再結晶退火對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級低碳鋁鎮靜鋼，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。再結晶退火是冷軋變形后的鋼板組織回復、再結晶和晶粒長大的過程，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鋼板的深沖性能有重要的影響［3］。本研究通過實驗室模擬工業罩式爐再結晶退火工藝，探討了退火溫度和保溫時間對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系，以期對生產提供指導。

2 試驗材料及方法

本研究所用SPCC鋼板的化學成分、熱軋及冷軋工藝參數如表1、表2所示。

表1 SPCC鋼板主要化學成分（質量分數）%

表2 SPCC鋼板熱軋及冷軋工藝參數

用實驗室管式氣氛爐模擬退火試驗，氫氣作為保護氣氛，退火工藝如圖1所示。用Nikon Epiphot 300光學顯微鏡分析顯微組織，用HV-1000硬度計測量維氏硬度。采用定量金相法，在若干個視野內統計不少于100個餅形鐵素體的長軸和短軸長度，并計算其比值（餅形度）。用CMT5205電子萬能試驗機測定材料深沖性能，即塑性應變比r值和應變硬化指數n值。

圖1 SPCC鋼板實驗室退火工藝

3 試驗結果與討論

3.1 退火溫度對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680℃、700℃和720℃退火保溫4 h后，鐵素體晶粒均已完全再結晶；退火溫度為680℃時，鐵素體晶粒相對細小，部分晶粒仍保持形變后的特征，沿軋制方向拉長（見圖2a）；當退火溫度達到700℃時，鐵素體晶粒明顯長大，形態為較規則的餅形晶粒，大小相對均勻（見圖2b）；退火溫度升至720℃時，鐵素體晶粒進一步長大，個別晶粒吞并小晶粒形成大晶粒，與700℃相比晶粒形態未發生明顯變化（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SPCC鋼板深沖性能的影響，可以看出，各退火溫度下均表現為r90＞r0＞r45的規律，并且r0、r45、r90及r值均隨著退火溫度的升高而增大，當退火溫度超過700℃時，r值、n值和伸長率增大的趨勢不明顯。這是由于隨著退火溫度升高，一方面再結晶相對提前，為晶粒長大創造了有利條件，使晶粒長大過程延長；另一方面，再結晶完成后繼續保溫時晶粒長大熱激活條件改善，以上兩方面因素均導致了對鋼板深沖性能有利織構{111}<112>強度的提高，變形織構{112}<110>強度的降低［4］，使得鋼板的r值、n值和伸長率A值升高。

3.2 保溫時間對組織和深沖性能的影響

經過700℃退火并分別保溫不同時間后，試樣的顯微組織如圖4所示。可以看出，在連續升溫至700℃的過程中，當保溫時間為5 min時，冷軋鋼板內的變形組織已全部發生再結晶，形成不太規則的細小餅形晶，晶界和基體上存在析出的滲碳體粒子（見圖4a）。隨保溫時間延長，晶粒逐漸長大（見圖4b～圖4d）；當保溫時間達到4 h時，晶粒已充分長大，晶粒度達到8級左右，如圖4e所示。繼續延長保溫時間（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SPCC鋼板深沖性能的影響

圖4 700℃退火保溫不同時間后的顯微組織

700℃退火保溫不同時間后SPCC鋼板的深沖性能如圖5所示，保溫時間從5 min到4 h鋼板的r值、n值及伸長率有較大幅度的提高。為了研究退火過程中鐵素體的再結晶規律，測定了700℃退火維氏硬度值隨保溫時間的變化，如圖6所示，可以看出開始時硬度下降很快，1 h后即降至接近最低點，繼續延長保濕時間硬度不再變化。這說明變形金屬在1 h內已基本完成再結晶，再延長保溫時間，就進入了晶粒長大階段，細小晶粒間存在的大量晶界使體系能量較高，再結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大，當多余界面能消耗完畢，晶粒長大的驅動力也顯著降低，此時晶粒長大接近停滯。根據Hall-Petch關系式，鋼的強度進一步降低，深沖性能有所改善［5］。

3.3 晶粒餅形度與深沖性能的關系

圖5 退火保溫時間對SPCC鋼板深沖性能的影響

圖6 700℃退火保溫時間對維氏硬度的影響

由以上結果可知，SPCC鋼板退火過程中晶粒的形態，即餅形度發生了明顯變化。圖7為700℃保溫不同時間的SPCC鋼板晶粒餅形度與深沖性能n值、r值的關系。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，當鐵素體餅形晶粒長短軸之比為1.5左右時，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應關系，因此認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判據。

圖7 晶粒餅形度與n值、r值的關系

4 結論

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

4.2 再結晶退火后SPCC鋼板的鐵素體餅形度與n值、r值之間存在明顯的對應關系，因此晶粒餅形度可以作為鋼板深沖性能的判據之一。

參考文獻：

［1］ 杜晶晶，宋仁伯，楊富強.退火工藝對薄規格SPCC鋼板組織和性能的影響［J］.武漢科技大學學報，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，王先進，等.退火溫度及平整量對03Al鋼板組織性能的影響［J］.鋼鐵，1999，34（12）：47-51.

［4］ 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，2002：35-50.

［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.