采用薄带连铸工艺生产高锰TWIP钢的研究

　　本文研究了高锰TWIP钢薄板的生产和深加工。尽管高锰TWIP钢薄板有优异的力学性能，但是，其在铸造和随后热轧中的难度使得生产该钢的成本非常昂贵，从而阻碍了这种钢的广泛使用。薄带连铸是一种替代的生产工艺，可用来生产接近最终尺寸的高锰TWIP钢热轧钢带。为了对比两种不同工艺路径生产的钢带性能，在实验室采用了薄带连铸工艺和传统热成形路线生产了X30Mn29钢带。结果表明，用这两种工艺生产高锰钢是可行的。两种工艺生产的高锰钢的差别在于其显微组织结构和元素分布。采用压缩实验分析带钢的力学性能，两种材料在60%延伸率时都表现出明显的超过1500MPa的流动应力。冷轧实验时，薄带连铸材料在70%压下时产生边部裂纹，这是由于显微组织的不均匀性所致，而热轧材料则没有表现出裂纹迹象，这说明薄带连铸带材在冷轧前需要进行进一步的热处理。

　　1概述

　　最近，钢铁研究人员经过努力研发出一类特别的、有强度和可成形性组合的高锰钢种，这一研究使得人们对该类钢在汽车上的应用表现出极大的兴趣。由于这类钢具有高的强度，因此可以减轻车重，而其表现出的高延展性允许汽车有更复杂的设计。近来，对这类成分略有不同但性能相似的高锰TWIP钢的研究比较多，主要集中于组织和孪生对力学性能的影响。

　　在汽车上采用高强高锰钢之前，生产和深加工为冷带是这类钢研究的一个兴趣点。高强高锰钢的生产在铸造过程中表现出各种困难，如微观偏析和活性渣对耐火材料的侵蚀，以及在随后的处理过程中，必须设计高温处理工序以消除铸件的偏析，并且在热轧和冷轧中需要努力提高强度。除了通过连铸或者模铸等传统生产工艺生产外，这类高合金钢也可以采用近终形生产工艺生产。这种薄带连铸生产方法可以生产厚度小于5mm的热轧带钢铸带。

　　双辊薄带连铸的特点是铸造速度高，并且带钢厚度薄，液态金属在小于0.5s的时间内凝固为金属薄带。铸带的后序加工处理过程比传统连铸工艺路线简单得多。其二次加工阶段的加工次数减少到最低限度，节约了大量能量并大大减少了温室气体排放。然而，与传统连铸生产工艺路线相比，这种工艺路线几乎没有什么机会去影响铸带的显微组织以改善材料性能。

　　当前的文献中，有许多关于高锰钢薄带连铸的文章。例如，一些研究人员研究分析过超过20%Mn含量的TWIP钢的显微组织和力学性能。这些研究人员也指出，由于快速凝固，铸坯形成了良好的铸态组织和微米级的偏析。因此，可以大大减少偏析问题。薄带连铸生产流程非常短，应该尽可能减小所生产的钢带的范围。此外，还对比了薄带连铸和传统热成形路线生产的高锰钢X60Mn22。传统热成形路线由模铸、锻造、退火和热轧工序组成。阐明了这两种工艺路线生产的高锰钢的显微组织和流动行为的差异。在此，应该特别提到铸态组织的微观偏析，采用热成形工艺路线可能将这种微观偏析最小化。然而，在文献中，研究人员没有很好地开发高锰钢的薄带连铸过程，且没有取得一个稳定的工艺过程。困难在于耐火材料和高锰钢接触发生熔融并且生产出的铸带边缘不理想。通过对比研究，本文解决了这些问题并且获得了一个稳定的工艺过程。

　　本文研究工作的目的是详细对比两种不同实验室生产线生产的高锰钢带的性能。一种实验室生产线为传统的工艺路线，从铸锭开始，然后进行铸锭加热均质化、热成形、冷轧；另一种为薄带连铸的创新工艺路线。已经开发了两种工艺路线以稳定的过程来生产高达30%Mn含量的高锰钢。并对这两种工艺路线生产的热轧带钢和铸带进行了检测，且对它们的显微组织和塑性流动行为进行了对比分析。特别是由于高锰钢凝固过程中的高偏析倾向引起的微观偏析对力学性能和深加工的影响。这样可以对比两种截然不同的生产路线生产的高锰钢带以及将其进一步加工的冷轧钢带。

　　2材料化学成分

　　本研究采用的钢为X30Mn29，该钢是一种室温下有TWIP行为的高锰钢，其堆垛层错能为27mJ/m2。从不同角度分析了该钢轧制过程中的行为特征。Wietbrock等人研究过该钢的热轧过程，并且最近Haase等人研究了该钢冷轧过程的织构演变。

　　由于钢锭和薄带连铸用的钢水是在不同的实验室采用不同的设备生产的，所以它们的化学成分有细微的差别，详见表1。

                表1 薄带连铸和热成形工艺生产的X30Mn29钢的化学成分           wt%

　　3实验内容

　　3.1热轧成形路线

　　传统热轧成形路线的目的是在实验室复制工业生产过程生产的最终产品。鉴于此目的，实验室的生产工艺包括真空感应冶炼、锻造、退火和热轧，具体如图1所示。采用亚琛工业大学钢铁冶金系（IEHK）的真空感应炉冶炼100kg X30Mn29铸锭。

　　为了减少先前报道的微观偏析的影响并制备热轧试样，采用了均质化热处理，具体包括，加热到1150℃进行锻造，锻造3次，然后在1150℃退火5h。经过这些处理过程后，铸锭厚度从140mm减少为55mm。

　　最后一步，均质化后的试样经过12道次热轧，厚度从55mm热轧到2、3mm，轧制时每轧3道次后将试样重新加热至初始温度。用高压水清除退火和再加热产生的氧化铁皮。最后一道次轧制后，试样空冷至室温。

　　3.2薄带连铸

　　亚琛工业大学金属成形研究所（IBF）有一套实验室规模的薄带连铸系统，其示意图如图2所示。在这套立式双辊连铸系统中，工业化生产薄带连铸设备的所有部件均有配置。可以覆盖从冶炼到热轧带钢的全过程。系统组成为：180kg感应炉，带外围设备的薄带连铸机，一套钢带后处理配置，这套配置允许在卷取前选择进行热轧和在线冷却。钢液在两个水冷铸辊之间发生凝固，铸辊直径大约600mm，宽150mm。

　　在合作研究中心（SFB）761，已经采用了实验室铸机对高锰钢的薄带连铸进行了科学的研究。根据熔融策略、耐火材料的使用和工艺参数的选择，成功地实现了薄带连铸工艺，实现了稳定的Fe-Mn-C合金系高锰钢的生产过程。

　　铸造开始时，在感应炉中制备熔体，然后将液态金属浇入铸辊之间，在铸辊上，液态金属凝固，形成了两条带钢外坯壳，每个铸辊各一条。在铸造辊缝出口前，带钢外坯壳连接在一起并作为一条固态带钢离开辊缝。凝固过程中，铸辊之间熔池内可实现高达1000K/s的冷却速率。熔池两侧用陶瓷侧封板密封。各种耐火材料的研究表明，BN和SiO2粉末混合物制备的侧封板适用于熔池密封。反应熔体不会损害这类侧封板，因此，生产的钢带有清晰的边缘。在辊缝出口处，铸带的表面温度大约为1300℃，随后冷却至卷取温度1000℃。

　　迄今为止，已经形成了稳定的生产高锰钢的薄带连铸工艺。将熔融金属液铸造为一条边缘清晰并且表面没有任何裂纹的钢带已成为可能。生产的钢带宽150mm，长50-80m，厚度1.5-2.7mm。

　　3.3 压缩实验

　　为了准确地确定（2.5mm±0.2mm）厚热轧带钢在室温条件下的压缩响应，进行了压缩实验。因此制备了“高度/直径=3/2”的圆柱试样。之后，为了捕捉室温下应变速率敏感性的依赖，在两种不同的应变速率下（=1s-1和= 0.001s-1）对铸带和热轧试样进行了单轴压缩。采用SERVOTEST 有限公司计算机控制的1200kN伺服液压测试系统进行压缩实验。测量了实验过程中的力-时间信号，并且将其转换为流动曲线。

　　3.4冷轧

　　作为第二步骤，对两种工艺路线生产的试样进行冷轧以观察在相近工艺条件下的差异。冷轧前，根据DIN EN ISO 12944-4对热轧材料进行喷砂，用水射流切割成矩形薄带（30mm×150mm），最后再次喷砂以去除表面氧化铁皮。由于工艺路线和生产氧化铁皮数量之间的差异，薄带连铸（2.30mm±0.05mm）和传统热轧（2.60mm±0.05mm）生产的试样的厚度有所不同。在实验室四辊轧机上进行几道次轧制，轧制采用不同的轧制速度（80mm/s和155mm/s），压下率为50%和70%。记录轧辊上轧制力和带钢出口厚度，观察过程前后试样的表面质量。

　　4结果与讨论

　　4.1显微组织

　　两种生产工艺路线生产的带材经历了完全不同的成形历程。热成形路线生产的钢带经过了不同的成形过程和退火工艺，而铸带只经历了薄带连铸过程。生产过程对微观组织的发展有显著的影响。

　　铸带显微组织特征在于典型的凝固组织，见图3（左）。铸带由两条枝状凝固坯壳组成，它在浇铸间隙处被连接在一起。等轴晶凝固区对应于略微降低Mn和C含量的宏观偏析区。

　　二次枝晶臂间距（SDAS）用于细的铸态组织的测量，根据冷却条件，在外围区域，其平均长度为4.5μm，到带钢心部时其长度增为7.5μm。铸带材料的晶粒结构表现为细长的高达500μm长的不均匀的晶粒结构。根据凝固过程中的热流量，晶粒朝着心部方向被拉长。

　　另一方面，通过退火和热轧，铸锭的凝固组织被完全消除。因此，热成形路线生产的带钢形成了均匀的显微组织，平均晶粒直径为30μm，见图3（右）。

　　用电子探针显微分析仪（EPMA）检测局部化学成分。图4对比了冷轧前两种工艺路线生产的带材中的锰和碳的分布。靠近铸带表面，大约5μm的波长，铸带的微观偏析大约为ΔMn=2wt%和ΔC=0.06wt %。铸带上不同的位置，成分含量和波长有一定的差异，其朝着带钢心部递增，在心部，波长大约为10μm时ΔMn=4wt%和ΔC=0.12wt%。微观偏析的波长对应二次枝晶臂间距SDAS，并且根据测量的SDAS从带钢表面至心部逐渐增加。

　　对比相同成分铸锭的微观偏析，结果发现，较大的微观偏析对应较大的SDAS，铸锭中其平均长度为50μm。预计在薄带连铸中较小的微观偏析可以通过冷轧后的均匀化退火和再结晶退火更容易地被消除。

　　后续工艺（即锻造、退火和热轧）的热成形路线对局部元素分布和微观偏析有积极的影响。正是由于有后续的锻造和均质化步骤，热轧带中元素分布和微观偏析只有很小的差异。然而，热成形步骤导致热轧带钢脱碳。碳含量从心部的0.4wt%下降至接近表面的0.2wt%（图4）。

　　4.2压缩实验

　　图5给出了压缩实验计算的流动曲线。两种工艺路线生产的材料均表现出高强度和高延展性相结合的优异的材料性能。尽管他们的硬化行为不同，在两种测试的应变速率下，接近断裂时，这两种材料达到相似的流动应力水平。

　　从两种材料可以很清楚地看到应变速率对变形过程中由于散热不足的应变硬化有消极的影响。在较高应变速率时，试样到模具的传热率低于由于加工硬化降低塑性流动的发热率。在实验过程中，观察到试样的温度从室温增加到100℃。

　　研究了作为应变函数的应变硬化率的演变。如图6所示，两种工艺路线生产的试样的初始应变硬化达到较高值。

　　薄带连铸试样的硬化期反应有明显的区别，而热轧带的应变硬化曲线总体而言在第二区和第三区（位错子结构演变和孪晶位错子结构切割）表现为忽高忽低，并且很难区分出其区域规则变化（即转折点）。这种行为可能与带钢厚度方向碳含量的不均匀性有关，这种不均匀会产生滑动/TWIP硬化组合，阻碍了应变硬化曲线的转折点，这些在薄带连铸试样中清晰可见。

　　4.3冷轧

　　除了压缩试验外，可以通过轧制实验来研究试样的冷轧性能。对所有试样进行轧制，厚度压下量高达50%，没有轧制速度带来的问题。然而，在较大的厚度压下量时，铸带试样容易开裂。虽然传统热轧路线生产的试样（图7（a）和（b））实现了70%的厚度压下量，但薄带连铸的试样在厚度压下量为60%-70%时会产生边部裂纹（图7（d）和（e））。

　　可以清楚地看到70%冷轧后对显微组织的影响。在热成形路线生产的带材（图8（左））中，晶粒大大变形并且在轧制方向上被拉长。在铸带材料中，通过金相分析不能显示出晶粒；他们被一次枝晶结构隐藏。即使在70%冷轧后，枝状组织结构仍然可见，并且在45°角方向至带材表面严重变形，如图8所示（右）。根据冷轧变形程度的不同，平均二次枝晶臂间距SDAS和微观偏析的波长减少至2-4μm。两种产线生产的带钢的显微组织中均没有形成表面裂纹。

　　此外，分析了铸带70%压下冷轧后试样组织中的一个裂缝。据观察，裂纹在45°角沿变形枝晶朝着带材表面行进。假设由于铸带材料的铸态显微组织特征，材料的行为是不均匀的，其特征在于微观偏析的枝晶生长和不均匀的晶粒分布。晶粒较大，并且被拉长，长度可高达500μm，并且方向垂直于轧制方向。此外，不同枝晶之间化学成分变化，并且由此产生了不同的局部堆垛层错能和力学性能。热成形路线生产的带材有均匀的微观组织，晶粒结构和元素分布如图3和图4所示，因此可能有均匀的力学性能。由于均匀的材料特性，因此冷轧可能产生较高的应变。

　　5结论

　　本研究对比了薄带连铸和热成形工艺路线生产的X30Mn29高锰TWIP钢的显微组织、应变硬化和冷轧行为，热成形工艺路线由铸锭、锻造、退火和热轧工序组成。相比热成形工艺路线，薄带连铸提供了一个更短、更节能的能源密集型过程链。

　　工艺路线的不同导致显微组织存在明显的差异。薄带连铸材料表现出了典型的细小的枝状铸态组织结构，并且晶粒分布均匀。热成形路线生产的带材有均匀的等轴晶粒组织特征。根据显微组织来看，化学成分的空间分布受处理过程的影响。在薄带连铸材料中观察到4wt%Mn的微观偏析。采用热成形路线消除了这些微观偏析，但热轧试样的表面被进行了脱碳。在压缩实验和冷轧实验中确定了不同的显微组织如何影响力学性能。

　　压缩试验显示了流动应力超过1500MPa的非常好的力学性能。薄带连铸工艺生产试样在流动应力和应变硬化演变中表现出明显的TWIP钢效应，而热成形工艺生产的试样由于厚度方向碳含量的不均匀分布，其TWIP钢效应不是特别明显。

　　最后，对两种试样进行冷轧实验，两种材料进行了稳定的变形，厚度压下量高达50%。尽管热轧试样在70%压下量时继续表现出好的变形特性，但薄带连铸试样由于上述不均匀的枝晶显微组织容易产生边部裂纹。

　　今后将研究铸带在冷轧前进行额外均质化处理以消除微观偏析并防止裂纹形成的影响。此外，热成形工艺生产的试样未来的工作将集中于用惰性气氛消除均质化时的脱碳，并且考虑为试样的硬化行为建模。　　（文杰）

信息来源：《世界金属导报》