信息来源：世界金属导报2016-05-31B12 时间:2016-05-31 13:41:16
84AA1等高强汽车板在热卷生产中经常发生扁卷缺陷，影响后续生产。本文采用SEM和热膨胀法模拟试验对高强汽车板84AA1的扁卷机理进行了研究。结果表明：在卷取温度较低、层流冷却速度较快的工艺下，热卷下线后因相变造成的总膨胀量较大，钢卷降温冷缩作用无法抵消相变带来的体积膨胀，导致钢卷在自重作用下发生扁卷。在机理研究的基础上，通过提高卷取温度至680℃，将层流冷却方式改为冷速较慢的全段稀疏冷却，降低了卷取存放过程中的相变膨胀量，同时扩大钢卷外圈与环境温差从而增强其降温冷缩效果，成功抑制了扁卷现象的发生。
1前言
高强汽车板主要是指冷轧汽车板，根据生产工艺不同可分为连退汽车板和热镀锌汽车板，主要生产流程为炼钢-热轧-酸洗-冷轧-连退/镀锌。高强汽车板成品主要应用于车身和覆盖件，除了要求较高的表面质量外，在板形、尺寸精度方面要求也较高，要在每个工序都保证质量优良。
但在此钢种生产过程中发现，热轧卷入库放置几天后，多数钢卷存在明显的扁卷情况。整个钢卷由卷取结束时的圆柱形变为椭圆柱形，这样的钢卷无法套入卷筒进行后续酸洗和冷轧生产，只能将内圈切割掉，影响成材率，而且椭圆卷在运行过程中，由于各个方向上直径不同，椭圆卷圆周速度不一致，张力波动剧烈，易造成钢卷表面划伤，影响最终用户使用。
国内外学者对扁卷问题进行了研究。北京科技大学研究学者研究发现，扁卷原因主要为冷却过程中所产生的非均匀温度场和内部热应力导致。博思格钢铁公司提出，卷取张力造成的带钢摩擦力是导致扁卷的关键问题。生产中发现，与低碳钢相比，中碳钢具有更大的变形抗力，与同规格的其他钢种相比需要更大的卷取张力、力矩。研究者也分析发现若带钢横向厚度偏差较大，钢卷两端致密度明显不一致，单边较厚的一侧卷形致密，厚度较薄的一侧呈现明显缝隙，卸卷后缝隙较大的一侧容易出现塌卷现象。
针对以上思路，进行过相关的卷取张力及卷取停留时间等调整试验，跟踪发现对扁卷情况未有明显的改善。本文从热轧卷取过程中组织的相变入手，通过抑制相变膨胀量、增强冷却收缩，进而消除了扁卷缺陷。
2扁卷特征分析
2.1扁卷形貌
本研究涉及的高强汽车板牌号为双相钢84AA1，出现扁卷缺陷的热卷形貌如图1所示。在卷库冷却72h后，热卷内径差在40-110mm不等，可明显观察到扁卷现象，下游用户无法开卷使用。
2.2热轧组织情况
该钢种现行的热轧关键工艺参数为卷取温度660℃，层
流冷却方式采用前段密集冷却，冷速约25℃/s。现场取样分析发现该工艺下热轧组织为铁素体加珠光体，如图2所示。通过形貌计算，珠光体组织所占比例为14.20%。
3扁卷机理研究
为了明晰扁卷缺陷产生的原因及主要影响因素，采用膨胀法对钢种的相变点进行测定，同时设计相关的模拟试验对热膨胀曲线及热轧组织进行分析观察。
3.1相变点测定
膨胀法是利用金属热胀冷缩原理测量不同金属材料的膨胀曲线。当发生相变时一般均伴随体积的突然变化，在膨胀曲线上出现拐点，通过切线法确定拐点所对应的相变温度。本试验采用德国Baehr热分析公司DIL805A型淬火膨胀仪测量试验钢的静态相变点，通过卡在试样外径上的膨胀计连续记录下试验过程中直径的膨胀和收缩变化曲线，然后根据曲线上的拐点确定钢的相变点。
试验方案见如图3所示。测定严格按照YB T 5127-1993（钢的临界点测定方法）标准进行，加热速率设计为0.05℃/s，奥氏体化温度选择Ac3温度以上50-100℃，该钢选择900℃。奥氏体化后保温10min，模拟卷取前的冷速设计为0.05℃/s，以此来测定Ac1和Ac3以及 Ar 1和Ar 3相变点温度。
相变点测定结果如图4所示，可见慢速升温情况下，第一个拐点出现在725℃，为铁素体向奥氏体开始转变温度，完全奥氏体化温度为932℃；慢速冷却情况下，第一个拐点在846℃，第二个拐点为632℃，第三个拐点为574℃。
静态相变点Ac1=725℃，Ac 3=932℃；Ar 3=846℃，Ar 1=632℃，其中574℃的拐点可能为缓慢冷却过程中发生珠光体相变导致。对比可见由于钢中Si的增加提高了A3的温度约60℃，在冷却过程中由于Si抑制碳化物的形核与析出，使得珠光体形成温度降低。
3.2不同冷却工艺热模拟试验
由上文中测得的84AA1相变温度可知，缓慢冷却过程中，Ar 3=846℃，冷却至846℃时发生奥氏体析出先共析铁素体的相变，冷却至Ar1=632℃时发生奥氏体向珠光体的相变。产线的84AA1终轧温度设定值为880℃，卷取温度设定值为660℃，说明在层流冷却阶段开始发生奥氏体析出先共析铁素体的相变，而在卷取之后的冷却过程中发生奥氏体向珠光体的相变。采用热膨胀法测定不同层冷速度和不同卷取温度情况下的相变膨胀量以及热态成品的微观组织变化，从而为优化工艺提供依据。
3.2.1试验方案的确定
制定两套试验方案，分别用来分析层流冷却的冷却速率和卷取温度对热膨胀的影响，冷却起始温度均为930℃。
方案1：分析层流冷却的冷却速率对热膨胀量的影响，分为卷取温度660℃、层冷速度25℃/s和卷取温度660℃、层冷速度10℃/s两种情况。
方案2：分析卷取温度对热膨胀的影响，分为卷取温度640℃、层冷速度25℃/s和卷取温度提高至680℃、层冷速度25℃/s两种情况。
3.2.2不同冷却工艺热膨胀量
各工艺的热膨胀曲线如下所示：
方案1中卷取温度660℃、层冷速度25℃/s情况下得到的试样膨胀量曲线如图5所示，可见试样因为相变造成的膨胀量变化为25.7μm，相变全部发生在卷取之后。
方案1中卷取温度
660℃、层冷速度10℃/s情况下得到的试样膨胀量曲线见图6，可见在缓冷情况下，试样因为相变造成的总膨胀量变化降低为19.8μm，并且在层流冷却过程中发生部分相变。
方案2中卷取温度640℃、层冷速度25℃/s情况下得到的试样膨胀量曲线如图7所示，可见试样因为相变造成的膨胀量变化为28.8μm，相变全部发生在卷取之后。
在方案2中卷取温度提高至680℃、层冷速度25℃/s情况下得到的试样膨胀量曲线如图8所示，试样因为相变造成的总膨胀量降低为18.4μm，并且在层冷阶段发生约3.3μm的相变膨胀量。
通过上述不同层冷速度和不同卷取温度热膨胀试验可以看出，在同样卷取温度（660℃）、不同层冷速度的情况下，将层冷速度有25℃/ s降至10℃/s可以将相变造成的热膨胀量由25.7μm降至19.8μm，即在缓慢冷却情况下相变热膨胀量更小。在同样层冷速度（25℃/s）、不同卷取温度情况下，将卷取温度由660℃提升至680℃后相变膨胀量减小为18.4μm，将卷取温度由660℃降至640℃后相变膨胀量增大为28.8μm。
3.2.3不同冷却工艺微观组织
观察上述试验方案中不同工艺条件下热态成品的微观组织情况，结果如下所示。
方案1中卷取温度660℃快冷速的卷取组织观察如图9所示，组织为铁素体 珠光体 少量粒状贝氏体。
方案1中卷取温度660℃慢冷速的卷取组织观察如图10所示，可见组织整体为多边形铁素体 片层状珠光体形貌，对比上一工艺珠光体片层间距明显粗化，未出现贝氏体。
方案2中卷取温度680℃快冷的组织观察如图11所示，其组织为片层状珠光体＋铁素体，珠光体呈现菊花状片层形貌。
方案2中卷取温度640℃快冷的组织观察如图12所示，其组织为珠光体 铁素体 少量粒状贝氏体。
对比不同工艺条件下热态成品微观组织情况，并与不同工艺条件热模拟试验结果对应，结果表明，在卷取温度相同、冷却速度不同的情况下，在较慢的冷却速度情况下，珠光体片层间距明显粗化，这是因为在慢速冷却情况下奥氏体中的碳有充足的时间析出，铁素体为bcc结构，本身容碳量低，碳的充分析出降低了碳对铁素体晶格畸变的影响，铁素体晶格畸变程度降低，因而成品的热膨胀量就小。
在相同冷却速度、不同卷取温度情况下，降低卷取温度至640℃时热态成品组织中出现了少量粒状贝氏体，粒状贝氏体在提高钢强度的同时降低塑形，应尽量予以避免。
3.3分析讨论
热轧带钢生产过程中，随着自身温度的降低，带钢内部会发生相变，钢中各组织致密度关系为：奥氏体＞铁素体＞珠光体＞贝氏体＞马氏体，因而发生相变后带钢体积会相应增加，进而发生膨胀。各类组织膨胀量关系为：铁素体＜珠光体＜贝氏体。热轧带钢卷取下线后以钢卷形式存放，各圈膨胀量关系如下式所示
π×ΔD=L×相变增量
从以上公式中可以看出，在相变增量一定的情况下，越靠近外圈的部分L越大，因而直径增量ΔD也就越大，也就是外圈直径增量大于内圈，使带钢出现膨胀松卷倾向。
研究人员通过有限元软件模拟发现，热轧带钢在卷取存放过程中外圈温降最快，首先降至相变点发生相变膨胀，因此热轧带钢卷取存放过程中热膨胀系数先增大后降低，热轧带钢外圈首先发生膨胀加剧了膨胀松卷倾向。
由于钢卷内外部分的温度分布不一致，造成钢卷内外相变进程和膨胀程度上存在差异，这种差异导致钢卷发生层间错动，破坏了钢卷的稳定性（松卷），最终导致钢卷在自身重量作用下变形，发生扁卷。
通过本研究发现，提高卷取温度、降低层流冷却速度不仅可以降低总的相变膨胀量，还会使热轧带钢在卷取过程中发生部分相变，从而降低了卷取存放过程中相变膨胀量，降低膨胀扁卷风险。得到的成品组织为铁素体 珠光体，而降低卷取温度和加快层流冷却速度则会出现少量贝氏体组织，增大总的相变膨胀量，加重扁卷风险。除了减少相变膨胀量外，提高卷取温度扩大卷取后钢卷外圈与周围环境的温度差，扩大钢卷外圈部分的冷缩作用，从而抵消钢卷体积膨胀带来的松卷风险。
4工业试验情况
上述分析表明，提高卷取温度、降低层流冷却速度，可以降低总的相变膨胀量，并且在层流冷却过程中发生部分相变，进而降低卷取存放过程中的相变膨胀量；提高卷取温度可以扩大钢卷冷缩作用，抑制扁卷倾向。
因此产线工艺优化方法为：提高卷取温度到680℃左右，设定层流冷却方式为全段稀疏冷却。调整后的热轧组织观察如图13所示，为珠光体 铁素体，珠光体比例由之前的14.2%降至10.1%。跟踪观察表明，钢卷下线72h后未发生扁卷情况，冷轧退火后性能满足用户需求。
5结论
1）热膨胀法测得高强汽车钢84AA1静态相变点Ac1=725℃，Ac3=932℃；Ar3=846℃，Ar1=632℃。
2）通过热膨胀曲线测得：在目前层流冷速工艺（25℃/ s）下，现有660℃卷取条件下相变热膨胀量为25.7μm，降温至640℃时相变热膨胀量增大为28.8μm，升高温度至680℃时相变热膨胀量减少为18.4μm，并且其中有3.3μm发生在卷取之前；在目前660℃卷取工艺下，降低层流冷速至10℃/s时总的相变膨胀量减少为19.8μm，并且其中有部分发生在卷取之前。说明提高卷取温度、降低层流冷速可以降低热卷卷取后的相变膨胀量。
3）高强汽车板在卷取后存放过程中发生明显的相变反应，造成体积膨胀。由于钢卷内外部分的温度分布不一致，造成钢卷内的相变进程和膨胀程度上存在差异，这种差异导致钢卷发生层间错动，引发松卷，进而钢卷在自重作用下发生扁卷现象。
抑制84AA1扁卷的工艺方法为提高卷取温度到680℃，控制层流冷却模式为全段稀疏冷却。一方面降低卷取后相变的膨胀量，另一方面扩大钢卷的冷缩作用。工艺调整后84AA1钢的扁卷情况得到明显抑制。
（王林 于洋 王畅 陈瑾 武巧玲 陈斌）
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