成型用全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC產(chǎn)品的開發(fā)

王 專，武國棟，楊子瑞

（山東鋼鐵集團日照有限公司，山東 日照 276805）

0 引言

全硬態(tài)冷軋鋼卷是由熱軋卷經(jīng)過酸洗去除表面氧化鐵皮后再進入冷軋機軋制而得，簡稱冷硬卷。由于連續(xù)冷變形導致鋼帶內(nèi)部晶粒沿軋制方向被拉長為纖維狀，晶界模糊不清，所以全硬態(tài)冷軋鋼帶有著很高的強度和硬度，但鋼帶的塑性和韌性卻很差，即加工成型性能很差。冷硬卷在性能方面雖不如熱軋卷和冷軋卷，但冷硬卷的表面質(zhì)量、尺寸精度優(yōu)于熱軋卷，產(chǎn)品硬度和成本又優(yōu)于冷軋卷，由于其獨特的特點，所以冷硬產(chǎn)品的用途拓展空間巨大[1]。目前市場上常見的全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC、SPCD 產(chǎn)品，機械性能差，一般是定位于用作退火和鍍鋅深加工的中間品，不能直接用于成型加工。而全硬態(tài)冷軋超低碳鋼SPCE、SPCF 等產(chǎn)品，雖然能滿足較為復雜的成型工藝，但原料成本較高，鋼帶板形控制難度也較大。雖然低碳鋼冷硬產(chǎn)品的機械性能不受保證，但隨著成本競爭的加劇，在市場上其用途被不斷拓展。在山東鋼鐵集團日照有限公司（以下簡稱日照公司）低碳鋼冷硬SPCC產(chǎn)品市場推廣過程中，出現(xiàn)過多起用戶反饋鋼帶加工后裂紋或開裂的質(zhì)量異議。所以開發(fā)出能用于較為復雜成型工藝的且具有較低成本的全硬態(tài)冷軋低碳鋼產(chǎn)品，是在市場降本增效以及滿足用戶個性化需求形勢下的必然要求。

為此，日照公司對所生產(chǎn)的常規(guī)全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC 產(chǎn)品進行了硬度性能檢驗和彎曲成型試驗。本文通過對檢驗和試驗數(shù)據(jù)的分析，提出了SPCC 產(chǎn)品產(chǎn)生工藝的優(yōu)化方案，并對優(yōu)化方案實施后所生產(chǎn)的SPCC 產(chǎn)品實際性能情況進行了總結(jié)。

1 常規(guī)全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC性能情況

實驗室下對日照公司常規(guī)全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC 鋼帶進行了硬度性能檢測和彎曲成型試驗，試驗樣板厚度集中在目前市場上的常用規(guī)格0.40mm～1.20mm。全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC 鋼帶硬度情況如表1所示。由表1可以看出，這些SPCC鋼帶的硬度結(jié)果分布在92.1HRB～99.0HRB 之間，硬度波動范圍大，而且隨著產(chǎn)品厚度的增加、冷軋壓下量的增大，產(chǎn)品硬度呈現(xiàn)上升的趨勢。

表1 全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC鋼帶硬度情況

通過進一步彎曲試驗顯示，在樣板硬度值超過95HRB 的情況下，常規(guī)全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC 鋼帶V 彎試驗結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，彎曲試驗結(jié)果不理想。當V 彎角度在90°時，如圖1（a）所示，試樣彎曲處便會出現(xiàn)輕微裂紋；當V 彎角度增加到45°時，如圖1（b）所示，試樣彎曲處輕微裂紋會發(fā)展為嚴重裂紋，甚至是直接發(fā)生斷裂。這些產(chǎn)品如果客戶應用于90°以上的彎曲成型加工，便會存在巨大的加工開裂風險，造成質(zhì)量異議事故。所以，一般常規(guī)的全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC 產(chǎn)品是無法直接應用于稍微復雜的成型工藝的，如需應用必須對產(chǎn)品生產(chǎn)工藝進行針對性優(yōu)化。

圖1 全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC鋼帶V彎試驗結(jié)果

2 成型用全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC生產(chǎn)工藝優(yōu)化

2.1 化學成分優(yōu)化

全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC 中主要強化元素為C、Mn 和極少量Si 元素，C 元素的微量變化對SPCC鋼的力學性能影響極為顯著，C 元素在鋼中可形成間隙式固溶體，亦可形成金屬化合物即滲碳體，隨著C 元素含量的升高，SPCC 鋼的強度和硬度逐漸升高[2]。試驗結(jié)果也顯示，強化元素的含量變化對鋼帶的硬度性能和成型性有著顯著影響，在其他工藝相同的情況下，隨著SPCC 鋼帶中C 和Mn 元素含量的增高，鋼帶硬度值會呈現(xiàn)明顯上升趨勢，即全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC 鋼帶成品硬度值與其中固溶強化元素C 和Mn 的含量成正比關系。圖2為全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC 硬度與C 元素含量主效應圖。

圖2 全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC硬度與C元素含量主效應圖

在常規(guī)全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC產(chǎn)品的基礎上，通過適當降低鋼帶中C、Mn元素重量占比的成分設計，可以改善全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC 成品的硬度，同時保證產(chǎn)品仍具備較高的強度。全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC產(chǎn)品化學成分設計對比如表2所示。

表2 全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC產(chǎn)品化學成分設計對比

2.2 熱軋卷取溫度優(yōu)化

低碳帶鋼冷軋后的組織與熱軋基板的組織密切相關，獲得優(yōu)良的熱軋組織是獲得優(yōu)良冷軋產(chǎn)品性能的前提條件。國內(nèi)唐鋼等鋼企也開展過相關實驗研究，發(fā)現(xiàn)影響冷硬板性能的主要因素就是原料的性能和冷軋總壓下率[3]。全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC 熱軋基板內(nèi)部為鐵素體組織，根據(jù)最終產(chǎn)品的性能需要，可以通過控軋、控冷技術對SPCC 熱軋基板的鐵素體晶粒大小進行控制。

在熱軋生產(chǎn)工藝中，隨著卷取溫度的升高，帶鋼的強度和晶粒度等級下降，且鐵素體中MnS析出總體尺寸和分布范圍變化不大[4]。因此利用提高熱軋卷取溫度，降低熱軋卷冷卻速率，可以使SPCC 熱軋板在精軋冷卻后形成體積較大的鐵素體晶粒，降低熱軋基板強度，從而改善鋼帶冷軋后硬度。全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC 產(chǎn)品熱軋卷取溫度設計對比如表3所示，不同卷取溫度下SPCC 熱軋基板的金相組織對比如圖3所示。

表3 全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC產(chǎn)品熱軋卷取溫度設計對比

圖3 不同卷取溫度下SPCC熱軋基板的金相組織對比（500×）

2.3 冷軋壓下率優(yōu)化

全硬態(tài)冷軋產(chǎn)品不經(jīng)過退火處理而直接加工使用，內(nèi)部組織仍是遺傳了熱軋基板的狀態(tài)，條件相同的原料，冷軋壓下率越大，冷硬板的Rm、Rp0.2、HRB 都會明顯增大[4]。隨著冷軋壓下率的增大，鋼帶內(nèi)部具有變形帶的晶粒數(shù)越來越多，尤其是在80%壓下率附近時，晶粒拉長非常嚴重，變形帶也顯得較混亂[5]。為了保證冷軋后仍較大地保留熱軋基料的優(yōu)良性能，而降低產(chǎn)品硬度，對于成型用冷軋低碳鋼的冷軋壓下率設計要低于常規(guī)產(chǎn)品，且盡量低于80%。全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC 產(chǎn)品冷軋總壓下率設計對比如表4所示。

表4 全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC產(chǎn)品冷軋總壓下率設計對比

圖4為不同壓下率下SPCC 鋼帶金相組織對比。由圖4（a）、圖4（b）可以看出，相對于常規(guī)大壓下率工藝下的冷硬SPCC 產(chǎn)品，通過降低冷軋總壓下率，冷軋后鋼帶內(nèi)部晶粒被拉長程度明顯減輕，組織更為均勻，晶界也更加清晰。

圖4 不同壓下率下SPCC冷軋鋼帶金相組織對比（500×）

3 產(chǎn)品實際性能情況

（1）成型用全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC 成品硬度得到明顯改善，表5為成型用全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC產(chǎn)品硬度檢測情況。由表5可以看出，成品硬度有效控制在85HRB～95HRB的預設區(qū)間。

表5 成型用全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC產(chǎn)品硬度檢測情況

（2）優(yōu)化后全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC 產(chǎn)品的加工成型性能得到明顯改善。圖5為成型用全硬態(tài)低碳鋼SPCC 產(chǎn)品彎曲試驗結(jié)果，由圖5可以看出，試樣在經(jīng)過45°、30°V彎實驗后，試樣彎曲處狀態(tài)良好，僅少部分試樣在30°V 彎后出現(xiàn)輕微裂紋趨勢，能夠適應較復雜的彎曲成型工藝。

圖5 成型用全硬態(tài)低碳鋼SPCC產(chǎn)品彎曲試驗結(jié)果

（3）產(chǎn)品實際應用情況良好。經(jīng)方形管、文件柜等加工制造用戶大批量使用驗證，優(yōu)化后的全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC 產(chǎn)品機械性能能夠滿足彎曲角度在90°以上的較為復雜的彎曲成型加工工藝要求，而且因SPCC 產(chǎn)品自身較高強度和硬度的特點，提高了彎曲成型加工成品的耐磨性和使用壽命。圖6為成型用全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC 產(chǎn)品用戶應用圖示。

圖6 成型用全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC產(chǎn)品用戶應用圖示

4 結(jié)語

在對常規(guī)全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC 產(chǎn)品性能和成分分析的基礎上，對SPCC 產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝進行了優(yōu)化設計，在此基礎上日照公司成功地開發(fā)了成型用全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC 產(chǎn)品，并被下游彎曲成型加工用戶接受認可。

（1）通過生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，如化學成分、熱軋卷取溫度、冷軋壓下率等，全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC 產(chǎn)品的機械性能和成型性能得到明顯改善，使得全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC 產(chǎn)品能夠應用于較為復雜的彎曲成型工藝，產(chǎn)品用途得到豐富和拓展。

（2）當全硬態(tài)冷軋低碳鋼SPCC 的表面硬度控制在95HRB 以下時，可以有效控制大角度彎曲變形中裂紋的產(chǎn)生風險和缺陷程度，減少加工開裂質(zhì)量異議的發(fā)生。