退火保溫時間對汽車用冷軋IF鋼組織性能的影響

彭 沖，唐小勇，楊源華

（新余鋼鐵集團有限公司，江西 新余 338001）

0 引言

現(xiàn)代汽車的發(fā)展趨勢是減重、節(jié)能、防腐、防污染、防噪音和安全舒適等，為適應(yīng)這一發(fā)展的需求，對汽車用鋼材性能的要求越來越高。汽車深沖用冷軋IF鋼是汽車制造所需鋼材的主要品種之一，市場需求量大，前景十分廣闊[1-3]。沖壓成形性能是汽車制造用鋼材的首要要求，冷軋汽車板的深沖性與其有利織構(gòu)組分的大小密切相關(guān)，有利織構(gòu){111}/{100}越高，塑性應(yīng)變比r 值越高，深沖性能越好。IF 鋼按沖壓級別可分為商用級（CQ）、普通沖壓級（DQ）、深沖壓級（DDQ）、特深沖壓級（EDDQ）和超深沖壓級（SEDDQ）等系列。另外隨著汽車減重、節(jié)能降耗的需要，薄規(guī)格的深沖IF鋼也將會應(yīng)用得越來越廣泛，這對材料的表面質(zhì)量、各向同性和強度都提出了更高的要求。

目前，新余鋼鐵集團有限公司（以下簡稱新鋼）已具備大批量生產(chǎn)全系列汽車用冷軋IF鋼的能力，但部分薄規(guī)格產(chǎn)品存在性能波動較大的問題。在諸多生產(chǎn)工序中，退火工序是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，直接影響成品板的最終性能[4-5]。本文結(jié)合新鋼冷軋薄板退火工藝裝備的特點，研究了退火保溫時間對薄規(guī)格IF 鋼組織與性能的影響，為優(yōu)化薄規(guī)格IF 鋼生產(chǎn)工藝提供了依據(jù)。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

此次退火實驗選用的材料為新鋼卷板廠生產(chǎn)的0.35mm厚度冷軋硬板，實驗鋼化學(xué)成分見表1。由表1可以看出，實驗鋼化學(xué)成分較普通IF鋼，Mn元素和Alt含量更高，Ti元素含量更低，同時為了避免二次加工脆性，將P元素含量控制在0.015%以內(nèi)[6-8]。

表1 實驗鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

1.2 試驗方案

試驗儀器為日本ULVAC 理工株式會社生產(chǎn)的CCT-AY-Ⅱ連退模擬試驗機，冷軋硬板的模擬連退試驗方案如圖1所示。保證連續(xù)退火工藝中其他工藝參數(shù)不變，在退火溫度為730℃下，以保溫時間為變量，選取了1min、3min 和5min 三個不同的保溫時間分別開展試驗，并在ZEISS 光學(xué)顯微鏡、CMT5105 萬能拉伸實驗機、ZEISS ULTRA 55 熱場發(fā)射掃描電鏡上進行檢測分析。

圖1 試驗鋼模擬連退試驗方案

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 退火保溫時間對微觀組織的影響

試驗鋼經(jīng)不同保溫時間退火后的金相組織如圖2所示。由圖2可以看出，在設(shè)定的退火溫度下，試樣在升溫過程中，其冷軋組織基本已完成了回復(fù)和再結(jié)晶過程，因此沿軋向伸長的纖維狀組織大部分都轉(zhuǎn)變成了等軸狀。而隨著保溫時間的延長，主要發(fā)生的是再結(jié)晶晶粒的合并長大以及均勻化行為。保溫時間的增加促進了溶質(zhì)原子在晶界附近的遷移，試樣中原子的擴散行為更加活躍，因此使得晶粒的尺寸得到發(fā)展。此外還可以看出，隨著保溫時間的增加，各退火晶粒之間的尺寸差異減小。

圖2 試驗鋼經(jīng)不同保溫時間退火后的金相組織

2.2 退火保溫時間對力學(xué)性能的影響

試驗鋼經(jīng)不同保溫時間退火后的力學(xué)性能如表2所示，試驗鋼退火后力學(xué)性能隨保溫時間的變化曲線如圖3所示。

由表2可以看出：當(dāng)保溫時間從1min 增加到5min，退火試樣的屈服強度從140MPa 降低到120MPa，降低了20MPa，但抗拉強度從304MPa降低到299MPa，變化很小，由此可見保溫時間的延長對試驗鋼抗拉強度的影響比較微弱；試樣的屈強比從0.46 降低到0.40，下降幅度較大，但下降速度隨保溫時間的延長而有所放緩，試樣鐵素體晶粒尺寸的增加和位錯密度的減少必然使材料的強度降低，而試樣屈強比的降低則代表了試樣變形區(qū)域的增加，從而使得試樣的變形能力增強，這對試樣之后的成形過程是有利的；試樣的斷后伸長率在保溫1min時為37.5%，但在保溫5min后增加到了40.1%，試樣的塑韌性有了較大的提升。

表2 試驗鋼經(jīng)不同保溫時間退火后的力學(xué)性能（90°方

塑性應(yīng)變比（r 值）和平面各向異性指數(shù)（Δr）均是反映鋼帶成形性能的重要指標(biāo)，保持各向同性有利于成形時材料在各個方向上穩(wěn)定流動和相互協(xié)調(diào)，尤其是對某些圓筒形深沖件，如電池殼或濾清器等，能使壁厚減薄均勻并且無制耳[9]。圖3（b）反應(yīng)了保溫時間對塑性應(yīng)變比（r90）以及平面各向異性指數(shù)（Δr）這兩個成形性能指標(biāo)的影響。隨著保溫時間的增加，r90逐漸增大，經(jīng)保溫5 min 退火處理后試樣的r90最大，為2.22。但同時，試驗鋼在各個方向上性能的均勻性隨退火時間的增加而受到了負(fù)面影響，保溫時間延長的過程中也導(dǎo)致了Δr的增加。

圖3 試驗鋼退火后力學(xué)性能隨保溫時間的變化曲線（90°方向）

從上述實驗數(shù)據(jù)來看，退火保溫時間在5min時，試驗鋼屈強比最低，延伸率和r 值最高，綜合力學(xué)性能最佳。但考慮到實際生產(chǎn)以及效益等因素，保溫3min后退火是最佳選擇。

2.3 退火保溫時間對織構(gòu)的影響

IF 鋼深沖性能與再結(jié)晶織構(gòu)密切相關(guān)[10-11]，因此有必要對試驗鋼的織構(gòu)進行分析。利用EBSD實驗手段分別對在1 min、3 min 和5 min 保溫時間下模擬退火的試樣進行織構(gòu)觀察。試驗鋼經(jīng)不同保溫時間退火后的ODF 圖（歐拉角?2=45°）如圖4所示。由圖4中可以看出，不同保溫時間下的退火織構(gòu)也都表現(xiàn)為強的γ織構(gòu)和弱的α織構(gòu)。

圖4 試驗鋼經(jīng)不同保溫時間退火后的ODF圖（歐拉角?2=45°）

圖5為試驗鋼經(jīng)不同保溫時間退火后的α 和γ取向線上的織構(gòu)密度分布圖。由圖5可以看出，在退火織構(gòu)中，{111}<112>織構(gòu)強度最高且含量最多，{111}<110>織構(gòu)和{112}<110>織構(gòu)稍弱，{001}織構(gòu)的含量極少。圖5（a）反應(yīng)的是不同保溫時間下α 取向線上各織構(gòu)的強度，可以看出在保溫時間為1min 時，曲線下覆蓋的面積較大，而隨著保溫時間的延長，曲線下的整體面積減小，意味著整個α 織構(gòu)的強度是隨著保溫時間的增加而減小的。圖5（b）反應(yīng)的是不同保溫時間下γ 取向線上各織構(gòu)的強度，可以看出γ 取向線上最大織構(gòu)密度值在保溫1min 時只有12，保溫3min 后織構(gòu)密度的最大值達到了近16，因此延長保溫時間對增加γ 織構(gòu)的強度和提升r 值有明顯效果。但在保溫時間增加后，γ取向線上各織構(gòu)之間的強度差異變大，這使得材料的Δr值偏高。

圖5 試驗鋼經(jīng)不同保溫時間退火后的α和γ取向線上的織構(gòu)密度分布圖

3 結(jié)論

通過對冷軋硬板進行退火模擬試驗，研究了退火保溫時間對薄規(guī)格IF 鋼最終組織和性能的影響規(guī)律。經(jīng)對實驗數(shù)據(jù)的分析得出如下結(jié)論：

（1）試驗鋼的退火組織均為單一鐵素體，整體為餅形，但部分退火態(tài)晶粒仍沿軋制方向有一定程度的伸長。退火保溫時間的延長使得再結(jié)晶行為更充分，晶粒更均勻，等軸晶粒比例增加，晶粒尺寸增大。

（2）退火保溫時間延長，屈強強度、抗拉強度變化不大，延伸率、塑性應(yīng)變比和平面各向異性指數(shù)提高。

（3）在退火織構(gòu)中，{111}<112>織構(gòu)強度最高且含量最多，{111}<110>織構(gòu)和{112}<110>織構(gòu)稍弱，{001}織構(gòu)的含量極少。退火保溫時間的延長使得{111}和{112}面織構(gòu)的含量增加，而{001}面織構(gòu)所占百分比降低。

（4）針對本試驗鋼，保溫時間在5min 時，退火后綜合性能最佳。但考慮到生產(chǎn)的實際情況，保溫3min后退火是較好的選擇。