CN105414179A - 一种改善铁素体不锈钢板带组织性能的冷轧方法及其分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善铁素体不锈钢板带组织性能的冷轧方法及其分析方法，属于冷轧工艺技术领域，其解决了现有冷轧铁素体不锈钢板带组织性能不高的问题。本发明基于冷轧用坯料的变形抗力模型和材料的热物性参数，围绕实际的冷轧生产过程构建板带冷轧过程的有限元分析模型，在总的压下率一定的情况下，分析不同道次压下率分配制度下板带内部的剪切应力与剪切应变分布，通过计算获得板带内部的剪切应变能分布与变化规律，确定提高板带退火后组织性能的总压下率和压下率分配制度。本发明能准确分析铁素体不锈钢退火板带冷轧工艺参数，以改善铁素体不锈钢退火板带的组织性能，获得具有优良成形性的铁素体不锈钢板带。

Description

一种改善铁素体不锈钢板带组织性能的冷轧方法及其分析方法

技术领域

本发明属于冷轧工艺技术领域，具体地说，涉及一种改善铁素体不锈钢板带组织性能的冷轧方法及其分析方法。

背景技术

冷轧是采用热轧钢卷为原料，经酸洗去除氧化皮后进行冷连轧，其成品为轧硬卷，由于连续冷变形引起的冷作硬化使轧硬卷的强度、硬度上升、韧塑指标下降，因此冲压性能将恶化，只能用于简单变形的零件。冷轧生产的工序一般包括原料准备、酸洗、轧制、脱脂、退火(热处理)、精整等。冷轧以热轧产品为原料，冷轧前原料要先除磷，以保证冷轧产品的表面洁净；轧制是使材料变形的主要工序；脱脂的目的在于去除轧制时附在轧材上的润滑油脂，以免退火时污染钢材表面，对不锈钢也为防止增碳；退火包括中间退火和成品热处理，中间退火是通过再结晶消除冷变形时产生的加工硬化，以恢复材料的塑性及降低金属的变形抗力；成品热处理的目的除了通过再结晶消除硬化外；还在于根据产品的技术要求以获得所需要的组织(如各种织构等)和产品性能(如深冲、电磁性能等)；精整包括检查、剪切、矫直(平整)、打印、分类包装等内容。

冷轧工艺包括可逆式冷轧和连续式冷轧，可逆式冷轧受到板坯长度的限制和头尾损耗的影响，轧机的生产效率和产品的成材率较低；连续式冷轧虽然可实现无头轧制，有利于提高轧机的生产效率和产品的成材率，但依然存在难以提高退火板带组织性能的问题。

中国专利申请号201310064782.0，公开日2014年9月3日的专利申请文件，公开了一种铁素体不锈钢冷轧带钢生产方法，采用常规退火酸洗热轧不锈钢带钢为原料，用单机架往复轧制或多机架串列式轧机无头连续轧制或多辊可逆式轧机轧制，轧制过程辊缝处喷射乳化液或轧制油进行润滑轧制，轧机工作辊表面为个别道次、个别机架或全部道次、全部机架采用表面镀铬工艺的镀铬工作辊。该发明不仅提高轧制过程中轧辊的耐磨性保证轧制过程的稳定性，减少轧制过程轧件打滑现象，减少了由于轧制过程中由于打滑造成的断带事故和其他设备事故，改善和提高铁素体不锈钢轧硬态表面质量，更是极大地提高了不锈钢冷轧换辊后的轧制公里数，减少了换辊次数，降低了轧辊的吨钢消耗和综合生产成本。

中国专利申请号201410281788.8，公开日2014年9月3日的专利申请文件，公开了一种改善铁素体不锈钢表面起皱的冷轧方法。发明涉及的铁素体不锈钢为加入稳定化元素Nb和Ti的含Cr量16％左右，C+N含量≤0.02％的中铬铁素体不锈钢。所述不锈钢板材的制造方法包括如下步骤：1)冶炼、浇铸成坯；2)对铸坯进行热轧退火，并酸洗；3)冷轧及再结晶退火。其特征在于：在冷轧过程中，采用热轧退火板轧面上与热轧方向垂直的方向(即热轧退火板横向)作为冷轧方向，进行多道次轧制。该发明制造的铁素体不锈钢冷轧退火板材的拉伸试样表面皱折形貌明显减轻，其深冲制件表面没有出现皱折。

但上述两份专利申请公开的技术方案均未能解决现有铁素体不锈钢退火板带组织性能较差的问题。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有冷轧铁素体不锈钢板带组织性能不高的问题，本发明提供一种改善铁素体不锈钢板带组织性能的冷轧方法及其分析方法，经过对冷轧工艺的改进，改善了铁素体不锈钢板带的组织性能，获得了具有优良成形性的冷轧铁素体不锈钢板带。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种改善铁素体不锈钢板带组织性能的冷轧方法的分析方法，包括以下步骤：

1)采用圆柱体单轴压缩实验获取应力-应变曲线，并采集待冷轧铁素体不锈钢在室温至300℃温度范围内的应力和应变数据；

2)根据步骤1)中采集获得的温度、应力以及应变数据确定铁素体不锈钢的变形抗力模型，具体步骤为：

a)将步骤1)中采集的温度、应力以及应变数据构建数据库；

b)根据式(1)所示数学模型采用Matlab软件开发程序回归获得待定参数，进而确定铁素体不锈钢的变形抗力模型；

$\mathrm{\σ}={\mathrm{\σ}}_0\exp \[a\left(\frac{T+273}{1000}\right)+b\]\·\[(1+d){\left(\frac{\mathrm{\ϵ}+c}{0.3}\right)}^e-d\left(\frac{\mathrm{\ϵ}+c}{0.3}\right)\]---\left(1\right)$

式中，σ₀是铁素体不锈钢室温下的屈服应力，单位为MPa；T是变形温度，单位为℃；ε是真应变；a、b、c、d、e是待定参数；

3)对铁素体不锈钢板带的冷轧过程进行数值仿真分析；具体步骤为：

a)以有限元分析软件MARC为平台，基于二维弹塑性有限元法构建冷轧过程的数学分析模型；

b)把步骤2)中确定的铁素体不锈钢的变形抗力模型采用Fortran语言编辑并耦合到本步骤a)中构建的数学分析模型中；

c)检测待冷轧铁素体不锈钢的弹性模量、密度、泊松比、比热等热物性参数，输入到本步骤a)中构建的数学分析模型中；

d)输入板坯厚度、轧辊直径、旋转速度和不同道次的压下率、摩擦系数、前后张力，进行五连轧过程的有限元模型构建和数值仿真分析；

4)通过步骤3)中数值仿真分析获得成品板带纵向断面有效节点的剪切应变与剪切应力与时间的变化关系，通过式(2)、(3)计算剪切应变能；

$u_{i12}={\∫}_0^{{\mathrm{\ϵ}}_0}{\mathrm{\σ}}_{i12}{\mathrm{d\ϵ}}_{i12}---\left(2\right)$

$U_{12}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left|u_{i12}\right|---\left(3\right)$

式中，u_i12、σ_i12、ε_i12分别是第i个节点的剪切应变能、剪切应力和剪切应变；U₁₂是n个有效节点的剪切应变能绝对值之和；

5)骤4)中U₁₂最大时不同道次压下率的分配值为改善铁素体不锈钢板带组织性能的冷轧工艺各道次最佳压下率。

优选地，所述的步骤1)中圆柱体单轴压缩实验的应变速率在0.01～0.1s^-1范围内取一个值。

优选地，所述的圆柱体单轴压缩实验设备包括热力模拟试验机，所述的热力模拟试验机所用锤头为镍基高温合金。

优选地，所述的步骤3)中不同道次压下率的分配值以总压下率一定、冷轧过程一道次便于咬入和末道次利于板形控制为原则确定。

优选地，所述的总压下率一定为板坯厚度与成品厚度一定。

优选地，所述的步骤3)中不同道次压下率的分配值以总压下率一定、冷轧过程一道次便于咬入，二道次压下率最高，随后逐渐减少，末道次利于板形控制为原则确定。

优选地，所述的步骤3)中不同道次压下率的分配值以总压下率为70～85％、冷轧过程一道次压下率为20％，二道次压下率最高，随后逐渐减少，末道次压下率15％为原则确定。

一种改善铁素体不锈钢板带组织性能的冷轧方法，包括五道次轧制步骤，所述的五道次的压下率的分配值为：一道次压下率为20％，五道次压下率为15％，二至四道次压下率之比为7：5：4。

优选地，所述的五道次的压下率的分配值根据上述一种改善铁素体不锈钢板带组织性能的冷轧方法的分析方法确定。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的分析方法可以有效判断连续冷轧工艺在何种参数下能够提高铁素体不锈钢板带的组织性能，通过获取能够提高铁素体不锈钢板带组织性能的关键参数，应用于实际生产之中，以制造出具有优良组织性能的铁素体不锈钢板带；

(2)本发明的分析方法考虑到铁素体不锈钢在室温至300℃温度范围内没有发生动态再结晶，实验的应变速率可在0.01～0.1s^-1较小的数值范围内选取，以提高测试精度；

(3)本发明的分析方法中热力模拟试验机所用锤头为镍基高温合金，可以有效防止热力模拟试验机所用锤头发生破坏；

(4)本发明的分析方法中不同道次压下率的分配值以总压下率一定、冷轧过程一道次便于咬入和末道次利于板形控制为原则，以冷轧后获得最大剪切应变能为目的来确定，借助基于弹塑性有限元法的数值仿真技术可以缩小工业实验次数，降低工业实验成本；

(5)本发明的分析方法中不同道次压下率的分配值在总压下率一定的情况下、冷轧过程一道次便于咬入，二道次压下率最高，随后逐渐减少，末道次利于板形控制为原则确定，进一步缩小了数值仿真的工艺参数模拟次数，减少模拟时耗；

(6)本发明的冷轧工艺能够有效生产出具有优良组织性能的铁素体不锈钢板带，其抗皱能力、深冲性能、合金强度都得到明显提高，在实现汽车用钢轻量化、扩展铁素体不锈钢应用领域上意义深远。

附图说明

图1为本发明实施例1中待冷轧铁素体不锈钢的应力-应变曲线；

图2为本发明实施例1中待冷轧铁素体不锈钢基于弹塑性有限元法的数值仿真模型；

图3为利用本发明实施例1中分析方法获得的参数进行冷轧工艺后的铁素体不锈钢板带纵向断面剪切应变等值线图；

图4为采用现有冷轧工艺生产的铁素体不锈钢退火板带纵向断面剪切应变等值线图；

图5为利用本发明实施例1中分析方法获得的参数进行实际冷轧工艺后的铁素体不锈钢退火板带纵向断面的晶粒分布；

图6为采用现有冷轧工艺生产的铁素体不锈钢退火板带纵向断面的晶粒分布。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

一种改善铁素体不锈钢板带组织性能的冷轧方法的分析方法，包括以下步骤：

1)通过圆柱体单轴压缩实验采集待冷轧铁素体不锈钢在室温至300℃温度范围内的应力和应变数据，制作如图1所示应力-应变曲线，考虑到铁素体不锈钢在这个温度范围没有发生动态再结晶，实验的应变速率取0.1s^-1，为了防止热力模拟试验机所用锤头发生破坏，锤头改换成镍基高温合金；

2)根据步骤1)中采集获得的温度、应力以及应变数据确定铁素体不锈钢的变形抗力模型，具体步骤为：

a)将步骤1)中采集的温度、应力以及应变数据构建数据库；

b)根据式(1)所示数学模型采用Matlab软件开发程序回归获得待定参数，进而确定铁素体不锈钢的变形抗力模型；

$\mathrm{\σ}={\mathrm{\σ}}_0\exp \[a\left(\frac{T+273}{1000}\right)+b\]\·\[(1+d){\left(\frac{\mathrm{\ϵ}+c}{0.3}\right)}^e-d\left(\frac{\mathrm{\ϵ}+c}{0.3}\right)\]---\left(1\right)$

式中，σ₀是铁素体不锈钢室温下的屈服应力，单位为MPa；T是变形温度，单位为℃；ε是真应变；a、b、c、d、e是待定参数；

3)对铁素体不锈钢板带的冷轧过程进行数值仿真分析；具体步骤为：

a)基于二维弹塑性有限元法构建冷轧过程的数学分析模型；

b)把步骤2)中确定的铁素体不锈钢的变形抗力模型采用Fortran语言编辑并耦合到本步骤a)中构建的数学分析模型中；

c)检测待冷轧铁素体不锈钢的弹性模量、密度、泊松比、比热等热物性参数，输入到本步骤a)中构建的数学分析模型中；

d)输入板坯厚度、轧辊直径、旋转速度和不同道次的压下率、摩擦系数、前后张力，进行五连轧过程的有限元模型构建和数值仿真分析；其中不同道次压下率的分配值以总压下率一定(即板坯厚度与成品厚度一定)，为70～85％，冷轧过程一道次压下率为20％以便于咬入，二道次压下率最高，随后逐渐减少，末道次压下率15％以便于平整、利于板形控制为原则确定；

4)通过步骤3)中数值仿真分析获得成品板带纵向断面有效节点的剪切应变与剪切应力与时间的变化关系，通过式(2)、(3)计算剪切应变能；

$u_{i12}={\∫}_0^{{\mathrm{\ϵ}}_0}{\mathrm{\σ}}_{i12}{\mathrm{d\ϵ}}_{i12}---\left(2\right)$

$U_{12}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left|u_{i12}\right|---\left(3\right)$

式中，u_i12、σ_i12、ε_i12分别是第i个节点的剪切应变能、剪切应力和剪切应变；U₁₂是n个有效节点的剪切应变能绝对值之和；

5)骤4)中U₁₂最大时不同道次压下率的分配值为改善铁素体不锈钢板带组织性能的冷轧工艺各道次最佳压下率。

一种改善铁素体不锈钢板带组织性能的冷轧方法，以4.5mm板坯连续冷轧1.2mm厚板带为例；包括五道次轧制步骤，所述的五道次的压下率的分配值为：一道次压下率为20％，五道次压下率为15％，二至四道次压下率之比为7：5：4，总压下率为73.33％；该五道次的压下率的分配值根据上述分析方法确定。

本实施例中利用本上述分析方法获得的不同道次压下率最佳分配值后进行冷轧工艺(简称工艺I)获得的铁素体不锈钢板带与一般冷轧工艺(简称工艺II)获得的铁素体不锈钢板带进行组织性能的比较。

按图1所示SUS436L铁素体不锈钢圆柱体单轴压缩实验获取的真实应力-应变曲线，采集应力、应变数据并采用上述分析方法中式(1)经过回归处理获得参数a＝-1.0227、b＝1.2079、c＝0.0105、d＝0.10、e＝0.275；采用图2所示基于弹塑性有限元法的数值仿真模型对表1所示I、II两个工艺下五个道次的冷连轧过程进行数值模拟(图2中1为推板，2为稳定轧制区域用于剪切形变分析的典型节点，3为板带，Uy为板带中间层节点高向位移约束，ω为轧辊角速度)，并获取典型节点的剪切应变、剪切应力(其中I、II两个工艺下板带纵向断面剪切应变等值线图如图3、4所示)，采用式(2)、(3)计算I、II两个工艺板带内部典型节点剪切应变能绝对值之和：U_12I和U_12II，其中U_12I＝223.77＞U_12II＝215.18。

根据本发明分析方法可知，工艺I中不同道次压下率的分配值优于工艺II，为了验证该结果，本实施例按表1所示工艺进行实际冷轧生产，工艺I生产的铁素体不锈钢退火板带纵向断面的晶粒分布如图5所示，工艺Ⅱ生产的铁素体不锈钢退火板带纵向断面的晶粒分布如图6所示，工艺I对应的晶粒度为6.5级、工艺II对应晶粒度为6.0级；工艺I、工艺II对应冷轧退火板的剪切应变能、γ织构强度与其它性能指标如表2所示，表2中，R_p0.2为屈服极限、R_m为强度极限、n为应变硬化指数、r为塑性应变比、K为应变硬化系数、A为延伸率、为平均杯突值、LDR为极限冲压比；工艺I和工艺II对比说明按工艺I连续冷轧板带的剪切应变能明显高于工艺II，与工艺I对应的冷轧退火板带的组织性能明显优于工艺II，这表明上述分析方法在铁素体不锈钢板带组织性能改进的应用中是有效的。

表1冷轧工艺I、II

表2SUS436L铁素体不锈钢力学性能

Claims (9)

1.一种改善铁素体不锈钢板带组织性能的冷轧方法的分析方法，包括以下步骤：

1)采用圆柱体单轴压缩实验获取应力-应变曲线，并采集待冷轧铁素体不锈钢在室温至300℃温度范围内的应力和应变数据；

2)根据步骤1)中采集获得的温度、应力以及应变数据确定铁素体不锈钢的变形抗力模型，具体步骤为：

a)将步骤1)中采集的温度、应力以及应变数据构建数据库；

b)根据式(1)所示数学模型采用Matlab软件开发程序回归获得待定参数，进而确定铁素体不锈钢的变形抗力模型；

$\mathrm{\σ}={\mathrm{\σ}}_0\exp \[a\left(\frac{T+273}{1000}\right)+b\]\·\[(1+d{\left(\frac{\mathrm{\ϵ}+c}{0.3}\right)}^e-d(\frac{\mathrm{\ϵ}+c}{0.3})\]---\left(1\right)$

式中，σ₀是铁素体不锈钢室温下的屈服应力，单位为MPa；T是变形温度，单位为℃；ε是真应变；a、b、c、d、e是待定参数；

3)对铁素体不锈钢板带的冷轧过程进行数值仿真分析；具体步骤为：

a)以有限元分析软件MARC为平台，基于二维弹塑性有限元法构建冷轧过程的数学分析模型；

b)把步骤2)中确定的铁素体不锈钢的变形抗力模型采用Fortran语言编辑并耦合到本步骤a)中构建的数学分析模型中；

c)检测待冷轧铁素体不锈钢的弹性模量、密度、泊松比、比热等热物性参数，输入到本步骤a)中构建的数学分析模型中；

d)输入板坯厚度、轧辊直径、旋转速度和不同道次的压下率、摩擦系数、前后张力，进行五连轧过程的有限元模型构建和数值仿真分析；

4)通过步骤3)中数值仿真分析获得成品板带纵向断面有效节点的剪切应变与剪切应力与时间的变化关系，通过式(2)、(3)计算剪切应变能；

$u_{i12}={\∫}_0^{{\mathrm{\ϵ}}_0}{\mathrm{\σ}}_{i12}{\mathrm{d\ϵ}}_{i12}---\left(2\right)$

$U_{12}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left|u_{i12}\right|---\left(3\right)$

式中，u_i12、σ_i12、ε_i12分别是第i个节点的剪切应变能、剪切应力和剪切应变；U₁₂是n个有效节点的剪切应变能绝对值之和；

5)骤4)中U₁₂最大时不同道次压下率的分配值为改善铁素体不锈钢板带组织性能的冷轧工艺各道次最佳压下率。

2.根据权利要求1所述的一种改善铁素体不锈钢板带组织性能的冷轧方法的分析方法，其特征在于：所述的步骤1)中圆柱体单轴压缩实验的应变速率在0.01～0.1s^-1范围内取一个值。

3.根据权利要求1所述的一种改善铁素体不锈钢板带组织性能的冷轧方法的分析方法，其特征在于：所述的圆柱体单轴压缩实验设备包括热力模拟试验机，所述的热力模拟试验机所用锤头为镍基高温合金。

4.根据权利要求1所述的一种改善铁素体不锈钢板带组织性能的冷轧方法的分析方法，其特征在于：所述的步骤3)中不同道次压下率的分配值以总压下率一定、冷轧过程一道次便于咬入和末道次利于板形控制为原则确定。

5.根据权利要求4所述的一种改善铁素体不锈钢板带组织性能的冷轧方法的分析方法，其特征在于：所述的总压下率一定为板坯厚度与成品厚度一定。

6.根据权利要求4或5所述的一种改善铁素体不锈钢板带组织性能的冷轧方法的分析方法，其特征在于：所述的步骤3)中不同道次压下率的分配值以总压下率一定、冷轧过程一道次便于咬入，二道次压下率最高，随后逐渐减少，末道次利于板形控制为原则确定。

7.根据权利要求6所述的一种改善铁素体不锈钢板带组织性能的冷轧方法的分析方法，其特征在于：所述的步骤3)中不同道次压下率的分配值以总压下率为70～85％、冷轧过程一道次压下率为20％，二道次压下率最高，随后逐渐减少，末道次压下率15％为原则确定。

8.一种改善铁素体不锈钢板带组织性能的冷轧方法，包括五道次轧制步骤，其特征在于：所述的五道次的压下率的分配值为：一道次压下率为20％，五道次压下率为15％，二至四道次压下率之比为7：5：4。

9.根据权利要求8所述的一种改善铁素体不锈钢板带组织性能的冷轧方法，其特征在于：所述的五道次的压下率的分配值根据权利要求1所述的方法确定。