卷取后冷却工艺对含磷钢表面质量和性能的影响

张亮亮 于 洋 王 林 李晓军 肖茂元 马 壮

(1.首钢集团有限公司 技术研究院京唐技术中心，北京 100043； 2.首钢集团有限公司 技术研究院薄板研究所，北京 100043；3.首钢绿色可循环钢铁流程北京市重点实验室，北京 100043； 4. 首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063200)

卷取是生产热轧板卷的最后一道工序，是将精轧的带钢卷成钢卷。由于卷取后通常都在空气中自然冷却即空冷，钢卷冷却至室温的时间过长，易产生多种质量问题。某钢厂在生产含磷高强钢卷时，钢卷酸洗后不仅表面质量不佳，还发生了冲压开裂情况。有研究[1]发现，含P钢中的P元素易在晶界和钢板表面偏聚，导致晶界脆化，影响含P钢的冲压性能，还可能对含P钢酸洗后的表面质量产生不良影响。由于含P热轧钢卷取后温度仍较高，一般为710～730 ℃，且空冷速率较低，合金元素易发生偏聚。

目前，热轧钢卷取后快速冷却得到了广泛应用[2]，就是将卷取后的钢卷浸入水槽即水冷，能使钢卷很快冷却到300 ℃以下，大大缩短了钢卷的冷却时间，不仅可以改善表面氧化铁皮的形态，还能降低合金元素的活度系数，减少合金元素的偏聚，使钢卷的性能发生变化。为获得更好的钢卷表面质量和更稳定的性能，本文研究了卷取后空冷和水冷对含P钢卷表面氧化铁皮和钢卷性能的影响，以期对含P钢卷的表面质量和冲压性能的改善提供新的思路和方法。

1 试验材料及方法

试验用含P钢的化学成分如表1所示。生产工艺为：钢坯在1 200～1 250 ℃始轧，890～920 ℃终轧；随后在710～730 ℃卷取，卷取后分别空冷和水冷，水冷的示意图如图1所示。

表1 含磷钢的化学成分(质量分数)

图1 热轧钢卷卷取后浸入冷却水槽的示意图

采用钼丝切割法切取金相和拉伸试样，金相试样采用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀；采用蔡司EVO18型扫描电子显微镜观察氧化铁皮形貌，采用Leica DM2500型光学显微镜观察显微组织，采用电子探针显微分析仪检测成分偏聚，按GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验第1部分：室温试验方法》在Instron拉伸试验机上进行室温拉伸试验。

2 试验结果和讨论

2.1 卷取后冷却工艺对氧化铁皮的影响

卷取后空冷的钢卷表面氧化铁皮平均厚度达15 μm，而水冷的钢卷氧化铁皮的厚度约为空冷的1/2，为7 μm，如图2所示。卷取后空冷的钢卷氧化铁皮较致密，有少量横向裂纹，由于冷速较小，钢卷的FeO共析反应充分，生成了大量菊花状共析产物，如图2(a)所示；水冷钢卷的氧化铁皮有较多的灰白色块状物，根据有关文献的研究结果[3]推测是FeO，氧化铁皮多孔疏松，有大量贯穿性微裂纹。这是由于FeO是氯化钠型离子晶体，有很多氧原子空位，具有最大空隙率，易形成孔洞和裂纹，如图2(b)所示。

图2 卷取后空冷(a)和水冷(b)的钢卷氧化铁皮的微观形貌

氧化铁皮的物相组成显著影响钢卷的酸洗质量。理论上，氧化铁皮一般由2～3种成分不同的氧化物组成，从内到外分别为FeO、Fe3O4、Fe2O3。采用X射线衍射分析了卷取后空冷和水冷的钢卷氧化铁皮的结构，如表2所示，空冷的钢卷氧化铁皮中Fe2O3质量分数较高，FeO很少，其质量分数仅为3%。这是由于含P钢的卷取温度约为720 ℃，空冷时高温停留的时间较长，FeO大量分解，生成大量先共析Fe3O4及共析Fe3O4+Fe，因此FeO很少；水冷的钢卷FeO的共析分解反应受到抑制，氧化铁皮中FeO得以保留，其质量分数增加至10%以上，这与图2所示的水冷钢卷有更多灰白色块状FeO相吻合。

表2 卷取后空冷和水冷的钢卷氧化铁皮的物相组成(质量分数)

总之，热轧钢卷卷取后水冷，既减薄了氧化铁皮的厚度，又增加了FeO含量，改变了氧化物相组成，从而可提高热轧钢卷的酸洗质量。

另外，如果钢中含有Mn、Si和P等合金元素，这些元素也会参与氧化铁皮的反应，在钢与氧化铁皮的界面富集后形成复杂的氧化物[4- 6]。对于含P钢，由于卷取后温度较高，空冷较为缓慢，P等合金元素的活度系数仍较大，为元素偏聚提供了热力学条件，因此检测了卷取后空冷和水冷的钢卷与氧化铁皮界面的合金元素含量。空冷钢卷基体与氧化铁皮界面的P质量分数达到了2.35%，如图3和表3所示；水冷钢卷基体与氧化铁皮界面的P质量分数明显降低，仅为0.33%，如图4和表4所示。卷取后水冷的钢卷基体与氧化铁皮界面P等元素的氧化物的减少能进一步改善热轧钢卷的酸洗质量。

表3 卷取后空冷的钢卷氧化铁皮与基体界面的能谱分析(质量分数)

表4 卷取后水冷的钢卷氧化铁皮与基体界面的能谱分析(质量分数)

图3 卷取后空冷的钢卷氧化铁皮与基体界面的微观形貌

图4 卷取后水冷的钢卷氧化铁皮与基体界面的微观形貌

2.2 卷取后冷却工艺对显微组织的影响

卷取后用两种工艺冷却的热轧钢卷的显微组织如图5所示。结果表明，两种工艺冷却的钢卷的平均晶粒尺寸均为10～20 μm。这说明钢卷卷取后晶粒长大的驱动力不足，但由于两种冷却工艺的冷速有差异，析出物仍可能有变化。进一步观察了卷取后不同工艺冷却的钢卷析出物的形貌，如图6所示。卷取后空冷和水冷的钢卷析出物均为FeTiP和TiC相，且TiC的数量和尺寸相差不大，TiC的尺寸均为10～30 nm。不同的是，卷取后空冷的钢卷FeTiP相的尺寸为100～200 nm，呈不规则蠕虫状，且数量较多；而水冷的钢卷FeTiP相的粗化受到抑制，尺寸为50～100 nm，更加圆润，呈椭圆形，数量减少了40%～50%。由于FeTiP相是脆性相[7- 8]，其析出会抑制钢中的有利织构，不利于深冲性能，因此卷取后应水冷以改善热轧板卷FeTiP相的形貌和尺寸，并减少其数量，改善钢卷的冲压变形性能。

图5 卷取后空冷(a)和水冷(b)的钢卷晶粒

图6 卷取后空冷(a)和水冷(b)的钢卷中析出物

2.3 卷取后冷却工艺对力学性能的影响

卷取后空冷和水冷的钢卷的力学性能如表5所示。用于检测力学性能的试样均取自实际生产的含P钢卷，水冷钢卷的屈服强度比空冷钢卷的高20 MPa左右，断后伸长率也提高了3%～5%，卷取后水冷可降低钢卷的冲压开裂率。

表5 卷取后空冷和水冷的钢卷力学性能

据文献[9- 11]报道，P等元素偏聚不仅影响钢的表面质量，也会恶化其力学性能。为了进一步探究P偏聚对钢塑性的影响，采用电子探针显微分析仪研究了卷取后空冷和水冷的钢卷P、Si等元素在晶界的偏聚。结合线扫描能谱分析结果，卷取后空冷的钢卷晶界P的相对质量分数为0.085%，Si的相对质量分数达0.120%，Si和P均发生了偏聚，如图7所示；卷取后水冷的钢卷无P元素在晶界偏聚，晶界Si元素的相对质量分数也较低为0.090%，如图8所示。这表明卷取后水冷可使钢卷富集于晶界的P和Si元素含量明显减少，对改善钢的冲压成形性能十分有利。

图7 卷取后空冷的钢卷扫描区域(a)的P(b)和Si(c)元素在晶界的偏聚

图8 卷取后水冷的钢卷扫描区域(a)的P(b)和Si(c)元素在晶界的偏聚

3 结论

(1)卷取后空冷的含P钢卷氧化铁皮的平均厚度达15 μm，较致密，有少量横向裂纹；卷取后水冷的含P钢卷的氧化铁皮厚度约为7 μm，有较多的灰白色块状物，多孔疏松，还有大量贯穿性微裂纹。

(2)卷取后空冷和水冷的含P钢卷氧化铁皮的物相均为FeO、Fe3O4、Fe2O3。空冷钢卷的氧化铁皮中Fe2O3质量分数较高，FeO质量分数仅为3%；水冷使FeO得以保留，质量分数提高到了10%以上，同时富集于氧化铁皮与基体界面的P元素减少，其质量分数从2.35%降低到了0.33%以下，有利于改善热轧钢卷的酸洗质量。

(3)卷取后水冷的含P钢卷FeTiP析出相从不规则蠕虫状转变为椭圆形，尺寸从100～200 nm减小至80～100 nm，且析出物数量减少了40%～50%。

(4)卷取后水冷的含P钢卷断后伸长率提高了3%～5%，且无P元素在晶界偏聚，有利于改善钢卷的冲压成形性能。