卷取后冷卻工藝對含磷鋼表面質量和性能的影響

張亮亮 于 洋 王 林 李曉軍 肖茂元 馬 壯

(1.首鋼集團有限公司 技術研究院京唐技術中心，北京 100043； 2.首鋼集團有限公司 技術研究院薄板研究所，北京 100043；3.首鋼綠色可循環鋼鐵流程北京市重點實驗室，北京 100043； 4. 首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063200)

卷取是生產熱軋板卷的最后一道工序，是將精軋的帶鋼卷成鋼卷。由于卷取后通常都在空氣中自然冷卻即空冷，鋼卷冷卻至室溫的時間過長，易產生多種質量問題。某鋼廠在生產含磷高強鋼卷時，鋼卷酸洗后不僅表面質量不佳，還發生了沖壓開裂情況。有研究[1]發現，含P鋼中的P元素易在晶界和鋼板表面偏聚，導致晶界脆化，影響含P鋼的沖壓性能，還可能對含P鋼酸洗后的表面質量產生不良影響。由于含P熱軋鋼卷取后溫度仍較高，一般為710～730 ℃，且空冷速率較低，合金元素易發生偏聚。

目前，熱軋鋼卷取后快速冷卻得到了廣泛應用[2]，就是將卷取后的鋼卷浸入水槽即水冷，能使鋼卷很快冷卻到300 ℃以下，大大縮短了鋼卷的冷卻時間，不僅可以改善表面氧化鐵皮的形態，還能降低合金元素的活度系數，減少合金元素的偏聚，使鋼卷的性能發生變化。為獲得更好的鋼卷表面質量和更穩定的性能，本文研究了卷取后空冷和水冷對含P鋼卷表面氧化鐵皮和鋼卷性能的影響，以期對含P鋼卷的表面質量和沖壓性能的改善提供新的思路和方法。

1 試驗材料及方法

試驗用含P鋼的化學成分如表1所示。生產工藝為：鋼坯在1 200～1 250 ℃始軋，890～920 ℃終軋；隨后在710～730 ℃卷取，卷取后分別空冷和水冷，水冷的示意圖如圖1所示。

表1 含磷鋼的化學成分(質量分數)

圖1 熱軋鋼卷卷取后浸入冷卻水槽的示意圖

采用鉬絲切割法切取金相和拉伸試樣，金相試樣采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕；采用蔡司EVO18型掃描電子顯微鏡觀察氧化鐵皮形貌，采用Leica DM2500型光學顯微鏡觀察顯微組織，采用電子探針顯微分析儀檢測成分偏聚，按GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》在Instron拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗。

2 試驗結果和討論

2.1 卷取后冷卻工藝對氧化鐵皮的影響

卷取后空冷的鋼卷表面氧化鐵皮平均厚度達15 μm，而水冷的鋼卷氧化鐵皮的厚度約為空冷的1/2，為7 μm，如圖2所示。卷取后空冷的鋼卷氧化鐵皮較致密，有少量橫向裂紋，由于冷速較小，鋼卷的FeO共析反應充分，生成了大量菊花狀共析產物，如圖2(a)所示；水冷鋼卷的氧化鐵皮有較多的灰白色塊狀物，根據有關文獻的研究結果[3]推測是FeO，氧化鐵皮多孔疏松，有大量貫穿性微裂紋。這是由于FeO是氯化鈉型離子晶體，有很多氧原子空位，具有最大空隙率，易形成孔洞和裂紋，如圖2(b)所示。

圖2 卷取后空冷(a)和水冷(b)的鋼卷氧化鐵皮的微觀形貌

氧化鐵皮的物相組成顯著影響鋼卷的酸洗質量。理論上，氧化鐵皮一般由2～3種成分不同的氧化物組成，從內到外分別為FeO、Fe3O4、Fe2O3。采用X射線衍射分析了卷取后空冷和水冷的鋼卷氧化鐵皮的結構，如表2所示，空冷的鋼卷氧化鐵皮中Fe2O3質量分數較高，FeO很少，其質量分數僅為3%。這是由于含P鋼的卷取溫度約為720 ℃，空冷時高溫停留的時間較長，FeO大量分解，生成大量先共析Fe3O4及共析Fe3O4+Fe，因此FeO很少；水冷的鋼卷FeO的共析分解反應受到抑制，氧化鐵皮中FeO得以保留，其質量分數增加至10%以上，這與圖2所示的水冷鋼卷有更多灰白色塊狀FeO相吻合。

表2 卷取后空冷和水冷的鋼卷氧化鐵皮的物相組成(質量分數)

總之，熱軋鋼卷卷取后水冷，既減薄了氧化鐵皮的厚度，又增加了FeO含量，改變了氧化物相組成，從而可提高熱軋鋼卷的酸洗質量。

另外，如果鋼中含有Mn、Si和P等合金元素，這些元素也會參與氧化鐵皮的反應，在鋼與氧化鐵皮的界面富集后形成復雜的氧化物[4- 6]。對于含P鋼，由于卷取后溫度較高，空冷較為緩慢，P等合金元素的活度系數仍較大，為元素偏聚提供了熱力學條件，因此檢測了卷取后空冷和水冷的鋼卷與氧化鐵皮界面的合金元素含量。空冷鋼卷基體與氧化鐵皮界面的P質量分數達到了2.35%，如圖3和表3所示；水冷鋼卷基體與氧化鐵皮界面的P質量分數明顯降低，僅為0.33%，如圖4和表4所示。卷取后水冷的鋼卷基體與氧化鐵皮界面P等元素的氧化物的減少能進一步改善熱軋鋼卷的酸洗質量。

表3 卷取后空冷的鋼卷氧化鐵皮與基體界面的能譜分析(質量分數)

表4 卷取后水冷的鋼卷氧化鐵皮與基體界面的能譜分析(質量分數)

圖3 卷取后空冷的鋼卷氧化鐵皮與基體界面的微觀形貌

圖4 卷取后水冷的鋼卷氧化鐵皮與基體界面的微觀形貌

2.2 卷取后冷卻工藝對顯微組織的影響

卷取后用兩種工藝冷卻的熱軋鋼卷的顯微組織如圖5所示。結果表明，兩種工藝冷卻的鋼卷的平均晶粒尺寸均為10～20 μm。這說明鋼卷卷取后晶粒長大的驅動力不足，但由于兩種冷卻工藝的冷速有差異，析出物仍可能有變化。進一步觀察了卷取后不同工藝冷卻的鋼卷析出物的形貌，如圖6所示。卷取后空冷和水冷的鋼卷析出物均為FeTiP和TiC相，且TiC的數量和尺寸相差不大，TiC的尺寸均為10～30 nm。不同的是，卷取后空冷的鋼卷FeTiP相的尺寸為100～200 nm，呈不規則蠕蟲狀，且數量較多；而水冷的鋼卷FeTiP相的粗化受到抑制，尺寸為50～100 nm，更加圓潤，呈橢圓形，數量減少了40%～50%。由于FeTiP相是脆性相[7- 8]，其析出會抑制鋼中的有利織構，不利于深沖性能，因此卷取后應水冷以改善熱軋板卷FeTiP相的形貌和尺寸，并減少其數量，改善鋼卷的沖壓變形性能。

圖5 卷取后空冷(a)和水冷(b)的鋼卷晶粒

圖6 卷取后空冷(a)和水冷(b)的鋼卷中析出物

2.3 卷取后冷卻工藝對力學性能的影響

卷取后空冷和水冷的鋼卷的力學性能如表5所示。用于檢測力學性能的試樣均取自實際生產的含P鋼卷，水冷鋼卷的屈服強度比空冷鋼卷的高20 MPa左右，斷后伸長率也提高了3%～5%，卷取后水冷可降低鋼卷的沖壓開裂率。

表5 卷取后空冷和水冷的鋼卷力學性能

據文獻[9- 11]報道，P等元素偏聚不僅影響鋼的表面質量，也會惡化其力學性能。為了進一步探究P偏聚對鋼塑性的影響，采用電子探針顯微分析儀研究了卷取后空冷和水冷的鋼卷P、Si等元素在晶界的偏聚。結合線掃描能譜分析結果，卷取后空冷的鋼卷晶界P的相對質量分數為0.085%，Si的相對質量分數達0.120%，Si和P均發生了偏聚，如圖7所示；卷取后水冷的鋼卷無P元素在晶界偏聚，晶界Si元素的相對質量分數也較低為0.090%，如圖8所示。這表明卷取后水冷可使鋼卷富集于晶界的P和Si元素含量明顯減少，對改善鋼的沖壓成形性能十分有利。

圖7 卷取后空冷的鋼卷掃描區域(a)的P(b)和Si(c)元素在晶界的偏聚

圖8 卷取后水冷的鋼卷掃描區域(a)的P(b)和Si(c)元素在晶界的偏聚

3 結論

(1)卷取后空冷的含P鋼卷氧化鐵皮的平均厚度達15 μm，較致密，有少量橫向裂紋；卷取后水冷的含P鋼卷的氧化鐵皮厚度約為7 μm，有較多的灰白色塊狀物，多孔疏松，還有大量貫穿性微裂紋。

(2)卷取后空冷和水冷的含P鋼卷氧化鐵皮的物相均為FeO、Fe3O4、Fe2O3。空冷鋼卷的氧化鐵皮中Fe2O3質量分數較高，FeO質量分數僅為3%；水冷使FeO得以保留，質量分數提高到了10%以上，同時富集于氧化鐵皮與基體界面的P元素減少，其質量分數從2.35%降低到了0.33%以下，有利于改善熱軋鋼卷的酸洗質量。

(3)卷取后水冷的含P鋼卷FeTiP析出相從不規則蠕蟲狀轉變為橢圓形，尺寸從100～200 nm減小至80～100 nm，且析出物數量減少了40%～50%。

(4)卷取后水冷的含P鋼卷斷后伸長率提高了3%～5%，且無P元素在晶界偏聚，有利于改善鋼卷的沖壓成形性能。