武冠華，孫宏亮，高江濤
( 唐山鋼鐵集團有限責任公司，河北 唐山 063000)
摘要: 本文通過產線試制和實驗室模擬相結合的方式，研究了卷取溫度對 350 MPa 級結構級鍍鋅產品退火后組織和性能的影響。結果表明: 卷取溫度從 560 ℃ 提升至 600 ℃，熱軋基料第二相組織比例降低19．5% ，性能下降約 20 MPa，冷硬組織退火過程中的性能轉變趨勢溫度降低 20 ℃，使得退火工藝窗口左移。低溫卷取鋼卷的冷硬強度更高，且隨著退火溫度升高，其強度降低梯度更大，這是由于低溫卷取鋼卷積累了更高的位錯密度和形變能，在退火初期再結晶速率更快。隨著退火溫度升高，第二相纖維組織逐漸消失，兩種卷取溫度鋼卷的強度和延伸率趨于一致?；谠囼灲Y果進行的產線試制表明，提高卷取溫度可以有效改善熱軋基料的板形，減少邊部浪形，降低冷軋生產風險，并使退火后產品性能分布范圍收窄，性能控制穩定性增強。
關鍵詞: 卷取溫度; 退火工藝; 冷軋; 低溫卷取; 位錯密度; 形變能; 邊部浪形
0 引言
冷軋結構級產品廣泛應用于橋梁、高速公路、鐵路、建筑等領域的結構建筑中，其中鍍層板因具有良好的耐腐蝕性能，伴隨著近年來我國光伏行業的發展，用量出現顯著提升［1－3］。結構級產品通常采用低合金或碳素的成分體系，結合終端用戶的應用特點和加工工藝，通過全流程工藝把控成品性能，其中熱軋卷取溫度和冷軋退火溫度為影響成品性能的兩個重要參數。
河鋼集團唐鋼公司采用輥壓成型的方式，利用碳錳成分體系與低卷取溫度、低退火溫度的工藝相結合開發出低成本 S350GD + Z 產品，但成品性能波動范圍較大，同時低卷取溫度提高了熱軋帶鋼邊部與中部的溫度差，導致熱板內應力加劇，出現邊部浪形，增加冷軋軋制風險和成品板形控制風險［4，5］。 為解決上述問題，本文以產線試驗與實驗室模擬相結合的方式，以唐鋼 S350GD + Z 產品為研究對象，研究了熱軋卷取溫度對冷軋產品退火后組織和性能的影響。
1 試驗材料及方法
1．1 試驗材料
試驗所用材料為同爐冶煉的 S350GD + Z 鑄坯，為碳、錳成分設計，具體化學成分如表 1 所示。
1．2 試驗方法
鑄坯在熱軋產線軋至 4．5 mm，分別執行現行卷取溫度 560 ℃和試驗卷取溫度 600 ℃，后經過酸軋產線軋至 1．8 mm，在不同卷取溫度對應的鋼卷上分別切取 30 mm × 300 mm 的板狀試樣。利用Gleeble － 3500 熱模擬試驗機進行退火工藝模擬，熱模擬試驗方案參考產線工藝制定，帶速 80 m /min，入鋅鍋溫度 455 ℃，退火溫度以 655 ℃為起點向高、低兩個方向以 5 ～ 20 ℃ 的溫度梯度延伸，溫度區間610 ～ 700 ℃。
試驗各階段的性能試樣為標距 80 mm 的標準拉伸試樣，應用 Zwick Z100 拉伸試驗機進行力學性能檢測，在拉伸試樣平行段的對應位置取金相試樣，應用 4% 硝酸酒精溶液侵蝕后，應用 Zeiss AXIO Imager． A2m 型號光學顯微鏡及 SIGMA － HD 掃面電鏡進行顯微組織的觀察和采集。
2 試驗結果與分析
2. 1 熱軋性能及組織
表 2 為采用不同卷取溫度生產的 S350GD + Z熱軋基料熱軋性能，從性能情況可見，同成分鑄坯卷取溫度降低 40 ℃，熱軋基料的抗拉強度和屈服強度上升約 20 MPa。
圖 1 為不同卷取溫度下熱軋基料的顯微組織，1#試樣的組織為鐵素體、珠光體和少量貝氏體［7，8］，鐵素體比例 40．5% ，呈針狀或片狀分布，部分位置呈現類似魏氏體的形貌［9］; 2#試樣的組織為鐵素體和珠光體組成，鐵素體比例 60% ，分布的等軸性明顯增強。通過高倍電鏡組織觀察，1#試樣形成的珠光體片層間距較小，部分位置出現類似上貝氏體的形貌，同時存在少量的粒狀貝氏體組織，與之對比2#試樣的珠光體組織較為細小，內部片層更加清晰。
2．2 退火性能及組織
將兩個卷取溫度下的熱卷轉序至酸軋產線，以60% 的冷軋壓下率軋至 1． 8 mm 厚度，經檢測 1#、2#熱卷對應的冷硬樣板的抗拉強度分別為 921 MPa和 847 MPa。將所制冷硬試樣以 1．2 所述工藝進行熱模擬試驗，試驗的具體退火溫度為 610 ℃、 630 ℃、640 ℃、650 ℃、655 ℃、660 ℃、670 ℃、 680 ℃、700 ℃。
基于材料科學理論，冷硬鋼帶在加熱過程中易發生回復與再結晶，實現應力釋放和晶粒形核和長大，伴隨此過程冷硬鋼帶將呈現強度逐步降低、塑性逐步升高的變化［6］。
圖 2 為熱模擬退火后的材料性能。可見，兩個卷取溫度的試樣在 610 ～ 700 ℃ 區間退火時均呈現出強度先快速降低后緩慢降低的趨勢，在強度快速降低階段 1#試樣的強度均高于 2#試樣，并且不同卷取溫度對應的趨勢轉折的退火溫度有明顯差異，1#試樣對應轉折溫度為 660 ℃，2#試樣對應轉折溫度為 640 ℃。隨著退火溫度溫度的提高，兩個卷取溫度下試樣的延伸率均在 655 ～ 670 ℃ 區間出現了一個短暫的平臺，平臺之前 1#試樣的延伸率均低于 2#試樣。
圖3顯示了 1 #、2 #試樣的冷硬及退火顯微組織。610 ℃ 時1 #、2 #試樣均已進入再結晶階段，610 ℃和 630 ℃退火時，1#試樣的再結晶程度要明顯高于2#試樣，對應圖3的性能變化呈現出更大的強度降低幅度，同時在此溫度區間1#、2#試樣的第二相組織仍呈現纖維化狀態; 當退火溫度達到655℃時，1#、2#試樣的第二相組織均已發生再結晶，但1 #試樣仍能觀測到部分纖維化組織; 680 ℃ 和700 ℃ 退火時，1 #、2 #試樣均已觀測不到纖維化組織，組織轉變為為鐵素體與粒狀碳化物，伴隨著退火溫度的升高，部分鐵素體晶粒長大，碳化物回溶比例提升。
結合金相組織變化，隨著回復再結晶的進展，第二相組織的纖維化消失，材料強度的降低趨勢明顯放緩，發生此現象的原因為鐵素體晶粒長大導致的強度降低與第二相中碳化物回溶和細化導致的強度上升交互影響［10］。由于低溫卷取樣板的第二相比例更高，其第二相組織的回復再結晶需要更多的能量，因此卷取溫度提升后強度趨勢轉變點向左移。
對比性能和組織變化情況可見，在 610 ～ 700 ℃區間退火后的樣板中第二相保持纖維狀時，低溫卷取對應樣板強度高、延伸率低，當第二相纖維化消失后，兩個卷取溫度樣板的強度、延伸率水平趨近一致。
3 產線試制
基于試驗參數，在產線進行了兩個批次的小批量試制，試制卷僅對卷取溫度進行了調整，其余參數與原工藝一致，具體工藝參數如表 3 所示。
如圖4所示，卷取溫度提升后熱軋帶邊部應力緩解，邊浪問題得到解決。圖5為原工藝鋼卷與試驗卷性能對比，可見試驗工藝鋼卷的抗拉強度、屈服強度均值有所降低，分布范圍明顯收窄，延伸率均值提升，分布范圍與原工藝一致。
在實際生產中，工藝溫度控制會因設備、排產、環境等因素的影響而發生波動，結合本文 2． 3 的內容，卷取溫度提升使強度降低的趨勢轉變溫度左移，讓設定的 655 ± 10 ℃ 退火溫度區間進入了強度緩慢降低的階段，使得強度控制的穩定性得到提升。
4 結論
(1) 卷取溫度從 600 ℃ 降低至 560 ℃，熱軋第二 相 組 織 比 例 提 升 19． 5% ，熱 軋 強 度 提 升 約 20 MPa，對應的冷硬態再結晶前具有更高的強度，且隨著退火溫度升高具有更大的強度降低梯度。
(2) 卷取溫度提升將減少第二相組織回復再結晶所需的能量，卷取溫度提升40 ℃使強度趨勢轉折點溫度降低約 20 ℃，使得退火工藝窗口左移。
(3) 提高卷取溫度有利于改善熱軋基料板形，卷取溫度從560 ℃ 提升至600 ℃ ，熱帶邊部浪形明顯改善，冷軋生產和質量風險得到降低，同時基于冷軋工藝調控，能夠提升退火后性能控制的穩定性。
參考文獻
［1］陳東，金向雷． 我國熱鍍鋅的現狀、技術進展和發展動向［C］．中國腐蝕與防護協會． 第四屆全國腐蝕大會論文集，2004．
［2］孫愷，王婷，楊昌橋． 光伏支架專用連續鍍鋅鋼帶 S450GD + Z的開發［J］．河北冶金，2023(1) : 18 ～ 22．
［3］欒彩霞． 結構用熱鍍鋅鋼帶的生產實踐［J］． 山東冶金，2012，34(01) : 9 ～ 11．
［4］張繼永，李愛民，李紅俊，等． 汽車大梁鋼板形缺陷產生的原因及對策［J］．河北冶金，2021(5) : 65 ～ 69．
［5］陳銀莉，余偉，蘇嵐，等． 熱軋帶鋼層流冷卻過程中殘余應力分析［J］．材料熱處理學報，2010，31(06) : 155 ～ 160．
［6］胡康祥，蔡瑜，戎詠華． 材料科學基礎［M］． 上海: 上海交通大學出版社，2013．
［7］蘇震，邸洪雙，張天宇，等． 低碳低合金無碳化物貝氏體鋼熱處理工藝及組織性能研究［J］． 熱加工工藝，2024，53(17) : 140 ～ 145．
［8］高石，蔡慶伍，潘學福． 含 Nb無碳化物貝氏體/馬氏體鋼的組織與性能［J］．金屬熱處理，2015，40(06) : 16 ～ 20．
［9］王從道，李東暉． 超快冷技術下 Q345升級鋼魏氏組織的形成及控制［J］．寬厚板，2016，22(03) : 15 ～ 20．
［10］張翼，丁志龍． 退火溫度對 350MPa 級冷軋鋼板微觀組織和力學性能的影響［J］． 四川冶金，2023，45(05) : 30 ～ 33．