling process,the idea of strengthening T5 product is tested by adding the P element replacing the C element.At the same time,the hot rolling coiling temperature is increased.The results show that the cold rolling force of P reinforced test material is 50-100 tons lower than that of T5,and the rolling speed is increased from 900 m/min to 1200 m/min,and the mechanical properties can meet the requirements of T5 and have been applied in the production line.

phosphorus strengthen;T5 tinplate;rolling force;internal friction

TG335

B

1001-5108(2017)04-0010-04

魏寶民,工程師,碩士,主要從事冷軋產(chǎn)品研究工作。