再結(jié)晶退火對(duì)SPCC鋼板組織和深沖性能的影響

劉吉志，馮 銳，劉玉愛

1 前言

SPCC鋼是一種CQ級(jí)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼，采用罩式退火工藝能獲得良好的深沖性能，被廣泛用于家用電器、汽車等行業(yè)。再結(jié)晶退火是冷軋變形后的鋼板組織回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大的過程，是獲得良好深沖性能的重要保證［1-2］。一般來說，再結(jié)晶退火后的組織為餅形鐵素體+滲碳體，鐵素體晶粒的餅形度和滲碳體的析出方式對(duì)鋼板的深沖性能有重要的影響［3］。本研究通過實(shí)驗(yàn)室模擬工業(yè)罩式爐再結(jié)晶退火工藝，探討了退火溫度和保溫時(shí)間對(duì)SPCC鋼板組織和深沖性能的影響，并分析了退火后鐵素體餅形度與深沖性能的關(guān)系，以期對(duì)生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)材料及方法

本研究所用SPCC鋼板的化學(xué)成分、熱軋及冷軋工藝參數(shù)如表1、表2所示。

表1 SPCC鋼板主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表2 SPCC鋼板熱軋及冷軋工藝參數(shù)

用實(shí)驗(yàn)室管式氣氛爐模擬退火試驗(yàn)，氫氣作為保護(hù)氣氛，退火工藝如圖1所示。用Nikon Epiphot 300光學(xué)顯微鏡分析顯微組織，用HV-1000硬度計(jì)測(cè)量維氏硬度。采用定量金相法，在若干個(gè)視野內(nèi)統(tǒng)計(jì)不少于100個(gè)餅形鐵素體的長(zhǎng)軸和短軸長(zhǎng)度，并計(jì)算其比值（餅形度）。用CMT5205電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定材料深沖性能，即塑性應(yīng)變比r值和應(yīng)變硬化指數(shù)n值。

圖1 SPCC鋼板實(shí)驗(yàn)室退火工藝

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 退火溫度對(duì)組織和深沖性能的影響

圖2為不同退火溫度試樣的顯微組織，可以看出，經(jīng)680℃、700℃和720℃退火保溫4 h后，鐵素體晶粒均已完全再結(jié)晶；退火溫度為680℃時(shí)，鐵素體晶粒相對(duì)細(xì)小，部分晶粒仍保持形變后的特征，沿軋制方向拉長(zhǎng)（見圖2a）；當(dāng)退火溫度達(dá)到700℃時(shí)，鐵素體晶粒明顯長(zhǎng)大，形態(tài)為較規(guī)則的餅形晶粒，大小相對(duì)均勻（見圖2b）；退火溫度升至720℃時(shí)，鐵素體晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大，個(gè)別晶粒吞并小晶粒形成大晶粒，與700℃相比晶粒形態(tài)未發(fā)生明顯變化（見圖2c）。

圖2 不同退火溫度保溫4 h后鋼板的金相組織

圖3 為退火溫度對(duì)SPCC鋼板深沖性能的影響，可以看出，各退火溫度下均表現(xiàn)為r90＞r0＞r45的規(guī)律，并且r0、r45、r90及r值均隨著退火溫度的升高而增大，當(dāng)退火溫度超過700℃時(shí)，r值、n值和伸長(zhǎng)率增大的趨勢(shì)不明顯。這是由于隨著退火溫度升高，一方面再結(jié)晶相對(duì)提前，為晶粒長(zhǎng)大創(chuàng)造了有利條件，使晶粒長(zhǎng)大過程延長(zhǎng)；另一方面，再結(jié)晶完成后繼續(xù)保溫時(shí)晶粒長(zhǎng)大熱激活條件改善，以上兩方面因素均導(dǎo)致了對(duì)鋼板深沖性能有利織構(gòu){111}<112>強(qiáng)度的提高，變形織構(gòu){112}<110>強(qiáng)度的降低［4］，使得鋼板的r值、n值和伸長(zhǎng)率A值升高。

3.2 保溫時(shí)間對(duì)組織和深沖性能的影響

經(jīng)過700℃退火并分別保溫不同時(shí)間后，試樣的顯微組織如圖4所示。可以看出，在連續(xù)升溫至700℃的過程中，當(dāng)保溫時(shí)間為5 min時(shí)，冷軋鋼板內(nèi)的變形組織已全部發(fā)生再結(jié)晶，形成不太規(guī)則的細(xì)小餅形晶，晶界和基體上存在析出的滲碳體粒子（見圖4a）。隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)，晶粒逐漸長(zhǎng)大（見圖4b～圖4d）；當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到4 h時(shí)，晶粒已充分長(zhǎng)大，晶粒度達(dá)到8級(jí)左右，如圖4e所示。繼續(xù)延長(zhǎng)保溫時(shí)間（8 h），晶粒均勻性有所改善，晶粒尺寸變化不明顯（見圖4f）。

圖3 退火溫度對(duì)SPCC鋼板深沖性能的影響

圖4 700℃退火保溫不同時(shí)間后的顯微組織

700℃退火保溫不同時(shí)間后SPCC鋼板的深沖性能如圖5所示，保溫時(shí)間從5 min到4 h鋼板的r值、n值及伸長(zhǎng)率有較大幅度的提高。為了研究退火過程中鐵素體的再結(jié)晶規(guī)律，測(cè)定了700℃退火維氏硬度值隨保溫時(shí)間的變化，如圖6所示，可以看出開始時(shí)硬度下降很快，1 h后即降至接近最低點(diǎn)，繼續(xù)延長(zhǎng)保濕時(shí)間硬度不再變化。這說明變形金屬在1 h內(nèi)已基本完成再結(jié)晶，再延長(zhǎng)保溫時(shí)間，就進(jìn)入了晶粒長(zhǎng)大階段，細(xì)小晶粒間存在的大量晶界使體系能量較高，再結(jié)晶晶粒通過合并或大晶粒吞并小晶粒的方式消耗這部分能量而長(zhǎng)大，當(dāng)多余界面能消耗完畢，晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力也顯著降低，此時(shí)晶粒長(zhǎng)大接近停滯。根據(jù)Hall-Petch關(guān)系式，鋼的強(qiáng)度進(jìn)一步降低，深沖性能有所改善［5］。

3.3 晶粒餅形度與深沖性能的關(guān)系

圖5 退火保溫時(shí)間對(duì)SPCC鋼板深沖性能的影響

圖6 700℃退火保溫時(shí)間對(duì)維氏硬度的影響

由以上結(jié)果可知，SPCC鋼板退火過程中晶粒的形態(tài)，即餅形度發(fā)生了明顯變化。圖7為700℃保溫不同時(shí)間的SPCC鋼板晶粒餅形度與深沖性能n值、r值的關(guān)系。可以看出退火后鋼板的n值、r值均隨餅形度的增加而下降，當(dāng)鐵素體餅形晶粒長(zhǎng)短軸之比為1.5左右時(shí)，n值、r值較高，即鋼板具有良好的深沖性能。鑒于鐵素體餅形度與n值、r值之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此認(rèn)為退火后晶粒的餅形度可以作為鋼板深沖性能好壞的一個(gè)判據(jù)。

圖7 晶粒餅形度與n值、r值的關(guān)系

4 結(jié)論

4.1 隨退火溫度升高和保溫時(shí)間延長(zhǎng)，SPCC鋼板鐵素體晶粒尺寸逐漸增大，同時(shí)深沖性能明顯改善；在700℃保溫時(shí)間達(dá)到4 h后，晶粒尺寸和深沖性能不再明顯變化。

4.2 再結(jié)晶退火后SPCC鋼板的鐵素體餅形度與n值、r值之間存在明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此晶粒餅形度可以作為鋼板深沖性能的判據(jù)之一。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 杜晶晶，宋仁伯，楊富強(qiáng).退火工藝對(duì)薄規(guī)格SPCC鋼板組織和性能的影響［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，36（1）：21-25.

［2］ Wang Zhao-dong,Guo Yan-hui,Zhao Zhong,et al.Effect of processing condition on texture and drawability of a ferritic rolled and annealed interstitial-free steel［J］.Journal of Iron and Steel Research,International，2006，13（6）：60-65.

［3］ 唐荻，谷春陽(yáng)，王先進(jìn)，等.退火溫度及平整量對(duì)03Al鋼板組織性能的影響［J］.鋼鐵，1999，34（12）：47-51.

［4］ 毛衛(wèi)民.金屬材料的晶體學(xué)織構(gòu)與各向異性［M］.北京：科學(xué)出版社，2002：35-50.

［5］ Z.Yanushkevich,S.V.Dobatkin,A.Belyakov,et al.hall-petch relationship for austenite stainless steels processed by large strain warm rolling［J］.Acta Materialia，2017，136：39-48.