退火工藝對(duì)薄規(guī)格SPCC鋼板組織和性能的影響

杜晶晶，宋仁伯，楊富強(qiáng)

（北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京，100083）

SPCC冷軋?zhí)妓劁摫“寮颁搸У膽?yīng)用范圍較廣。與常規(guī)厚度的SPCC鋼板（厚度≥0.6mm）相比，薄規(guī)格SPCC鋼板（厚度≤0.3mm）主要應(yīng)用于電子產(chǎn)品外殼，所以對(duì)其深沖性能和表面質(zhì)量的要求更高。冷軋后退火處理是冷軋生產(chǎn)中的重要工序，以達(dá)到降低鋼的硬度、消除冷加工硬化、恢復(fù)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(guī)格SPCC退火板的伸長率會(huì)降低。因此研究退火工藝對(duì)薄規(guī)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(yōu)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(duì)SPCC鋼帶組織與性能的影響，認(rèn)為從金相角度考慮，厚度小于0.3mm的SPCC鋼板的最優(yōu)退火溫度為675～700℃。武磊等［3］分析了不同退火工藝對(duì)CSP熱軋帶鋼供冷軋?jiān)系腟PCC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(duì)0.3mm厚的薄規(guī)格SPCC鋼板，通過罩式退火模擬試驗(yàn)，研究退火溫度和保溫時(shí)間對(duì)鋼板力學(xué)性能、成形性和織構(gòu)的影響。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為工業(yè)條件下生產(chǎn)的冷軋變形量為80%的0.3mm厚SPCC鋼板，其化學(xué)成分如表1所示。

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

在SKY－2箱式電阻爐內(nèi)以氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣體對(duì)SPCC鋼板進(jìn)行退火模擬試驗(yàn)：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(shè)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(biāo)尺測定試樣的表面洛氏硬度（總負(fù)荷為294.2N、鋼球直徑為1.588mm），然后根據(jù)ASTM E140和ISO18265標(biāo)準(zhǔn)中HR30T和HV的換算對(duì)照表，利用插值法得出試樣的維氏硬度。

采用CMT4105拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)SPCC退火板進(jìn)行力學(xué)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(yīng)變硬化指數(shù)n值和塑性應(yīng)變比r值。

將SPCC退火板打磨、拋光，用5%硝酸酒精進(jìn)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?！?000＃砂紙逐級(jí)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(jìn)行試樣的織構(gòu)檢測。根據(jù)反射法測得｛110｝、｛200｝、｛211｝三張不完整極圖，由計(jì)算機(jī)分析軟件推算ODF圖，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制α和γ取向線。

2 結(jié)果與討論

2.1 退火溫度對(duì)SPCC鋼板力學(xué)性能的影響

經(jīng)過不同溫度退火并保溫13h后，0.3mm厚SPCC鋼板的力學(xué)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(shí)，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(dāng)退火溫度升至720℃時(shí)，試樣的斷后延伸率和硬度值急劇降低，結(jié)合圖2可知，此時(shí)試樣的r值僅為0.81，這可能是由于溫度過高導(dǎo)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(shí)，試樣的r值較高，這可能是因?yàn)樵谕嘶疬^程中，一些有利織構(gòu)，特別是｛111｝〈110〉、｛111｝〈112〉等織構(gòu)得到了發(fā)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(biāo)，r值的大小與鋼板的晶體取向密度函數(shù)密切相關(guān)。因?yàn)椋?11｝晶面是主滑移面，而〈110〉方向是主滑移方向，由此構(gòu)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(duì)應(yīng)的r值就高，致使板在成形時(shí)抵抗厚度減薄的能力強(qiáng)，所以其深沖性能較好［4－5］。

n值也是評(píng)價(jià)深沖鋼板成形性的重要指標(biāo)之一。一般來說，材料的屈強(qiáng)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(jīng)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(jīng)過680、700、720℃退火后，晶粒都發(fā)生了完全再結(jié)晶；退火溫度為680℃時(shí)，鐵素體組織均勻，晶粒細(xì)小呈等軸狀，因此退火后的鋼板強(qiáng)度高，且延伸率達(dá)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(shí)，晶粒過分粗大，造成鋼板的強(qiáng)度與塑性同時(shí)下降，此時(shí)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(shí)間對(duì)SPCC鋼板力學(xué)性能的影響

經(jīng)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(xué)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(shí)間不同時(shí)，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??；隨著保溫時(shí)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(shí)間為11h時(shí)，試樣的r值較大。

圖4 不同保溫時(shí)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(shí)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(shí)間下試樣的金相組織見圖6。由圖6可見，隨著保溫時(shí)間的延長，晶粒尺寸略有增大，晶粒都比較均勻，且發(fā)生了完全再結(jié)晶。

圖6 不同保溫時(shí)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(duì)SPCC鋼板織構(gòu)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(gòu)沿α、γ取向線分布密度圖。由圖7和圖8可見，試樣織構(gòu)組分主要集中在γ取向線，表現(xiàn)出較強(qiáng)的γ織構(gòu)特征，其中｛111｝〈112〉組分強(qiáng)度最高，｛001｝〈110〉組分強(qiáng)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(qiáng)度提高［6－7］。退火后，中心面上各晶粒已經(jīng)發(fā)生完全再結(jié)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(gòu)中的最強(qiáng)組分為｛111｝〈112〉織構(gòu)。同時(shí)，700℃退火時(shí)的｛111｝〈112〉織構(gòu)強(qiáng)度（15.2）大于680℃退火時(shí)的｛111｝〈112〉織構(gòu)強(qiáng)度（14.5）。700℃退火后，在Φ為45°～65°時(shí)，織構(gòu)強(qiáng)度穩(wěn)定在6.0以上，而不利于深沖的｛001｝〈110〉織構(gòu)的強(qiáng)度值都比較小，約為4。

對(duì)于深沖鋼板，其特征織構(gòu)主要表現(xiàn)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(shí)，其取向會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，滑移方向和拉力方向上的差異趨于減少，即拉伸方向轉(zhuǎn)向滑移方向；晶粒受壓時(shí)，如果開始時(shí)滑移面是傾斜的，滑移面的法線就會(huì)轉(zhuǎn)向，和壓力方向一致。當(dāng)鐵素體區(qū)壓下率較大時(shí)，晶粒的取向趨于一個(gè)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(gòu)［8］。由圖8（a）可見，680℃退火后，變形織構(gòu)｛112｝〈110〉的強(qiáng)度達(dá)到4，即鋼板中還保留著強(qiáng)度較高的變形織構(gòu)；而700℃退火后，｛112｝〈110〉織構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)較弱，這表明提高退火溫度可以減少變形織構(gòu)。

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(gòu)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(gòu)特征，680℃和700℃退火后，鋼板中｛111｝〈110〉織構(gòu)強(qiáng)度都在12左右，｛111｝〈112〉織構(gòu)強(qiáng)度在15左右。

3 結(jié)論

（1）隨著退火溫度的升高，0.3mm 薄規(guī)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(dāng)退火溫度升至720℃時(shí)，鋼板的斷后延伸率和硬度急劇降低。

（2）保溫時(shí)間對(duì)0.3mm 薄規(guī)格SPCC鋼板的深沖性能影響不大。隨著保溫時(shí)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(jīng)過680℃和700℃退火后，SPCC鋼板的織構(gòu)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(gòu)｛112｝〈110〉強(qiáng)度降低，有利織構(gòu)｛111｝〈112〉強(qiáng)度提高，700℃退火時(shí)其強(qiáng)度可達(dá)15.2。

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