熱軋工藝對Ti-IF鋼熱軋帶鋼組織性能的影響

溫 斌 何曉波 向 華（安陽鋼鐵集團有限責任公司）

0 前言

2019年我國的汽車產量達2 570 萬輛，其中新能源汽車124.2 萬輛，我國新能源汽車在經歷了早期高速增長后供給趨于穩定，預計在2020～2025年新能源汽車行業生產總量增速在30%，這將預示著對汽車板的需求量也將越大。近年來，為適應汽車減重、降低材料消耗、節約燃油和延長續航能力的需要，對汽車用鋼板性能的要求也越來越高。IF鋼也稱為無間隙原子鋼，是在超低碳鋼中加入一定量的鈦(或鈮),使鋼中的碳、氮原子被固定成碳化物、氮化物,而鋼中無間隙原子存在，因此該鋼種具有優良的特性,即高的塑性應變比、高的應變硬化指數、高的伸長率、低的屈服強度和非時效性，在汽車工業上得到了廣泛應用。目前國內外生產IF鋼最常用的工藝流程為高爐→鐵水脫硫→頂底復吹轉爐→RH真空處理→連鑄→加熱爐→熱軋→控制冷卻→卷取→酸洗→冷軋→退火。筆者主要通過對熱軋過程工藝參數，即在爐時間、開軋溫度、終軋溫度、冷卻速度、卷取溫度等進行優化試驗，研究了熱軋工藝對Ti-IF鋼熱軋帶鋼組織性能的影響規律。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗鋼成分

試驗用坯料為某廠生產的無間隙原子鋼，煉鋼工藝為鐵水脫硫→頂底復吹轉爐→RH真空處理→連鑄，坯料厚度為230 mm。由IF鋼的性質可知，對IF鋼有害的雜質有C、N、夾雜物、Si、S、P等，其中最有害的元素是間隙原子C、N，同時為保證鋼的深沖性能、表面質量以及生產順行，煉鋼工序需要嚴格控制成分和夾雜物，必須保證超低碳、微合金化和鋼質的純凈。其主要化學成分見表1。

1.2 試驗方法

主要通過對比驗證的方式，對比不同在爐時間、不同終軋溫度（880 ℃、920 ℃）、不同卷取溫度（760 ℃、720 ℃、680 ℃、650 ℃）和不同冷卻模式等對Ti-IF鋼組織和性能的影響。生產取樣時，在鋼卷寬度方向1/4的位置取組織和性能試樣，同時取橫向、縱向、45°試樣，對比其拉伸性能。

表1 試驗用鋼化學成分 %

2 試驗結果分析

2.1 加熱工藝對組織性能的影響

加熱工藝對鋼的主要影響的因素有加熱速度、保溫溫度、保溫時間等。已有學者研究表明[1,2]較低的加熱溫度有利于析出粗大的Ti4C2S2粒子，減少細小的TiC粒子，能夠使IF鋼的屈服強度降低、工藝性能提高。但對于保溫時間對其性能的影響規律少有研究，取同爐次試驗鋼進行不同保溫時間的試驗研究，試驗鋼的加熱溫度為1 220 ℃，終軋溫度為920 ℃，卷取溫度為720 ℃，加熱保溫時間分別為130 min和220 min，力學性能數據見表2。從性能數據上看，較長的保溫時間使熱軋IF鋼的強度、屈強比增加，伸長率降低，而且屈服強度提高了28 MPa。不同保溫時間熱軋IF鋼的金相組織如圖1所示。通過對金相組織的觀察發現，鋼坯在長時間保溫后軋制，軋后鋼板的晶粒尺寸略大，但是晶粒度都在7級，也就是說晶粒尺寸不是影響屈服強度差別較大的原因。從成分和工藝上分析，屈服強度之所以差別較大，主要是隨著加熱時間的延長，Ti溶解得更充分，更容易在熱軋過程中彌散析出更多細小的Ti4C2S2、TiC等粒子，使熱軋IF鋼的強度升高，這對最終產品的深沖性能有一定的影響。

表2 保溫時間對性能影響

圖1 不同保溫時間熱軋IF鋼的金相組織

2.2 終軋溫度對組織性能的影響

對比不同終軋溫度對Ti-IF鋼性能的影響，保溫時間135 min，卷取溫度720 ℃，終軋溫度分別為920 ℃、和880 ℃，具體的力學性能數據見表3。試驗結果表明：終軋溫度為920 ℃的工藝相比終軋溫度為880 ℃的工藝來說，鋼板的屈服強度和屈強比均有提升。通過組織觀察發現，兩種工藝的晶粒尺寸差別較小，但是采用高溫終軋工藝生產的鋼的屈服強度要高于采用低溫終軋工藝生產的鋼的，原因是高溫終軋促使第二相粒子的析出，從而提高了鋼的強度；另外，鋼中內部的析出物和組織的均勻性也會影響熱軋鋼板的力學性能,這種規律在其他資料[3]中也有提及。

表3 不同終軋溫度對性能影響

考慮到板帶邊部溫降，觀察了靠近板帶邊部的組織，圖2為不同終軋溫度板帶邊部金相組織，發現880 ℃終軋后板帶邊部組織基本都是形變鐵素體晶粒，這說明熱軋時板帶邊部已經進入了兩相區軋制范圍，而兩相區軋制時的熱軋組織容易產生混晶組織。楊雪梅等人的研究認為[3,5]，熱軋后的混晶組織在退火后也不均勻，會引起塑性降低，延伸率下降，而且兩相區終軋后的熱軋板在冷軋后的織構特征相對較差，導致r值減小，所以應避免在兩相區軋制。結合生產實際得出，終軋溫度控制在920 ℃左右最為合適，這樣能更容易得到深沖性能優異的Ti-IF鋼。

圖2 不同終軋溫度板帶邊部金相組織

2.3 卷取溫度對組織性能的影響

對比不同卷取溫度對Ti-IF鋼性能的影響，保溫時間140 min，終軋溫度920 ℃，卷取溫度分別為760 ℃、720 ℃、580 ℃和650 ℃ 。力學性能數據見表4。隨著卷取溫度的提高，屈服強度、屈強比逐漸降低，卷取溫度720 ℃時的伸長率最好；顯微組織上，隨著卷取溫度的升高，平均晶粒尺寸逐漸增大，晶粒度在6.5～7.5級左右，不同終軋溫度IF鋼的顯微組織如圖3所示。屈服強度隨著卷取溫度的降低而提高的原因主要有兩點：一是隨著卷曲溫度的降低，晶粒尺寸的減小造成屈服強度的提高；二是高溫卷取有利于析出物的長大，而低溫卷取后鋼中析出的第二相粒子細小均勻，沉淀強化效果顯著，大幅度提高了屈服強度。720 ℃卷取熱軋IF鋼的伸長率最好，原因是650 ℃卷取時存在不均勻組織導致伸長率降低，而卷取溫度過高也會導致晶粒粗大，降低總伸長率。因此，卷取溫度在720 ℃左右時能夠獲得較好塑性的熱軋IF鋼。文獻資料中[4]也有敘述，為了獲得對拉延性能有利的熱軋組織，應使熱軋IF鋼的卷取溫度低于730 ℃左右為佳。

表4 不同卷取溫度對性能影響

圖3 不同終軋溫度IF鋼的金相組織

2.4 冷卻工藝對組織性能的影響

冷卻工藝直接影響鋼冷卻后的組織結構和性能，在同批次IF鋼上做對比試驗，驗證前段冷卻和后段冷卻工藝對鋼性能和組織的影響。試驗結果表明：后段冷卻工藝略微降低了鋼的強度，提高了伸長率，同時后段冷卻工藝處理后的鋼中的較大尺寸晶粒占比較高，而前段冷卻工藝處理后的鋼的晶粒在尺寸和形狀上相對均勻，對提高r值有利[6,7]。兩種冷卻工藝冷卻后鋼的力學性能和組織照片見表5和圖4。

表5 終冷溫度對性能影響

圖4 不同終軋溫度IF鋼的金相組織

2.5 板寬1/4處各向拉伸試驗數據

為了了解Ti-IF鋼不同卷曲溫度的各向性能，在鋼帶帶寬1/4處取橫向、縱向、45°試樣，做不同方向拉伸性能對比試驗。不同工藝條件下屈服強度和抗拉強度在不同方向的性能差異如圖5所示。從對比試驗的結果看，存在的普遍規律是橫向強度高于縱向強度，值得注意的是在720 ℃卷取后鋼的屈服強度、抗拉強度在各個方向的差異最小，因此將熱軋卷取溫度控制在720 ℃左右范圍，能夠獲得性能各項異性較小的熱軋鋼帶。同時，由于冷軋鋼板具有遺傳熱軋鋼板性能的特性，所以這樣的熱軋鋼板在冷軋后更容易獲得優異的性能。

3 結論

圖5 不同工藝條件下屈服強度和抗拉強度的各向異性

IF鋼板坯在高溫長時間加熱時能夠使鋼中的Ti（C,N）溶解得更充分，在熱軋后表現出更高的屈服強度和屈強比；終軋溫度和卷取溫度對IF鋼熱軋性能的影響主要與Ti（C,N）的析出有關，而晶粒尺寸對強度的影響較小，同時軋后后段冷卻強度略降、屈強比升高，成型性能變差；當終軋溫度920 ℃，卷取溫度720 ℃時，軋后鋼的屈服強度、抗拉強度在各個方向的差異最小，成型性能最好。