張亮亮 于 洋 王 林 李曉軍 肖茂元 馬 壯

(1.首鋼集團(tuán)有限公司 技術(shù)研究院京唐技術(shù)中心，北京 100043； 2.首鋼集團(tuán)有限公司 技術(shù)研究院薄板研究所，北京 100043；3.首鋼綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100043； 4. 首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200)

卷取是生產(chǎn)熱軋板卷的最后一道工序，是將精軋的帶鋼卷成鋼卷。由于卷取后通常都在空氣中自然冷卻即空冷，鋼卷冷卻至室溫的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，易產(chǎn)生多種質(zhì)量問(wèn)題。某鋼廠在生產(chǎn)含磷高強(qiáng)鋼卷時(shí)，鋼卷酸洗后不僅表面質(zhì)量不佳，還發(fā)生了沖壓開(kāi)裂情況。有研究[1]發(fā)現(xiàn)，含P鋼中的P元素易在晶界和鋼板表面偏聚，導(dǎo)致晶界脆化，影響含P鋼的沖壓性能，還可能對(duì)含P鋼酸洗后的表面質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。由于含P熱軋鋼卷取后溫度仍較高，一般為710～730 ℃，且空冷速率較低，合金元素易發(fā)生偏聚。

目前，熱軋鋼卷取后快速冷卻得到了廣泛應(yīng)用[2]，就是將卷取后的鋼卷浸入水槽即水冷，能使鋼卷很快冷卻到300 ℃以下，大大縮短了鋼卷的冷卻時(shí)間，不僅可以改善表面氧化鐵皮的形態(tài)，還能降低合金元素的活度系數(shù)，減少合金元素的偏聚，使鋼卷的性能發(fā)生變化。為獲得更好的鋼卷表面質(zhì)量和更穩(wěn)定的性能，本文研究了卷取后空冷和水冷對(duì)含P鋼卷表面氧化鐵皮和鋼卷性能的影響，以期對(duì)含P鋼卷的表面質(zhì)量和沖壓性能的改善提供新的思路和方法。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用含P鋼的化學(xué)成分如表1所示。生產(chǎn)工藝為：鋼坯在1 200～1 250 ℃始軋，890～920 ℃終軋；隨后在710～730 ℃卷取，卷取后分別空冷和水冷，水冷的示意圖如圖1所示。

表1 含磷鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖1 熱軋鋼卷卷取后浸入冷卻水槽的示意圖

采用鉬絲切割法切取金相和拉伸試樣，金相試樣采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕；采用蔡司EVO18型掃描電子顯微鏡觀察氧化鐵皮形貌，采用Leica DM2500型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，采用電子探針顯微分析儀檢測(cè)成分偏聚，按GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》在Instron拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 卷取后冷卻工藝對(duì)氧化鐵皮的影響

卷取后空冷的鋼卷表面氧化鐵皮平均厚度達(dá)15 μm，而水冷的鋼卷氧化鐵皮的厚度約為空冷的1/2，為7 μm，如圖2所示。卷取后空冷的鋼卷氧化鐵皮較致密，有少量橫向裂紋，由于冷速較小，鋼卷的FeO共析反應(yīng)充分，生成了大量菊花狀共析產(chǎn)物，如圖2(a)所示；水冷鋼卷的氧化鐵皮有較多的灰白色塊狀物，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果[3]推測(cè)是FeO，氧化鐵皮多孔疏松，有大量貫穿性微裂紋。這是由于FeO是氯化鈉型離子晶體，有很多氧原子空位，具有最大空隙率，易形成孔洞和裂紋，如圖2(b)所示。

圖2 卷取后空冷(a)和水冷(b)的鋼卷氧化鐵皮的微觀形貌

氧化鐵皮的物相組成顯著影響鋼卷的酸洗質(zhì)量。理論上，氧化鐵皮一般由2～3種成分不同的氧化物組成，從內(nèi)到外分別為FeO、Fe3O4、Fe2O3。采用X射線衍射分析了卷取后空冷和水冷的鋼卷氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)，如表2所示，空冷的鋼卷氧化鐵皮中Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，F(xiàn)eO很少，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為3%。這是由于含P鋼的卷取溫度約為720 ℃，空冷時(shí)高溫停留的時(shí)間較長(zhǎng)，F(xiàn)eO大量分解，生成大量先共析Fe3O4及共析Fe3O4+Fe，因此FeO很少；水冷的鋼卷FeO的共析分解反應(yīng)受到抑制，氧化鐵皮中FeO得以保留，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至10%以上，這與圖2所示的水冷鋼卷有更多灰白色塊狀FeO相吻合。

表2 卷取后空冷和水冷的鋼卷氧化鐵皮的物相組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

總之，熱軋鋼卷卷取后水冷，既減薄了氧化鐵皮的厚度，又增加了FeO含量，改變了氧化物相組成，從而可提高熱軋鋼卷的酸洗質(zhì)量。

另外，如果鋼中含有Mn、Si和P等合金元素，這些元素也會(huì)參與氧化鐵皮的反應(yīng)，在鋼與氧化鐵皮的界面富集后形成復(fù)雜的氧化物[4- 6]。對(duì)于含P鋼，由于卷取后溫度較高，空冷較為緩慢，P等合金元素的活度系數(shù)仍較大，為元素偏聚提供了熱力學(xué)條件，因此檢測(cè)了卷取后空冷和水冷的鋼卷與氧化鐵皮界面的合金元素含量?？绽滗摼砘w與氧化鐵皮界面的P質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了2.35%，如圖3和表3所示；水冷鋼卷基體與氧化鐵皮界面的P質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低，僅為0.33%，如圖4和表4所示。卷取后水冷的鋼卷基體與氧化鐵皮界面P等元素的氧化物的減少能進(jìn)一步改善熱軋鋼卷的酸洗質(zhì)量。

表3 卷取后空冷的鋼卷氧化鐵皮與基體界面的能譜分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表4 卷取后水冷的鋼卷氧化鐵皮與基體界面的能譜分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖3 卷取后空冷的鋼卷氧化鐵皮與基體界面的微觀形貌

圖4 卷取后水冷的鋼卷氧化鐵皮與基體界面的微觀形貌

2.2 卷取后冷卻工藝對(duì)顯微組織的影響

卷取后用兩種工藝?yán)鋮s的熱軋鋼卷的顯微組織如圖5所示。結(jié)果表明，兩種工藝?yán)鋮s的鋼卷的平均晶粒尺寸均為10～20 μm。這說(shuō)明鋼卷卷取后晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力不足，但由于兩種冷卻工藝的冷速有差異，析出物仍可能有變化。進(jìn)一步觀察了卷取后不同工藝?yán)鋮s的鋼卷析出物的形貌，如圖6所示。卷取后空冷和水冷的鋼卷析出物均為FeTiP和TiC相，且TiC的數(shù)量和尺寸相差不大，TiC的尺寸均為10～30 nm。不同的是，卷取后空冷的鋼卷FeTiP相的尺寸為100～200 nm，呈不規(guī)則蠕蟲(chóng)狀，且數(shù)量較多；而水冷的鋼卷FeTiP相的粗化受到抑制，尺寸為50～100 nm，更加圓潤(rùn)，呈橢圓形，數(shù)量減少了40%～50%。由于FeTiP相是脆性相[7- 8]，其析出會(huì)抑制鋼中的有利織構(gòu)，不利于深沖性能，因此卷取后應(yīng)水冷以改善熱軋板卷FeTiP相的形貌和尺寸，并減少其數(shù)量，改善鋼卷的沖壓變形性能。

圖5 卷取后空冷(a)和水冷(b)的鋼卷晶粒

圖6 卷取后空冷(a)和水冷(b)的鋼卷中析出物

2.3 卷取后冷卻工藝對(duì)力學(xué)性能的影響

卷取后空冷和水冷的鋼卷的力學(xué)性能如表5所示。用于檢測(cè)力學(xué)性能的試樣均取自實(shí)際生產(chǎn)的含P鋼卷，水冷鋼卷的屈服強(qiáng)度比空冷鋼卷的高20 MPa左右，斷后伸長(zhǎng)率也提高了3%～5%，卷取后水冷可降低鋼卷的沖壓開(kāi)裂率。

表5 卷取后空冷和水冷的鋼卷力學(xué)性能

據(jù)文獻(xiàn)[9- 11]報(bào)道，P等元素偏聚不僅影響鋼的表面質(zhì)量，也會(huì)惡化其力學(xué)性能。為了進(jìn)一步探究P偏聚對(duì)鋼塑性的影響，采用電子探針顯微分析儀研究了卷取后空冷和水冷的鋼卷P、Si等元素在晶界的偏聚。結(jié)合線掃描能譜分析結(jié)果，卷取后空冷的鋼卷晶界P的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.085%，Si的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)0.120%，Si和P均發(fā)生了偏聚，如圖7所示；卷取后水冷的鋼卷無(wú)P元素在晶界偏聚，晶界Si元素的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較低為0.090%，如圖8所示。這表明卷取后水冷可使鋼卷富集于晶界的P和Si元素含量明顯減少，對(duì)改善鋼的沖壓成形性能十分有利。

圖7 卷取后空冷的鋼卷掃描區(qū)域(a)的P(b)和Si(c)元素在晶界的偏聚

圖8 卷取后水冷的鋼卷掃描區(qū)域(a)的P(b)和Si(c)元素在晶界的偏聚

3 結(jié)論

(1)卷取后空冷的含P鋼卷氧化鐵皮的平均厚度達(dá)15 μm，較致密，有少量橫向裂紋；卷取后水冷的含P鋼卷的氧化鐵皮厚度約為7 μm，有較多的灰白色塊狀物，多孔疏松，還有大量貫穿性微裂紋。

(2)卷取后空冷和水冷的含P鋼卷氧化鐵皮的物相均為FeO、Fe3O4、Fe2O3?？绽滗摼淼难趸F皮中Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，F(xiàn)eO質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為3%；水冷使FeO得以保留，質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到了10%以上，同時(shí)富集于氧化鐵皮與基體界面的P元素減少，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2.35%降低到了0.33%以下，有利于改善熱軋鋼卷的酸洗質(zhì)量。

(3)卷取后水冷的含P鋼卷FeTiP析出相從不規(guī)則蠕蟲(chóng)狀轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓形，尺寸從100～200 nm減小至80～100 nm，且析出物數(shù)量減少了40%～50%。

(4)卷取后水冷的含P鋼卷斷后伸長(zhǎng)率提高了3%～5%，且無(wú)P元素在晶界偏聚，有利于改善鋼卷的沖壓成形性能。