退火溫度對(duì)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼熱鍍鋅板時(shí)效性能的影響

魏寶民，穆海玲，白振華

(1.燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心、燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004；2.上海梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210039)

低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼熱鍍鋅板由于具有良好的耐腐蝕性能、較好的加工成形性能和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在汽車(chē)、家電和建筑行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛[1]。但是由于連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線退火無(wú)過(guò)時(shí)效處理段，尤其對(duì)于臥式退火爐，均熱段退火時(shí)間短、溫度高，低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼基體中有相當(dāng)數(shù)量的固溶碳、氮在熱鍍鋅板成品中保留下來(lái)[2]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間放置，鋼中的固溶碳、氮原子向位錯(cuò)周?chē)奂l(fā)生時(shí)效現(xiàn)象[3]，使鍍鋅板的屈服強(qiáng)度上升，伸長(zhǎng)率下降，沖壓成形過(guò)程中易產(chǎn)生開(kāi)裂等缺陷，影響了產(chǎn)品的成形性能，這是低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼熱鍍鋅板比較突出的問(wèn)題之一。

退火溫度作為連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)過(guò)程中主要的工藝控制參數(shù)，直接影響鍍鋅板組織狀態(tài)，同時(shí)可使鋼板中析出的碳、氮化物重新溶解，可能對(duì)鍍鋅板抗時(shí)效性能產(chǎn)生影響。本文利用人工加速時(shí)效方法研究了退火溫度對(duì)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼熱鍍鋅板抗時(shí)效性能的影響，并且利用測(cè)量鍍鋅板內(nèi)耗的方法來(lái)研究間隙原子的固溶含量，提出了改善熱鍍鋅板耐時(shí)效性能的最優(yōu)退火溫度，并在連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線得到了應(yīng)用。

1 材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用材料為某公司生產(chǎn)的厚度0.6 mm冷軋軋硬態(tài)的鋼板，主要成分列于表1。

表1 試驗(yàn)鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Tab.1 Chemical composition of test steel(%)

將試驗(yàn)材料，利用退火模擬試驗(yàn)機(jī)，采用圖1曲線模擬熱鍍鋅機(jī)組工藝進(jìn)行退火試驗(yàn)，其中退火溫度分別為700 ℃、730 ℃、750 ℃、770 ℃、800 ℃、830 ℃、850 ℃，然后對(duì)退火后樣品進(jìn)行人工加速時(shí)效，分別對(duì)時(shí)效前后樣品進(jìn)行拉伸測(cè)試，比較人工時(shí)效前后屈服強(qiáng)度提高值，來(lái)判斷自然時(shí)效的優(yōu)劣[4-5]。人工加速時(shí)效的方法是將樣品烘烤至150 ℃，保溫10 min。拉伸測(cè)試的試樣方向采用垂直于軋向，試樣平行段尺寸為20 mm×80 mm。用倒扭擺式內(nèi)耗儀測(cè)量退火樣品的內(nèi)耗值，研究間隙原子的固溶含量。

圖1 退火模擬工藝Fig.1 Simulated annealing process

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 人工時(shí)效的分析

由表2退火板的力學(xué)性能可以看出，退火溫度在700-770 ℃范圍時(shí)，材料的屈服強(qiáng)度異常偏高，斷后伸長(zhǎng)率異常偏低，鋼板處于未完全再結(jié)晶狀態(tài)。這時(shí)經(jīng)過(guò)人工時(shí)效烘烤后，屈服強(qiáng)度降低，斷后伸長(zhǎng)率升高，這是由于烘烤使未完全再結(jié)晶的材料組織回復(fù)所致。隨著退火溫度提高，從800 ℃開(kāi)始屈服強(qiáng)度顯著降低，斷后伸長(zhǎng)率顯著提高，表明鋼板已經(jīng)完成再結(jié)晶退火，這時(shí)隨著退火溫度的升高，經(jīng)過(guò)人工時(shí)效烘烤后，屈服強(qiáng)度增加值逐步上升，斷后伸長(zhǎng)率的下降值增加，退火溫度為800 ℃時(shí)屈服強(qiáng)度的上升值最小，如圖2所示，此時(shí)鋼板的耐時(shí)效性能最優(yōu)，在保證完全退火的條件下，低溫退火較高溫退火具有相對(duì)優(yōu)良的耐時(shí)效性能。

2.2 固溶碳含量的分析

金屬材料的時(shí)效現(xiàn)象是由于固溶碳、氮間隙原子向位錯(cuò)偏聚形成Cottrel氣團(tuán)而造成的。因此，固溶原子的數(shù)量決定了材料的抗時(shí)效性能, 內(nèi)耗測(cè)量的Snoek峰的高低與間隙原子的固溶量滿(mǎn)足線性關(guān)系[6]。圖3、圖4是試驗(yàn)卷退火溫度和鋼板內(nèi)耗峰Q-1max 的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，退火溫度與內(nèi)耗峰基本成類(lèi)似U形曲線關(guān)系，隨著退火溫度提高，內(nèi)耗峰Q-1max先降低再提高，在800 ℃時(shí)最低，此時(shí)退火板間隙固溶原子數(shù)量最少,進(jìn)一步驗(yàn)證了上述人工時(shí)效的結(jié)果。

表2 退火板及人工時(shí)效后的力學(xué)性能Table.2 Mechanical properties of annealed plates and after manual accelerated aging

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果在現(xiàn)場(chǎng)熱鍍鋅機(jī)組生產(chǎn)線得到了應(yīng)用，某產(chǎn)品原退火溫度為840 ℃，現(xiàn)將退火溫度調(diào)整為800 ℃，在現(xiàn)場(chǎng)試生產(chǎn)，其余工藝參數(shù)不變，與實(shí)驗(yàn)室模擬不同之處在于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)施加了約1.0%的平整量。對(duì)工藝調(diào)整前后的鍍鋅板進(jìn)行了自然時(shí)效測(cè)量，材料在常溫下放置90天，間隔幾天測(cè)試力學(xué)性能，觀察屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率的變化規(guī)律。

圖2 人工時(shí)效屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率變化Fig.2 Change in yield strength and elongation after manual accelerated aging

圖3 不同退火溫度的內(nèi)耗值Fig.3 Internal friction values of different annealing temperatures

圖4 不同退火溫度的內(nèi)耗峰值Fig.4 Peak internal friction at different annealing temperatures

圖5 屈服強(qiáng)度隨時(shí)間的變化Fig.5 Change in yield strength with time

圖6 斷后伸長(zhǎng)率隨時(shí)間的變化Fig.6 Change in elongation after fracture with time

由圖5、6可以看出，退火溫度為840 ℃和800 ℃，材料原始屈服強(qiáng)度分別為194 MPa和214 MPa，放置90天時(shí)的屈服強(qiáng)度分別為252 MPa和241 MPa。退火溫度由840 ℃降低到800 ℃，在常溫下隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，屈服強(qiáng)度增加的速率變得緩慢；同時(shí)，材料原始斷后伸長(zhǎng)率分別為38%和36%，放置90天時(shí)的屈服強(qiáng)度分別為26%和29%。退火溫度由840 ℃降低到800 ℃，在常溫下隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，斷后伸長(zhǎng)率降低的速率也變得緩慢，這些都表明退火溫度由840 ℃降低到800 ℃后材料的耐自然時(shí)效性能有所改善。

4 結(jié)論

1)不同退火溫度低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼板的人工時(shí)效測(cè)量結(jié)果表明：在保證完全退火的條件下，低溫退火較高溫退火具有相對(duì)優(yōu)良的耐時(shí)效性能，本試驗(yàn)材料退火溫度800 ℃時(shí)耐時(shí)效性能最優(yōu)。

2) 不同退火溫度低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼板的內(nèi)耗值測(cè)量結(jié)果表明，在700-850 ℃范圍內(nèi)，退火溫度與內(nèi)耗峰基本成類(lèi)似U形曲線關(guān)系，隨著退火溫度提高，內(nèi)耗峰Q-1max先降低后提高，在800 ℃時(shí)最低，此時(shí)退火板間隙固溶原子數(shù)量最少。

3)試驗(yàn)結(jié)果在熱鍍鋅生產(chǎn)線得到了應(yīng)用，將退火溫度由840 ℃調(diào)整至800 ℃，自然時(shí)效結(jié)果表明：常溫下隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，鍍鋅板的屈服強(qiáng)度增加的速率和斷后伸長(zhǎng)率降低的速率均較為緩慢，表明退火溫度由840 ℃降低到800 ℃，鍍鋅板的耐自然時(shí)效性能有所改善。