退火溫度對T4鍍錫板組織性能的影響

王 彬，魏寶民

（1.上海梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210039；2.寶鋼股份研究院 梅鋼技術(shù)中心，江蘇 南京 210039）

鍍錫板是兩面鍍有錫的冷軋低碳鋼板或鋼帶，其鍍錫含量一般為1.0～11.2 g/m2。鍍錫板以優(yōu)良的耐腐蝕性、沖壓成形性和焊接性等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于食品包裝和制罐行業(yè)[1-2]。近年來，隨著成本和環(huán)保壓力不斷提高，薄規(guī)格、高硬度成為鍍錫產(chǎn)品主要發(fā)展方向[3-5]。鍍錫板一般厚度為0.13～0.50 mm，通常以調(diào)制度區(qū)分不同級別，冷軋材分為T1～T5級別，相應(yīng)級別越高則硬度越高[6]。再結(jié)晶退火作為鍍錫板生產(chǎn)的重要工序，其工藝參數(shù)與再結(jié)晶進(jìn)行程度有著直接聯(lián)系，并對最終成品性能具有決定性作用?；诖?，本文以0.19 mm厚T4冷軋鍍錫板為研究對象，通過實驗室Gleeble-3500熱模擬機(jī)模擬其再結(jié)晶發(fā)展過程及時效退火工藝，在確定再結(jié)晶溫度基礎(chǔ)上研究不同退火溫度對組織性能的影響，進(jìn)而為基于T4鍍錫板組織性能調(diào)控的退火工藝設(shè)計提供依據(jù)。

1 試驗材料與方法

選用某鋼廠冷軋T4鍍錫板為研究對象，試樣尺寸為170 mm×70 mm×0.19 mm，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為0.06C、0.006Si、0.226Mn、0.0149P、0.0074S、0.0288Al。

試樣在GLEEBLE 3500熱模擬機(jī)上模擬再結(jié)晶過程，具體工藝為：以20℃/s的速率從室溫加熱到設(shè)定溫度（350、400、450、475、500、525、550、575、600、625、650、700、750、800℃），保溫40 s后噴氣冷到室溫，并通過不同退火溫度試樣顯微硬度確定再結(jié)晶溫度。在此基礎(chǔ)上，選取560、580、640、670℃4種退火溫度模擬對某鋼廠T4鍍錫板過時效退火工藝（具體工藝見圖1），并采用AxioImager.A2m光學(xué)顯微鏡和FALCON 509FAP維氏硬度計進(jìn)行退火試樣組織和硬度檢測，加載載荷砝碼1 kg，研究不同過時效退火工藝對T4鍍錫板組織性能的影響。

圖1 過時效退火工藝模擬方案Fig.1 Simulation scheme of over-aging annealing process

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 冷軋T4鍍錫板再結(jié)晶溫度確定

圖2為不同退火溫度下試樣的硬度變化，在350～450℃退火處理后試樣的硬度為278～299 HV，表明該溫度區(qū)間試樣未發(fā)生再結(jié)晶。退火溫度達(dá)到450℃后，硬度隨退火溫度升高急劇下降，退火溫度為700℃硬度達(dá)最低值（126 HV），之后硬度變化不明顯，可以推斷再結(jié)晶過程已經(jīng)完成。同時，在450～700℃溫度區(qū)間退火時，硬度明顯降低（158 HV），再結(jié)晶溫度的一般定義為硬度值下降50%所對應(yīng)的溫度，由此可以推斷試驗用T4鍍錫板的再結(jié)晶溫度約為575℃。

圖2 退火溫度對試樣硬度的影響Fig.2 Effect of annealing temperature on hardness of the specimens

圖3為T4鍍錫板冷軋態(tài)組織形貌，可以看出，在晶粒邊界上，沿拉長的鐵素體分布有珠光體和少量的滲碳體。這些滲碳體來自于熱軋組織中的珠光體和部分鐵素體晶界上的3次滲碳體，冷軋嚴(yán)重時珠光體退化，滲碳體沿晶界分布。這是由于冷軋過程中鐵素體和珠光體都易于被拉長成纖維狀，而珠光體-滲碳體片層則會發(fā)生破裂，珠光體在冷變形時，鐵素體中位錯不易開動，使變形抗力增大，外力增大時，鐵素體中心的位錯源開始運(yùn)動，在鐵素體-滲碳體相界面出現(xiàn)位錯塞積，對滲碳體片產(chǎn)生剪應(yīng)力，使?jié)B碳體片破碎斷裂。

圖3 T4鍍錫板冷軋態(tài)顯微組織Fig.3 Microstructure of the cold-rolled T4 tinplate

圖4為冷軋T4鍍錫板不同溫度退火后的顯微組織。由圖4（a）可知，經(jīng)400℃退火后，試樣的組織還是冷軋變形后拉長的纖維狀組織，和冷軋態(tài)組織相似，基本上無鐵素體新晶粒出現(xiàn)。圖4（b）中，當(dāng)退火溫度達(dá)到575℃時，組織中出現(xiàn)晶界清晰的新晶粒，而且已經(jīng)在整個視場范圍內(nèi)占據(jù)較大面積。但是，仍然能夠看到較明顯的未再結(jié)晶組織，說明再結(jié)晶未完全。隨著退火溫度的升高，見圖4（c），再結(jié)晶新晶粒已經(jīng)占據(jù)整個組織，由此可推斷，再結(jié)晶退火已經(jīng)基本完成。圖4（d～f）表明，在更高溫度下退火時，相同的退火時間內(nèi)，晶粒有所長大，退火更為完全，組織為無畸變的等軸鐵素體。由此可見，T4鍍錫板試樣再結(jié)晶溫度為575～625℃之間，溫度越高、再結(jié)晶越充分。

圖4 不同溫度退火后試樣的顯微組織Fig.4 Microstructure of the specimens after annealing at different temperatures

2.2 過時效退火溫度對組織和性能的影響

2.2.1 過時效退火溫度對組織的影響

圖5是冷軋T4鍍錫板過時效熱處理后顯微組織。圖5（a）中，560℃退火溫度下主要為鐵素體晶粒，晶粒雖已呈等軸狀，但大小不一，表明此時已發(fā)生再結(jié)晶，處于再結(jié)晶初始階段。隨著退火溫度升高到580℃（見圖5（b）），基體內(nèi)部的組織發(fā)生明顯變化，變形的組織上出現(xiàn)大量再結(jié)晶晶粒，且晶粒尺寸不均勻。640℃退火溫度下（見圖5（c）），再結(jié)晶形核已經(jīng)完成，但部分區(qū)域仍存在尺寸較小的細(xì)晶粒，晶粒略呈餅形。退火溫度為670℃時（見圖5（d）），基體形變晶粒消失，再結(jié)晶過程已經(jīng)完成。

圖5 T4鍍錫板經(jīng)不同溫度過時效退火處理后的顯微組織Fig.5 Microstructure of the T4 tinplate after over-aging annealing at different temperatures

圖6為T4鍍錫板在不同過時效退火溫度下的SEM圖。圖6（a）表明560℃已經(jīng)發(fā)生再結(jié)晶行為，并產(chǎn)生無畸變的再結(jié)晶晶粒。同時，此溫度為再結(jié)晶初期，再結(jié)晶晶粒較少，組織中存在大量的變形晶粒。580℃過時效退火條件下（見圖6（b）），再結(jié)晶晶粒較560℃過時效退火時略有增加，仍然存在一部分變形晶粒。當(dāng)過時效退火溫度達(dá)到640℃時（見圖6（c）），可以看到再結(jié)晶晶粒已經(jīng)占據(jù)大部分組織區(qū)域，只殘留極少量變形晶粒。

圖6 T4鍍錫板經(jīng)不同溫度過時效退火后的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of the T4 tinplate after over-aging annealing at different temperatures

2.2.2 過時效退火溫度對硬度的影響

硬度為鍍錫板過時效退火后性能評價的一個指標(biāo)，變形金屬發(fā)生再結(jié)晶后，金屬的強(qiáng)度和硬度明顯下降。表1為試驗鋼在不同過時效退火溫度下的洛氏硬度，可以看出，隨著過時效退火溫度的升高，T4鍍錫板的硬度呈下降趨勢。從560℃到640℃，硬度下降了49 HV，而從640℃升高到670℃，硬度只下降了9 HV。結(jié)合微觀組織分析，這是因為在560℃到640℃過時效退火時，發(fā)生了再結(jié)晶過程，無畸變的等軸晶粒逐漸取代了變形晶粒，試樣內(nèi)部的因加工硬化導(dǎo)致的位錯和變形帶被消除，應(yīng)變強(qiáng)化效果減弱，所以硬度下降很快。而在640℃到670℃過時效退火時，由于再結(jié)晶基本完成，故此溫度區(qū)間的硬度變化很小。

表1 T4鍍錫板經(jīng)過時效退火后的硬度Table 1 Hardness of the T4 tinplate after over-aging annealing

3 結(jié)論

1）不同退火溫度下顯微組織及硬度變化表明，T4鍍錫板再結(jié)晶開始溫度約為575℃，再結(jié)晶結(jié)束溫度為640～670℃。

2）560℃過時效退火時，T4鍍錫板組織呈大小不一的等軸狀鐵素體晶粒，處于再結(jié)晶初始階段。過時效退火溫度高于575℃后，隨著退火溫度升高，再結(jié)晶程度越為充分。過時效退火溫度達(dá)到640℃后，再結(jié)晶形核已經(jīng)完成，此時提高退火溫度逐漸形成無畸變新晶粒。

3）隨著過時效退火溫度升高，T4鍍錫板經(jīng)過時效退火后硬度值呈下降趨勢。經(jīng)過560～640℃過時效退火時，無畸變的等軸晶粒逐漸取代了變形晶粒，試樣內(nèi)部因加工硬化導(dǎo)致的位錯和變形帶被消除，硬度顯著降低（49 HV）。640～670℃過時效退火時，再結(jié)晶基本完成，硬度值變化較?。? HV）。