高強度熱鍍鋅結構鋼SGC570的退火工藝

李 鵬， 李人杰， 楊 雄， 黃 利

(1. 內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司技術中心， 內蒙古 包頭 014010；2. 內蒙古包鋼(集團)有限責任公司， 內蒙古 包頭 014010)

隨著國民經濟的快速發展和產業結構的不斷優化調整，人們的節能環保意識逐漸增強，高強度鍍鋅板由于其具有自重輕、強度高、造價低、施工快、污染少、防風抗震性能好等特點，作為高附加值鋼鐵產品，廣泛應用于建筑、輕工、汽車、農牧等行業，產品具有耐腐蝕性強、表面質量好、利于深加工、經濟適用等特點[1-2]。傳統的高強度鋼板可分為TF、BH、HSLA以及C-Mn高強鋼板，本文所研究的C-Mn高強度鍍鋅結構鋼板相對于其他高強度鋼板具有易生產、成本低等優點，市場調研發現對熱鍍鋅板需求量最大的建筑行業用戶，需要通過高強度熱鍍鋅結構板提高結構件的強度，減輕質量，降低成本[3]。SGC570鋼產品是目前所有鍍鋅產品中強度級別最高的結構鋼，是一種典型的低成本高效益產品，經過退火處理后不僅能夠消除冷軋過程中產生的部分加工硬化，而且還可以改善冷軋鋼帶的顯微組織和力學性能[4]。本文針對SGC570鋼產品高強度的特點結合成本控制要求，設計合理的化學成分體系，配合最佳的鍍鋅退火工藝，運用材料的加工硬化效應，采用不完全再結晶退火的方式通過實驗室模擬退火試驗、工業化小批量試制對SGC570鋼的退火工藝進行研究，生產出滿足客戶需求的高品質鍍鋅產品。

1 產品技術要求

SGC570鋼作為高強度熱鍍鋅結構用鋼，主要用于各類支撐件、加強件、建筑鋼結構等。JIS G3302《熱鍍鋅鋼板和鋼帶》對SGC570鋼的化學成分及力學性能要求如表1和表2 所示。

表1 SGC570鋼的化學成分技術要求(質量分數，%)

表2 SGC570鋼的力學性能技術要求

2 工藝路線

針對SGC570鋼的產品要求，不僅需要力學性能滿足標準要求，而且還要根據當前的工藝裝備技術水平保證低成本投入高效益產出，最終確定以C-Mn成分體系為設計基礎，通過控制冷軋后冷硬鋼帶熱鍍鋅過程中連續退火溫度，從而保證強度的提高。

生產工藝路線為轉爐冶煉→LF爐精煉→2250 mm熱連軋機組→2030 mm酸洗冷軋機組→連續退火熱鍍鋅機組→成品。主要工藝參數見表3。

表3 SGC570鋼的主要生產工藝參數

熱連軋溫度制度執行“兩低一高”工藝制度，由于低溫加熱可減少AlN等二相粒子固溶，加熱溫度控制在1180 ℃左右；低溫終軋可通過控制回復與再結晶程度進而提高材料的強度，終軋溫度控制在870 ℃左右；高溫卷取通過充分析出Fe3C和AlN進而提高材料性能，卷取溫度設定高于640 ℃；冷軋壓下工藝采取大變形量，冷軋壓下率不低于70%，因為高的冷軋壓下率增加了鋼中的儲存能，有利于鋼更快地完成再結晶，獲得均勻的再結晶織構，提高材料的性能[5]。

3 模擬退火試驗

通常情況下，為使熱鍍鋅鋼帶具有良好的性能，就熱鍍鋅工藝而言，主要通過建立適宜的退火溫度和嚴格工藝管理制度加以實現[6]。為了確定SGC570鋼的最佳連續退火工藝，在工業化小批量試制前進行了模擬退火試驗，并且在退火完成后進行了拉伸性能檢測、硬度檢驗以及顯微組織分析。

3.1 試驗方案

SGC570鋼的熱模擬連續退火工藝示意圖如圖1所示，其中OA段為加熱階段，AB段為保溫階段，BC段為緩冷段，CD段為快冷段，DE段為鋅鍋內鍍鋅段，EF段為出鋅鍋后溫度變化。在實驗室用AS-300Ⅲ模擬退火試驗機對熱鍍鋅生產線實際連續退火過程進行模擬試驗。根據熱鍍鋅結構鋼產品的實際生產經驗，設定熱模擬連續退火溫度依次為520、530、540、550、560、580、600、620、640、660 ℃，結合熱鍍鋅機組實際退火能力，爐區速度控制在90 m/min，當溫度達到所設定溫度后保溫120 s，緩冷卻至490 ℃，隨即快冷至465 ℃，并模擬實際連續退火生產線460 ℃在鋅鍋內保溫90 s，試驗結束后對不同溫度退火后的試樣進行力學性能檢測以及顯微組織分析。按照日標JIS G3302，制作拉伸試驗標準試樣，試樣長度方向與軋制方向平行。

圖1 熱模擬連續退火工藝示意圖

3.2 試驗結果及分析

3.2.1 拉伸性能

不同溫度退火后試樣的拉伸性能如表4所示。

表4 不同溫度熱模擬連續退火試樣的拉伸性能

3.2.2 硬度

試樣經不同溫度熱模擬連續退火后分別檢測其硬度值，并繪制出硬度與退火溫度的關系曲線，如圖2所示。

圖2 試樣硬度與熱模擬連續退火溫度的關系曲線

模擬退火完成后進行標準金相試樣制備→鑲嵌→研磨→拋光→侵蝕(體積分數4%的硝酸酒精溶液)，并在光學顯微鏡下觀察試樣在各退火溫度下的顯微組織，如圖3 所示。退火溫度的穩定控制是保證產品獲得良好性能及質量的關鍵[7]。退火溫度在520 ℃時，鐵素體晶粒變形嚴重，鋼帶的顯微組織為拉長的纖維狀，無再結晶跡象，顯微組織如圖3(a)所示，此時鋼帶屈服強度無數值、抗拉強度偏高、伸長率較低，不滿足要求；550 ℃退火后，試樣中纖維狀組織原來平直的晶界發生了扭轉彎曲，說明已經發生回復，并開始出現個別再結晶小晶粒，但晶粒并未長大，如圖3(b)所示，鋼帶力學性能各數值余量均適中，滿足標準要求；隨著退火溫度的進一步升高，560 ℃時變形的纖維狀組織幾乎消失，再結晶體積分數提高，晶粒進一步長大；580 ℃ 時纖維狀組織完全消失，出現了等軸狀鐵素體晶粒，晶界清晰，說明再結晶過程完成，如圖3(d)所示；但560～580 ℃退火后鋼帶的力學性能顯著降低，已不能滿足標準要求。

圖3 不同熱模擬連續退火溫度下試樣的顯微組織

通過表4中拉伸性能數據可知，隨著退火溫度升高，試樣的強度降低，伸長率升高，當退火溫度設定為530～550 ℃時，試樣的屈服強度、抗拉強度和伸長率均滿足標準要求；當退火溫度高于550 ℃時，試樣的屈服強度逐漸降低且不能滿足標準要求。將試樣原始硬度和完全軟化后的硬度差定義為100%，定義材料再結晶的結晶溫度為硬度降低為50%時的溫度[8]。根據模擬退火試驗的結果可知，SGC570鋼帶試樣的再結晶溫度為550 ℃，為了達到標準要求的高強度，需以不完全再結晶退火方式保留基板部分加工硬化組織的方法，即略低于再結晶溫度進行退火，從而提高屈服強度，因此可避免使用其它昂貴的金屬元素，降低生產成本，有利于市場推廣應用[9]。綜上所述，SGC570鋼帶的退火溫度設定在530～540 ℃為宜。

4 工業試生產鍍鋅退火工藝的優化

鍍鋅退火工藝決定了產品最終的性能[7]。為實現低合金成分下屈服強度達到560 MPa，退火工藝設計需以不完全再結晶或未再結晶退火的工藝來完成[10]。鋼帶在再結晶溫度以下退火的目的主要是為了保留較高密度位錯，通過位錯強化的方式使鋼帶的屈服強度達到560 MPa，同時使鋼帶發生高溫回復，去除高能態非平衡內應力，使鋼帶具備一定的形變能力。結合實驗室模擬退火試驗結果，設計SGC570鋼帶的工業化小批量試制連續退火方案，并開展工業化試制，連續退火關鍵工藝參數見表5。

表5 SGC570鋼帶的工業化試制連續退火關鍵工藝參數

針對以上3種方案的成品進行相應的力學性能檢測分析，如表6所示。同時分析每種方案成品的顯微組織，如圖4所示。

圖4 不同加熱溫度下工業試生產SGC570鋼帶的顯微組織

表6 工業試生產SGC570鋼帶的力學性能

根據工業試制結果可知：①方案1生產的鋼帶為軋硬態纖維狀鐵素體組織，符合SGC570鋼的組織要求，但力學性能檢測結果說明無屈服強度、抗拉強度偏高、伸長率偏低，不滿足標準要求，故加熱均熱溫度設定為510 ℃的工藝方案1不可行。②方案2生產的鋼帶產品退火后顯微組織仍為纖維狀鐵素體組織，此時出現較為明顯的晶界，處于回復階段，力學性能綜合檢測結果表明各項指標余量適中，滿足設計要求。③隨著加熱溫度進一步升高，按照方案3退火后的鋼帶顯微組織已開始發生再結晶，晶界清晰可見，晶粒明顯長大。通過力學性能檢測可知屈服強度顯著降低，已經不能滿足標準要求，這是由于再結晶導致了材料力學性能的退化[11]。SGC570鋼產品的高強度性能是通過保留大部分原始纖維組織來實現，退火溫度控制產品獲得不完全再結晶組織的程度，因此退火溫度的控制精度尤為重要[7]。

產品性能的優劣決定了產品進一步的加工使用效果，通過走訪用戶了解到，客戶對該產品的使用要求除了具備高強度外還需要伸長率至少達到8%。通過對多次現場實際生產試制的工藝參數和產品性能之間的關系進行總結分析，得出SGC570鋼帶產品連續退火最佳加熱均熱溫度為530 ℃。綜上所述，按照方案2生產的鋼帶產品既符合標準要求又滿足客戶需求。

5 應用情況

目前，高強度熱鍍鋅結構鋼SGC570產品已進入批量生產階段，實際生產厚度規格為0.8～2.3 mm，寬度規格為1000～1600 mm，依照本文提供的退火工藝生產的SGC570鋼帶產品各項性能指標及表面質量均符合相關技術要求。目前已通過某建筑企業試用和出口國外用于蔬菜大棚支架，經用戶試用后反饋良好，滿足使用需求。

6 結論

1) 根據模擬連續退火試驗得到SGC570鋼帶試樣的再結晶溫度為550 ℃，最佳退火溫度為530～540 ℃。

2) 通過工業化試制總結出SGC570鋼的加熱均熱溫度為530 ℃時最終產品的各項性能指標最好，同時滿足JIS G3302標準要求和客戶使用需求。