熱鍍鋅連續退火工藝對高強IF鋼組織和性能的影響

胡寬輝，田德新，馮冠文，段小平，嚴 龍

（武漢鋼鐵集團公司研究院，武漢430080）

熱鍍鋅連續退火工藝對高強IF鋼組織和性能的影響

胡寬輝，田德新，馮冠文，段小平，嚴 龍

（武漢鋼鐵集團公司研究院，武漢430080）

研究了熱鍍鋅連續退火工藝對高強IF鋼性能、組織及第二相粒子析出的影響。利用EU AV型熱浸鍍工藝模擬實驗機對熱鍍鋅高強IF鋼進行了不同連續退火溫度以及在同一溫度下分別保溫不同時間的連續退火工藝模擬實驗。用萬能試驗機、光學顯微鏡、透射電子顯微鏡對樣品的性能、組織和第二相粒子進行了檢測分析。結果表明：熱鍍鋅連續退火工藝直接影響產品的力學性能、微觀組織和第二相粒子的析出，并得出了退火工藝對產品性能、組織和第二相粒子的影響規律。

高強IF鋼；連續退火；組織；第二相粒子

20世紀90年代以來，隨著冶金技術的進步和汽車工業的發展，我國開始對超低碳鋼系列產品進行研究，作為第三代深沖鋼的IF鋼（即無間隙原子鋼）得到迅速的開發和應用［1－3］。與此同時，為了實現汽車的減重或提高安全性以及耐蝕性，開發了熱鍍鋅高強IF鋼，其主要強化方法是析出強化加固溶強化，主要添加元素有Ti，Nb及P，Mn，Si，Cu等［4－6］。在熱鍍鋅高強IF鋼薄板的生產中，連續退火是一個關鍵的生產工序，直接影響最終產品的性能和組織。為確定合理的退火工藝，首先必須了解各工藝參數對熱鍍鋅高強IF鋼性能和組織的影響規律。因此本工作著重開展了退火溫度和保溫時間對熱鍍鋅高強IF鋼性能和組織的影響規律研究，從而為連續退火工藝的制定提供理論依據和數據支撐。

1 實驗材料與方法

1．1 實驗材料

實驗用鋼板厚度為1．0mm，化學成分（質量分數／%）為：C 0．002，Si 0．080，Mn 0．29，P 0．029，S＜0．010，Als 0．030，N 0．003，Ti，Nb和V中一種或幾種，但總量小于0．22。

1．2 連續退火實驗

取工業生產熱鍍鋅高強IF鋼冷軋后的試樣，剪切成70mm×220mm，實驗在EU AV型熱浸鍍工藝模擬試驗機上進行。具體模擬連續退火工藝制度為：將試樣分別加熱到760～840℃，每隔20℃設置一個溫度點，進行不同保溫溫度的實驗；另外，將試樣加熱到810℃后分別保溫30，35，45，53，67，90s，進行不同保溫時間的實驗。

1．3 力學性能檢測及組織觀察

GALDABINI SUN10材料萬能試驗機上檢測退火后鋼板的力學性能。退火后的鋼板先進行金相觀察，然后制備萃取復型電鏡樣品，在JEM2100F型透射電鏡上觀察第二相粒子的形態、大小及分布，并用INCA能譜儀對析出相進行成分分析。

2 實驗結果

2．1 力學性能

圖1是試樣的力學性能隨連續退火溫度的變化曲線。由圖1可以看出，隨著退火溫度的升高，試樣的屈服強度和抗拉強度均呈下降趨勢。在760～800℃的低溫情況下，試樣的屈服強度下降較慢，當溫度升高到800℃以上時，屈服強度下降較快，但當溫度達到840℃以上時，試樣的屈服強度又有所升高。退火溫度從760℃升高到820℃時，試樣的抗拉強度迅速下降，當溫度繼續升高，抗拉強度保持穩定。從圖1（c）和（d）可以看出，試樣的延伸率和r值均隨退火溫度的升高而迅速升高。圖2是試樣的力學性能隨保溫時間的變化曲線，由圖中可以看出，在不同的保溫時間下，試樣的力學性能變化不大。

2．2 金相組織

圖3是試樣在五個不同的連續退火溫度下的光學顯微照片。由圖3可以看出，在所選擇的五種退火溫度下，再結晶過程都已完成，試樣的組織均為鐵素體。由圖3（a）和（b）的照片可以看出，在760℃和780℃，可以觀察到很多細小的非等軸晶粒，且晶粒尺寸大小不一。隨著退火溫度的升高，試樣的晶粒逐漸變大，晶粒也逐漸等軸化。

圖3 不同連續退火溫度下試樣的金相組織（a）760℃；（b）780℃；（c）800℃；（d）820℃；（e）840℃Fig．3 Microstructures of the different continuous annealing temperature（a）760℃；（b）780℃；（c）800℃；（d）820℃；（e）840℃

2．3 第二相粒子

圖4是試樣在不同連續退火溫度下的透射電鏡照片。由圖4可以看出，在透射電鏡下觀察，在不同連續退火溫度下，各試樣的析出相數量多，類型基本相同，形態多為不規則形，分布較均勻。但是第二相粒子的大小卻有所不同，當溫度從760℃升高到800℃時，第二相粒子的尺寸有所增大。當溫度繼續升高到820℃和840℃時，隨著退火溫度升高，第二相粒子的尺寸明顯減小，且呈均勻彌散分布。

圖4 不同連續退火溫度下試樣的透射電鏡照片 （a）760℃；（b）800℃；（c）820℃；（d）840℃Fig．4 TEM photos of the different continuous annealing temperature （a）760℃；（b）800℃；（c）820℃；（d）840℃

3 分析討論

3．1 強度與晶粒尺寸、第二相粒子的關系

由圖1（a）屈服強度隨連續退火溫度的變化曲線可以看出，當連續退火溫度從760℃升高到800℃時，試樣的屈服強度變化不大，呈緩慢下降趨勢；但當溫度從800℃升高到820℃時，屈服強度顯著降低；當溫度升高到840℃時，屈服強度又有所升高。出現此種現象的主要原因是由于在較低的溫度下，試樣的再結晶雖已完成，但晶粒并未長大，存在很多細小的非等軸晶粒，且晶粒尺寸大小不一，因此，此時試樣的屈服強度較高。當溫度繼續升高以后，晶粒逐漸長大，晶粒也逐漸等軸化，故試樣的屈服強度顯著降低。另外，從圖4（d）可以看出，當退火溫度達到840℃的較高溫度時，此時試樣的第二相粒子尺寸最小，且呈均勻彌散分布，這就是在840℃退火后試樣的屈服強度有所升高的原因，因為第二相粒子尺寸較小，對位錯的釘扎效果較強，從而阻礙了位錯的運動，故屈服強度有所升高；同時，第二相粒子的尺寸越小，分布越彌散，將抑制晶粒的進一步長大，起到了細化晶粒的作用，從而也造成屈服強度的升高。

由圖1（b）可以看出，隨著退火溫度的升高，試樣的抗拉強度明顯降低，但當溫度升高到820℃和840℃的高溫時，抗拉強度趨于穩定。出現這一現象的原因是在較低的連續退火溫度（760，780℃）下，試樣雖然完成了再結晶，但是晶粒并未長大，在光學顯微鏡下可以觀察到很多細小的非等軸晶粒，且晶粒大小不一，因此，試樣的抗拉強度較高。隨著退火溫度的升高，晶粒逐漸長大，并趨向等軸化，因此，抗拉強度逐漸降低。但隨著退火溫度升高，由圖4可以看出，第二相粒子的尺寸越來越小，分布越彌散，將抑制晶粒的進一步長大，因此，當退火溫度升高到820℃以上時，試樣的抗拉強度趨向穩定。

3．2 延伸率、r值與連續退火溫度的關系

連續退火工藝對高強IF鋼的深沖性能有重要影響，只有退火充分才能發揮高強IF鋼優異的深沖性能［7，8］。由圖1（c）可以看出，隨著退火溫度的升高，試樣的延伸率總體上呈明顯的上升趨勢。在退火溫度從低溫760℃升高到810℃時，延伸率上升較快，當溫度繼續升高，其上升趨勢變緩。這是因為延伸率主要與鋼板的晶粒尺寸有關，在一定程度上，晶粒尺寸越大，鋼板的延伸率也越大。在低溫過程中試樣的晶粒未充分長大，晶粒細小。隨著退火溫度升高，再結晶晶粒尺寸迅速長大，因此延伸率迅速升高。當溫度升高到一定程度后，晶粒長大的趨勢變緩，故延伸率增大的趨勢也變緩。

r值是反映薄板承受拉力時抵抗厚度變薄的能力，它也是反映薄板成形性能的一個重要指標［9］。由圖1（d）可以看出，隨著退火溫度的升高，試樣的r值也隨著升高。在退火溫度（760℃）較低的時候，此時雖然已完成了回復、再結晶，但晶粒并未長大，有利織構未得到充分發展，故試樣的r值只有1．75。當退火溫度升高到780℃以上時，晶粒開始長大，再結晶織構得到了充分發展，所以試樣的r值均達到了2．2以上，所以在較高的溫度下，實驗鋼能獲得高的r值，則鋼板在成形過程中抵抗厚度減薄的能力強，實驗鋼的深沖性能就好［10］。

3．3 保溫時間與實驗鋼綜合力學性能的關系

保溫時間是熱鍍鋅連續退火工藝中的一個重要工藝參數［11］。由圖2（a），（b）可以看出，當連續退火溫度保持在810℃時，隨著保溫時間從30s延長到90s，試樣屈服強度的最大值與最小值只相差4MPa，抗拉強度的最大值與最小值只相差10MPa，因此，從實驗結果來看，保溫時間對實驗鋼屈服強度和抗拉強度無太大影響。由圖2（c）可以看出，試樣的延伸率隨保溫時間的延長呈先略有升高，后又有所下降的趨勢?？梢?，實驗鋼的熱鍍鋅連續退火保溫時間控制在40～50s之間，可獲得較高的延伸率。

3．4 微觀組織、第二相粒子與連續退火溫度的關系

由圖3可以看出，在較低的退火溫度（760℃）下，試樣已完成再結晶，但是晶粒未完全長大，有很多細小的非等軸晶粒，且有少量沿軋制方向被拉長的晶粒存在，晶粒尺寸大小不一。當退火溫度升高到780℃以后，沿軋制方向被拉長的晶粒已經消失，但還是有很多細小的非等軸晶粒，且晶粒大小不均。當退火溫度升高到800℃時，大部分晶粒已趨向等軸化，且晶粒大小也逐漸均勻，但是還存在少量細小的非等軸晶。當退火溫度繼續升高到更高的溫度（820，840℃）后，晶粒大小均勻，且呈等軸狀，這一點與王敏莉［12］的研究結果基本一致。因此，總體上來看，實驗鋼的微觀組織隨著退火溫度的升高逐漸等軸化，且晶粒大小均勻，組織均為鐵素體。

由圖4不同連續退火溫度下試樣的透射電鏡照片可以看出，在不同的連續退火溫度下，第二相粒子析出的尺寸主要由三種組成，即約10～50nm的細小粒子、50～280nm中等大小的粒子和少量的260nm以上的粗大析出相。通過能譜儀分析發現，細小的析出相主要成分為Ti，Nb及少量Fe，但是在較低的退火溫度（760，800℃）下，細小析出相中有Fe TiP相析出；而在820℃和840℃的高溫下卻未發現有FeTiP相析出。趙子蘇等人的研究發現［13］，高強IF鋼中Fe TiP相的析出主要發生在晶界處。因此，這些細小的FeTiP析出相在很大程度上阻礙了再結晶過程中晶界的遷移，導致再結晶溫度的提高。同時，細小Fe TiP相的析出阻礙了退火過程中有利織構的形成，對試樣r值產生不利影響［14，15］。這也是造成試樣在低溫下強度較高，r值較低的原因。中等大小和粗大尺寸的析出相類型基本相同。另外，隨著退火溫度的升高，三種不同大小的析出相尺寸均先增大后減小。出現這一現象的原因是隨著溫度的升高，在其他工藝條件不變的情況下，試樣在退火后的冷卻速度加快，第二相粒子析出更細小彌散。

4 結論

（1）實驗鋼的屈服強度隨連續退火溫度的升高呈先下降后有所升高的趨勢；而抗拉強度隨退火溫度的升高不斷降低，當退火溫度升高到820℃及以上時趨于穩定。

（2）實驗鋼的延伸率隨著退火溫度從低溫升高到810℃時迅速提高，當溫度繼續升高，延伸率增大的趨勢變緩；r值隨退火溫度的升高呈上升趨勢。

（3）保溫時間對實驗鋼的強度影響不大，但對延伸率存在一定的影響，即保溫時間控制在40～50s之間，可獲得較高的延伸率。

（4）實驗鋼的微觀組織隨著退火溫度的升高逐漸等軸化，且晶粒大小均勻，組織均為鐵素體。退火溫度影響第二相粒子的析出，在不同的退火溫度下，第二相粒子的尺寸主要有細小、中等和粗大三類。隨著退火溫度的升高，三種不同大小的析出相尺寸均先增大后減小。中等和粗大析出相的類型基本相同，但細小析出相的類型存在差別，即在采用低溫退火時細小析出相中Fe TiP相析出。

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Influence of Continuous Annealing on Microstructure and Properties High－strength IF Steel

HU Kuan－hui，TIAN De－xin，FENG Guan－wen，DUAN Xiao－ping，YAN Long
（Research and Development Center of Wuhan Iron
and Steel Group Corp，Wuhan 430080，China）

The influence of continuous annealing on the properties and microstructure and particle of second phase of high－strength IF steel was studied．The hot simulation of different temperature and different holding time continuous annealing was performed on EU AV hot dip process simulator．Universal testing machine，optical microscope and transmission electron microscope were used to examine the annealed samples．It was proved that there is a close relationship between the mechanical properties，the microstructure，the second phase’s shape．The effect of continuous annealing on the mechanical properties and the microstructure and the second phases was obtained．

high strength IF steel；continuous annealing；microstructure；the second phase

TG142．1

A

1001－4381（2012）07－0050－05

2011－04－20；

2012－04－05

胡寬輝（1978－），男，工程師，碩士，主要從事汽車用鋼的研究，聯系地址：武漢市青山區冶金大道26號汽車用鋼研究所（430080），E－mail：hukuanhui＠126．com