退火溫度對350 MPa級冷軋鋼板微觀組織和力學(xué)性能的影響

張 翼,丁志龍,2

(1.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,江蘇 南京 210039;2.鋼鐵研究總院先進(jìn)金屬材料涂鍍國家工程實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

為了保護(hù)鋼鐵基體不發(fā)生銹蝕,通常在鋼板表面熱浸鍍?nèi)廴诮饘傩纬射撹F鍍層產(chǎn)品,主流鍍層產(chǎn)品有鍍鋅板、鍍鋁鋅板和鍍鋁板。20世紀(jì)初鍍鋅鋼板由于其加工性能和較好的耐蝕性得到廣泛的應(yīng)用,隨著室外用部件對耐蝕性能的進(jìn)一步提高,20世紀(jì)60年代美國伯利恒鋼鐵公司在純鋅鍍層基礎(chǔ)上添加55 %鋁作為鍍層進(jìn)行熱浸鍍試驗(yàn),結(jié)果表明,其耐蝕性相當(dāng)于熱鍍鋅鋼板的2～6倍。由于鍍鋁鋅板的優(yōu)良的耐蝕、耐熱、表面美觀等綜合性能,1990年后鍍鋁鋅產(chǎn)品的得到快速發(fā)展,鍍鋁鋅產(chǎn)品被大量應(yīng)用到建筑廠房的屋頂板[1],其使用年限可達(dá)20年之久。近年來,建筑廠房在沿海一線大量建廠,沿海氣候伴有大風(fēng)天氣,要求廠房具有較強(qiáng)的抗風(fēng)能力,屈服強(qiáng)度350 MPa級高強(qiáng)鍍鋁鋅建筑用鋼產(chǎn)品相對普通鍍鋁鋅具有較高抗風(fēng)能力,目前在建筑行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。

實(shí)現(xiàn)屈服350 MPa級鍍鋁鋅建筑高強(qiáng)鋼可以通過多種技術(shù)路徑來實(shí)現(xiàn),產(chǎn)品成分中合金含量決定了產(chǎn)品的制造和加工成本。公開研究的屈服強(qiáng)度350 MPa鋼是通過在低碳鋼中添加添加鈮、釩、鈦等微合金元素方式,采用細(xì)晶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化等方式獲得最佳的材料強(qiáng)韌性[2],微量鈮對材料細(xì)晶強(qiáng)化效果更為明顯[3]。現(xiàn)有采用合金強(qiáng)化或相變強(qiáng)化的方式,會(huì)帶來制造合金成本增高或?qū)ΜF(xiàn)有裝備加熱、冷卻過程中溫度控制要求更高,造成產(chǎn)品成本高,競爭力不足,為了開發(fā)一種不添加或少添加微合金低成本屈服強(qiáng)度350 MPa級的高強(qiáng)鋼作為建筑鍍鋁鋅基板,本文通過模擬低成本350 MPa軋硬板鋼在不同溫度條件下的工藝過程,研究退火溫度對材料組織和性能影響。根據(jù)控制冷軋退火溫度中鐵素體再結(jié)晶行為,綜合調(diào)控冷軋鋼板的性能,得到高強(qiáng)高韌低成本的建筑鍍鋁鋅鋼板。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為上海梅山鋼鐵公司冷軋廠冷軋1422冷軋機(jī)組軋制的軋硬鋼,鋼板厚度為0.6 mm,熱軋?jiān)搴穸葹?.5 mm,冷軋變形壓縮比76%。冷軋軋硬鋼板切取長度為310 mm、寬度為260 mm試樣,長度方向是沿鋼板軋制方向,在寶鋼自主研制的退火模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行模擬退火試驗(yàn),每組試驗(yàn)按同樣工藝模擬兩塊鋼板,用來分析退火溫度對材料組織和性能的影響。退火后的鋼板按GB/T 228-2010《金屬材料 室溫拉伸方法》加工成拉伸試樣進(jìn)行材料力學(xué)性能測試,分析屈服強(qiáng)度變化規(guī)律,同時(shí)將沿軋制方向的試樣面制成金相試樣,經(jīng)4%的硝酸酒精溶液侵蝕后,用Zeiss Axiophot2金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。材料化學(xué)成分如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分 單位:%

試樣在退火模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行工藝試驗(yàn),根據(jù)熱浸鍍鋁鋅退火爐加熱曲線,確定試驗(yàn)?zāi)M方案如下:試樣以27.5 ℃/s的速度加熱到550 ℃,然后在35 s時(shí)間內(nèi)加熱到退火均熱溫度進(jìn)行模擬退火試驗(yàn),退火加熱溫度分別設(shè)定為570、590、610、640、670、700、730、750、780 ℃,最后以20 ℃/s冷卻速度冷卻至室溫,圖1為模擬方案。

圖1 退火模擬方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 退火加熱溫度對試驗(yàn)材料力學(xué)性能的影響

通過研究不同溫度條件下材料力學(xué)性能變化規(guī)律,分析不同溫度下材料再結(jié)晶行為,開展低成本350 MPa級軋硬板退火后的材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分析。如圖2,可以看出退火過程中的軋硬板經(jīng)歷了材料屈服和抗拉強(qiáng)度具有較高強(qiáng)度(與軋硬板強(qiáng)度相當(dāng)),然后材料發(fā)生軟化現(xiàn)象,此時(shí)材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度急劇下降,最后到材料力學(xué)性能趨于穩(wěn)定的階段,根據(jù)材料再結(jié)晶理論可以判斷材料退火過程中經(jīng)歷了回復(fù)、再結(jié)晶和長大三階段。進(jìn)一步詳細(xì)分析,在低成本350 MPa級成分體系條件下,當(dāng)退火加熱溫度為570～590 ℃時(shí),材料屈服在900 MPa以上,表明材料仍處于回復(fù)階段,此階段主要表現(xiàn)為空位的運(yùn)動(dòng)和位錯(cuò)的攀移;當(dāng)退火加熱溫度為610～640 ℃時(shí),屈服強(qiáng)度從回復(fù)階段的953 MPa下降到536 MPa,表明材料發(fā)生再結(jié)晶,并且隨著溫度的升高,材料軟化明顯,表明此過程中退火再結(jié)晶較充分;當(dāng)退火加熱溫度在640～780 ℃時(shí),屈服強(qiáng)度進(jìn)一步從536 MPa緩慢下降到486 MPa,表明材料力學(xué)性能趨于穩(wěn)定,材料退火充分。在工業(yè)條件下,根據(jù)材料使用的力學(xué)性能要求,結(jié)合材料組織特征,可以選擇在退火充分溫度區(qū)間640～780 ℃進(jìn)行退火溫度的設(shè)定。

圖2 不同溫度條件下試驗(yàn)材料力學(xué)性能

2.2 退火溫度對組織的影響

根據(jù)材料學(xué)經(jīng)典科學(xué)理論,金屬在冷塑變形之后,加熱過程中會(huì)發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶行為。再結(jié)晶過程前的回復(fù)過程主要為材料內(nèi)應(yīng)力消除,隨著退火加熱溫度的升高,再結(jié)晶過程表現(xiàn)為形核和長大,由無畸變的等軸新晶粒逐漸取代變形晶粒,冷變形金屬的儲(chǔ)存能將全部釋放[4]。

冷軋鋼板是熱軋鋼板經(jīng)冷塑變形,軋制過程中形成大量的空位和位錯(cuò)結(jié)構(gòu)缺陷,表現(xiàn)為材料強(qiáng)度顯著提高和塑性的明顯下降[5],冷軋鋼板的組織是熱軋鋼板組織遺傳性變形得到。如圖3(a)圖所示,低成本屈服強(qiáng)度350 MPa熱軋金相組織顯示為鐵素體、針狀鐵素體和塊狀的魏氏組織,常規(guī)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼(C含量0.021 %,Mn含量0.136 %)為等軸鐵素體+珠光體或滲碳體[6],高強(qiáng)鋼熱軋鋼板的熱軋組織與常規(guī)的低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼組織有較大差異。根據(jù)目前對魏氏組織的形成規(guī)律及機(jī)理的研究[7],塊狀的魏氏組織是基于碳含量較高的成分體系鋼種,在熱軋軋后冷卻過程中呈針狀富含碳的非平衡鐵素體和滲碳體的混合物。圖3(b)圖為熱軋酸洗后軋制變形后的組織,可見軋后組織呈纖維狀形態(tài),塊狀的魏氏組織在變形后仍有局部聚集。研究退火前熱軋板和軋硬板的組織,對分析不同加熱退火溫度后的組織演變過程更有意義。

熱軋板

酸軋板圖3 原始材料顯微組織

圖4顯示了不同退火加熱溫度下材料金相組織觀察結(jié)果。退火加熱溫度在570～590 ℃,觀察到材料金相組織沒有明顯變化,退火加熱溫度達(dá)到610 ℃時(shí),可見在變形的鐵素體組織上有少量新生晶粒,當(dāng)退火加熱溫度為640 ℃時(shí),可以看到大量的鐵素體新生晶粒形成,材料發(fā)生再結(jié)晶行為,圖2數(shù)據(jù)表明此溫度條件下材料力學(xué)性能明顯軟化,觀察到金相組織中原始的魏氏組織仍保持纖維狀,說明魏氏組織中固溶碳原子或滲碳體對再結(jié)晶過程起到阻礙作用;當(dāng)退火加熱溫度升至700 ℃,初生的鐵素體晶粒局部長大,并沿軋制變形方向分布,此時(shí)纖維狀魏氏組織中出現(xiàn)細(xì)小鐵素體晶粒和滲碳體,表明變形魏氏組織也發(fā)生再結(jié)晶行為;當(dāng)退火溫度在730 ℃時(shí),再結(jié)晶鐵素體晶粒趨于等軸狀,組織中的滲碳體在晶界處聚集,變形塊狀魏氏組織再結(jié)晶后形成較大的鐵素體晶粒;當(dāng)退火加熱溫度為750～780 ℃時(shí),再結(jié)晶鐵素體晶粒趨于均勻并進(jìn)一步長大,滲碳體也在鐵素體晶界處聚集長大。通過組織和性能觀察可以發(fā)現(xiàn),材料在退火加熱溫度640～780 ℃范圍內(nèi)組織變化較大,而材料力學(xué)性能卻趨于穩(wěn)定,說明隨著溫度的升高,最初新生鐵素體晶粒長大會(huì)帶來屈服強(qiáng)度的下降,但魏氏組織再結(jié)晶過程中形成的再結(jié)晶細(xì)小鐵素體和析出的滲碳體對基體又起到強(qiáng)化作用。

圖4 試驗(yàn)材料不同退火溫度的顯微組織

2.3 工業(yè)試制應(yīng)用分析

研究結(jié)果表明,在不添加鈮鈦等微合金元素的成分條件下,結(jié)合低成本350 MPa級鍍鋁鋅建筑用鋼的使用要求,通過調(diào)控冷軋退火過程中鐵素體和魏氏組織的再結(jié)晶和析出行為,達(dá)到綜合性能優(yōu)異的冷軋鋼板的性能,經(jīng)熱浸鍍后得到高強(qiáng)高韌鍍鋁鋅建筑鋼板。熱鍍鋁鋅鋼板時(shí)的退火溫度可選擇為700～750 ℃時(shí),生產(chǎn)實(shí)績的性能如表2。

表2 高強(qiáng)熱鍍鋁鋅鋼板實(shí)物性能統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

(1)不同退火加熱溫度條件下力學(xué)性能變化規(guī)律表明,隨著退火加熱溫度的升高材料發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和長大行為。退火加熱溫度從590 ℃升到640 ℃時(shí)材料軟化明顯,退火加熱溫度在640～780 ℃時(shí),材料力學(xué)性能趨于穩(wěn)定。

(2)不同退火加熱溫度條件下組織變化規(guī)律表明,變形鐵素體在退火加熱溫度610 ℃時(shí)開始發(fā)生再結(jié)晶,在退火加熱溫度640 ℃時(shí)出現(xiàn)大量的鐵素體新生晶粒;退火加熱溫度升至700 ℃時(shí)纖維狀魏氏組織中才發(fā)生再結(jié)晶和組織的變化,表明纖維狀魏氏組織中固溶碳或碳的析出物對再結(jié)晶過程起到一定的阻礙作用。

(3)退火加熱溫度在640～780 ℃時(shí),材料的力學(xué)性能結(jié)果和金相組織的演變過程表明,隨著溫度的升高,初生鐵素體晶粒會(huì)逐步長大降低基體強(qiáng)度,但變形魏氏組織在退火過程中析出的較多細(xì)小碳化物對基體又起到強(qiáng)化作用,兩者互相補(bǔ)充。

(4)實(shí)驗(yàn)研究和工業(yè)性試制表明,通過調(diào)控冷軋退火過程中鐵素體和魏氏組織的再結(jié)晶和析出行為,可實(shí)現(xiàn)低成本350 MPa鍍鋁鋅鋼板的試制。