反复弯曲加工细化晶粒技术的开发

近年来，为实现汽车用零部件等材料的轻量化，对钢板的高强度化进行了广泛的研究。作为提高钢板强度的方法有固溶强化和析出强化等，但从减少合金元素的添加量和循环再利用的观点来看，通过晶粒细化提高钢板强度的技术引人关注。
以前，有关采用强加工法细化晶粒的研究有很多，并在棒钢等生产中得到了实际应用。但是，在热轧钢板生产方面，为获得晶粒细化的钢板，采取了以下生产工艺：先在过冷奥氏体（下称）等低温区域中进行大的塑性变形加工，然后马上进行快速冷却。一般说来，采用控制轧制和控制冷却技术能够生产出铁素体（下称）的平均晶粒度在5左右的热轧钢板。尤其是，通过大压下量轧制和快速冷却技术的组合，还能够生产出平均晶粒度在2左右的热轧钢板。但是，如果采用现有的热轧钢板生产设备在低温区域下进行大的塑性变形加工，钢板的尺寸精度会变差，并出现板材表面麻面等缺陷，无法生产出晶粒度在1以下的超细晶粒钢板。
作为能够工业化生产超细晶粒钢板的工艺技术，本研究提出了对热轧后的钢板进行反复弯曲加工的生产工艺，研究了反复弯曲加工细化晶粒的效果。反复弯曲加工与轧制不同，因为它不会减小板的厚度，因此从反复弯曲加工的原理上来说，它可以无限地产生塑性变形，而且对钢板的尺寸精度和表面质量影响小。另外，由于本工艺能够通过轧制加工和弯曲加工这种加工模式产生塑性变形，因此相变时能够生成具有各种结晶方位的晶核，并有望使晶粒的细化变为更加容易。
2实验方法
2.1实验设备
反复弯曲加工装置上下安装了21根直径为50mm的驱动工作辊，分别用组合支承辊进行加固，并在出口侧安装了使板材能够稳定穿过轧机的夹送辊。弯曲加工装置的上下辊在开启状态下待机，当热轧过的钢板顶端从弯曲装置通过时，可通过触发器咬入夹送辊。弯曲加工装置的上辊采用液压压下，由此可对钢板进行反复弯曲加工。
2.2实验方法
试验钢板的化学成分为，C：0.15mass%、Si：0.01mass%、Mn：0.75mass%，钢板尺寸为厚10mm×宽100mm×长120mm。
将试验钢板放在1373-1173K温度下加热30min，然后从加热炉取出，在规定的1323-1073K温度下采用70%的压下率轧制成3mm的板厚，接着在冷却装置内快速冷却到规定的温度后，在该温度下进行反复弯曲加工和空冷。弯曲加工条件为，弯曲加工温度：1193-943K；弯曲辊的辊缝：3-7mm。另外，为便于比较，还进行了在快速冷却至规定温度后不实施反复弯曲加工直接空冷的实验（=0mm）。板材穿过轧机的速度为50m/min。作为反复弯曲加工压下量指标的弯曲辊的辊缝，可根据反复弯曲加工装置上下工作辊夹住钢板的状态，由上工作辊的挤压距离进行确定。
对于反复弯曲加工后的钢板宽度中间部纵向断面，按照板厚方向进行了组织观察。另外，根据各角度观察的组织照片，采用切片法求出晶粒度。本实验是在N=1的情况下进行的，因此无法对再现性进行评价。
3实验结果和研究
3.1弯曲加工温度对晶粒细化的影响
为表明反复弯曲加工温度对钢板晶粒细化的影响，因此在1373K下加热30min，在1323K下进行70%的压下量后，在冷却装置内快速冷却至1193-943K的各种温度，然后在该温度下进行了弯曲辊的辊缝=0mm和=5mm的反复弯曲加工，接着进行空冷的实验。
在三种弯曲加工温度下板厚组织均为含有一部分珠光体的等轴组织。在=0mm的情况下，由于轧制后将钢板快速冷却至弯曲加工温度，直接进行空冷，因此弯曲加工温度越低，晶粒度越小。而在=5mm的情况下，弯曲加工温度在1043K时，最容易获得微细晶粒。当弯曲加工温度为1193K和943K时，几乎看不到弯曲加工对晶粒细化的作用。
为测定本试验钢板的Ar3相变温度，因此在试验钢板的板厚中间埋入热电偶，与前述试验相同，在1373K下加热30min，在1323K下进行70%的轧制后测定钢板空冷时的冷却经热轧的本试验钢板的Ar3相变温度点为1023K左右。在1043K进行弯曲加工时，晶粒的细化效果最好，这一温度相当于相变前的过冷温度区域。相反，在晶粒细化效果最小的1193K进行弯曲加工过程中，由于晶粒的恢复·再结晶，因此应变不能充分保留下来，而在943K进行弯曲加工时，的相变已结束。
也就是说，在反复弯曲加工时，由于加工应变会保留在更低温度中的中，尤其是会保留在发生相变前的过冷中，提高从相变为时的晶核生成力，因此能有效使晶粒细化。
3.2弯曲加工量对晶粒微细化的影响
为表明弯曲加工量对晶粒细化的影响，在1373K加热30分钟，并在1323K下进行70%的轧制后，在冷却装置内快速冷却至1043K后，进行了弯曲辊的辊缝=0、3、5、7mm的反复弯曲加工，然后进行空冷。1043K的反复弯曲加工是一种晶粒细化效果大的过冷区域的加工。
一般说来，在弯曲加工时板厚中间没有发生应变，但在本实验中板厚中间的晶粒也发生的了细化。因此，对反复弯曲加工进行了变形解析，对钢板板厚方向的应变分布进行了评价。
使用ABAQUS/EXPLICIT二维动态正解析法进行变形解析。该解析是一种假设平面应变的解析，可以忽视宽度方向的变形，因此的关系成立。解析条件与实验条件相同，工作辊的直径为50mm，工作辊的中心间距为65mm，板厚为3mm，弯曲辊的辊缝为5mm。但是，由于考虑到变形的半定量评价已足够，因此只对实验设备21根工作辊中的7根进行解析。将相当于实验时夹送辊张力的2.0kgf/mm2的张力施加于钢板，用上工作辊进行挤压后，按照与实验相同的条件，以318.5r/min的速度旋转工作辊，作为把钢板送出旋转方向的解析，并对反复弯曲加工时的钢板应变分布进行了评价。工作辊为刚体。虽然无法对工作辊的环状组合与钢板应变分布影响的关系进行充分的评价，但可以将钢板的应变分布分为板厚方向6要素和纵向3190要素的19140要素。另外，为使解析所得的弯曲负载与实验所得的弯曲负载一致，使用（1）式作为本实验应变速度下的钢板变形阻抗式。
……………………………（1）
另外，关于工作辊和钢板的摩擦系数，为使解析所得的弯曲扭转力矩与实验所得的弯曲扭转力矩相同，因此使用0.4作为摩擦系数。
关于板厚表面和板厚中心的（钢板前进方向的塑性变形）、（垂直方向的塑性变形）、（剪断方向的塑性变形。在这里，为工程学上的剪断变形，用=表示）随时间变化的（等量塑性变形），可以用（2）和（3）式进行计算，通过7根工作辊的反复弯曲加工，板厚表面的应变会按照弯曲变形累积，产生0.34的等量塑性变形。另一方面，在板厚中间也会产生0.06的等量塑性变形。因此，在弯曲加工过程中板厚中间也会产生塑性变形，可以推测这是因为弯曲中性线偏离板厚中心线，剪断变形受到载荷影响所致。
……………………………（2）
……………………………（3）


在7根工作辊的变形解析中，等量塑性变形增加了6次。此次解析中通过在工作辊两端以外的4次等量塑性变形增量的平均值和18相乘后（21根工作辊变形过程中的两端以外的变形增量次数）的积中加上两端的等量塑性变形增量，再换算为21根工作辊的等量塑性变形。由于晶粒度和等量塑性变形量基本成直线关系，由此可以推测即使对板厚中间进行弯曲加工，通过导入以剪断应变为主的塑性变形，也可以使晶粒细化。
3.3轧制温度的影响
在热轧后所得的晶粒度为10左右的情况下，实施弯曲加工可以获得5左右的晶粒。为使热轧后的晶粒更加细化，进行了更加低温下的轧制实验。在1373～1173K下将试验钢板加热30分钟，在1323～1073K下进行70％轧制后，在冷却装置内快速冷却至1043K后，进行了弯曲辊的辊缝＝0mm和5mm的反复弯曲加工，然后进行空冷。由于加热温度和热轧温度不同，Ar3点会发生变化，但在本实验中根据加热温度1373K，轧制温度1323K时的Ar3点为1023K的情况，设定弯曲加工温度为1043K。
由于轧制温度低，因此能使没有实施弯曲加工情况下的晶粒细化。实施弯曲加工能使晶粒进一步细化。在热轧后的表层晶粒度为4.2的情况下，实施反复弯曲加工，可以得到2.2的细晶粒。
4结语
为使钢板的晶粒细化，提出了对热轧后的钢板进行反复弯曲加工的生产工艺，对晶粒细化的机理进行了研究，明确了以下几点。
1）对轧制后的钢板进行反复弯曲加工，可以使晶粒细化。此时，在过冷区域进行弯曲加工，晶粒细化的效果好。另外，随着弯曲加工量的增大，可以使晶粒细化。
2）在低温轧制和在过冷区域进行反复弯曲加工，可以使单纯成分钢板表层的晶粒度细化至2左右。
3）变形解析结果表明，反复弯曲加工可以使板厚中间产生以剪断为主的塑性变形。这与反复弯曲加工后板厚中间晶粒也能细化的实验结果一致。
4）明确了热轧后的反复弯曲加工工艺具有使晶粒细化的效果。通过热轧阶段晶粒的进一步细化，反复弯曲加工后产生的塑性变形量的增大和加工后冷却的优化，可以生产出晶粒度在1以下的钢板。（廖建国）


表1 实验装置的技术参数
设备
技术参数

加热炉
最大温度：1373

轧机
工作辊：φ340mm×300mm 2Hi
最大载荷：3000kN
最大轧制速度：50m/min
电机功率：220kW

冷却装置
最大冷却水流量：1.5m3/min

反复弯曲装置
工作辊：φ50mm×250mm 21根辊
最大载荷：800kN
最大前行速度：67m/min
电机功率：180kW