退火溫度對T4鍍錫板組織性能的影響

王 彬，魏寶民

（1.上海梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210039；2.寶鋼股份研究院 梅鋼技術中心，江蘇 南京 210039）

鍍錫板是兩面鍍有錫的冷軋低碳鋼板或鋼帶，其鍍錫含量一般為1.0～11.2 g/m2。鍍錫板以優良的耐腐蝕性、沖壓成形性和焊接性等優點廣泛應用于食品包裝和制罐行業[1-2]。近年來，隨著成本和環保壓力不斷提高，薄規格、高硬度成為鍍錫產品主要發展方向[3-5]。鍍錫板一般厚度為0.13～0.50 mm，通常以調制度區分不同級別，冷軋材分為T1～T5級別，相應級別越高則硬度越高[6]。再結晶退火作為鍍錫板生產的重要工序，其工藝參數與再結晶進行程度有著直接聯系，并對最終成品性能具有決定性作用。基于此，本文以0.19 mm厚T4冷軋鍍錫板為研究對象，通過實驗室Gleeble-3500熱模擬機模擬其再結晶發展過程及時效退火工藝，在確定再結晶溫度基礎上研究不同退火溫度對組織性能的影響，進而為基于T4鍍錫板組織性能調控的退火工藝設計提供依據。

1 試驗材料與方法

選用某鋼廠冷軋T4鍍錫板為研究對象，試樣尺寸為170 mm×70 mm×0.19 mm，化學成分（質量分數，%）為0.06C、0.006Si、0.226Mn、0.0149P、0.0074S、0.0288Al。

試樣在GLEEBLE 3500熱模擬機上模擬再結晶過程，具體工藝為：以20℃/s的速率從室溫加熱到設定溫度（350、400、450、475、500、525、550、575、600、625、650、700、750、800℃），保溫40 s后噴氣冷到室溫，并通過不同退火溫度試樣顯微硬度確定再結晶溫度。在此基礎上，選取560、580、640、670℃4種退火溫度模擬對某鋼廠T4鍍錫板過時效退火工藝（具體工藝見圖1），并采用AxioImager.A2m光學顯微鏡和FALCON 509FAP維氏硬度計進行退火試樣組織和硬度檢測，加載載荷砝碼1 kg，研究不同過時效退火工藝對T4鍍錫板組織性能的影響。

圖1 過時效退火工藝模擬方案Fig.1 Simulation scheme of over-aging annealing process

2 試驗結果及分析

2.1 冷軋T4鍍錫板再結晶溫度確定

圖2為不同退火溫度下試樣的硬度變化，在350～450℃退火處理后試樣的硬度為278～299 HV，表明該溫度區間試樣未發生再結晶。退火溫度達到450℃后，硬度隨退火溫度升高急劇下降，退火溫度為700℃硬度達最低值（126 HV），之后硬度變化不明顯，可以推斷再結晶過程已經完成。同時，在450～700℃溫度區間退火時，硬度明顯降低（158 HV），再結晶溫度的一般定義為硬度值下降50%所對應的溫度，由此可以推斷試驗用T4鍍錫板的再結晶溫度約為575℃。

圖2 退火溫度對試樣硬度的影響Fig.2 Effect of annealing temperature on hardness of the specimens

圖3為T4鍍錫板冷軋態組織形貌，可以看出，在晶粒邊界上，沿拉長的鐵素體分布有珠光體和少量的滲碳體。這些滲碳體來自于熱軋組織中的珠光體和部分鐵素體晶界上的3次滲碳體，冷軋嚴重時珠光體退化，滲碳體沿晶界分布。這是由于冷軋過程中鐵素體和珠光體都易于被拉長成纖維狀，而珠光體-滲碳體片層則會發生破裂，珠光體在冷變形時，鐵素體中位錯不易開動，使變形抗力增大，外力增大時，鐵素體中心的位錯源開始運動，在鐵素體-滲碳體相界面出現位錯塞積，對滲碳體片產生剪應力，使滲碳體片破碎斷裂。

圖3 T4鍍錫板冷軋態顯微組織Fig.3 Microstructure of the cold-rolled T4 tinplate

圖4為冷軋T4鍍錫板不同溫度退火后的顯微組織。由圖4（a）可知，經400℃退火后，試樣的組織還是冷軋變形后拉長的纖維狀組織，和冷軋態組織相似，基本上無鐵素體新晶粒出現。圖4（b）中，當退火溫度達到575℃時，組織中出現晶界清晰的新晶粒，而且已經在整個視場范圍內占據較大面積。但是，仍然能夠看到較明顯的未再結晶組織，說明再結晶未完全。隨著退火溫度的升高，見圖4（c），再結晶新晶粒已經占據整個組織，由此可推斷，再結晶退火已經基本完成。圖4（d～f）表明，在更高溫度下退火時，相同的退火時間內，晶粒有所長大，退火更為完全，組織為無畸變的等軸鐵素體。由此可見，T4鍍錫板試樣再結晶溫度為575～625℃之間，溫度越高、再結晶越充分。

圖4 不同溫度退火后試樣的顯微組織Fig.4 Microstructure of the specimens after annealing at different temperatures

2.2 過時效退火溫度對組織和性能的影響

2.2.1 過時效退火溫度對組織的影響

圖5是冷軋T4鍍錫板過時效熱處理后顯微組織。圖5（a）中，560℃退火溫度下主要為鐵素體晶粒，晶粒雖已呈等軸狀，但大小不一，表明此時已發生再結晶，處于再結晶初始階段。隨著退火溫度升高到580℃（見圖5（b）），基體內部的組織發生明顯變化，變形的組織上出現大量再結晶晶粒，且晶粒尺寸不均勻。640℃退火溫度下（見圖5（c）），再結晶形核已經完成，但部分區域仍存在尺寸較小的細晶粒，晶粒略呈餅形。退火溫度為670℃時（見圖5（d）），基體形變晶粒消失，再結晶過程已經完成。

圖5 T4鍍錫板經不同溫度過時效退火處理后的顯微組織Fig.5 Microstructure of the T4 tinplate after over-aging annealing at different temperatures

圖6為T4鍍錫板在不同過時效退火溫度下的SEM圖。圖6（a）表明560℃已經發生再結晶行為，并產生無畸變的再結晶晶粒。同時，此溫度為再結晶初期，再結晶晶粒較少，組織中存在大量的變形晶粒。580℃過時效退火條件下（見圖6（b）），再結晶晶粒較560℃過時效退火時略有增加，仍然存在一部分變形晶粒。當過時效退火溫度達到640℃時（見圖6（c）），可以看到再結晶晶粒已經占據大部分組織區域，只殘留極少量變形晶粒。

圖6 T4鍍錫板經不同溫度過時效退火后的SEM照片Fig.6 SEM images of the T4 tinplate after over-aging annealing at different temperatures

2.2.2 過時效退火溫度對硬度的影響

硬度為鍍錫板過時效退火后性能評價的一個指標，變形金屬發生再結晶后，金屬的強度和硬度明顯下降。表1為試驗鋼在不同過時效退火溫度下的洛氏硬度，可以看出，隨著過時效退火溫度的升高，T4鍍錫板的硬度呈下降趨勢。從560℃到640℃，硬度下降了49 HV，而從640℃升高到670℃，硬度只下降了9 HV。結合微觀組織分析，這是因為在560℃到640℃過時效退火時，發生了再結晶過程，無畸變的等軸晶粒逐漸取代了變形晶粒，試樣內部的因加工硬化導致的位錯和變形帶被消除，應變強化效果減弱，所以硬度下降很快。而在640℃到670℃過時效退火時，由于再結晶基本完成，故此溫度區間的硬度變化很小。

表1 T4鍍錫板經過時效退火后的硬度Table 1 Hardness of the T4 tinplate after over-aging annealing

3 結論

1）不同退火溫度下顯微組織及硬度變化表明，T4鍍錫板再結晶開始溫度約為575℃，再結晶結束溫度為640～670℃。

2）560℃過時效退火時，T4鍍錫板組織呈大小不一的等軸狀鐵素體晶粒，處于再結晶初始階段。過時效退火溫度高于575℃后，隨著退火溫度升高，再結晶程度越為充分。過時效退火溫度達到640℃后，再結晶形核已經完成，此時提高退火溫度逐漸形成無畸變新晶粒。

3）隨著過時效退火溫度升高，T4鍍錫板經過時效退火后硬度值呈下降趨勢。經過560～640℃過時效退火時，無畸變的等軸晶粒逐漸取代了變形晶粒，試樣內部因加工硬化導致的位錯和變形帶被消除，硬度顯著降低（49 HV）。640～670℃過時效退火時，再結晶基本完成，硬度值變化較小（9 HV）。