高强度热镀锌结构钢SGC570的退火工艺

李 鹏， 李人杰， 杨 雄， 黄 利

(1. 内蒙古包钢钢联股份有限公司技术中心， 内蒙古 包头 014010；2. 内蒙古包钢(集团)有限责任公司， 内蒙古 包头 014010)

随着国民经济的快速发展和产业结构的不断优化调整，人们的节能环保意识逐渐增强，高强度镀锌板由于其具有自重轻、强度高、造价低、施工快、污染少、防风抗震性能好等特点，作为高附加值钢铁产品，广泛应用于建筑、轻工、汽车、农牧等行业，产品具有耐腐蚀性强、表面质量好、利于深加工、经济适用等特点[1-2]。传统的高强度钢板可分为TF、BH、HSLA以及C-Mn高强钢板，本文所研究的C-Mn高强度镀锌结构钢板相对于其他高强度钢板具有易生产、成本低等优点，市场调研发现对热镀锌板需求量最大的建筑行业用户，需要通过高强度热镀锌结构板提高结构件的强度，减轻质量，降低成本[3]。SGC570钢产品是目前所有镀锌产品中强度级别最高的结构钢，是一种典型的低成本高效益产品，经过退火处理后不仅能够消除冷轧过程中产生的部分加工硬化，而且还可以改善冷轧钢带的显微组织和力学性能[4]。本文针对SGC570钢产品高强度的特点结合成本控制要求，设计合理的化学成分体系，配合最佳的镀锌退火工艺，运用材料的加工硬化效应，采用不完全再结晶退火的方式通过实验室模拟退火试验、工业化小批量试制对SGC570钢的退火工艺进行研究，生产出满足客户需求的高品质镀锌产品。

1 产品技术要求

SGC570钢作为高强度热镀锌结构用钢，主要用于各类支撑件、加强件、建筑钢结构等。JIS G3302《热镀锌钢板和钢带》对SGC570钢的化学成分及力学性能要求如表1和表2 所示。

表1 SGC570钢的化学成分技术要求(质量分数，%)

表2 SGC570钢的力学性能技术要求

2 工艺路线

针对SGC570钢的产品要求，不仅需要力学性能满足标准要求，而且还要根据当前的工艺装备技术水平保证低成本投入高效益产出，最终确定以C-Mn成分体系为设计基础，通过控制冷轧后冷硬钢带热镀锌过程中连续退火温度，从而保证强度的提高。

生产工艺路线为转炉冶炼→LF炉精炼→2250 mm热连轧机组→2030 mm酸洗冷轧机组→连续退火热镀锌机组→成品。主要工艺参数见表3。

表3 SGC570钢的主要生产工艺参数

热连轧温度制度执行“两低一高”工艺制度，由于低温加热可减少AlN等二相粒子固溶，加热温度控制在1180 ℃左右；低温终轧可通过控制回复与再结晶程度进而提高材料的强度，终轧温度控制在870 ℃左右；高温卷取通过充分析出Fe3C和AlN进而提高材料性能，卷取温度设定高于640 ℃；冷轧压下工艺采取大变形量，冷轧压下率不低于70%，因为高的冷轧压下率增加了钢中的储存能，有利于钢更快地完成再结晶，获得均匀的再结晶织构，提高材料的性能[5]。

3 模拟退火试验

通常情况下，为使热镀锌钢带具有良好的性能，就热镀锌工艺而言，主要通过建立适宜的退火温度和严格工艺管理制度加以实现[6]。为了确定SGC570钢的最佳连续退火工艺，在工业化小批量试制前进行了模拟退火试验，并且在退火完成后进行了拉伸性能检测、硬度检验以及显微组织分析。

3.1 试验方案

SGC570钢的热模拟连续退火工艺示意图如图1所示，其中OA段为加热阶段，AB段为保温阶段，BC段为缓冷段，CD段为快冷段，DE段为锌锅内镀锌段，EF段为出锌锅后温度变化。在实验室用AS-300Ⅲ模拟退火试验机对热镀锌生产线实际连续退火过程进行模拟试验。根据热镀锌结构钢产品的实际生产经验，设定热模拟连续退火温度依次为520、530、540、550、560、580、600、620、640、660 ℃，结合热镀锌机组实际退火能力，炉区速度控制在90 m/min，当温度达到所设定温度后保温120 s，缓冷却至490 ℃，随即快冷至465 ℃，并模拟实际连续退火生产线460 ℃在锌锅内保温90 s，试验结束后对不同温度退火后的试样进行力学性能检测以及显微组织分析。按照日标JIS G3302，制作拉伸试验标准试样，试样长度方向与轧制方向平行。

图1 热模拟连续退火工艺示意图

3.2 试验结果及分析

3.2.1 拉伸性能

不同温度退火后试样的拉伸性能如表4所示。

表4 不同温度热模拟连续退火试样的拉伸性能

3.2.2 硬度

试样经不同温度热模拟连续退火后分别检测其硬度值，并绘制出硬度与退火温度的关系曲线，如图2所示。

图2 试样硬度与热模拟连续退火温度的关系曲线

模拟退火完成后进行标准金相试样制备→镶嵌→研磨→抛光→侵蚀(体积分数4%的硝酸酒精溶液)，并在光学显微镜下观察试样在各退火温度下的显微组织，如图3 所示。退火温度的稳定控制是保证产品获得良好性能及质量的关键[7]。退火温度在520 ℃时，铁素体晶粒变形严重，钢带的显微组织为拉长的纤维状，无再结晶迹象，显微组织如图3(a)所示，此时钢带屈服强度无数值、抗拉强度偏高、伸长率较低，不满足要求；550 ℃退火后，试样中纤维状组织原来平直的晶界发生了扭转弯曲，说明已经发生回复，并开始出现个别再结晶小晶粒，但晶粒并未长大，如图3(b)所示，钢带力学性能各数值余量均适中，满足标准要求；随着退火温度的进一步升高，560 ℃时变形的纤维状组织几乎消失，再结晶体积分数提高，晶粒进一步长大；580 ℃ 时纤维状组织完全消失，出现了等轴状铁素体晶粒，晶界清晰，说明再结晶过程完成，如图3(d)所示；但560～580 ℃退火后钢带的力学性能显著降低，已不能满足标准要求。

图3 不同热模拟连续退火温度下试样的显微组织

通过表4中拉伸性能数据可知，随着退火温度升高，试样的强度降低，伸长率升高，当退火温度设定为530～550 ℃时，试样的屈服强度、抗拉强度和伸长率均满足标准要求；当退火温度高于550 ℃时，试样的屈服强度逐渐降低且不能满足标准要求。将试样原始硬度和完全软化后的硬度差定义为100%，定义材料再结晶的结晶温度为硬度降低为50%时的温度[8]。根据模拟退火试验的结果可知，SGC570钢带试样的再结晶温度为550 ℃，为了达到标准要求的高强度，需以不完全再结晶退火方式保留基板部分加工硬化组织的方法，即略低于再结晶温度进行退火，从而提高屈服强度，因此可避免使用其它昂贵的金属元素，降低生产成本，有利于市场推广应用[9]。综上所述，SGC570钢带的退火温度设定在530～540 ℃为宜。

4 工业试生产镀锌退火工艺的优化

镀锌退火工艺决定了产品最终的性能[7]。为实现低合金成分下屈服强度达到560 MPa，退火工艺设计需以不完全再结晶或未再结晶退火的工艺来完成[10]。钢带在再结晶温度以下退火的目的主要是为了保留较高密度位错，通过位错强化的方式使钢带的屈服强度达到560 MPa，同时使钢带发生高温回复，去除高能态非平衡内应力，使钢带具备一定的形变能力。结合实验室模拟退火试验结果，设计SGC570钢带的工业化小批量试制连续退火方案，并开展工业化试制，连续退火关键工艺参数见表5。

表5 SGC570钢带的工业化试制连续退火关键工艺参数

针对以上3种方案的成品进行相应的力学性能检测分析，如表6所示。同时分析每种方案成品的显微组织，如图4所示。

图4 不同加热温度下工业试生产SGC570钢带的显微组织

表6 工业试生产SGC570钢带的力学性能

根据工业试制结果可知：①方案1生产的钢带为轧硬态纤维状铁素体组织，符合SGC570钢的组织要求，但力学性能检测结果说明无屈服强度、抗拉强度偏高、伸长率偏低，不满足标准要求，故加热均热温度设定为510 ℃的工艺方案1不可行。②方案2生产的钢带产品退火后显微组织仍为纤维状铁素体组织，此时出现较为明显的晶界，处于回复阶段，力学性能综合检测结果表明各项指标余量适中，满足设计要求。③随着加热温度进一步升高，按照方案3退火后的钢带显微组织已开始发生再结晶，晶界清晰可见，晶粒明显长大。通过力学性能检测可知屈服强度显著降低，已经不能满足标准要求，这是由于再结晶导致了材料力学性能的退化[11]。SGC570钢产品的高强度性能是通过保留大部分原始纤维组织来实现，退火温度控制产品获得不完全再结晶组织的程度，因此退火温度的控制精度尤为重要[7]。

产品性能的优劣决定了产品进一步的加工使用效果，通过走访用户了解到，客户对该产品的使用要求除了具备高强度外还需要伸长率至少达到8%。通过对多次现场实际生产试制的工艺参数和产品性能之间的关系进行总结分析，得出SGC570钢带产品连续退火最佳加热均热温度为530 ℃。综上所述，按照方案2生产的钢带产品既符合标准要求又满足客户需求。

5 应用情况

目前，高强度热镀锌结构钢SGC570产品已进入批量生产阶段，实际生产厚度规格为0.8～2.3 mm，宽度规格为1000～1600 mm，依照本文提供的退火工艺生产的SGC570钢带产品各项性能指标及表面质量均符合相关技术要求。目前已通过某建筑企业试用和出口国外用于蔬菜大棚支架，经用户试用后反馈良好，满足使用需求。

6 结论

1) 根据模拟连续退火试验得到SGC570钢带试样的再结晶温度为550 ℃，最佳退火温度为530～540 ℃。

2) 通过工业化试制总结出SGC570钢的加热均热温度为530 ℃时最终产品的各项性能指标最好，同时满足JIS G3302标准要求和客户使用需求。