退火工藝對Ti-IF鋼力學性能的影響

陳泓業，李偉剛，王滕，李超

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243001）

IF鋼中文全稱為無間隙原子鋼[1]，通過添加Ti、Nb等微合金元素，對鋼中 C、N原子起到固定的作用[2]，從而獲得較低的屈服強度及較高的伸長率[3-4]。因此，具有優異的深沖成形性能，常被作為第三代深沖鋼廣泛應用于汽車零部件，家電制造業等相關領域。近年來，國內的各大鋼企紛紛投入生產與研發IF鋼的行列中，而退火工藝對 IF鋼的組織和性能有著極其重要的影響[5]。本文采用實驗室真空箱式電阻爐模擬現場罩式退火設備，著重研究退火溫度、保溫時間及冷卻速率對單Ti成分的IF鋼組織、力學性能的影響，為采用罩式退火設備工業化生產Ti-IF鋼提供理論指導。

1 實驗材料與方法

實驗材料取自馬鞍山鋼鐵股份冷軋廠生產的軋硬卷，冷軋壓下率為78%，材料的規格為0.6 mm×200 mm×300 mm，Ti-IF鋼材料化學成分見表1。

表1 Ti-IF鋼材料化學成分（質量分數）Table 1 Chemical Compositions in Ti-IF Steel（Mass Fraction） %

再結晶溫度測定實驗在真空箱式電阻爐中進行，將冷軋壓下率為78%的實驗材料分別加熱 至 500、530、560、590、620、650、680、710、740、770、800、830℃后，放入空氣中自然冷卻至室溫，實驗工藝曲線如圖1所示。

圖1 實驗工藝曲線Fig.1 Technological Curves in Test

冷卻后的試樣經研磨和4%硝酸酒精溶液腐蝕后，依據 GB/T 230．1—2004《金屬洛氏硬度試驗第 1 部分:試驗方法（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標尺）》標準進行硬度測試，將試樣原始硬度和完全軟化后的硬度差定義為100%，將材料的硬度軟化后降低50%時的溫度定義為再結晶溫度。采用Zeiss金相顯微鏡觀察顯微組織，依據再結晶溫度，研究退火溫度、保溫時間及冷卻方式（冷卻速率）對材料力學性能的影響，退火溫度制定為680、710和740℃三種，保溫時間對應每種溫度下分別保溫2、4、8 h，冷卻方式根據冷卻速率由慢至快，依次選擇隨爐冷卻、緩慢冷卻及空氣冷卻三種方式，其中，緩慢冷卻是先將材料隨爐冷卻至200℃，再置入空氣中冷卻至室溫的方式。為保證現場工藝的一致性，實驗室采取先以450℃/h加熱速度升溫至450℃，再以190℃/h的速度升至指定溫度的方式進行退火模擬實驗[6]。

2 實驗結果及分析

2.1 再結晶溫度的確定

Ti-IF鋼的內部組織隨加熱溫度的升高會先后發生回復、再結晶及晶粒長大的三個階段，在發生再結晶的過程時，晶界或亞晶界合并，生成一無應變的小區——再結晶核心，四周則由大角度邊界將它與形變且已回復了的基體分開，大角度邊界遷移時，核心長大。隨著新晶粒的不斷長大，原晶粒內部已經發生歪扭的晶格會逐漸消失或修復，從而消除加工硬化，因此，材料宏觀表現為硬度大幅下降。試樣硬度變化曲線[7]見圖2，三個不同階段下的Ti-IF鋼組織形貌見圖3。

圖2 試樣硬度變化曲線Fig.2 Curves of Changes in Hardness of Samples

圖3 不同階段下Ti-IF鋼的顯微組織Fig.3 Microstructures in Ti-IF Steel at Different Annealing Temperatures

由圖2和圖3可以看出，當溫度小于590℃， 材料的硬度趨勢變化較為平緩，數值變化不大，這說明材料在此溫度下主要發生回復過程，組織形貌主要為纖維狀變形晶粒，組織內部基本沒有再結晶形核，晶粒的長度方向沿軋向伸長，且其總的伸長尺寸與材料在冷軋過程的壓下率呈正相關影響，材料內部的分布不均勻，長度尺寸范圍約為20～80 μm；當溫度處于620～710℃，材料的硬度值突然開始急劇的下降，說明此時對應的溫度范圍為材料的再結晶過程，可以看出材料內部已經出現大小不均勻的再結晶晶核，組織內部包含有未發生再結晶的纖維狀晶粒和已經發生再結晶的細小晶粒，長度尺寸范圍約為 5～20 μm，如圖3（b）所示，冷軋產生的加工硬化逐漸消失，再結晶晶粒大量形核并長大；當溫度超過710℃后，曲線再次相對平穩，數值變化不大，此時鋼板內的冷變形組織已完全消除，說明再結晶過程已全部完成，材料內部看不見沿軋制方向的纖維狀晶粒，基本變為等軸晶粒，此階段材料處于晶粒長大階段，組織形態變化不大，只是晶粒繼續長大，晶粒的尺寸約為 60～80 μm，如圖3（c）所示。

綜上可以看出，當溫度處于650℃時，材料的硬度值較最高點下降近50%，約為42 HRC，因此得出，該實驗鋼的再結晶溫度約為650℃。

2.2 退火溫度對力學性能的影響

將退火溫度制定為680、710和740℃3種溫度，同時保溫2 h后，緩冷至室溫，對實驗材料的屈服強度、抗拉強度及延伸率、應變硬化指數n值、塑性應變比R值進行檢測，溫度對各項性能的影響規律如圖4所示。可以看出，Ti-IF鋼隨退火溫度升高，屈服強度與抗拉強度呈緩慢下降趨勢；而延伸率則呈先升高再降低趨勢，當溫度達到710℃時，延伸率達到最大值為45.81%；n值隨溫度的變化不是十分明顯，680℃時的n值約為0.25，稍低于710℃與740℃的n值；R值的變化隨溫度的升高呈先下降再升高的趨勢，當溫度為710℃時，R值較低，約為1.95，而當溫度為680℃與740℃時，R值達到2.1，已接近超深沖級水平。通過對比可以發現，退火溫度對實驗材料的屈服強度影響程度最大，即當退火溫度在三者溫度680～740℃變化時，屈服強度的變化幅度最為劇烈，而抗拉強度和延伸率則相對較為平緩，因此，工業化生產過程中可以主要通過改變退火溫度調整材料的屈服強度。

圖4 溫度對Ti-IF鋼各項性能的影響規律Fig.4 Rules of Effect of Temperature on Properties of Ti-IF Steel

2.3 保溫時間對力學性能的影響

將實驗材料加熱至710℃，保溫時間制定為2、4、8 h后，緩慢冷卻至室溫，對實驗材料的屈服強度、抗拉強度及延伸率，n值、R值進行檢測后的結果如圖5所示。可以看出，隨保溫時間的延長，材料的屈服強度呈緩慢下降趨勢，而抗拉強度呈先緩慢上升，再趨于平緩狀態，其中保溫4 h時的抗拉強度最高，達到最大值，約為268 MPa，略高于保溫2 h與8 h所對應抗拉強度；延伸率呈先降低，再升高趨勢，當保溫時間為4 h時，延伸率最低，約為42.26%；保溫時間對n值的影響不是十分明顯，不同保溫時間下材料的n值變化不大，約為0.27；R值的變化隨保溫時間的延長呈先上升后趨于平緩的趨勢，當保溫時間為4 h時，R值最大，約為2.25，達到了超深沖級水平。通過比較可以發現，當保溫時間在2～8 h時，材料的R值變化幅度最為劇烈，而其他的力學數據則相對較為平緩，因此，保溫時間對實驗材料的R值影響程度最大，工業化生產過程中可以主要通過調整保溫時間改變材料的R值。

圖5 保溫時間對各項性能的影響規律Fig.5 Rules of Effect of Holding Time on Properties

2.4 冷卻方式對性能的影響

將實驗材料加熱至710℃，保溫時間制定為8 h后，冷卻方式根據冷卻速率由慢至快，依次采用隨爐冷卻（1）、緩慢冷卻（2）及空氣冷卻（3）的三種方式，對實驗材料的屈服強度、抗拉強度及延伸率，n值、R值進行檢測，冷卻方式對材料力學性能的影響曲線如圖6所示。隨冷卻的速度逐漸提高（隨爐冷卻速率最慢，空冷冷卻速率最快），材料的屈服強度和抗拉強度變化較為平緩；延伸率呈先升高，再降低趨勢，當冷卻方式為緩冷時，延伸率最高，約為45.5%；不同的冷卻方式條件下，材料的n值變化不大，約為0.28；對R值較為顯著，當冷卻方式采用緩冷時，R值最大，約為2.3，沖壓性能最佳。通過比較可以發現，當冷卻方式變化時，即當冷卻速率隨爐冷卻（1）、緩慢冷卻（2）及空氣冷卻（3）之間變化時，材料的延伸率變化幅度最為劇烈，而其他的力學數據則相對較為平緩，因此，冷卻速率對實驗材料的延伸率影響程度最大，工業化生產過程中可以通過調整冷卻速率改變材料的延伸率。

圖6 冷卻方式對各項性能的影響規律Fig.6 Rules of Effect of Cooling Mode on Properties

2.5 最佳工藝確定

通過上述分析可以發現，當加熱溫度為710℃時，產品的n值與R值相差不多，但延伸率明顯優于其他因素，達到最高值45.69%；與此同時，當保溫時間為4 h和8 h時，R值明顯優于保溫2 h的性能，但保溫8 h時產品的延伸率與n值要略優于保溫4 h的性能，因此8 h的保溫時間為最優工藝；同理，當冷卻方式采用緩慢冷卻的方式時，其延伸率及R值較其他兩種冷卻方式達到最佳，材料的深沖性能更加優異。因此，制定本實驗材料Ti-IF的最佳工藝組合為：710℃退火溫度+8 h保溫時間+緩慢冷卻。

3 結論

（1）利用真空箱式電阻爐模擬現場罩式退火設備，結合硬度曲線法，最終獲得Ti-IF鋼實驗材料的再結晶溫度約為650℃；

（2）分別研究了退火溫度、保溫時間及冷卻方式等工藝參數變化對材料力學性能影響，獲得了Ti-IF鋼的最佳工藝組合為：710℃退火溫度+8 h保溫時間+緩冷方式，為下一步工業化試制提供一定的理論基礎。