退火工藝對薄規格SPCC鋼板組織和性能的影響

杜晶晶，宋仁伯，楊富強

（北京科技大學材料科學與工程學院，北京，100083）

SPCC冷軋碳素鋼薄板及鋼帶的應用范圍較廣。與常規厚度的SPCC鋼板（厚度≥0.6mm）相比，薄規格SPCC鋼板（厚度≤0.3mm）主要應用于電子產品外殼，所以對其深沖性能和表面質量的要求更高。冷軋后退火處理是冷軋生產中的重要工序，以達到降低鋼的硬度、消除冷加工硬化、恢復鋼的塑性變形能力之目的。由于受組織中碳化物長大的影響，薄規格SPCC退火板的伸長率會降低。因此研究退火工藝對薄規格SPCC板帶的組織及性能的影響十分必要。

李秀蓮等［1］分析了SPCC冷軋薄板成材率和性能合格率低的原因，提出退火工藝的優化措施，從而改善了SPCC冷軋薄板的性能，其研究的鋼板厚度為0.5～2.0mm。高榮慶等［2］討論了壓下率和退火溫度對SPCC鋼帶組織與性能的影響，認為從金相角度考慮，厚度小于0.3mm的SPCC鋼板的最優退火溫度為675～700℃。武磊等［3］分析了不同退火工藝對CSP熱軋帶鋼供冷軋原料的SPCC板深沖性能和組織的影響，其研究的冷軋基板厚度為1.0mm。本文則針對0.3mm厚的薄規格SPCC鋼板，通過罩式退火模擬試驗，研究退火溫度和保溫時間對鋼板力學性能、成形性和織構的影響。

1 試驗

試驗材料為工業條件下生產的冷軋變形量為80%的0.3mm厚SPCC鋼板，其化學成分如表1所示。

表1 SPCC鋼板的化學成分（wB／%）Table1 Chemical compositions of SPCC sheet

在SKY－2箱式電阻爐內以氮氣為保護氣體對SPCC鋼板進行退火模擬試驗：首先將鋼板由室溫快速加熱到500℃，隨后緩慢加熱到退火溫度（分別設為680、700、720℃），保溫9～13h，最后隨爐冷卻到550℃后空冷。

由于鋼板的厚度僅為0.3mm，因此采用HR30T標尺測定試樣的表面洛氏硬度（總負荷為294.2N、鋼球直徑為1.588mm），然后根據ASTM E140和ISO18265標準中HR30T和HV的換算對照表，利用插值法得出試樣的維氏硬度。

采用CMT4105拉伸試驗機對SPCC退火板進行力學性能和基本成型性能檢測，分別按GB／T228—2002、GB／T5028—1999 和 GB／T5027—1999測定試樣的斷后延伸率A50、拉伸應變硬化指數n值和塑性應變比r值。

將SPCC退火板打磨、拋光，用5%硝酸酒精進行侵蝕，用金相顯微鏡觀察其微觀形貌。從680℃和700℃退火鋼板上取14mm×24mm的小薄片，使用200＃～2000＃砂紙逐級打磨至厚度方向1／4表面處，然后使用無水酒精清洗并吹干。在D5000型X射線衍射儀中進行試樣的織構檢測。根據反射法測得｛110｝、｛200｝、｛211｝三張不完整極圖，由計算機分析軟件推算ODF圖，并根據試驗數據繪制α和γ取向線。

2 結果與討論

2.1 退火溫度對SPCC鋼板力學性能的影響

經過不同溫度退火并保溫13h后，0.3mm厚SPCC鋼板的力學性能和基本成形性能如圖1和圖2所示。從圖1中可看出，退火溫度為680℃時，試樣的斷后延伸率和硬度值較高；隨著退火溫度的升高，試樣的硬度和延伸率逐漸下降；當退火溫度升至720℃時，試樣的斷后延伸率和硬度值急劇降低，結合圖2可知，此時試樣的r值僅為0.81，這可能是由于溫度過高導致材料晶粒粗大、塑性下降。從圖2中可以看出，退火溫度為700℃時，試樣的r值較高，這可能是因為在退火過程中，一些有利織構，特別是｛111｝〈110〉、｛111｝〈112〉等織構得到了發展，極大地提高了板材的沖壓成形能力。r值是衡量鋼板深沖性能的重要指標，r值的大小與鋼板的晶體取向密度函數密切相關。因為｛111｝晶面是主滑移面，而〈110〉方向是主滑移方向，由此構成的滑移系平行于板面，若｛111｝晶面平行于軋面的晶粒比例高，對應的r值就高，致使板在成形時抵抗厚度減薄的能力強，所以其深沖性能較好［4－5］。

n值也是評價深沖鋼板成形性的重要指標之一。一般來說，材料的屈強比越小，其n值就越大，鋼板的成形性能就越好。由圖2可見，在不同退火溫度下，試樣的n值均在0.28～0.31之間，且隨退火溫度的升高而略有上升，這表明本文研究的SPCC鋼板經不同溫度退火后均具有良好的成形性。

圖1 不同退火溫度下試樣的硬度及延伸率Fig.1 HV and elongation of the samples at different annealing temperatures

圖2 不同退火溫度下試樣的n值及r值Fig.2 n，rvalues of the samples at different annealing temperatures

不同退火溫度下試樣的金相組織如圖3所示。由圖3可見，經過680、700、720℃退火后，晶粒都發生了完全再結晶；退火溫度為680℃時，鐵素體組織均勻，晶粒細小呈等軸狀，因此退火后的鋼板強度高，且延伸率達45.6%；隨著退火溫度的升高，大晶粒吞并小晶粒，晶粒尺寸逐漸增大，720℃退火時，晶粒過分粗大，造成鋼板的強度與塑性同時下降，此時其延伸率僅為18.0%。

圖3 不同退火溫度下試樣的微觀形貌Fig.3 Microstructure of the samples at different annealing temperatures

2.2 保溫時間對SPCC鋼板力學性能的影響

經過680℃退火并分別保溫9、10、11、12、13 h后，0.3mm厚SPCC鋼板的力學性能和基本成形性能如圖4和圖5所示。從圖4和圖5中可以看出，保溫時間不同時，試樣的A50均在41%～46%之間，HV均在77～81之間，n值為0.3左右，r值在1.6～2.0之間，其變化幅度都較小；隨著保溫時間的延長，試樣的硬度略有降低，斷后延伸率略有增大；保溫時間為11h時，試樣的r值較大。

圖4 不同保溫時間下試樣的硬度及延伸率Fig.4 HV and elongation of the samples at different holding times

圖5 不同保溫時間下試樣的n值及r值Fig.5 n，r values of the samples at different holding times

不同保溫時間下試樣的金相組織見圖6。由圖6可見，隨著保溫時間的延長，晶粒尺寸略有增大，晶粒都比較均勻，且發生了完全再結晶。

圖6 不同保溫時間下試樣的微觀形貌Fig.6 Microstructure of the samples at different holding times

2.3 退火溫度對SPCC鋼板織構的影響

圖7和圖8為不同退火溫度下保溫13h后SPCC鋼板的φ2＝45°ODF截面圖及其織構沿α、γ取向線分布密度圖。由圖7和圖8可見，試樣織構組分主要集中在γ取向線，表現出較強的γ織構特征，其中｛111｝〈112〉組分強度最高，｛001｝〈110〉組分強度較低。材料在退火過程中，具有｛111｝〈112〉取向的晶粒將吞噬具有｛001｝〈110〉取向的晶粒，從而使得｛111｝〈112〉組分強度提高［6－7］。退火后，中心面上各晶粒已經發生完全再結晶，具有｛111｝〈112〉取向的晶粒吞噬了大量｛001｝〈110〉取向的晶粒，因此，SPCC鋼板織構中的最強組分為｛111｝〈112〉織構。同時，700℃退火時的｛111｝〈112〉織構強度（15.2）大于680℃退火時的｛111｝〈112〉織構強度（14.5）。700℃退火后，在Φ為45°～65°時，織構強度穩定在6.0以上，而不利于深沖的｛001｝〈110〉織構的強度值都比較小，約為4。

對于深沖鋼板，其特征織構主要表現在α取向線（φ1＝0°，Φ＝0°～90°，φ2＝45°）和γ取向線（φ1＝0°～90°，Φ＝55°，φ2＝45°）［3］。在軋制過程中軋件主要受平行于軋向的拉力和垂直于軋面的壓力。晶粒受拉時，其取向會發生轉動，滑移方向和拉力方向上的差異趨于減少，即拉伸方向轉向滑移方向；晶粒受壓時，如果開始時滑移面是傾斜的，滑移面的法線就會轉向，和壓力方向一致。當鐵素體區壓下率較大時，晶粒的取向趨于一個共同的方向，且變形程度越大，這種趨向越明顯，即形成了變形織構［8］。由圖8（a）可見，680℃退火后，變形織構｛112｝〈110〉的強度達到4，即鋼板中還保留著強度較高的變形織構；而700℃退火后，｛112｝〈110〉織構強度相對較弱，這表明提高退火溫度可以減少變形織構。

圖7 不同退火溫度下SPCC鋼板的ODF圖Fig.7 Orientation distribution function （ODF）of SPCC sheets at different annealing temperatures

圖8 不同退火溫度下織構沿取向線的分布密度Fig.8 Orientation distribution density of textures at different annealing temperatures

SPCC退火板在γ取向線上已有明顯的γ纖維織構特征，680℃和700℃退火后，鋼板中｛111｝〈110〉織構強度都在12左右，｛111｝〈112〉織構強度在15左右。

3 結論

（1）隨著退火溫度的升高，0.3mm 薄規格SPCC鋼板的晶粒尺寸逐漸增大，硬度和延伸率逐漸降低，特別當退火溫度升至720℃時，鋼板的斷后延伸率和硬度急劇降低。

（2）保溫時間對0.3mm 薄規格SPCC鋼板的深沖性能影響不大。隨著保溫時間的延長，鋼板的晶粒尺寸略有增大，硬度有所降低，延伸率略有增大，變化幅度都較小。

（3）經過680℃和700℃退火后，SPCC鋼板的織構組分集中分布在γ取向線上。隨著退火溫度的升高，變形織構｛112｝〈110〉強度降低，有利織構｛111｝〈112〉強度提高，700℃退火時其強度可達15.2。

［1］李秀蓮，何亮，孫尚.SPCC冷軋薄板退火工藝的優化與性能分析［J］.熱加工工藝，2008，39（8）：171－173，176.

［2］高榮慶，吳庚亮，孫建衛.壓下率和退火溫度對SPCC冷軋鋼帶組織與性能的影響［J］.金屬熱處理，2011，36（7）：23－27.

［3］武磊，劉雅政，劉興全，等.退火工藝對CSP供冷軋原料的SPCC板性能和織構的影響［J］.材料熱處理學報，2007，28（s1）：130－133.

［4］He Li，Jin Zhihao，Lu Jinde，et al.Modulated structures of Fe－10Mn－2Cr－1.5Calloy［J］.Materials and Design，2002，23（8）：717－720.

［5］李姚兵，楊雪梅，蘇嵐，等.超低碳 Ti－IF鋼性能和析出相研究［J］.物理測試，2008，26（4）：10－14.

［6］王昭東，郭艷輝，王國棟.高強Ti－IF鋼鐵素體區熱軋和冷軋過程織構演變規律［J］.材料科學與工藝，2009，17（1）：75－79.

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［8］毛衛民.金屬材料的晶體學織構與各向異性［M］.北京：科學出版社，2002：33－45.