成型用全硬态冷轧低碳钢SPCC产品的开发

2022-12-29武国栋杨子瑞

天津冶金 2022年6期

王专，武国栋，杨子瑞

（山东钢铁集团日照有限公司，山东日照 276805）

0 引言

全硬态冷轧钢卷是由热轧卷经过酸洗去除表面氧化铁皮后再进入冷轧机轧制而得，简称冷硬卷。由于连续冷变形导致钢带内部晶粒沿轧制方向被拉长为纤维状，晶界模糊不清，所以全硬态冷轧钢带有着很高的强度和硬度，但钢带的塑性和韧性却很差，即加工成型性能很差。冷硬卷在性能方面虽不如热轧卷和冷轧卷，但冷硬卷的表面质量、尺寸精度优于热轧卷，产品硬度和成本又优于冷轧卷，由于其独特的特点，所以冷硬产品的用途拓展空间巨大[1]。目前市场上常见的全硬态冷轧低碳钢SPCC、SPCD 产品，机械性能差，一般是定位于用作退火和镀锌深加工的中间品，不能直接用于成型加工。而全硬态冷轧超低碳钢SPCE、SPCF 等产品，虽然能满足较为复杂的成型工艺，但原料成本较高，钢带板形控制难度也较大。虽然低碳钢冷硬产品的机械性能不受保证，但随着成本竞争的加剧，在市场上其用途被不断拓展。在山东钢铁集团日照有限公司（以下简称日照公司）低碳钢冷硬SPCC产品市场推广过程中，出现过多起用户反馈钢带加工后裂纹或开裂的质量异议。所以开发出能用于较为复杂成型工艺的且具有较低成本的全硬态冷轧低碳钢产品，是在市场降本增效以及满足用户个性化需求形势下的必然要求。

为此，日照公司对所生产的常规全硬态冷轧低碳钢SPCC 产品进行了硬度性能检验和弯曲成型试验。本文通过对检验和试验数据的分析，提出了SPCC 产品产生工艺的优化方案，并对优化方案实施后所生产的SPCC 产品实际性能情况进行了总结。

1 常规全硬态冷轧低碳钢SPCC性能情况

实验室下对日照公司常规全硬态冷轧低碳钢SPCC 钢带进行了硬度性能检测和弯曲成型试验，试验样板厚度集中在目前市场上的常用规格0.40mm～1.20mm。全硬态冷轧低碳钢SPCC 钢带硬度情况如表1所示。由表1可以看出，这些SPCC钢带的硬度结果分布在92.1HRB～99.0HRB 之间，硬度波动范围大，而且随着产品厚度的增加、冷轧压下量的增大，产品硬度呈现上升的趋势。

表1 全硬态冷轧低碳钢SPCC钢带硬度情况

通过进一步弯曲试验显示，在样板硬度值超过95HRB 的情况下，常规全硬态冷轧低碳钢SPCC 钢带V 弯试验结果如图1所示。由图1可以看出，弯曲试验结果不理想。当V 弯角度在90°时，如图1（a）所示，试样弯曲处便会出现轻微裂纹；当V 弯角度增加到45°时，如图1（b）所示，试样弯曲处轻微裂纹会发展为严重裂纹，甚至是直接发生断裂。这些产品如果客户应用于90°以上的弯曲成型加工，便会存在巨大的加工开裂风险，造成质量异议事故。所以，一般常规的全硬态冷轧低碳钢SPCC 产品是无法直接应用于稍微复杂的成型工艺的，如需应用必须对产品生产工艺进行针对性优化。

图1 全硬态冷轧低碳钢SPCC钢带V弯试验结果

2 成型用全硬态冷轧低碳钢SPCC生产工艺优化

2.1 化学成分优化

全硬态冷轧低碳钢SPCC 中主要强化元素为C、Mn 和极少量Si 元素，C 元素的微量变化对SPCC钢的力学性能影响极为显著，C 元素在钢中可形成间隙式固溶体，亦可形成金属化合物即渗碳体，随着C 元素含量的升高，SPCC 钢的强度和硬度逐渐升高[2]。试验结果也显示，强化元素的含量变化对钢带的硬度性能和成型性有着显著影响，在其他工艺相同的情况下，随着SPCC 钢带中C 和Mn 元素含量的增高，钢带硬度值会呈现明显上升趋势，即全硬态冷轧低碳钢SPCC 钢带成品硬度值与其中固溶强化元素C 和Mn 的含量成正比关系。图2为全硬态冷轧低碳钢SPCC 硬度与C 元素含量主效应图。

图2 全硬态冷轧低碳钢SPCC硬度与C元素含量主效应图

在常规全硬态冷轧低碳钢SPCC产品的基础上，通过适当降低钢带中C、Mn元素重量占比的成分设计，可以改善全硬态冷轧低碳钢SPCC 成品的硬度，同时保证产品仍具备较高的强度。全硬态冷轧低碳钢SPCC产品化学成分设计对比如表2所示。

表2 全硬态冷轧低碳钢SPCC产品化学成分设计对比

2.2 热轧卷取温度优化

低碳带钢冷轧后的组织与热轧基板的组织密切相关，获得优良的热轧组织是获得优良冷轧产品性能的前提条件。国内唐钢等钢企也开展过相关实验研究，发现影响冷硬板性能的主要因素就是原料的性能和冷轧总压下率[3]。全硬态冷轧低碳钢SPCC 热轧基板内部为铁素体组织，根据最终产品的性能需要，可以通过控轧、控冷技术对SPCC 热轧基板的铁素体晶粒大小进行控制。

在热轧生产工艺中，随着卷取温度的升高，带钢的强度和晶粒度等级下降，且铁素体中MnS析出总体尺寸和分布范围变化不大[4]。因此利用提高热轧卷取温度，降低热轧卷冷却速率，可以使SPCC 热轧板在精轧冷却后形成体积较大的铁素体晶粒，降低热轧基板强度，从而改善钢带冷轧后硬度。全硬态冷轧低碳钢SPCC 产品热轧卷取温度设计对比如表3所示，不同卷取温度下SPCC 热轧基板的金相组织对比如图3所示。

表3 全硬态冷轧低碳钢SPCC产品热轧卷取温度设计对比

图3 不同卷取温度下SPCC热轧基板的金相组织对比（500×）

2.3 冷轧压下率优化

全硬态冷轧产品不经过退火处理而直接加工使用，内部组织仍是遗传了热轧基板的状态，条件相同的原料，冷轧压下率越大，冷硬板的Rm、Rp0.2、HRB 都会明显增大[4]。随着冷轧压下率的增大，钢带内部具有变形带的晶粒数越来越多，尤其是在80%压下率附近时，晶粒拉长非常严重，变形带也显得较混乱[5]。为了保证冷轧后仍较大地保留热轧基料的优良性能，而降低产品硬度，对于成型用冷轧低碳钢的冷轧压下率设计要低于常规产品，且尽量低于80%。全硬态冷轧低碳钢SPCC 产品冷轧总压下率设计对比如表4所示。

表4 全硬态冷轧低碳钢SPCC产品冷轧总压下率设计对比

图4为不同压下率下SPCC 钢带金相组织对比。由图4（a）、图4（b）可以看出，相对于常规大压下率工艺下的冷硬SPCC 产品，通过降低冷轧总压下率，冷轧后钢带内部晶粒被拉长程度明显减轻，组织更为均匀，晶界也更加清晰。

图4 不同压下率下SPCC冷轧钢带金相组织对比（500×）

3 产品实际性能情况

（1）成型用全硬态冷轧低碳钢SPCC 成品硬度得到明显改善，表5为成型用全硬态冷轧低碳钢SPCC产品硬度检测情况。由表5可以看出，成品硬度有效控制在85HRB～95HRB的预设区间。

表5 成型用全硬态冷轧低碳钢SPCC产品硬度检测情况

（2）优化后全硬态冷轧低碳钢SPCC 产品的加工成型性能得到明显改善。图5为成型用全硬态低碳钢SPCC 产品弯曲试验结果，由图5可以看出，试样在经过45°、30°V弯实验后，试样弯曲处状态良好，仅少部分试样在30°V 弯后出现轻微裂纹趋势，能够适应较复杂的弯曲成型工艺。

图5 成型用全硬态低碳钢SPCC产品弯曲试验结果

（3）产品实际应用情况良好。经方形管、文件柜等加工制造用户大批量使用验证，优化后的全硬态冷轧低碳钢SPCC 产品机械性能能够满足弯曲角度在90°以上的较为复杂的弯曲成型加工工艺要求，而且因SPCC 产品自身较高强度和硬度的特点，提高了弯曲成型加工成品的耐磨性和使用寿命。图6为成型用全硬态冷轧低碳钢SPCC 产品用户应用图示。