热轧卷取后的冷却工艺对低碳铝镇静钢热镀锌板耐时效性能的影响

2021-05-21魏宝民何召龙王孝建2骆俊廷白振华

燕山大学学报 2021年3期

魏宝民，何召龙，王孝建2,, 骆俊廷，白振华，*

(1.先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室(燕山大学)，河北秦皇岛 066004；2.宝钢股份中央研究院梅钢技术中心，江苏南京 210039；3.燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北秦皇岛 066004)

0 引言

为了改善冷轧低碳铝镇静钢产品在使用过程中的时效问题,常规的技术手段是在退火过程中利用过时效处理使其内部间隙原子C、N以化合物的形式析出,然而对于低碳铝镇静钢热镀锌而言,连续热镀锌生产线有锌锅,造成退火过程中无过时效处理段,使得低碳铝镇静钢基体中有相当数量的固溶碳、氮在热镀锌板成品中保留下来[1-3]。经过一段时间放置,钢中的固溶碳、氮原子向位错周围聚集,发生时效现象[4],影响了产品的成形性能,这是低碳铝镇静钢热镀锌板比较突出的问题之一。

由于连续热镀锌机组本身对改善耐时效性能存在局限性，越来越多的研究人员将重点放在热轧工序，研究表明退火板中固溶碳、氮原子数量除了与退火工序本身工艺有关，还与热轧工序碳、氮化物的溶解和析出有关，碳、氮固溶量具有遗传效应[5-7]。班必俊等人研究[8-9]热轧低温加热，降低AlN的溶解量，从而降低退火板中固溶氮的含量。Sam Kyu CHANG等人研究[1,10-11]提高热轧卷取温度可使热轧板析出的碳化物聚集粗大，在退火过程中不易溶解，从而提高退火板的耐时效性能。对于热轧工序而言，钢卷卷取后从较高的温度冷却至室温，这个冷却过程是热轧热处理过程的延续，卷取后的冷却工艺对低碳铝镇静热镀锌板的耐时效性能影响，鲜有人研究。本文针对热轧卷取后不同的冷却工艺对低碳铝镇静钢镀锌板的耐时效性能开展研究。目前越来越多的钢铁企业具备了库区中不同冷却方式的条件，此项研究具有一定的现实意义。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验钢由生产线生产，通过转炉熔炼，LF精炼炉精炼钢水，得到符合要求化学成分钢水，对钢水进行连铸得到连铸板坯，连铸板坯的厚度为210 mm。选取同一炉冶炼的1#、2#和3#三块低碳铝镇静钢板坯进行试验，化学成分(质量分数)见表1。

表1 试验钢化学成分Tab.1 Chemical composition of test steel%

1.2 试验方法

试验钢板坯在加热炉再加热，出炉后经连续热连轧轧机上轧制成厚度为3.0 mm的热轧板，卷取后的钢卷经过3种冷却方式冷却，3种冷却方式分别为：1#放入缓冷库区中(记为缓慢冷却)、2#放入厂房内的库区中(记为自然冷却)和3#放入厂房内的库区中，用轴力风机吹扫(记为加强冷却)。冷却至50℃后取样用扫描电镜观察碳化物形貌，用EBSD分析碳化物的析出物数量。将上述热轧钢卷重新开卷，经酸洗、冷轧、卧式连续退火炉退火、热镀锌、平整，卷取得到厚度为0.6 mm成品热镀锌钢板，试验工艺曲线见图1。

图1 试验工艺曲线Fig.1 Test process curve

在镀锌试验钢卷板宽1/4处上分别取样，进行时效指数测试和内耗测试。其中时效指数测试是将试样进行两次拉伸，第一次预拉伸(8%)后进行烘烤处理(100 ℃×60 min)，时效后屈服点对应的力值减去时效前预拉伸变形量对应的力值，得到的差值除以时效前原始横截面积，时效指数用AI表示，AI越大，时效倾向越明显。拉伸测试的试样方向采用垂直于轧向，试样平行段尺寸为20 mm×80 mm。内耗采用MFP-1000倒扭摆式内耗仪测量，采用升温测量内耗值,升温速度约为1 ℃/min，真空度为4×10-3Pa，试样尺寸为0.5 mm×0.8 mm×50 mm。

2 试验结果

2.1 不同冷却工艺的冷却效果

钢卷水平放置在鞍座上，在冷却过程中利用接触式测温仪每隔一定的时间测量钢卷的温度，钢卷冷却过程的钢卷温度场为三维温度场，内圈和外圈位置的冷却速度较快，钢卷端部且层厚中心的位置接近整个钢卷的温度[12]，故本试验温度测量点选择在该位置，图2为钢卷温位置示意图，图3为3种冷却方式的温度曲线，从卷取温度680 ℃到满足出库温度50 ℃之间的冷却速率分别为1#：4.5 ℃/h、2#：10.5 ℃/h、3#：21 ℃/h。

图2 钢卷测温位置示意图Fig.2 Schematic diagram of temperature measurement position of steel coil

2.2 冷却速度对热轧卷碳化物析出的影响

由图4热轧卷析出的碳化物可以看出，碳化物大部分在沿晶界析出，很少量在晶内析出，将碳化物放大后观察(图5)，可知析出为3次渗碳体。缓慢冷却样品析出的渗碳体尺寸最大，数量最多，自然冷却样品居中，加强冷却样品几乎未见块状渗碳体。通过比例尺测量评估3种冷却方式的渗碳体尺寸，分别约为12 μm、6 μm和2 μm。图6是用EBSD方法进一步识别析出相以及统计析出相比例[13]，可进一步判断析出物为渗碳体，三种冷却方式的析出相比例分别为0.337%、0.101%和0.053 2%。图7是渗碳体析出物的尺寸以及数量与冷却速度的关系，可见随着冷却速度的降低，渗碳体析出的尺寸增大，数量增多。

图3 不同冷却工艺的温度曲线Fig.3 Temperature curves of different cooling processes

2.3 镀锌板时效指数

试验镀锌板的时效指数测量结果和热轧卷冷却速度的对应关系如图8所示，从图8可以看出，随着冷却速度的降低，试验镀锌板的时效指数越低，冷却速度从21 ℃/h降低到4.5 ℃/h，时效指数从74 MPa降低至52 MPa，降低了约30%。可见冷却速度从21 ℃/h至4.5 ℃/h区间，冷却速度越低，镀锌板的耐时效性能越好。

图6 不同冷却工艺热轧卷渗碳体析出数量Fig.6 Precipitation amount of hot rolled coil in different cooling processes

图7 冷却速度对热轧卷渗碳体析出的影响Fig.7 Effect of cooling rate on precipitation of cementite in hot rolled coils

图8 冷却速度对镀锌板时效指数的影响Fig.8 Effect of cooling rate on aging index of galvanized sheet

2.4 镀锌板内耗值测量

图9 不同冷却速度的内耗曲线Fig.9 Internal friction curves of different cooling rates

图10 内耗峰和冷却速度的关系Fig.10 Relationship between internal consumption peak and cooling rate

3 分析与讨论

热轧卷在较高的温度卷取时，晶粒的尺寸大，晶界密度低，在晶界上渗碳体的析出位置减少，为渗碳体的聚集创造了基础条件。卷取后随着冷却速度的降低，钢卷在高温阶段停留的时间延长，渗碳体的析出时间增加，同时析出的动力增强，析出的渗碳体移动的速度加快，容易使其聚集长大并且析出的数量增加。

金属材料的时效现象是由于固溶C、N间隙原子向位错偏聚形成Cottrel气团而造成的，固溶原子的数量决定了材料的耐时效性能, 内耗测量的Snoek峰的高低与间隙原子的固溶量满足线性关系[13-14]。从图8中可以看出，冷却速度与内耗峰基本呈线性关系，冷却速度越低，镀锌板内耗峰越低。因此，热轧卷取后的冷却速度与镀锌板间隙固溶原子数量近似满足线性关系，冷却速度越低，镀锌板间隙固溶原子数量越少，这主要是由于降低冷却速度使热轧卷组织中析出的渗碳体粗大并且数量多，在后续退火过程中溶解量较少，使最终的镀锌板中固溶碳含量少。

图11是热轧卷的渗碳体的尺寸对镀锌板时效指数的影响关系，可以看出时效指数随着热轧卷渗碳体的尺寸增大而减小，较大的渗碳体使得退火后的固溶碳含量降低。M. J. Whelan和Telmo Oliveira de Souza等人研究[10,16-17]得出退火过程中近似球状的渗碳体在铁素体中完全溶解所需要时间，渗碳体完全溶解的时间与渗碳体半径的平方成正比关系，即

(1)

其中，r0为渗碳体原始半径，ɑ是基体和沉淀物中碳含量的比率,可以通过碳在铁素体中的溶解度方程和渗碳体的组成(6.67%C)来估算，D是碳在铁素体中的扩散系数，计算式为[17]

(2)

其中，R为气体常数，取8.314 J/mol·K，T为温度[19]。

图11 热轧卷渗碳体尺寸与镀锌板时效指数的关系Fig.11 Relationship between cementite size of hot rolled coil and aging index of galvanized sheet

由此绘制在730 ℃退火状态下，不同渗碳体尺寸对应的完全溶解时间(图12)。可以看出随着渗碳体的尺寸增加，完全溶解的时间显著加，虽然这个公式是近似的，但也能够得出渗碳体的溶解速度受其尺寸的影响较大。本试验中的退火时间为30 s，加强冷却和自然冷却中的渗碳体达到了完全溶解的时间，而对于缓慢冷却方式，退火时间远未达到渗碳体完全溶解的时间。所以热轧卷析出的渗碳体尺寸大，在冷轧后再结晶退火，快速加热和较短的退火时间使得粗大渗碳体比细小的渗碳体更加难以溶解。因此，降低热轧卷取后的冷却速度能够改善低碳铝镇静钢镀锌钢板的耐时效性能，最佳的冷却速度需要更深入的研究，同时也要考虑由于冷却速度慢带来的生产节奏慢，影响成本、合同交付等问题。