退火工藝對Ti-IF鋼力學性能的影響

陳泓業(yè)，李偉剛，王滕，李超

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243001）

IF鋼中文全稱為無間隙原子鋼[1]，通過添加Ti、Nb等微合金元素，對鋼中 C、N原子起到固定的作用[2]，從而獲得較低的屈服強度及較高的伸長率[3-4]。因此，具有優(yōu)異的深沖成形性能，常被作為第三代深沖鋼廣泛應用于汽車零部件，家電制造業(yè)等相關領域。近年來，國內的各大鋼企紛紛投入生產(chǎn)與研發(fā)IF鋼的行列中，而退火工藝對 IF鋼的組織和性能有著極其重要的影響[5]。本文采用實驗室真空箱式電阻爐模擬現(xiàn)場罩式退火設備，著重研究退火溫度、保溫時間及冷卻速率對單Ti成分的IF鋼組織、力學性能的影響，為采用罩式退火設備工業(yè)化生產(chǎn)Ti-IF鋼提供理論指導。

1 實驗材料與方法

實驗材料取自馬鞍山鋼鐵股份冷軋廠生產(chǎn)的軋硬卷，冷軋壓下率為78%，材料的規(guī)格為0.6 mm×200 mm×300 mm，Ti-IF鋼材料化學成分見表1。

表1 Ti-IF鋼材料化學成分（質量分數(shù)）Table 1 Chemical Compositions in Ti-IF Steel（Mass Fraction） %

再結晶溫度測定實驗在真空箱式電阻爐中進行，將冷軋壓下率為78%的實驗材料分別加熱 至 500、530、560、590、620、650、680、710、740、770、800、830℃后，放入空氣中自然冷卻至室溫，實驗工藝曲線如圖1所示。

圖1 實驗工藝曲線Fig.1 Technological Curves in Test

冷卻后的試樣經(jīng)研磨和4%硝酸酒精溶液腐蝕后，依據(jù) GB/T 230．1—2004《金屬洛氏硬度試驗第 1 部分:試驗方法（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標尺）》標準進行硬度測試，將試樣原始硬度和完全軟化后的硬度差定義為100%，將材料的硬度軟化后降低50%時的溫度定義為再結晶溫度。采用Zeiss金相顯微鏡觀察顯微組織，依據(jù)再結晶溫度，研究退火溫度、保溫時間及冷卻方式（冷卻速率）對材料力學性能的影響，退火溫度制定為680、710和740℃三種，保溫時間對應每種溫度下分別保溫2、4、8 h，冷卻方式根據(jù)冷卻速率由慢至快，依次選擇隨爐冷卻、緩慢冷卻及空氣冷卻三種方式，其中，緩慢冷卻是先將材料隨爐冷卻至200℃，再置入空氣中冷卻至室溫的方式。為保證現(xiàn)場工藝的一致性，實驗室采取先以450℃/h加熱速度升溫至450℃，再以190℃/h的速度升至指定溫度的方式進行退火模擬實驗[6]。

2 實驗結果及分析

2.1 再結晶溫度的確定

Ti-IF鋼的內部組織隨加熱溫度的升高會先后發(fā)生回復、再結晶及晶粒長大的三個階段，在發(fā)生再結晶的過程時，晶界或亞晶界合并，生成一無應變的小區(qū)——再結晶核心，四周則由大角度邊界將它與形變且已回復了的基體分開，大角度邊界遷移時，核心長大。隨著新晶粒的不斷長大，原晶粒內部已經(jīng)發(fā)生歪扭的晶格會逐漸消失或修復，從而消除加工硬化，因此，材料宏觀表現(xiàn)為硬度大幅下降。試樣硬度變化曲線[7]見圖2，三個不同階段下的Ti-IF鋼組織形貌見圖3。

圖2 試樣硬度變化曲線Fig.2 Curves of Changes in Hardness of Samples

圖3 不同階段下Ti-IF鋼的顯微組織Fig.3 Microstructures in Ti-IF Steel at Different Annealing Temperatures

由圖2和圖3可以看出，當溫度小于590℃， 材料的硬度趨勢變化較為平緩，數(shù)值變化不大，這說明材料在此溫度下主要發(fā)生回復過程，組織形貌主要為纖維狀變形晶粒，組織內部基本沒有再結晶形核，晶粒的長度方向沿軋向伸長，且其總的伸長尺寸與材料在冷軋過程的壓下率呈正相關影響，材料內部的分布不均勻，長度尺寸范圍約為20～80 μm；當溫度處于620～710℃，材料的硬度值突然開始急劇的下降，說明此時對應的溫度范圍為材料的再結晶過程，可以看出材料內部已經(jīng)出現(xiàn)大小不均勻的再結晶晶核，組織內部包含有未發(fā)生再結晶的纖維狀晶粒和已經(jīng)發(fā)生再結晶的細小晶粒，長度尺寸范圍約為 5～20 μm，如圖3（b）所示，冷軋產(chǎn)生的加工硬化逐漸消失，再結晶晶粒大量形核并長大；當溫度超過710℃后，曲線再次相對平穩(wěn)，數(shù)值變化不大，此時鋼板內的冷變形組織已完全消除，說明再結晶過程已全部完成，材料內部看不見沿軋制方向的纖維狀晶粒，基本變?yōu)榈容S晶粒，此階段材料處于晶粒長大階段，組織形態(tài)變化不大，只是晶粒繼續(xù)長大，晶粒的尺寸約為 60～80 μm，如圖3（c）所示。

綜上可以看出，當溫度處于650℃時，材料的硬度值較最高點下降近50%，約為42 HRC，因此得出，該實驗鋼的再結晶溫度約為650℃。

2.2 退火溫度對力學性能的影響

將退火溫度制定為680、710和740℃3種溫度，同時保溫2 h后，緩冷至室溫，對實驗材料的屈服強度、抗拉強度及延伸率、應變硬化指數(shù)n值、塑性應變比R值進行檢測，溫度對各項性能的影響規(guī)律如圖4所示。可以看出，Ti-IF鋼隨退火溫度升高，屈服強度與抗拉強度呈緩慢下降趨勢；而延伸率則呈先升高再降低趨勢，當溫度達到710℃時，延伸率達到最大值為45.81%；n值隨溫度的變化不是十分明顯，680℃時的n值約為0.25，稍低于710℃與740℃的n值；R值的變化隨溫度的升高呈先下降再升高的趨勢，當溫度為710℃時，R值較低，約為1.95，而當溫度為680℃與740℃時，R值達到2.1，已接近超深沖級水平。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，退火溫度對實驗材料的屈服強度影響程度最大，即當退火溫度在三者溫度680～740℃變化時，屈服強度的變化幅度最為劇烈，而抗拉強度和延伸率則相對較為平緩，因此，工業(yè)化生產(chǎn)過程中可以主要通過改變退火溫度調整材料的屈服強度。

圖4 溫度對Ti-IF鋼各項性能的影響規(guī)律Fig.4 Rules of Effect of Temperature on Properties of Ti-IF Steel

2.3 保溫時間對力學性能的影響

將實驗材料加熱至710℃，保溫時間制定為2、4、8 h后，緩慢冷卻至室溫，對實驗材料的屈服強度、抗拉強度及延伸率，n值、R值進行檢測后的結果如圖5所示?？梢钥闯?，隨保溫時間的延長，材料的屈服強度呈緩慢下降趨勢，而抗拉強度呈先緩慢上升，再趨于平緩狀態(tài)，其中保溫4 h時的抗拉強度最高，達到最大值，約為268 MPa，略高于保溫2 h與8 h所對應抗拉強度；延伸率呈先降低，再升高趨勢，當保溫時間為4 h時，延伸率最低，約為42.26%；保溫時間對n值的影響不是十分明顯，不同保溫時間下材料的n值變化不大，約為0.27；R值的變化隨保溫時間的延長呈先上升后趨于平緩的趨勢，當保溫時間為4 h時，R值最大，約為2.25，達到了超深沖級水平。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，當保溫時間在2～8 h時，材料的R值變化幅度最為劇烈，而其他的力學數(shù)據(jù)則相對較為平緩，因此，保溫時間對實驗材料的R值影響程度最大，工業(yè)化生產(chǎn)過程中可以主要通過調整保溫時間改變材料的R值。

圖5 保溫時間對各項性能的影響規(guī)律Fig.5 Rules of Effect of Holding Time on Properties

2.4 冷卻方式對性能的影響

將實驗材料加熱至710℃，保溫時間制定為8 h后，冷卻方式根據(jù)冷卻速率由慢至快，依次采用隨爐冷卻（1）、緩慢冷卻（2）及空氣冷卻（3）的三種方式，對實驗材料的屈服強度、抗拉強度及延伸率，n值、R值進行檢測，冷卻方式對材料力學性能的影響曲線如圖6所示。隨冷卻的速度逐漸提高（隨爐冷卻速率最慢，空冷冷卻速率最快），材料的屈服強度和抗拉強度變化較為平緩；延伸率呈先升高，再降低趨勢，當冷卻方式為緩冷時，延伸率最高，約為45.5%；不同的冷卻方式條件下，材料的n值變化不大，約為0.28；對R值較為顯著，當冷卻方式采用緩冷時，R值最大，約為2.3，沖壓性能最佳。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，當冷卻方式變化時，即當冷卻速率隨爐冷卻（1）、緩慢冷卻（2）及空氣冷卻（3）之間變化時，材料的延伸率變化幅度最為劇烈，而其他的力學數(shù)據(jù)則相對較為平緩，因此，冷卻速率對實驗材料的延伸率影響程度最大，工業(yè)化生產(chǎn)過程中可以通過調整冷卻速率改變材料的延伸率。

圖6 冷卻方式對各項性能的影響規(guī)律Fig.6 Rules of Effect of Cooling Mode on Properties

2.5 最佳工藝確定

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，當加熱溫度為710℃時，產(chǎn)品的n值與R值相差不多，但延伸率明顯優(yōu)于其他因素，達到最高值45.69%；與此同時，當保溫時間為4 h和8 h時，R值明顯優(yōu)于保溫2 h的性能，但保溫8 h時產(chǎn)品的延伸率與n值要略優(yōu)于保溫4 h的性能，因此8 h的保溫時間為最優(yōu)工藝；同理，當冷卻方式采用緩慢冷卻的方式時，其延伸率及R值較其他兩種冷卻方式達到最佳，材料的深沖性能更加優(yōu)異。因此，制定本實驗材料Ti-IF的最佳工藝組合為：710℃退火溫度+8 h保溫時間+緩慢冷卻。

3 結論

（1）利用真空箱式電阻爐模擬現(xiàn)場罩式退火設備，結合硬度曲線法，最終獲得Ti-IF鋼實驗材料的再結晶溫度約為650℃；

（2）分別研究了退火溫度、保溫時間及冷卻方式等工藝參數(shù)變化對材料力學性能影響，獲得了Ti-IF鋼的最佳工藝組合為：710℃退火溫度+8 h保溫時間+緩冷方式，為下一步工業(yè)化試制提供一定的理論基礎。