冷轧带钢组织性能与检测

2 冷轧加工性能与生产条件2.1 加工性能冷轧带钢的主要用途是用于冲压加工领域，冲压加工有剪断、成形两个工序组成，冲压成形是最中心的工序。

近年来，在迅速发展的冲压成型理论的分析方面，对加工性能引入了成形性、磨合性、形状稳定性等概念。

重点放在加工性能上。

当考虑加工性能时，必须考虑成形中的问题（即不发生断裂和裂纹而能成形的问题）和成形后的问题（即正确保持成形件尺寸精度）。

一般认为冷轧带刚在冲压加工性能方面比较优越，这是因为通过控制生产条件，能满足这些要求的各种特性。

对于热轧带钢工艺来说，控制化学成分和热轧温度几乎是控制加工性能的唯一手段。

与此相反，冷轧带钢是通过冷轧和退火、晶粒调整、利用析出相（如AlN）改善各向异性等提高延性，能采用的手段很多，这是冷轧带钢的优点。

当然，对冷轧带钢的质量控制也很难。

2.2 加工性能和生产条件平整冷轧带钢以极软钢为原料，比如S08AL、SPHD等低碳钢，热轧后至少通过压下率40%以上的冷轧，在退火再结晶结束后，经受1%左右的平整轧制。

2.2.1炼钢条件冶炼工艺要点：（1）冶炼①入炉铁水应经过铁水脱硫预处理；②炉前留氧操作，精炼进行铝的合金化。

（2）精炼①经RH真空处理，保证低的、稳定的C含量；②应保证过程温度的稳定性，避免在AHF加升温铝。

（3）连铸①连铸过程应保证保护浇铸，采用无碳和低碳保温材料、保护渣，避免过程回碳；②连铸坯规格为210mm*1100m，控制中间包温度为1550-1565℃℃，拉速为0.4～1.0m/min，依据钢水成分和温度等进行调整；③人工检查连铸坯有无角红裂、结疤等缺陷。

炼钢主要是控制化学成分和纯度，含碳量越低，材料越软，加工性能越好。

碳和磷都是使抗拉强度提高的元素。

为得到好的深冲性能，必须降低含碳量，但是含碳量过低，含氧量增多，屈服点上升，延伸率下降。

含硫量低成形性好，但一般含硫量在0.025%左右时，除浓度严重偏析部位外，对成形性能影响不太大。

当含硫量低于0.025%左右时，夹杂物的影响消除了。

为了防止热扎时由于硫造成的裂纹，有必要使锰含量在0.25%左右，但是，增加锰含量之后，材质变硬而性能不好。

铝镇静钢低温卷取，冷轧后退火，晶粒变成沿轧制方向变长的饼形晶粒。

如图2-5所示，这种晶粒显示出优良的冲压性能，钢水在采用真空处理脱碳时，有降低碳而不增加氧的优点。

为使碳形成碳化物，同时为了发展适合深冲的结晶织构，也采用添加钛、铌等措施。

图2-4 等轴晶粒（S08Al）图2-5 饼形晶粒(S08Al)2.2.2 热轧条件对于深冲板而言，为保证低碳铝镇静钢冷轧成品的冲压性能，国内外的研究和生产实践都表明，在热轧时，应采用“三高一低”制度，即高的加热温度、开轧温度和终轧温度及低的卷取温度，避免进入两相区轧制，得到形状等轴、尺寸均匀细小的，AlN析出量少的铁素体组织。

图2.6 SPHD钢热轧组织根据GB/T6394-2002标准进行评定，确定热轧组织晶粒度为9级，如图2.6。

热轧是控制AlN的溶解与析出的关键工序。

在板坯加热过程中AlN分解固溶于奥氏体中，所以高温加热利于溶解。

热轧后急冷至AlN快速析出温度范围以下，使得AIN来不及大量析出，经冷轧后在退火缓慢加热过程中析出。

铝脱氧镇静钢其过饱和固溶体强烈的分解温度高于600℃。

研究表明，AlN在600℃以上时开始析出，在800℃时析出最快，600℃以下AIN析出很少，几乎不析出。

由于深冲板SPCD热轧时从粗轧到精轧的温度都在850℃以上，避开了AlN快速析出的温度区域600～800℃，因此低温卷取对避免AlN的析出起了决定性的作用。

2.2.3 冷轧条件冷轧条件中冷轧压下率是重要因素，而压下率是被轧件厚度和轧机能力所左右的，通常为40%-90%的范围内。

热轧板作为冷轧坯料在冷轧机组中进行轧制变形，所得到的冷轧板组织为形变铁素体，其组织形态是沿轧向伸长的，含有大量位错和亚结构（如胞状结构和微变形带等）的晶粒。

SPCD钢冷轧板金相组织如图2.7所示：图2.7 纤维状组织冷轧变形量是影响冷轧板组织结构的关键因素，随着变形量的增大，长条晶粒形状越明显，位错密度越高，冷轧织构也越明显[31]。

2.2.4 退火条件在退火过程中退火温度和退火时间以及加热和冷却速度是重要因素。

退火温度的下限必须在再结晶的温度之上，但是，压下率越高，退火温度变得越低。

在退火过程中发生再结晶和晶粒继续长大，调整温度和时间可使钢材得到适宜的性能。

虽然晶粒越大强度越低，延伸率、n值、r值有变好的倾向。

但另一方面，在加工时，由于表面粗糙的所谓桔皮状缺陷，故通过调整退火温度来改善钢材的冲压性能是有限度的。

①全氢罩式炉强对流全氢罩式退火炉是目前世界上最先进的间歇式退火炉，其主要优点是利用氢气的强还原性和密度小、导热率高等特点，与高速旋转的炉台循环风机相配合，使炉内气体具有高的流动速度和传热速度，炉温均匀。

因此，冷轧钢卷经退火后，表面清洁光亮，力学性能优良、均匀。

罩式退火炉是以钢卷堆垛的形式对钢卷进行加热和冷却，以达到再结晶光亮退火的目的，通过对加热罩热电偶温度和炉台热电偶温度的控制来实现对工艺的控制，如图2-7所示。

罩式炉退火的特点是炉内带钢各点温度不均匀，且加热、冷却时间较长。

通过控制冷点、热点温差所反应的时间，来保证整个钢卷的力学性能满足要求，并通过适当方式的氢气吹扫，达到光亮退火的目的。

因此，在保证组织和性能均匀的前提下，应尽可能缩短退火时间和氢气吹扫量，提高产量，减少消耗。

HT-加热罩电偶温度CT-炉台控制电偶温度图2-7 炉内钢卷温度分布测试图②退火工艺制定的原则a 加热、保温制度制定原则图2.SPCD钢的全氢罩式炉退火工艺冷轧带钢再结晶退火的目的是消除带钢轧制过程中产生的加工硬化，恢复其塑性变形的能力。

研究表明，冷轧带钢在加热过程中将发生回复、再结晶、晶粒长大三个不同的过程，这些过程是在一个温度范围内进行，而且因材质、变形量不同，其每个过程进行的温度范围也不同。

冷轧带钢再结晶退火就是将冷轧带钢加热到再结晶温度以上，通过对再结晶和晶粒长大的控制，达到控制其性能的目的。

罩式退火炉内不同垛位的钢卷和同一钢卷的不同部位其温度是不同的，每一炉钢卷在加热和冷却过程中有一个温度最高点（热点）和最低点（冷点），试验测得热点通常在钢卷的边部，冷点通常在钢卷心部靠内侧。

退火过程的每个阶段是在一个温度范围内进行，因此只要将冷点和热点的温差（通常称为ΔT）控制在过程进行的温度范围内，就能达到对退火过程的控制，从而控制最终产品性能。

b冷却制度制定原则根据国内外关于冷轧退火带钢的论述，特别是近年来随着快速冷却的出现，人们普遍认为罩式炉内钢卷冷却速度应当是越快越好，因为罩式炉的冷却速度本身是慢的，不影响钢的性能，快冷可以提高炉台效率，改变“台罩比”。

生产实际采用的热处理制度中，吊加热罩以后的冷却速度是不加限制的。

在罩式炉冷却过程中，冷却速度的制定，主要是考虑避免粘结、出炉时钢卷表面不氧化和加热罩、冷却罩匹配利用的问题。

C 氢气吹扫制度制定原则全氢退火工艺中，氢气的作用有两方面：一是作为带钢加热冷却的介质；二是吹扫带钢表面残留的乳化液。

退火后的带钢表面质量与氢气吹扫工艺有密切的关系。

典型的罩式炉退火过程中，保护气体成分随时间和温度变化的曲线见图2-7。

图2-8 退火过程中保护气体随时间和温度的变化从图2-8可以看出，炉内气氛中CH4两次达到最大值（即图中CH4的峰值），第一个峰值在加热过程中温度达700℃左右时出现，此时CH4中的C来源于轧制油中，应被吹掉；另一个峰值出现在加热结束的保温段，CH4中的C主要来源于钢中，为了不使钢脱C，此时产生的CH4不应被吹走。

由于化学反应方程C＋2H2＝CH4在600℃以下反应停止进行，因此冷却段CH4含量大大降低，在CH4达第二次峰值后，H2含量接近100%。

从图2-8中还可以看到，在加热阶段即300～500℃时，保护气体中乳化液烟气含量迅速增加，该温度段为乳化液蒸发阶段，在设置氢气吹扫方式时，应采用大流量氢气吹扫。

2.2.5 平整条件在1%压下率轧制时，屈服平台基本消除。

平整轧制对冲压性能影响不太大，但是延伸率随压下率的增加而降低。

还必须考虑滑移线要求的程度来选择压下率。

4 塑性变形和再结晶在工业生产中，广泛采用锻造、冲压、轧制、挤压、拉拔等压力加工工艺生产各种工程材料。

各种压力加工方法都会使金属材料按预定的要求进行塑性变形，从而获得成品或半成品。

其目的不仅是为了获得具有一定形状和尺寸的毛坯和零件，更重要的是使金属的组织和性能得到改善，所以塑性变形是强化金属材料力学性能的重要手段之一。

研究金属塑性变形规律具有重要的理论与实际意义。

4.1 塑性变形4.1.1 单晶体塑性变形从力学性能试验中可知，金属材料在外力作用下会发生一定的变形。

金属变形包括塑性变形和弹性变形。

当外力去除后能够完全恢复的变形称为弹性变形；当外力去除后不能完全恢复的变形称为塑性变形。

通过塑性变形可以改善金属材料的各种性能，这是和变形过程中其内部结构的变化分不开的。

图4－1 应力的分解4.1.2弹性变形与塑性变形的微观机理如图4－1所示，当受到外力作用后，将在金属内某一晶面上产生一定的正应力(dN)和切应力(r)。

在不受外力作用时，单晶体内晶格是规则的，而在应力作用下，晶格就会出现一系列的变化。

正应力的主要作用是使晶格沿其受力的方向进行拉长，在正应力作用下，晶格中的原子偏离平衡位置，此时正应力的大小与原子间的作用力平衡。

当外力消失以后，正应力消失，在原子间吸引力的作用下，原子回到原来的平衡位置，表现为受拉长的晶格恢复原状，变形消失，表现为弹性变形。

当正应力大于原子间作用力时，晶体被拉断，表现为晶体的脆性断裂，所以，正应力只能使晶体产生弹性变形和断裂。

切应力的主要作用则可以使晶格在弹性歪扭的基础上，进一步造成滑移，产生塑性变形，如图4－2所示。

具体情况如下：在产牛的切应力很小时，原子移动的距离不超过一个原子间距，晶格发生弹性歪扭，若此时去除外力，切应力消失，则晶格恢复到原来的平衡状态，这种变形，就是弹性变形。

若切应力继续增加并达到一定值时，晶格歪扭超过一定程度，则晶体的一部分将会沿着某一晶面，相对于另一部分发生移动，通常称之为滑移。

滑移的距离为原子间距的正数倍(图4－2中表示滑移了一个原子间距)。

产生滑移后再去除外力时，晶格的弹性歪扭随之减小，但滑移到新位置的原子，已不能回到原来的位置，而在新的位置上重新处于平衡状态，于是晶格就产生了微量的塑性变形。

图4－2 切应力作用下的晶体变形图4.1.3 单晶体的塑性变形方式单晶体的塑性变形方式包括两种，即滑移与孪生。

(1)滑移滑移是单晶体塑性变形最普遍的方式。

在晶体在进行塑性变形时，出现的切应力将使晶体内部上下两部分的原子沿着某特定的晶面相对移动。