退火工藝對(duì)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(guī)律，利用連續(xù)退火模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的IF鋼冷硬板進(jìn)行了連續(xù)退火模擬試驗(yàn)，分別研究了退火溫度和過時(shí)效工藝對(duì)試驗(yàn)鋼組織性能的影響。結(jié)果表明：在720～780" ℃退火，隨著退火溫度的升高試驗(yàn)鋼的再結(jié)晶程度增大，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度緩慢下降、伸長率呈上升趨勢；當(dāng)退火溫度大于等于740 ℃時(shí)，對(duì)于深沖性能有利的{111}lt;110gt;織構(gòu)顯著增強(qiáng)；當(dāng)過時(shí)效開始溫度為400 ℃時(shí)，過時(shí)效結(jié)束溫度在300～350" ℃變化對(duì)試驗(yàn)鋼性能的影響不大，同時(shí)提高過時(shí)效開始及結(jié)束溫度后，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和伸長率明顯提高。

關(guān)鍵詞：退火工藝；IF鋼；濾清器用鋼；退火溫度；過時(shí)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(yè)的快速發(fā)展及汽車保有量的高速增加，市場對(duì)車用濾清器的需求也逐漸增大[1-5]。濾清器作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及汽車中其他機(jī)械設(shè)備過濾雜質(zhì)的關(guān)鍵部件，其性能的穩(wěn)定性對(duì)設(shè)備的運(yùn)行效果至關(guān)重要。同時(shí)，濾清器復(fù)雜的工作條件，也對(duì)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(xiàn)問題，會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，最終導(dǎo)致報(bào)廢或退貨，增加質(zhì)量成本。目前，濾清器外殼基本使用的是傳統(tǒng)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(xiàn)開裂、砂眼、制耳等缺陷[4]。隨著濾清器行業(yè)的快速發(fā)展，市場對(duì)產(chǎn)品的要求不斷提高、產(chǎn)品規(guī)格的也逐漸變薄，傳統(tǒng)的IF鋼更加難以滿足高端汽車濾清器外殼產(chǎn)品嚴(yán)苛的加工要求，產(chǎn)品在加工過程中產(chǎn)生缺陷的比例進(jìn)一步上升，導(dǎo)致濾清器用鋼帶市場對(duì)進(jìn)口的依賴性強(qiáng)，限制了我國濾清器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此對(duì)濾清器用鋼帶研究迫在眉睫。

為了盡快開發(fā)出滿足市場需求的濾清器用鋼，本文在工業(yè)生產(chǎn)的IF鋼冷硬板基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)，研究了退火溫度以及過時(shí)效工藝對(duì)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(guī)律，對(duì)后續(xù)工業(yè)生產(chǎn)熱處理工藝的制定具有指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)材料和方法

本文的試驗(yàn)材料為工業(yè)生產(chǎn)的IF鋼冷硬板，厚度為0.4 mm，具體化學(xué)成分如表1所示。沿垂直于軋制方向，利用線切割機(jī)切取連續(xù)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(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)IF鋼冷硬板進(jìn)行連續(xù)退火試驗(yàn)，退火溫度選取720、740、760、780 ℃，過時(shí)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(shù)恒定，連續(xù)退火工藝路線如圖1所示。

在連續(xù)退火后的試樣上切取標(biāo)距為50 mm的拉伸試樣，利用電子萬能材料測試系統(tǒng)E45.305進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。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(jìn)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(fā)射掃描電鏡對(duì)試樣的組織進(jìn)行觀察[6]。切取4 mm×10 mm織構(gòu)測試試樣，隨后進(jìn)行砂紙研磨、機(jī)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(gòu)數(shù)據(jù)，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(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 退火溫度對(duì)試驗(yàn)鋼組織性能的影響

退火溫度分別選取720、740、760、780 ℃，過時(shí)效開始溫度為400 ℃，結(jié)束溫度為330 ℃。如圖2所示，為試驗(yàn)鋼經(jīng)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(shí)的纖維狀鐵素體晶粒消失，鐵素體晶粒出現(xiàn)了不同程度的再結(jié)晶和長大。當(dāng)在720 ℃退火時(shí)，試驗(yàn)鋼的組織中存在大量的扁平狀鐵素體晶粒，剛發(fā)生再結(jié)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(jié)晶程度增大，扁平狀鐵素體晶粒的數(shù)量減少，再結(jié)晶的晶粒尺寸也逐漸增大。如表2所示，為試驗(yàn)鋼經(jīng)不同溫度退火后的晶粒尺寸[7]。當(dāng)退火溫度由720 ℃提升至760 ℃，試驗(yàn)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(nèi)退火，由于試驗(yàn)鋼中存在數(shù)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(dāng)退火溫度達(dá)到780 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的等效圓晶粒平均直徑為12.47 μm，此時(shí)再結(jié)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(yàn)鋼經(jīng)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(tài)特征更加明顯。在720～760 ℃退火時(shí)，組織中的扁平狀鐵素體晶粒較多，再結(jié)晶的晶粒沿軋制方向擇優(yōu)生長；在780 ℃退火時(shí)，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(duì)晶體取向進(jìn)行表示，在歐拉空間中，織構(gòu)密度f （g）=f（φ1，φ，φ2）。如圖4所示為試驗(yàn)鋼經(jīng)不同溫度退火后φ2=45 °時(shí)的ODF截面圖，圖中不同顏色的曲線為等織構(gòu)密度線。由圖4a可知，試驗(yàn)鋼在720 ℃退火時(shí)，其組織中的晶粒已經(jīng)具有明顯的擇優(yōu)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(qiáng)。通過圖4中的織構(gòu)密度數(shù)據(jù)選取特定的歐拉角，進(jìn)行典型織構(gòu)的分析。如圖5a所示，當(dāng)φ1 = 0°，φ2 = 45°時(shí)，即α取向線；如圖5b，當(dāng)φ= 55 °，φ2 = 45 °時(shí)，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(yàn)鋼具有相似的織構(gòu)組成。其中，典型的織構(gòu)有{001}lt;110gt;織構(gòu)、{112}lt;110gt;織構(gòu)和{111}lt;110gt;織構(gòu)。在{001}lt;110gt;織構(gòu)處，當(dāng)退火溫度為720 ℃時(shí)，密度函數(shù)值最大為4.8；退火溫度升高后，密度函數(shù)值明顯減小，降低至3.2以下；因此退火溫度的升高減弱了{(lán)001}lt;110gt;織構(gòu)。當(dāng)試驗(yàn)鋼在不同的退火溫度下退火，密度函數(shù)的峰值均出現(xiàn)在{111}lt;110gt;織構(gòu)處；并且在720 ℃退火時(shí)的密度函數(shù)值要明顯低于其余退火溫度的密度函數(shù)值；這說明，當(dāng)在大于720 ℃退火時(shí)，試驗(yàn)鋼的{111}lt;110gt;織構(gòu)能夠顯著增強(qiáng)。在γ取向線上，織構(gòu)密度均處于較高水平；并且隨著退火溫度的提升織構(gòu)密度逐漸增大[11-14]。

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

2.2 過時(shí)效溫度對(duì)試驗(yàn)鋼組織性能的影響

退火溫度選取740 ℃，過時(shí)效工藝分別為400（開始溫度）～300 ℃（結(jié)束溫度）、400～330 ℃、400～350 ℃、430～350 ℃，工藝設(shè)計(jì)通過提高過時(shí)效階段的開始溫度和結(jié)束溫度來提高過時(shí)效階段的整體溫度。如圖7所示為不同過時(shí)效工藝下的金相組織。在不同的過時(shí)效工藝下，試驗(yàn)鋼的組織均為鐵素體，且晶粒尺寸隨過時(shí)效工藝的改變變化不大，均表現(xiàn)為部分扁平狀再結(jié)晶晶粒和部分尺寸細(xì)小的等軸狀再結(jié)晶晶粒。圖8為試驗(yàn)鋼不同時(shí)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(yàn)鋼在不同過時(shí)效工藝下的力學(xué)性能。當(dāng)過時(shí)效開始溫度為400 ℃時(shí)，過時(shí)效結(jié)束溫度的提高對(duì)試驗(yàn)鋼的性能影響不大；其中，屈服強(qiáng)度在160～175 MPa、抗拉強(qiáng)度在345～365 MPa、伸長率在20%～22%，材料的性能基本保持穩(wěn)定。當(dāng)過時(shí)效開始溫度為430 ℃、過時(shí)效結(jié)束溫度為350 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和伸長率均有明顯提升。其中，屈服強(qiáng)度達(dá)到194 MPa，相比于400～300 ℃過時(shí)效工藝下的164 MPa提升了30 MPa；伸長率達(dá)到25.2%，相較于其他過時(shí)效工藝中的最大伸長率提升了約3%；抗拉強(qiáng)度與其他過時(shí)效工藝差異不大，為363 MPa，基本保持穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

1）在連續(xù)退火工藝下，試驗(yàn)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(jié)晶程度逐漸增大。試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)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(shí)顯著提升。

2）在720～780 ℃退火，試驗(yàn)鋼具有較強(qiáng)的{111}//RD織構(gòu)。當(dāng)退火溫度由720 ℃提升至740 ℃，{001}lt;110gt;織構(gòu)明顯減弱，{111}lt;110gt;織構(gòu)顯著增強(qiáng)。在740～760 ℃退火，{111}lt;110gt;織構(gòu)維持在較高水平，密度函數(shù)值大于6.4。

3）在不同的過時(shí)效工藝下，試驗(yàn)鋼的組織為部分扁平狀再結(jié)晶晶粒和部分尺寸細(xì)小的等軸狀再結(jié)晶晶粒，組織差異性較小。在給定的工藝參數(shù)下，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度和伸長率受過時(shí)效結(jié)束溫度的影響較小，性能穩(wěn)定性好；當(dāng)整體提高過時(shí)效溫度后，屈服強(qiáng)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(jí)工程師

基金項(xiàng)目：高品質(zhì)濾清器用鋼帶關(guān)鍵制造技術(shù)研究及應(yīng)用（20232BCJ22037）