润滑条件对温轧含磷IF钢组织性能的影响

郭卫民，王作成，刘 胜，王协彬，宋立彬，王 晓

(1.山东大学材料液固结构演变与加工教育部重点实验室，济南250061; 2.山东大学材料科学与工程学院，济南250061)

润滑条件对温轧含磷IF钢组织性能的影响

郭卫民1，2，王作成1，2，刘 胜1，2，王协彬1，2，宋立彬1，2，王 晓1，2

(1.山东大学材料液固结构演变与加工教育部重点实验室，济南250061; 2.山东大学材料科学与工程学院，济南250061)

为研究润滑条件对热轧高强钢板的组织和性能的影响机理，对热轧坯料分别进行了润滑和不润滑两种轧制，并对两种轧制条件下的钢板进行了显微组织观察及力学性能测试.结果表明：润滑条件对铁素体区热轧高强IF钢的屈服强度(σs)、抗拉强度(σb)、总延伸率(η)和n值影响不大，但对r值和Δr值有显著的影响.在未润滑条件下轧制的钢板的r值(0.96)明显低于润滑条件下轧制的钢板的r值(1.27)，|Δr| (0.465)值则明显高于润滑条件下的|Δr|值(0.075).使用润滑轧制可以获得具有优异深冲性能的高强IF钢板.

润滑条件;高强IF钢;铁素体区轧制;r值;深冲性能

汽车用钢要求具有良好的深冲性和成形性，而IF钢因其优异的深冲性能，高r值，高延伸率，高n值和较低的屈强比等性能，被广泛应用于汽车工业［1－5］.随着汽车工业的发展，为了减轻汽车质量节约能源，高强IF钢板的需求越来越大.由于P元素的加入，在提高钢板强度的同时也损伤了深冲性能，因而通过控制轧制参数提高产品性能的方法受到越来越多的关注［6－9］.采用铁素体区热轧工艺可以降低成本，简化工序、节约能源、提高生产效率，使得铁素体区轧制工艺研究成为轧制工艺研究的热点之一.目前，日本、美国、德国比利时等国一些钢铁生产企业已将该技术成功地应用于工业生产中［10］.有研究表明［11］，铁素体区轧制工艺在简化工艺过程，节约成本的同时，还可以有效地提高＜111＞//ND织构的强度.

润滑条件是影响热轧高强IF钢深冲性能的重要工艺参数.高强IF钢在铁素体区热轧时，润滑条件的改变将会引起钢板表层变形模式的改变［12－14］:在润滑条件下，钢板表层的变形模式和钢板中心的变形模式都为压缩变形;而在未润滑条件下，由于轧辊和钢板表面的摩擦产生剪切应力，钢板表层的变形模式由压缩变形转变为剪切变形.钢板厚度方向上不同的变形模式将导致组织和织构的不一致，进而引起钢板性能的变化.因此，研究润滑条件对热轧高强IF钢组织和性能的影响规律，揭示其影响机理对指导实际生产具有重要意义.

本文将以宝钢冶炼的含磷高强IF钢板为研究对象，进行不同润滑条件下的铁素体区热轧，详细研究润滑条件对高强IF钢性能的影响规律，分析不同润滑条件下钢板厚度方向上组织的分布情况.

1 实验

1.1 实验材料

实验材料在宝钢CONSARC500公斤真空感应炉冶炼并浇铸成钢锭，钢锭经锻造后切割成热轧坯料，化学成分见表1.

表1 实验材料的化学成分(质量分数/%)

1.2 工艺过程

将化学成分相同(如表1)的钢坯加热到1050℃保温2 h后，从炉中取出空冷至开轧温度(800℃)，进行铁素体区有/无润滑热轧，轧制的总压下率为90%，终轧温度为680℃，轧后空冷至室温.然后装入真空炉中随炉加热到750℃，保温3 h后随炉冷却，模拟热轧钢板的罩式退火.为了研究润滑条件对热轧高强IF钢组织和性能的影响，在热轧过程中分别采用润滑轧制和无润滑轧制.润滑轧制时，在轧制前将轧辊表面均匀涂抹热轧润滑油，润滑油为高温极压合成润滑脂，由固体润滑油，高温合成剂，无灰无磨损型无机润滑剂组成.热轧实验在二辊可逆式轧机上进行，轧辊直径 300 mm，辊身长度 350 mm，轧辊转速75 rad/min.板坯加热使用碳硅棒加热的电箱式电炉，炉温由温度控制柜来控制.

1.3 力学性能测定

对退火后的钢板进行单向拉伸实验以测量其力学性能.在退火后的钢板上，沿与轧向成0°、45°、90°的方向上取样并加工成标准的拉伸试样，每个方向上加工3片试样进行测量，测量后取其平均值作为该方向上的力学性能，试样力学性能的最终结果按X=(X0+2X45+X90)/4进行计算，Δr的计算公式为Δr=(r0－2r45+r90)/2.其中，r值的测定按国标GB5027－2007进行，n值的测定按国标GB5028－2008进行.

1.4 显微组织观察

本研究中显微组织观察包括金相显微组织观察和微观织构的观察.用Nikon Epiphot300光学显微镜(OM)对热轧板和退火板进行金相显微组织观察，观察面为平行于轧制方向的纵截面(RD－ND);用牛津仪器公司生产的HKL Channel 5 EBSD探头装在Apollo 300扫描电镜上进行显微织构观察.

2 润滑条件对力学性能和组织的影响

2.1 润滑条件对力学性能的影响

表2和图1给出了润滑条件对热轧高强IF钢力学性能的影响.由图1分析可见，润滑条件对屈服强度(σs)、抗拉强度(σb)、总延伸率(η)和n值的影响都很小，但对r值和Δr值的影响很大.如表2所示，开轧温度为800℃时，在润滑轧制条件下，钢板的r为分别为1.14、1.12、1.27，|Δr|分别为0.125、0.125和0.075;而在未润滑条件下，钢板的r不超过1，|Δr|则高达0.465.从图1中可以更清晰地看出，采用润滑轧制的钢板具有更优异的深冲性能(高r值、低|Δr|值)，而未采用润滑轧制的钢板，其深冲性受到了严重损害.

表2 不同润滑条件下热轧高强IF钢的力学性能

图1 润滑条件对热轧高强IF钢力学性能的影响

从图2和图3中可以看出，润滑条件对高强IF钢的强度几乎没有影响，但对r值的影响很大:不润滑时，试验钢的r值仅为0.96左右，采用润滑轧制后r值显著增加，达到1.27.因此，优异的深冲性能需要良好的润滑条件.

图2 不同润滑条件下的真应力-真应变曲线

2.2 润滑条件对显微组织的影响

如图4所示(图中组织距离表面0～1300 μm)，在未润滑热轧条件下，组织沿板厚方向分布不均匀，在距表层0～600 μm为等轴细晶粒，随着距表层距离的增大，组织逐渐过渡为带状的变形组织;在润滑热轧条件下，试验钢板的组织在整个厚度方向上分布均匀，与图 4(a)中700 μm以下的组织相似.

图3 不同润滑条件下的r-真应变关系曲线

图5给出了润滑条件对热轧板中心层组织的影响(图中组织距离表面 1300～1700 μm).由图5可见，润滑和未润滑的热轧板中心层的组织相当，都为扁平状晶粒，在未润滑的钢板组织中存在少量的再结晶颗粒.

图6中组织距离表面约1300～1700 μm.如图6(a)所示，未润滑时，退火后钢板组织仍然存在不均匀性，表层形成细小、均匀的等轴铁素体晶粒.在表层600 μm范围内是均匀等轴的细晶粒层;从边部向心部至距表层约600 μm后，组织逐渐过渡为粗大的等轴铁素体晶粒.表层等轴细小铁素体晶粒的形成是由于钢板表面与轧辊表面的摩擦形成了剪切应力.由图6(b)、(c)、(d)可见，在润滑条件下，退火板的组织在厚度方向上保持了良好的一致性，钢板的表层组织和中心层组织基本相同，都为粗大等轴状的铁素体晶粒.

图4 润滑条件对热轧板表层组织的影响

中心层的组织如图7所示(图中组织距离表面约1300～1700 μm)，润滑和未润滑退火板的组织基本相同，都为粗大等轴状的铁素体晶粒.结合图4～图7可以看出，润滑条件只是对热轧板和退火板表层组织有很大影响，但对中心层的组织几乎没有影响.无论是热轧板还是退火板，中心层的组织在未润滑条件下与在润滑条件下基本相同.

图5 润滑条件对热轧板中心层组织的影响

图6 润滑条件对退火板表层组织的影响

图7 润滑条件对退火板中心层组织的影响

2.3 润滑条件对退火织构的影响

图8为润滑和未润滑两种轧制条件下的钢板表层和心部的φ2=45°ODF截面图.由图8可见，在未润滑条件下，钢板表层的织构类型和强度与中心层显著不同，表层形成了散漫的织构状态，而中心层则形成了极弱的γ－＜111＞//ND纤维织构;在润滑条件下，钢板表层和中心层的织构类型保持了较好的一致性，强度相当，表层和中心层均形成了较强的γ纤维织构.进一步分析发现，在未润滑条件下，退火钢板表层仅存在较强的剪切织构，取向密度约为10，而中心层不存在该剪切织构，其主要织构组分为{111}＜112＞和{554}＜225＞，取向密度约为6.而在润滑条件下，退火钢板的表层和中心层均形成了强烈的{111}＜110＞、{111}＜112＞和{554}＜225＞织构，最强织构组分为{554}＜225＞，取向密度分别达到了6和8.

图8 试验用退火板φ2=45°ODF截面图

由上述分析可以看出，润滑热轧使试验钢退火板沿板厚方向形成均匀分布的、强烈的有利于深冲性能的γ纤维织构，而未润滑热轧将使钢板表层形成{110}＜001＞剪切织构，心部形成极弱的{111}＜112＞及{554}＜225＞有利织构.润滑条件对热轧高强IF钢退火织构的影响规律与其r值由良好润滑条件下的1.27降为未润滑条件下的0.96的变化趋势是相符合的.

3 分析与讨论

从本文的实验结果可以看出，润滑条件对铁素体区热轧高强IF钢的屈服强度、抗拉强度、总延伸率和n值的影响都比较小，但对r值和Δr值有很大影响.未润滑时，由于钢板表面和轧辊表面产生摩擦剪切应力使钢板表层形成细小的等轴晶，导致形成的组织在厚度方向上不均匀.这种组织的不均匀性会严重损害钢板的深冲性能，降低r值、增大|Δr|值.

在未润滑条件下，由于钢板表面与轧辊的摩擦，使钢板表面的变形模式改变，由无摩擦时的纯压缩变形转变为纯剪切变形.在钢板表面一定范围内产生一个强烈的剪切应变区.在剪切应变区内，高的塑性应变能剪切应变区形成了大量的等轴细晶粒，从而使厚度方向上组织不均匀［15］.这种不均匀性保留至退火组织中，形成的主要织构类型是Goss剪切织构，如图8(a)所示.而钢板中心层的组织是粗大的等轴铁素体晶粒，形成了微弱的 γ纤维织构，取向为 ＜111＞//ND，如图8(c)所示.这与已有的相关研究结果是相符合的［14，16］.由以上分析可知，在未润滑热轧条件下，钢板在厚度方向上织构的变化是由表层的＜110＞//ND剪切织构取向过渡到中心层＜111＞//ND取向.这种厚度方向上的取向不均匀性会严重降低钢板的r值同时损害钢板的深冲性能［12］.相反，在润滑热轧条件下，钢板整个厚度方向上的主要变形模式是压缩变形，组织和织构在钢板整个厚度方向分布均匀，组织都是等轴状的铁素体晶粒，主要织构的类型是＜111＞//ND的γ有利织构，如图8(b)、(d)所示.

胡恒法，裴新华认为［17］，钢板组织的均匀性决定了其|Δr|值:组织越均匀，薄板的各向异性越小，|Δr|值越小.由于未润滑热轧条件下高强IF钢的组织存在严重的不均匀性，因而未润滑条件下的|Δr|值明显高于润滑条件下的|Δr|值(图1).未润滑钢板表层与中心层的晶粒尺寸相差非常大，在厚度方向上存在严重的组织不均匀性(图5(a))，因此，未采用润滑处理的热轧高强IF钢板具有很强的各向异性和高的|Δr|值.

此外，如图6(a)所示，钢板中晶粒最细小处并不是在最表层与轧辊的接触面上，而是在距表层约200 μm处.这是因为未润滑条件下热轧钢板剪切应变的峰值出现在距板表面1/10厚度处［14］.

4 结论

1)在本实验范围内，润滑条件对铁素体区热轧高强IF钢的屈服强度、抗拉强度、总延伸率和n值影响不大，但对Δr值和Δr值有显著的影响.润滑轧制使得钢板的Δr值显著提高，而|Δr|值则明显降低.

2)在未润滑热轧条件下，由于轧板表层和心部变形方式不同，热轧板的组织在厚度方向上存在严重的不均匀性，退火后，这种不均匀性依然存在.钢板厚度方向上组织的不均匀性是造成钢板深冲性能变差的本质原因.

3)在润滑热轧条件下，钢板在厚度方向上变形均匀，热轧板和退火板的组织在整个厚度方向上都分布均匀.经热轧、退火后，钢板能获得优异的深冲性能.

［1］于凤云，王轶农，蒋奇武.深冲IF钢再结晶{111}纤维织构形成机制探讨［J］.材料科学与工艺，2008，16 (5):724－727.

［2］王作成，王仲仁，王先进.具有高Δr值的热轧IF钢的试验研究［J］.材料科学与工艺，1997，5(2):129－131.

［3］王昭东，郭艳辉，王国栋.高强Ti－IF钢铁素体区热轧和冷轧过程织构演变规律［J］.材料科学与工艺，2009，17(1):1－6.

［4］ZOU W W，LIU X H，WANG G D.Textures and properties of hot rolled high strength Ti－IF Steels［J］.Journal of Iron and Steel Research，International，2008，15(5):70－76.

［5］康永林.现代汽车板的质量控制与成形状性［M］.北京:冶金工业出版社，1999.

［6］JUNTUNEN P，RAABE D，KARJALAINEN P，et al.Optimizing continuous annealing of interstitial-free steels for improving deep drawability［J］.Metallurgical and Materials Transactions:Physical Metallurgy and Materials Science，2001，32A(8):1989－1995.

［7］TOMITZ Andreas，KASPAR Radko.Deep-drawable thin-gauge hot strip of steel as a substitution for cold strip［J］.ISIJ International，2000，40(9):927－931.

［8］王昭东，郭艳辉，赵东，等.应用铁素体区热轧工艺开发超低碳热轧深冲板［J］.东北大学学报(自然科学版)，2005，26(8):747－752.

［9］ZHAO H，RAMA S C，BARBER G C，et al.Experimental study of deep drawability of hot rolled IF steel［J］.Journal of Materials Processing Technology，2002，128(1－3):73－79.

［10］王昭东，何晓明，赵 昆，等.Ti－IF钢铁素体区热变形行为研究和Zener－Hollomen参数方程的建立［J］.材料科学与工艺，2000，8(4):6－10.

［11］张红梅，刘英义，蒋奇武.变形温度对高强IF钢应力－应变曲线及组织的影响［J］.热加工工艺，2006，35(1):75－77.

［12］王作成，关小军，王先进.润滑条件对热轧IF钢的性能及组织的影响［J］.钢铁，2000，35(11):44－46.

［13］鹿岛康弘.铁素体区轧制时的润滑条件对超低碳钢架Ti冷轧钢板r值及织构的影响［J］.武钢技术，1992，8:59－66.

［14］MATSUOKA S，MORITA M，FURUKIMI O，et al.Effect of lubrication condition on recrystallization texture of Ultra-low C sheet steel hot-rolled in ferrite region［J］.ISIJ International，1998，38(6):633－639.

［15］王先进.超低碳汽车钢板［M］.北京:北京科技大学，1991.

［16］韩福涛.冶金因素对热轧深冲无间隙原子(IF)钢板组织性能影响的研究［D］.济南:山东大学博士论文，2009.

［17］胡恒法，裴新华.热轧薄板冲压性能研究［J］.轧钢，2004，21(3):4－7.

Effects of lubricate condition on microstructure and mechanical properties of ferritic rolled P-added IF steels

GUO Wei-min1，2，WANG Zuo-cheng1，2，LIU Sheng1，2，WANG Xie-bin1，2，SONG Li-bin1，2，WANG Xiao1，2
(1.Key Laboratory for Liquid-Solid Structural Evolution and Processing of Materials(Ministry of Education)，Shandong University，Jinan 250061，China;2.School of Materials Science and Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China)

To figure out the influence mechanism of lubricant condition on microstructures and properties of warm rolled high strength IF steels and guide industrial production further，rollings with or without lubricants were performed，then microstructure observation and mechanical property test were carried out.The results show that:lubrication condition has little effect on yield strength(σs)，tensile strength(σb)，total elongation(η)and n value，but has prominent effect on Δr value and r value.Without lubrication，ferritic rolled steel sheet has lower r value(0.96)than that(1.27)of the steel rolled with good lubrication，and has higher |Δr|value(0.465)than that(0.075)of the steel rolled with good lubrication.Lubricant rolling is applicable to get good deep drawability.

lubricate condition;high strength IF steel;ferritic rolling;r value;deep drawability

TG142.1 文献标志码：A 文章编号：1005－0299(2011)04－0059－05

2010－07－05.

山东省科技厅计划项目(9925).

郭卫民(1984－)，女，博士研究生;

王作成(1965－)，男，教授，博士生导师.

联 系 人：王作成，E-mail:zcwang@sdu.edu.cn.

(编辑 吕雪梅)