退火工藝對濾清器用 IF 鋼組織及性能的影響

摘 要：為了研究濾清器用IF鋼組織及性能隨退火工藝的演變規律，利用連續退火模擬試驗機對工業生產的IF鋼冷硬板進行了連續退火模擬試驗，分別研究了退火溫度和過時效工藝對試驗鋼組織性能的影響。結果表明：在720～780" ℃退火，隨著退火溫度的升高試驗鋼的再結晶程度增大，抗拉強度和屈服強度緩慢下降、伸長率呈上升趨勢；當退火溫度大于等于740 ℃時，對于深沖性能有利的{111}lt;110gt;織構顯著增強；當過時效開始溫度為400 ℃時，過時效結束溫度在300～350" ℃變化對試驗鋼性能的影響不大，同時提高過時效開始及結束溫度后，試驗鋼的屈服強度和伸長率明顯提高。

關鍵詞：退火工藝；IF鋼；濾清器用鋼；退火溫度；過時效工藝

EFFECT OF ANNEALING PROCESS ON MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF IF STEEL USED IN FILTERS

Shuai Yong1 Gao Yongxu2 Li Weinan2 Tang Xiaoyong1 Yang Yuanhua1 Zhao Zhengzhi2

（1. Xinyu Iron and Steel Group Co.， Ltd." "Xinyu" 338001， China;

2. Collaborative Innovation Center of Steel Technology， University of Science and Technology" "Beijing" 100083， China）

Abstract：In order to investigate the evolution of the microstructure and properties of IF steel used in filters with annealing process， continuous annealing simulation tests were conducted on IF steel cold hard plates produced in industry using a continuous annealing simulation test machine. The effects of annealing temperature and over-aging process on the microstructure and properties of the test steel were studied separately. The results showed that the recrystallization degree of the test steel increased with the increase of annealing temperature at 720～780 ℃， and the tensile strength and yield strength slowly decreased， while the elongation rate showed an upward trend; When the annealing temperature is greater than or equal to 740 ℃， the {111}lt;110gt;texture， which is beneficial for deep drawing performance， is significantly enhanced; When the starting temperature of over aging is 400 ℃， the change in the ending temperature of over aging between 300～350 ℃ has little effect on the properties of the test steel. At the same time， increasing the starting and ending temperatures of over aging significantly improves the yield strength and elongation of the test steel.

Key Words： annealing process；IF steel；filter steel；annealing temperature；over-aging process

0 引 言

近年來，隨著我國汽車工業的快速發展及汽車保有量的高速增加，市場對車用濾清器的需求也逐漸增大[1-5]。濾清器作為汽車發動機及汽車中其他機械設備過濾雜質的關鍵部件，其性能的穩定性對設備的運行效果至關重要。同時，濾清器復雜的工作條件，也對濾清器外殼材料提出了較高的要求[3]。

濾清器外殼材料由冷軋鋼帶加工而成，占濾清器外觀總面積的80%以上，如果在加工過程中出現問題，會嚴重影響產品的外觀質量，最終導致報廢或退貨，增加質量成本。目前，濾清器外殼基本使用的是傳統的IF，比如DC03、DC04等材料，厚度一般在0.5 mm以上，在加工過程中容易出現開裂、砂眼、制耳等缺陷[4]。隨著濾清器行業的快速發展，市場對產品的要求不斷提高、產品規格的也逐漸變薄，傳統的IF鋼更加難以滿足高端汽車濾清器外殼產品嚴苛的加工要求，產品在加工過程中產生缺陷的比例進一步上升，導致濾清器用鋼帶市場對進口的依賴性強，限制了我國濾清器產業的發展，因此對濾清器用鋼帶研究迫在眉睫。

為了盡快開發出滿足市場需求的濾清器用鋼，本文在工業生產的IF鋼冷硬板基礎上進行試驗，研究了退火溫度以及過時效工藝對IF鋼組織及性能的影響，得到了組織及性能隨退火工藝的演變規律，對后續工業生產熱處理工藝的制定具有指導意義。

1 試驗材料和方法

本文的試驗材料為工業生產的IF鋼冷硬板，厚度為0.4 mm，具體化學成分如表1所示。沿垂直于軋制方向，利用線切割機切取連續退火試樣若干，試樣尺寸為200 mm×70 mm×0.4 mm。利用CCT-AY-Ⅱ型板帶退火模擬實驗機對IF鋼冷硬板進行連續退火試驗，退火溫度選取720、740、760、780 ℃，過時效階段采用不同的起始及終止溫度工藝，其余各階段加熱及冷卻速率參數恒定，連續退火工藝路線如圖1所示。

在連續退火后的試樣上切取標距為50 mm的拉伸試樣，利用電子萬能材料測試系統E45.305進行力學性能試驗。切取4 mm×10 mm金相及掃描試樣，依次使用240、400、800、1200、1 500、2 000目砂紙進行打磨，隨后拋光、腐蝕，腐蝕液為4%的硝酸酒精溶液。利用奧林巴斯金相顯微鏡和ZEISS ULTRA 55場發射掃描電鏡對試樣的組織進行觀察[6]。切取4 mm×10 mm織構測試試樣，隨后進行砂紙研磨、機械拋光以及電解拋光。選用Cu靶（波長λ=1.5418" ?）的X射線束作為檢測用X射線光源，在D8 advance衍射儀上測量試樣的織構數據，Phi角檢測范圍0 °～360 °，Psi角檢測范圍0 °～70 °，測量過程中沿Phi、Psi以5 °的步長間隔記錄衍射強度。

2 試驗結果與討論

2.1 退火溫度對試驗鋼組織性能的影響

退火溫度分別選取720、740、760、780 ℃，過時效開始溫度為400 ℃，結束溫度為330 ℃。如圖2所示，為試驗鋼經不同溫度退火后的金相組織。從圖2a～圖2d中可以看出，在不同的溫度下退火，冷軋未退火時的纖維狀鐵素體晶粒消失，鐵素體晶粒出現了不同程度的再結晶和長大。當在720 ℃退火時，試驗鋼的組織中存在大量的扁平狀鐵素體晶粒，剛發生再結晶的鐵素體晶粒尺寸較小，長大并不完全。隨著退火溫度的升高，鐵素體晶粒的再結晶程度增大，扁平狀鐵素體晶粒的數量減少，再結晶的晶粒尺寸也逐漸增大。如表2所示，為試驗鋼經不同溫度退火后的晶粒尺寸[7]。當退火溫度由720 ℃提升至760 ℃，試驗鋼的等效圓晶粒平均直徑由8.21 μm增加至10.62 μm[8]。在此溫度范圍內退火，由于試驗鋼中存在數量較多的未長大的鐵素體晶粒，因此平均晶粒尺寸整體較小，隨退火溫度的升高平均晶粒尺寸的增加幅度不大。當退火溫度達到780 ℃時，試驗鋼的等效圓晶粒平均直徑為12.47 μm，此時再結晶的鐵素體晶粒長大明顯，且基本均呈等軸狀，組織的均勻化程度明顯提高[9-10]。圖3為試驗鋼經過不同退火溫度處理后的掃描組織。相比于金相組織，掃描組織中鐵素體晶粒的形態特征更加明顯。在720～760 ℃退火時，組織中的扁平狀鐵素體晶粒較多，再結晶的晶粒沿軋制方向擇優生長；在780 ℃退火時，等軸狀鐵素體居多，基本不存在扁平狀鐵素體。

利用歐拉角對晶體取向進行表示，在歐拉空間中，織構密度f （g）=f（φ1，φ，φ2）。如圖4所示為試驗鋼經不同溫度退火后φ2=45 °時的ODF截面圖，圖中不同顏色的曲線為等織構密度線。由圖4a可知，試驗鋼在720 ℃退火時，其組織中的晶粒已經具有明顯的擇優取向；從圖4b、c、d可以看出，隨著退火溫度的升高，這種取向性逐漸增強。通過圖4中的織構密度數據選取特定的歐拉角，進行典型織構的分析。如圖5a所示，當φ1 = 0°，φ2 = 45°時，即α取向線；如圖5b，當φ= 55 °，φ2 = 45 °時，即γ取向線。從α取向線中可以看出，在不同的溫度下退火，試驗鋼具有相似的織構組成。其中，典型的織構有{001}lt;110gt;織構、{112}lt;110gt;織構和{111}lt;110gt;織構。在{001}lt;110gt;織構處，當退火溫度為720 ℃時，密度函數值最大為4.8；退火溫度升高后，密度函數值明顯減小，降低至3.2以下；因此退火溫度的升高減弱了{001}lt;110gt;織構。當試驗鋼在不同的退火溫度下退火，密度函數的峰值均出現在{111}lt;110gt;織構處；并且在720 ℃退火時的密度函數值要明顯低于其余退火溫度的密度函數值；這說明，當在大于720 ℃退火時，試驗鋼的{111}lt;110gt;織構能夠顯著增強。在γ取向線上，織構密度均處于較高水平；并且隨著退火溫度的提升織構密度逐漸增大[11-14]。

如圖6所示，為不同退火溫度下試驗鋼的力學性能。由圖6可知，在720～780 ℃退火，試驗鋼的抗拉強度均大于340 MPa，屈服強度大于150 MPa。隨著退火溫度的升高，抗拉強度和屈服強度呈下降趨勢。在720 ℃退火時，試驗鋼抗拉強度為382 MPa、屈服強度為200 MPa；當退火溫度提升至780 ℃，抗拉強度降低至348 MPa，屈服強度降低至154 MPa，二者分別下降了34、46 MPa。強度的變化隨退火溫度的升高下降緩慢，且變化較為平穩。強度的降低主要是因為隨退火溫度的升高鐵素體晶粒的回復、再結晶以及晶粒的長大程度均增大，因此導致位錯強化和細晶強化的效果減弱。在低溫退火時，伸長率隨退火溫度的變化有所波動，但隨退火溫度的提高伸長率仍呈上升趨勢，整體波動較小；伸長率的提高是強化效果減弱，基體軟化的結果[15-17]。

2.2 過時效溫度對試驗鋼組織性能的影響

退火溫度選取740 ℃，過時效工藝分別為400（開始溫度）～300 ℃（結束溫度）、400～330 ℃、400～350 ℃、430～350 ℃，工藝設計通過提高過時效階段的開始溫度和結束溫度來提高過時效階段的整體溫度。如圖7所示為不同過時效工藝下的金相組織。在不同的過時效工藝下，試驗鋼的組織均為鐵素體，且晶粒尺寸隨過時效工藝的改變變化不大，均表現為部分扁平狀再結晶晶粒和部分尺寸細小的等軸狀再結晶晶粒。圖8為試驗鋼不同時效工藝下的顯微組織，其組織特征與金相組織特征保持一致[18-20]。

如圖9所示，為試驗鋼在不同過時效工藝下的力學性能。當過時效開始溫度為400 ℃時，過時效結束溫度的提高對試驗鋼的性能影響不大；其中，屈服強度在160～175 MPa、抗拉強度在345～365 MPa、伸長率在20%～22%，材料的性能基本保持穩定。當過時效開始溫度為430 ℃、過時效結束溫度為350 ℃時，試驗鋼的屈服強度和伸長率均有明顯提升。其中，屈服強度達到194 MPa，相比于400～300 ℃過時效工藝下的164 MPa提升了30 MPa；伸長率達到25.2%，相較于其他過時效工藝中的最大伸長率提升了約3%；抗拉強度與其他過時效工藝差異不大，為363 MPa，基本保持穩定。

3 結 論

1）在連續退火工藝下，試驗鋼的退火組織為鐵素體。在720～780 ℃退火，隨著退火溫度的升高，鐵素體的平均直徑尺寸及再結晶程度逐漸增大。試驗鋼的抗拉強度和屈服強度隨退火溫度的升高緩慢下降，伸長率在760 ℃及以上溫度退火時顯著提升。

2）在720～780 ℃退火，試驗鋼具有較強的{111}//RD織構。當退火溫度由720 ℃提升至740 ℃，{001}lt;110gt;織構明顯減弱，{111}lt;110gt;織構顯著增強。在740～760 ℃退火，{111}lt;110gt;織構維持在較高水平，密度函數值大于6.4。

3）在不同的過時效工藝下，試驗鋼的組織為部分扁平狀再結晶晶粒和部分尺寸細小的等軸狀再結晶晶粒，組織差異性較小。在給定的工藝參數下，試驗鋼的強度和伸長率受過時效結束溫度的影響較小，性能穩定性好；當整體提高過時效溫度后，屈服強度和伸長率有明顯提升。

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第一作者：帥勇，男，41歲，高級工程師

基金項目：高品質濾清器用鋼帶關鍵制造技術研究及應用（20232BCJ22037）