節鎳型奧氏體不銹鋼冷軋生產過程相關問題研究

張 澤，陳俊哲，閆 亮

（天津冶金集團天材科技發展有限公司，天津300308）

0 引言

奧氏體不銹鋼是指含有適量鎳、鉻，含量大于12%，晶體結構成面心立方的鐵基合金[1]。在我國逐年遞減合金元素鎳供給量的背景下，生產企業為了減少鎳合金的用量，開發出了一類高強度的不銹鋼，即節鎳型奧氏體不銹鋼。節鎳型奧氏體不銹鋼，是在傳統304 不銹鋼的基礎上，用錳和氮等元素代替部分或全部的鎳，獲得室溫下單一奧氏體組織的經濟型不銹鋼。由于節鎳型奧氏體不銹鋼具有類似304 不銹鋼優異的機械性能和較好的耐腐蝕性能，在最近幾年受到了很多不銹鋼生產企業的關注與追逐，其品種開發數量和產量均處于不斷增長的趨勢。

不銹鋼板在冷軋、退火、拉矯等過程中均會對材料性能的改變產生影響，從而導致不銹鋼帶材料機械性能、表面質量、板型尺寸等多方面的問題。在日益激增的材料品質要求下，不同客戶對于材料有不同的高標準要求，故對生產企業于材料的尺寸、性能要求也要精益求精。天材科技發展有限公司（下稱天材科技）生產精密冷軋不銹鋼帶已有近十年，積累了一定的生產實踐經驗，本文就該種材料在冷軋生產過程中產生的一些問題做出進一步研究討論，通過實驗對比，優化軋制工藝，為產品的后續生產提供重要的技術依據。

1 實驗材料及實驗過程

1.1 實驗材料

實驗采用寶新BNDDQ 原料卷坯，寬度600 mm厚度1.0 mm，表面為2B 表面，其主要成分如表1所示。

1.2 實驗過程

1.2.1 冷軋

采用森吉米爾20 輥軋機軋制實驗材料。在冷軋過程中，選取5～50%不同軋制變形率的冷軋后樣品，每檔選取3 張樣品，規格30 mm×30 mm。通過維氏硬度計測量樣品硬度，使之與軋制變形率一一對應，擬合出變形率—硬度曲線，從而分析節鎳型奧氏體不銹鋼的加工硬化程度。

表1 實驗用節鎳型奧氏體不銹鋼化學成分 /%

再對不同硬度區間的樣品300 mm×300 mm 沿軋制方向進行取樣測試力學性能，比較經過不同冷軋變形率之后，實驗材料的力學性能變化。

1.2.2 退火

由于帶材的長度及連續性的特點，不銹鋼帶材的退火采用連續退火爐工藝。連續退火工藝是通過退火過程中鋼帶行進速度來調節保溫時間的長度。退火行進速度越快，相對保溫時間越短。

針對實驗材料軋制后的極薄帶材，采用奧地利艾伯納立式連續光亮退火爐進行光亮退火，不銹鋼帶厚度約為0.1 mm，選取退火工藝如表2 所示。而后從實驗材料上取下規格為0.1×300×300 樣品，沿軋制方向進行力學性能測試，分析出材料的力學性能在不同的退火工藝下的變化。

表2 實驗材料退火工藝匯總

1.2.3 拉矯

板型的實質是帶鋼纖維長度不等，在拉矯過程中，板帶在彎曲輥上劇烈彎曲，板帶同時受到延伸應力與彎曲應力的聯合作用，此時材料受到拉伸和彎曲的疊加應力。由于應力疊加作用，板帶彎曲變形后的中性層將不通過其斷面形心，而是朝著板帶的壓應力方向偏移，致使斷面上的拉伸應變大于壓縮應變，經過多次反復彎曲后，拉伸應變和壓縮應變不能相互抵消，使得材料產生塑性延伸[2]。故拉矯工序主要工藝參數即為設備設定延伸率，通過設定延伸率來改善實驗材料板型。

采用德國B+S 23 輥拉彎矯直機，對實驗材料進行板型精整，改善軋制、退火之后材料平面度問題。在拉矯過程中采用不同的拉矯延伸率：0.1%，0.3%，0.5%，拉矯后截取長度1 m 的原寬樣板對于平整度進行分析，探究拉矯延伸率對材料平面度的整平效果。

2 實驗結果

2.1 原材料相關數據分析

截取樣品1.0 mm×30 mm×30 mm，用維氏硬度計測量實驗材料維氏硬度，硬度測量值為170 HV～200 HV。

另取樣品1.0 mm×300 mm×300 mm 沿軋制方向進行力學性能測試，實驗材料屈服強度≥250 MPa，抗拉強度≥650 Mpa，延伸率A50≥45%。

2.2 冷軋變形率-硬度曲線

根據不同軋制變形率取得測試樣板，用維氏硬度計測量樣板HV 值，載荷1 000 g，根據測試結果與軋制變形率行程對應關系，擬合出軋制變形率—硬度曲線如圖1 所示。

圖1 軋制變形率-硬度曲線

從圖1 曲線可知，變形率—硬度曲線斜率先增大隨后放緩，實驗材料受變形率影響先大后小。說明在軋制變形率30%以下，材料硬度隨軋制變形率增長較快，隨后至30%以后，實驗材料硬化情況開始變緩，最高硬度可達到500 HV。

而后取各個硬度區間內樣品，沿軋制方向做力學拉伸測試，得出結果如表3 所示。

由表3 可知，冷軋過后的節鎳型奧氏體不銹鋼，強度有所增長，延伸率下降。

又選取張家港浦項SUS304 不銹鋼，在相同軋制變形率下，測試樣品的力學性能，如表4 所示：

由表4 可知，相比于普通的304 材料，由于Ni含量較低的原因，BNDDQ 材料加工硬化速率較快，在相同的軋制變形率下，節鎳型奧氏體不銹鋼的硬度較高，強度稍好，但延伸率與304 差距比較明顯；在35%以上的大軋制變形率下，較304 相比延伸率低的同時強度基本和304 材料保持在同一水平。故生產及使用過程中，在同強度、低延伸要求的情況下，可以替代304 材料，大大節約成本。

表3 不同軋制變形率下的樣品力學性能

表4 SUS304 材料不同軋制變形率下的樣品力學性能

2.3 退火工藝性能分析

2.3.1 退火力學性能

實驗材料經多軋程軋制之后厚度為0.1 mm，采用不同溫度、不同速度下的退火工藝，分別取樣沿軋制方向進行力學測驗，結果如表5 所示。

由表5 可知，高溫及更慢的退火速度，會使實驗材料的強度下降，延伸率提高。溫度越高，延伸率越高，但材料強度大大降低。低溫使得材料延伸率下降，但材料強度得到一定保障。

表5 不同退火工藝下下的樣品力學性能

在生產過程中，應針對不同材料產品使用用途的不同，區別不同節鎳型奧氏體不銹鋼的性能要求，從而靈活調節退火工藝已達到要求。

2.3.2 退火氧化

此外，在退火的實驗過程中，發現了實驗材料1～3 組、6 組，不同程度的表面氧化情況，表面經過氧化后呈淡藍色。該氧化區域的力學性能經測試顯示，延伸和強度均大幅下降，會對后續冷加工環節，造成重大影響，故在實際退火生產過程中，應避免氧化發藍情況。

經過對比發現，退火溫度較低、速度較快會在一定程度上導致氧化的產生，使得實驗材料的力學性能大幅下降。但在退火環節，影響材料氧化的根本原因在于退火時爐內氣氛的情況。

奧地利艾伯納立式連續光亮退火爐，判定爐內氣氛指標為各個區域的露點情況：氫氣供應管線、氮氣供應管線、輻射冷卻器、冷卻區域2、頂輥。

在上述實驗過程中，各個部位的露點情況做出記錄；后采用同樣工藝，加以對露點進行調節改善，退火之后材料未發現氧化發藍情況。具體改善情況如表6 所示。

表6 退火爐各區域露點調節前后變化

由此可知，在節鎳型奧氏體不銹鋼材料退火過程中，由于合金元素較304 不銹鋼產生了一定變化，故材料抗氧化性略有下降，對于退火爐爐內氣氛要求較高，應保證爐內氣氛穩定。

2.4 拉矯對板型平整的影響

對于上述0.076 mm 退火后材料進行拉矯，改善由于冷軋后導致的板型不良，現采取3 種不同方式的拉矯方式拉矯。將樣片寬度方向平均分為7 處測量點，分別測量邊浪及中松情況。分析實驗材料初始板型及拉矯后板型，具體分析結果如圖3 所示。

圖3 不同延伸率拉矯后的板型情況

從圖3 可以看出：設定延伸率0.1%，為延伸率不足，導致板型整體無法得以更好的改善，邊浪、中松均下降但下降幅度不明顯；設定延伸率0.3%，延伸率達到一定值，邊浪及中松均改善較好，仍有少量優化空間；設定延伸率0.5%，邊浪較上述兩種工藝有所下降，但中松由于延伸率過大，反而高于延伸0.3%實驗材料。因此，可得出原始冷軋退火后板型邊浪和中松均較大，而經過拉矯之后，板型有整體性改善。設定延伸率越大，邊浪趨于平整，改善明顯；但延伸率過大會導致板型中松加強，從而致使整板平整度有所反彈。

3 結語

節鎳型奧氏體不銹鋼通過額外元素取代鎳元素，使得其在冷軋生產中，較304 不銹鋼有一定差異，在實際的生產過程中，相應的工藝要按照實驗結果嚴格控制。

（1）冷軋方面，在軋制變形量30%之前，加工硬化速率較快，而后硬化幅度減緩。

（2）在冷軋過后的材料力學性能上，強度較304不銹鋼材料相當，但延伸率有所降低。

（3）退火方面，高溫低速退火，在一定程度上會減少氧化發生，退火后材料延伸率提高，但強度有所下降，應根據使用用途及性能要求進行靈活調整。但嚴格保證爐內氣氛，才是材料不發生氧化的最根本得保證。

（4）拉矯方面，加大設定延伸率會保證材料邊浪有明顯改善，但至一臨界值之后，中松高度反而上升，對改善板型起到反作用，故在拉矯過程中，應優先考慮整板板型情況，根據整板情況適當調節設定延伸率。

綜上所述，對節鎳型奧氏體不銹鋼的冷軋生產工藝有了系統的總結，且在實際生產中起到了良好效果，可以穩定的生產出厚度在0.1 mm 及0.1 mm以下，性能優異的高質量節鎳型奧氏體不銹鋼冷軋帶材，在同強度、低延伸要求的情況下，可以替代304 不銹鋼，節約生產和使用成本。