成型用全硬態冷軋低碳鋼SPCC產品的開發

王 專，武國棟，楊子瑞

（山東鋼鐵集團日照有限公司，山東 日照 276805）

0 引言

全硬態冷軋鋼卷是由熱軋卷經過酸洗去除表面氧化鐵皮后再進入冷軋機軋制而得，簡稱冷硬卷。由于連續冷變形導致鋼帶內部晶粒沿軋制方向被拉長為纖維狀，晶界模糊不清，所以全硬態冷軋鋼帶有著很高的強度和硬度，但鋼帶的塑性和韌性卻很差，即加工成型性能很差。冷硬卷在性能方面雖不如熱軋卷和冷軋卷，但冷硬卷的表面質量、尺寸精度優于熱軋卷，產品硬度和成本又優于冷軋卷，由于其獨特的特點，所以冷硬產品的用途拓展空間巨大[1]。目前市場上常見的全硬態冷軋低碳鋼SPCC、SPCD 產品，機械性能差，一般是定位于用作退火和鍍鋅深加工的中間品，不能直接用于成型加工。而全硬態冷軋超低碳鋼SPCE、SPCF 等產品，雖然能滿足較為復雜的成型工藝，但原料成本較高，鋼帶板形控制難度也較大。雖然低碳鋼冷硬產品的機械性能不受保證，但隨著成本競爭的加劇，在市場上其用途被不斷拓展。在山東鋼鐵集團日照有限公司（以下簡稱日照公司）低碳鋼冷硬SPCC產品市場推廣過程中，出現過多起用戶反饋鋼帶加工后裂紋或開裂的質量異議。所以開發出能用于較為復雜成型工藝的且具有較低成本的全硬態冷軋低碳鋼產品，是在市場降本增效以及滿足用戶個性化需求形勢下的必然要求。

為此，日照公司對所生產的常規全硬態冷軋低碳鋼SPCC 產品進行了硬度性能檢驗和彎曲成型試驗。本文通過對檢驗和試驗數據的分析，提出了SPCC 產品產生工藝的優化方案，并對優化方案實施后所生產的SPCC 產品實際性能情況進行了總結。

1 常規全硬態冷軋低碳鋼SPCC性能情況

實驗室下對日照公司常規全硬態冷軋低碳鋼SPCC 鋼帶進行了硬度性能檢測和彎曲成型試驗，試驗樣板厚度集中在目前市場上的常用規格0.40mm～1.20mm。全硬態冷軋低碳鋼SPCC 鋼帶硬度情況如表1所示。由表1可以看出，這些SPCC鋼帶的硬度結果分布在92.1HRB～99.0HRB 之間，硬度波動范圍大，而且隨著產品厚度的增加、冷軋壓下量的增大，產品硬度呈現上升的趨勢。

表1 全硬態冷軋低碳鋼SPCC鋼帶硬度情況

通過進一步彎曲試驗顯示，在樣板硬度值超過95HRB 的情況下，常規全硬態冷軋低碳鋼SPCC 鋼帶V 彎試驗結果如圖1所示。由圖1可以看出，彎曲試驗結果不理想。當V 彎角度在90°時，如圖1（a）所示，試樣彎曲處便會出現輕微裂紋；當V 彎角度增加到45°時，如圖1（b）所示，試樣彎曲處輕微裂紋會發展為嚴重裂紋，甚至是直接發生斷裂。這些產品如果客戶應用于90°以上的彎曲成型加工，便會存在巨大的加工開裂風險，造成質量異議事故。所以，一般常規的全硬態冷軋低碳鋼SPCC 產品是無法直接應用于稍微復雜的成型工藝的，如需應用必須對產品生產工藝進行針對性優化。

圖1 全硬態冷軋低碳鋼SPCC鋼帶V彎試驗結果

2 成型用全硬態冷軋低碳鋼SPCC生產工藝優化

2.1 化學成分優化

全硬態冷軋低碳鋼SPCC 中主要強化元素為C、Mn 和極少量Si 元素，C 元素的微量變化對SPCC鋼的力學性能影響極為顯著，C 元素在鋼中可形成間隙式固溶體，亦可形成金屬化合物即滲碳體，隨著C 元素含量的升高，SPCC 鋼的強度和硬度逐漸升高[2]。試驗結果也顯示，強化元素的含量變化對鋼帶的硬度性能和成型性有著顯著影響，在其他工藝相同的情況下，隨著SPCC 鋼帶中C 和Mn 元素含量的增高，鋼帶硬度值會呈現明顯上升趨勢，即全硬態冷軋低碳鋼SPCC 鋼帶成品硬度值與其中固溶強化元素C 和Mn 的含量成正比關系。圖2為全硬態冷軋低碳鋼SPCC 硬度與C 元素含量主效應圖。

圖2 全硬態冷軋低碳鋼SPCC硬度與C元素含量主效應圖

在常規全硬態冷軋低碳鋼SPCC產品的基礎上，通過適當降低鋼帶中C、Mn元素重量占比的成分設計，可以改善全硬態冷軋低碳鋼SPCC 成品的硬度，同時保證產品仍具備較高的強度。全硬態冷軋低碳鋼SPCC產品化學成分設計對比如表2所示。

表2 全硬態冷軋低碳鋼SPCC產品化學成分設計對比

2.2 熱軋卷取溫度優化

低碳帶鋼冷軋后的組織與熱軋基板的組織密切相關，獲得優良的熱軋組織是獲得優良冷軋產品性能的前提條件。國內唐鋼等鋼企也開展過相關實驗研究，發現影響冷硬板性能的主要因素就是原料的性能和冷軋總壓下率[3]。全硬態冷軋低碳鋼SPCC 熱軋基板內部為鐵素體組織，根據最終產品的性能需要，可以通過控軋、控冷技術對SPCC 熱軋基板的鐵素體晶粒大小進行控制。

在熱軋生產工藝中，隨著卷取溫度的升高，帶鋼的強度和晶粒度等級下降，且鐵素體中MnS析出總體尺寸和分布范圍變化不大[4]。因此利用提高熱軋卷取溫度，降低熱軋卷冷卻速率，可以使SPCC 熱軋板在精軋冷卻后形成體積較大的鐵素體晶粒，降低熱軋基板強度，從而改善鋼帶冷軋后硬度。全硬態冷軋低碳鋼SPCC 產品熱軋卷取溫度設計對比如表3所示，不同卷取溫度下SPCC 熱軋基板的金相組織對比如圖3所示。

表3 全硬態冷軋低碳鋼SPCC產品熱軋卷取溫度設計對比

圖3 不同卷取溫度下SPCC熱軋基板的金相組織對比（500×）

2.3 冷軋壓下率優化

全硬態冷軋產品不經過退火處理而直接加工使用，內部組織仍是遺傳了熱軋基板的狀態，條件相同的原料，冷軋壓下率越大，冷硬板的Rm、Rp0.2、HRB 都會明顯增大[4]。隨著冷軋壓下率的增大，鋼帶內部具有變形帶的晶粒數越來越多，尤其是在80%壓下率附近時，晶粒拉長非常嚴重，變形帶也顯得較混亂[5]。為了保證冷軋后仍較大地保留熱軋基料的優良性能，而降低產品硬度，對于成型用冷軋低碳鋼的冷軋壓下率設計要低于常規產品，且盡量低于80%。全硬態冷軋低碳鋼SPCC 產品冷軋總壓下率設計對比如表4所示。

表4 全硬態冷軋低碳鋼SPCC產品冷軋總壓下率設計對比

圖4為不同壓下率下SPCC 鋼帶金相組織對比。由圖4（a）、圖4（b）可以看出，相對于常規大壓下率工藝下的冷硬SPCC 產品，通過降低冷軋總壓下率，冷軋后鋼帶內部晶粒被拉長程度明顯減輕，組織更為均勻，晶界也更加清晰。

圖4 不同壓下率下SPCC冷軋鋼帶金相組織對比（500×）

3 產品實際性能情況

（1）成型用全硬態冷軋低碳鋼SPCC 成品硬度得到明顯改善，表5為成型用全硬態冷軋低碳鋼SPCC產品硬度檢測情況。由表5可以看出，成品硬度有效控制在85HRB～95HRB的預設區間。

表5 成型用全硬態冷軋低碳鋼SPCC產品硬度檢測情況

（2）優化后全硬態冷軋低碳鋼SPCC 產品的加工成型性能得到明顯改善。圖5為成型用全硬態低碳鋼SPCC 產品彎曲試驗結果，由圖5可以看出，試樣在經過45°、30°V彎實驗后，試樣彎曲處狀態良好，僅少部分試樣在30°V 彎后出現輕微裂紋趨勢，能夠適應較復雜的彎曲成型工藝。

圖5 成型用全硬態低碳鋼SPCC產品彎曲試驗結果

（3）產品實際應用情況良好。經方形管、文件柜等加工制造用戶大批量使用驗證，優化后的全硬態冷軋低碳鋼SPCC 產品機械性能能夠滿足彎曲角度在90°以上的較為復雜的彎曲成型加工工藝要求，而且因SPCC 產品自身較高強度和硬度的特點，提高了彎曲成型加工成品的耐磨性和使用壽命。圖6為成型用全硬態冷軋低碳鋼SPCC 產品用戶應用圖示。

圖6 成型用全硬態冷軋低碳鋼SPCC產品用戶應用圖示

4 結語

在對常規全硬態冷軋低碳鋼SPCC 產品性能和成分分析的基礎上，對SPCC 產品的生產工藝進行了優化設計，在此基礎上日照公司成功地開發了成型用全硬態冷軋低碳鋼SPCC 產品，并被下游彎曲成型加工用戶接受認可。

（1）通過生產工藝的優化，如化學成分、熱軋卷取溫度、冷軋壓下率等，全硬態冷軋低碳鋼SPCC 產品的機械性能和成型性能得到明顯改善，使得全硬態冷軋低碳鋼SPCC 產品能夠應用于較為復雜的彎曲成型工藝，產品用途得到豐富和拓展。

（2）當全硬態冷軋低碳鋼SPCC 的表面硬度控制在95HRB 以下時，可以有效控制大角度彎曲變形中裂紋的產生風險和缺陷程度，減少加工開裂質量異議的發生。