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2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳303采用连续退火生产的微碳钢生产工艺探讨侯雪玲，陈银莉(北京科技大学，北京)摘要：从理论上分析了化学成分、热轧、连续退火生产工艺中对微碳深冲钢深冲性的主要影响因素，着重对热轧高温卷取形成的粗大碳化物对提高深冲性机理方面进行了讨论。简单论述了加硼的微碳深冲钢对产品性能几方面的改善。关键词：热轧；连续退火；过时效；粗大碳化物DiscussionontheProductionTechnologyofMicro-CarbonSteelbyContinuousAnnealingHOUXueling，CHENYinli(UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing)Abstract：Thepapertheoreticallyanalyzedthemaininfluenceoftheprocessfactorssuchascompositions，hotrolling，continueannealingonthedeepdrawabilityofmicro-carbonsteel.Especiallydiscussedthemechanismofcoarsecarbidewhichwasmadeduringhightemperaturerollingonpromotingdeepdrawingproperty.Inaddition,itintroducedtheboron-treatedaluminum-killedsteelwhichcanpromotethemicro-carbonsteelproperties.Keywords：hotrolling；continueannealing；overaging；coarsecarbide1前言对深冲钢的生产来说，最重要的是获得优异的深冲性能。长期的研究表明，将低碳铝镇静钢的碳含量(0.04%-0.06%)降为微碳（0.04%），是提高产品深冲性的有效方法之一。微碳深冲钢是目前国际上使用的比较典型的、经济实用的汽车用钢，它是在传统的低碳铝镇静深冲钢基础上通过进一步降碳和纯净钢质发展而来的，这类钢通常的化学成分为低碳、低硫，碳、硫含量可分别达到C0.04%,S0.015%。其产品型号主要是SPCE(N),St14，St15、03Al等，我国轿车难冲件的相当部分使用这些钢板。在微碳深冲钢板的生产上，生产技术的理论和工艺方面的改进一直是我国许多企业研究的热点，我国宝钢、武钢、攀钢、本钢等大钢厂都在积极研究改进微碳深冲钢板。众所周知连续退火工艺与传统罩式退火相比，由于其有如产品质量好，成材率高，生产周期短，成本低等一系列优点，在日本等发达国家已得到广泛的应用，而经罩式退火生产的薄钢板，其表面清洁度及板形直度适应不了引进汽车生产线用钢板国产化的需要。因此我国各大钢厂目前也积极采用连续退火技术生产微碳钢，但采用连续退火技术生产微碳深冲钢的生产工艺目前的有关介绍还很有限，有必要对此进行进一步的了解。2生产工艺2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳304对深冲钢的生产来说，为获得优异的深冲性能，从冶金学观点上要求：降低夹杂含量，提高钢的纯净度，严格控制化学成分；控制第二相粒子的溶解与析出，晶粒适当大（6-8级），形成有利的γ-111//ND织构，以降低屈服强度，提高r值[1]。采用连续退火生产的微碳深冲钢由于其退火工艺不同，其对成分的要求及热轧工艺也与罩式退火有所不同。2.1成分控制严格控制钢的化学成分，首先碳含量要低,一般其质量百分含量小于0.05%～0.04%，微碳钢可满足其要求；其次控制锰含量，锰的加入主要是为了与硫结合形成MnS从而降低硫的含量，这就要求钢中的硫含量也尽量低，一般硫的含量控制在小于0.015%。当钢中锰含量高时，热轧高温卷取后析出渗碳体不易粗大，这对钢的深冲性不利。但锰也不可过低，否则成本提高，且易产生热脆性，通常深冲级钢锰含量宜为0.15%～0.25%。氮在铝镇静钢中以氮化铝形式析出并存在于晶界处，抑制铁素体晶粒生长，影响深冲性能。因此，一般将氮含量控制在少于0.004%以控制氮化铝的析出。硅，磷含量低有利于提高深冲性，磷含量低还有利于过时效时碳化物的析出，因此要尽量使硅、磷含量低，并使其它杂质尽量少。通常，采用炉外精炼、真空脱气等炼钢技术，可很好地控制多则的学成分[2]。2.2热轧工艺微碳钢与一般低碳铝镇静钢相比，碳含量大幅度降低，因此热轧工艺有其自身的特点。由于碳含量的降低，其相变点会升高，但为了高温卷取以后AlN析出粗大，不应使AlN完全溶解，同时未溶的AlN又会阻碍晶粒的长大，所以需综合考虑，寻找最佳结合点，一般来说微碳钢热轧加热温度应控制在约1150℃，为了获得均匀细小的热轧组织，微碳深冲钢热轧终轧温度应尽量靠近Ar3，来说一般为900℃左右。需要强调的是在热轧时必须采用高温卷取，这是连续退火的关键所在。因为高温卷取可以提高连续退火钢板的r值，并有增大晶粒使钢板软化的效果。一般连续退火生产的微碳钢的卷取温度为700～750℃，比通常卷取温度高1OO～150℃，这使热轧卷的铁素体晶粒长大，碳化物聚集而粗大化，氮化铝进一步析出和长大。粗大的碳化物对提高连续退火的深冲钢起着主导作用。这可用下面的理论来解释：对析出粗大的碳化物的试样在微观组织上我们可把基体分为两部分，一是远离碳化物的区域，定为A区，另一个是碳化物附近的区域，称为B区。A区接近于无碳碳的试样，而B区认为是含细的碳化物的试样。当然A区比B区有高的r值。基于以上设定，可以用下面的等式表示整个基体的r值：r=（1-f）．rA＋frB（１）上式中f表示B区所占的百分含量，rA表示远离粗大碳化物区的r值，rB表示粗大碳化物周围的r值。如果用rS和rR分别表示慢速和快速加热时整个基体的r值,则(1)式可改写为:rS=（1-fs）．rSA＋fsrSB适用于慢速加热的退火试样和rR=（1-fR）．rRA＋fRrRB适用于快速加热的退火试样上式中S表示退火时慢速加热，R表示退火时快速加热。在低的加热速度下,对于不利于深冲性的碳化物周围的再结晶晶粒有足够的时间长大,粗大的碳化物溶解并有足够的时间扩散到因冷轧而变形的基体之后,才发生再结晶，此时基体中的固溶碳含量增多，fs变大,B区占主导地位，,如图1所示，当fs趋于1时,整个基体的rS与rSB接近,其r值如图22007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳305所示。而在相反的快速加热的退火度样中，由于加热速度快，在粗大的碳化物来不及溶解，且扩散时间又极短就发生了再结晶，A区占了主导地位，在快速加热中，再结晶过程短，从而粗大碳化物周围的再结晶晶粒长大的时间短，fR值小，当fs趋于0时,整个基体的rR与rAA接近,其r值如图2所示，可以看出rAA值大于rSB值。所以对连续退火来说，加热速度快，有利于有利织构的发展,r值较大。[3]在微碳深冲钢的热轧高温卷取中发生的另一个现象是粗大的AlN的析出，在此AlN的析出的另一作用是结合基体中固溶的N，从而降低N的时效影响，以利于机械性能的优化，同时粗大的AlN对随后退火中织构的发展影响很小。慢速加热快速加热图1两种区域在不同加热下长大的示意图图2加热速度对不同基体r值的影响的示意图2.3连续退火工艺典型的微碳铝镇静钢的连续退火退火工艺如下图3所示。含细的碳化物的基体粗大的碳化物的基体不含碳化物的基体慢速加热快速加热A,rAB,rB碳化物r值rSArRArSrRrSBrRB2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳306图3微碳深冲钢的连续退火工艺图微碳深冲钢的连续退火工艺主要包括加热速度、均热工艺、空冷、一次冷却速度的制定及过时效工艺及二次冷却速度几方面，其中最主要的是均热工艺、一次冷却速度及过时效工艺的制定。2.3.1均热工艺均热是将微碳铝镇静钢加热至Ac1以上某一温度保温一定的时间,之所以在这么高的温度加热，一是因为高温加热有利于晶粒的长大，另一方面因为连续退火不需要考虑钢板间的粘结问题。有资料表明当奥氏体体积含量在20%--50%时,最适宜{111}织构的发展,采用更高的温度时,则织构的变得越来越弱,使r值急剧下降，所以均热温度的制定要考虑{111}织构的发展,当然奥氏体的体积分数及由此产生的退火温度的不同主要是由钢的碳含量所决定,不同成分的钢种其均热温度也不同。在均热过程中主要发生的变化是渗碳体的溶解、铁素体晶粒长大和部分铁素体转变为奥氏体的转变。渗碳体溶解只需几十秒就能达到平衡,铁素体转变为奥氏体所需时间极短,因此受工艺因素影响最大的是铁素体晶体长大。刚完成再结晶时的铁素体晶粒细小但不均匀。虽然晶粒细小可以提高塑性，但是金属组织不均匀会导致塑性变形量不均一，使断裂前宏观塑性值减小，所以此时塑性值较低，随着均热时间延长铁素体晶粒逐渐长大。在晶粒长大过程中，小晶粒被大晶粒吞并，晶粒尺寸不均匀性逐步改善，塑性升高。当然，当铁素体晶粒过分长大时，塑性值也要下降。所以均热时间制定要考虑使铁素体晶粒适当长大，以利于提高钢材的深冲性。一般而言，微碳铝镇静钢的均热温度约为850℃，均热时间为40—70秒。2.3.2一次冷却速度的制定一次冷却速度是连续退火中一个非常重要的工艺因素。指的是空冷后急冷的速度。冷却速度快，则碳的析出动力大，在随后的过时效中就可在晶内析出很多微细碳化物，对抗时效性有利,但延伸性变坏；冷却速度缓慢，则晶内析出碳化物少，而固溶碳多，达不到时效的目的。因此选择冷却速度时要兼顾产品的抗时效性及延伸性。通常冷却速度为50～100℃／s时可获得最佳效果。2.3.3过时效工艺在生产微碳深冲板时，连续退火的带钢快速加热到保温温度,均热后又快速冷却，则有大量的过饱和固溶碳残留下来，严重影响带钢的冲压性、抗时效性。为此，必须使碳化物充分析出，增加过时效处理。过时效工艺包括过时效的温度及过时效时间，二者的制定也需要综合考虑。过时效处理主要是从过饱和的铁素体中析出碳化物，同时在铁素体中保留平衡固溶碳。过时效~850℃＋40~70s~250℃~400℃＋1~5min50~100℃/s10℃/sAC1空冷2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳307温度高时，则其固溶碳的限度高,冷却后固溶碳多,塑性低；过时效温度低时,由于固溶限度低,冷却后固溶碳少,塑性较高。而过时效时间的制定则与一次冷却速度有关，当一次冷却速度大时，则碳的析出动力大，过时效时间短，而当一次冷却速度小时，碳的析出动力小，过时效时间长。通常微碳铝镇静钢在400℃左右过时效，过时效时间要视一次冷却速度的不同而制定，一般为几分钟，总之固溶碳的含量多少最终要满足产品性能的要求[2、4]。从组织上来看，当碳化物大部分分布在晶内，以颗粒状分布时塑性好，当碳化物分布在晶界连成网状或半网状塑性差。当碳化物细小时塑性好，当碳化物粗大时塑性差，如下图4中碳化物在晶内以颗粒状分布，且细小，晶界碳化物分布少，故塑性好；而图5中，晶界碳化物明显增多，有的连成断续网状，晶内碳化物粗大故其塑性较差。图4塑性好的碳化物分布图图5塑性差的碳化物分布图3加硼的微碳铝镇静钢近年来有人提出在采用连续退火生产的微碳深冲钢中加入一定的硼，硼的加入不仅进一步提高钢材的深冲性，而且能改善钢材性能的不均匀性，节约能源。在微碳钢中加入B后，由于粗大的BN的析出，使相对较小的AlN析出量减少，从而使基体晶粒进一步增加，r值得以提高。B的加入量要有一定的控制，添加太少效果不明显，加入过多，则过剩的B将形成微细的Fe23（CB）6，抑制晶粒的长大，使材料变硬，板坯因此易产生边裂。一般说来B/N的质量百分比控制在1.0-1.5之内,钢的深冲性能将增加。由前面讨论可知，热轧高温卷取，析出粗大的渗碳体及AlN，在连续退火中起着非常重要的作用但是在在实际生产中，由于钢卷在热轧卷取后内外圈接触外界容易冷却，和钢卷的中心部相比渗碳体、AlN