熱鍍鋅連續(xù)退火工藝對(duì)高強(qiáng)IF鋼組織和性能的影響

胡寬輝，田德新，馮冠文，段小平，嚴(yán) 龍

（武漢鋼鐵集團(tuán)公司研究院，武漢430080）

熱鍍鋅連續(xù)退火工藝對(duì)高強(qiáng)IF鋼組織和性能的影響

胡寬輝，田德新，馮冠文，段小平，嚴(yán) 龍

（武漢鋼鐵集團(tuán)公司研究院，武漢430080）

研究了熱鍍鋅連續(xù)退火工藝對(duì)高強(qiáng)IF鋼性能、組織及第二相粒子析出的影響。利用EU AV型熱浸鍍工藝模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)熱鍍鋅高強(qiáng)IF鋼進(jìn)行了不同連續(xù)退火溫度以及在同一溫度下分別保溫不同時(shí)間的連續(xù)退火工藝模擬實(shí)驗(yàn)。用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、光學(xué)顯微鏡、透射電子顯微鏡對(duì)樣品的性能、組織和第二相粒子進(jìn)行了檢測(cè)分析。結(jié)果表明：熱鍍鋅連續(xù)退火工藝直接影響產(chǎn)品的力學(xué)性能、微觀組織和第二相粒子的析出，并得出了退火工藝對(duì)產(chǎn)品性能、組織和第二相粒子的影響規(guī)律。

高強(qiáng)IF鋼；連續(xù)退火；組織；第二相粒子

20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著冶金技術(shù)的進(jìn)步和汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，我國(guó)開(kāi)始對(duì)超低碳鋼系列產(chǎn)品進(jìn)行研究，作為第三代深沖鋼的IF鋼（即無(wú)間隙原子鋼）得到迅速的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用［1－3］。與此同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的減重或提高安全性以及耐蝕性，開(kāi)發(fā)了熱鍍鋅高強(qiáng)IF鋼，其主要強(qiáng)化方法是析出強(qiáng)化加固溶強(qiáng)化，主要添加元素有Ti，Nb及P，Mn，Si，Cu等［4－6］。在熱鍍鋅高強(qiáng)IF鋼薄板的生產(chǎn)中，連續(xù)退火是一個(gè)關(guān)鍵的生產(chǎn)工序，直接影響最終產(chǎn)品的性能和組織。為確定合理的退火工藝，首先必須了解各工藝參數(shù)對(duì)熱鍍鋅高強(qiáng)IF鋼性能和組織的影響規(guī)律。因此本工作著重開(kāi)展了退火溫度和保溫時(shí)間對(duì)熱鍍鋅高強(qiáng)IF鋼性能和組織的影響規(guī)律研究，從而為連續(xù)退火工藝的制定提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1．1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用鋼板厚度為1．0mm，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）為：C 0．002，Si 0．080，Mn 0．29，P 0．029，S＜0．010，Als 0．030，N 0．003，Ti，Nb和V中一種或幾種，但總量小于0．22。

1．2 連續(xù)退火實(shí)驗(yàn)

取工業(yè)生產(chǎn)熱鍍鋅高強(qiáng)IF鋼冷軋后的試樣，剪切成70mm×220mm，實(shí)驗(yàn)在EU AV型熱浸鍍工藝模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。具體模擬連續(xù)退火工藝制度為：將試樣分別加熱到760～840℃，每隔20℃設(shè)置一個(gè)溫度點(diǎn)，進(jìn)行不同保溫溫度的實(shí)驗(yàn)；另外，將試樣加熱到810℃后分別保溫30，35，45，53，67，90s，進(jìn)行不同保溫時(shí)間的實(shí)驗(yàn)。

1．3 力學(xué)性能檢測(cè)及組織觀察

GALDABINI SUN10材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上檢測(cè)退火后鋼板的力學(xué)性能。退火后的鋼板先進(jìn)行金相觀察，然后制備萃取復(fù)型電鏡樣品，在JEM2100F型透射電鏡上觀察第二相粒子的形態(tài)、大小及分布，并用INCA能譜儀對(duì)析出相進(jìn)行成分分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2．1 力學(xué)性能

圖1是試樣的力學(xué)性能隨連續(xù)退火溫度的變化曲線。由圖1可以看出，隨著退火溫度的升高，試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)。在760～800℃的低溫情況下，試樣的屈服強(qiáng)度下降較慢，當(dāng)溫度升高到800℃以上時(shí)，屈服強(qiáng)度下降較快，但當(dāng)溫度達(dá)到840℃以上時(shí)，試樣的屈服強(qiáng)度又有所升高。退火溫度從760℃升高到820℃時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度迅速下降，當(dāng)溫度繼續(xù)升高，抗拉強(qiáng)度保持穩(wěn)定。從圖1（c）和（d）可以看出，試樣的延伸率和r值均隨退火溫度的升高而迅速升高。圖2是試樣的力學(xué)性能隨保溫時(shí)間的變化曲線，由圖中可以看出，在不同的保溫時(shí)間下，試樣的力學(xué)性能變化不大。

2．2 金相組織

圖3是試樣在五個(gè)不同的連續(xù)退火溫度下的光學(xué)顯微照片。由圖3可以看出，在所選擇的五種退火溫度下，再結(jié)晶過(guò)程都已完成，試樣的組織均為鐵素體。由圖3（a）和（b）的照片可以看出，在760℃和780℃，可以觀察到很多細(xì)小的非等軸晶粒，且晶粒尺寸大小不一。隨著退火溫度的升高，試樣的晶粒逐漸變大，晶粒也逐漸等軸化。

圖3 不同連續(xù)退火溫度下試樣的金相組織（a）760℃；（b）780℃；（c）800℃；（d）820℃；（e）840℃Fig．3 Microstructures of the different continuous annealing temperature（a）760℃；（b）780℃；（c）800℃；（d）820℃；（e）840℃

2．3 第二相粒子

圖4是試樣在不同連續(xù)退火溫度下的透射電鏡照片。由圖4可以看出，在透射電鏡下觀察，在不同連續(xù)退火溫度下，各試樣的析出相數(shù)量多，類(lèi)型基本相同，形態(tài)多為不規(guī)則形，分布較均勻。但是第二相粒子的大小卻有所不同，當(dāng)溫度從760℃升高到800℃時(shí)，第二相粒子的尺寸有所增大。當(dāng)溫度繼續(xù)升高到820℃和840℃時(shí)，隨著退火溫度升高，第二相粒子的尺寸明顯減小，且呈均勻彌散分布。

圖4 不同連續(xù)退火溫度下試樣的透射電鏡照片 （a）760℃；（b）800℃；（c）820℃；（d）840℃Fig．4 TEM photos of the different continuous annealing temperature （a）760℃；（b）800℃；（c）820℃；（d）840℃

3 分析討論

3．1 強(qiáng)度與晶粒尺寸、第二相粒子的關(guān)系

由圖1（a）屈服強(qiáng)度隨連續(xù)退火溫度的變化曲線可以看出，當(dāng)連續(xù)退火溫度從760℃升高到800℃時(shí)，試樣的屈服強(qiáng)度變化不大，呈緩慢下降趨勢(shì)；但當(dāng)溫度從800℃升高到820℃時(shí)，屈服強(qiáng)度顯著降低；當(dāng)溫度升高到840℃時(shí)，屈服強(qiáng)度又有所升高。出現(xiàn)此種現(xiàn)象的主要原因是由于在較低的溫度下，試樣的再結(jié)晶雖已完成，但晶粒并未長(zhǎng)大，存在很多細(xì)小的非等軸晶粒，且晶粒尺寸大小不一，因此，此時(shí)試樣的屈服強(qiáng)度較高。當(dāng)溫度繼續(xù)升高以后，晶粒逐漸長(zhǎng)大，晶粒也逐漸等軸化，故試樣的屈服強(qiáng)度顯著降低。另外，從圖4（d）可以看出，當(dāng)退火溫度達(dá)到840℃的較高溫度時(shí)，此時(shí)試樣的第二相粒子尺寸最小，且呈均勻彌散分布，這就是在840℃退火后試樣的屈服強(qiáng)度有所升高的原因，因?yàn)榈诙嗔Ｗ映叽巛^小，對(duì)位錯(cuò)的釘扎效果較強(qiáng)，從而阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，故屈服強(qiáng)度有所升高；同時(shí)，第二相粒子的尺寸越小，分布越彌散，將抑制晶粒的進(jìn)一步長(zhǎng)大，起到了細(xì)化晶粒的作用，從而也造成屈服強(qiáng)度的升高。

由圖1（b）可以看出，隨著退火溫度的升高，試樣的抗拉強(qiáng)度明顯降低，但當(dāng)溫度升高到820℃和840℃的高溫時(shí)，抗拉強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是在較低的連續(xù)退火溫度（760，780℃）下，試樣雖然完成了再結(jié)晶，但是晶粒并未長(zhǎng)大，在光學(xué)顯微鏡下可以觀察到很多細(xì)小的非等軸晶粒，且晶粒大小不一，因此，試樣的抗拉強(qiáng)度較高。隨著退火溫度的升高，晶粒逐漸長(zhǎng)大，并趨向等軸化，因此，抗拉強(qiáng)度逐漸降低。但隨著退火溫度升高，由圖4可以看出，第二相粒子的尺寸越來(lái)越小，分布越彌散，將抑制晶粒的進(jìn)一步長(zhǎng)大，因此，當(dāng)退火溫度升高到820℃以上時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度趨向穩(wěn)定。

3．2 延伸率、r值與連續(xù)退火溫度的關(guān)系

連續(xù)退火工藝對(duì)高強(qiáng)IF鋼的深沖性能有重要影響，只有退火充分才能發(fā)揮高強(qiáng)IF鋼優(yōu)異的深沖性能［7，8］。由圖1（c）可以看出，隨著退火溫度的升高，試樣的延伸率總體上呈明顯的上升趨勢(shì)。在退火溫度從低溫760℃升高到810℃時(shí)，延伸率上升較快，當(dāng)溫度繼續(xù)升高，其上升趨勢(shì)變緩。這是因?yàn)檠由炻手饕c鋼板的晶粒尺寸有關(guān)，在一定程度上，晶粒尺寸越大，鋼板的延伸率也越大。在低溫過(guò)程中試樣的晶粒未充分長(zhǎng)大，晶粒細(xì)小。隨著退火溫度升高，再結(jié)晶晶粒尺寸迅速長(zhǎng)大，因此延伸率迅速升高。當(dāng)溫度升高到一定程度后，晶粒長(zhǎng)大的趨勢(shì)變緩，故延伸率增大的趨勢(shì)也變緩。

r值是反映薄板承受拉力時(shí)抵抗厚度變薄的能力，它也是反映薄板成形性能的一個(gè)重要指標(biāo)［9］。由圖1（d）可以看出，隨著退火溫度的升高，試樣的r值也隨著升高。在退火溫度（760℃）較低的時(shí)候，此時(shí)雖然已完成了回復(fù)、再結(jié)晶，但晶粒并未長(zhǎng)大，有利織構(gòu)未得到充分發(fā)展，故試樣的r值只有1．75。當(dāng)退火溫度升高到780℃以上時(shí)，晶粒開(kāi)始長(zhǎng)大，再結(jié)晶織構(gòu)得到了充分發(fā)展，所以試樣的r值均達(dá)到了2．2以上，所以在較高的溫度下，實(shí)驗(yàn)鋼能獲得高的r值，則鋼板在成形過(guò)程中抵抗厚度減薄的能力強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)鋼的深沖性能就好［10］。

3．3 保溫時(shí)間與實(shí)驗(yàn)鋼綜合力學(xué)性能的關(guān)系

保溫時(shí)間是熱鍍鋅連續(xù)退火工藝中的一個(gè)重要工藝參數(shù)［11］。由圖2（a），（b）可以看出，當(dāng)連續(xù)退火溫度保持在810℃時(shí)，隨著保溫時(shí)間從30s延長(zhǎng)到90s，試樣屈服強(qiáng)度的最大值與最小值只相差4MPa，抗拉強(qiáng)度的最大值與最小值只相差10MPa，因此，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，保溫時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度無(wú)太大影響。由圖2（c）可以看出，試樣的延伸率隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)呈先略有升高，后又有所下降的趨勢(shì)?？梢?jiàn)，實(shí)驗(yàn)鋼的熱鍍鋅連續(xù)退火保溫時(shí)間控制在40～50s之間，可獲得較高的延伸率。

3．4 微觀組織、第二相粒子與連續(xù)退火溫度的關(guān)系

由圖3可以看出，在較低的退火溫度（760℃）下，試樣已完成再結(jié)晶，但是晶粒未完全長(zhǎng)大，有很多細(xì)小的非等軸晶粒，且有少量沿軋制方向被拉長(zhǎng)的晶粒存在，晶粒尺寸大小不一。當(dāng)退火溫度升高到780℃以后，沿軋制方向被拉長(zhǎng)的晶粒已經(jīng)消失，但還是有很多細(xì)小的非等軸晶粒，且晶粒大小不均。當(dāng)退火溫度升高到800℃時(shí)，大部分晶粒已趨向等軸化，且晶粒大小也逐漸均勻，但是還存在少量細(xì)小的非等軸晶。當(dāng)退火溫度繼續(xù)升高到更高的溫度（820，840℃）后，晶粒大小均勻，且呈等軸狀，這一點(diǎn)與王敏莉［12］的研究結(jié)果基本一致。因此，總體上來(lái)看，實(shí)驗(yàn)鋼的微觀組織隨著退火溫度的升高逐漸等軸化，且晶粒大小均勻，組織均為鐵素體。

由圖4不同連續(xù)退火溫度下試樣的透射電鏡照片可以看出，在不同的連續(xù)退火溫度下，第二相粒子析出的尺寸主要由三種組成，即約10～50nm的細(xì)小粒子、50～280nm中等大小的粒子和少量的260nm以上的粗大析出相。通過(guò)能譜儀分析發(fā)現(xiàn)，細(xì)小的析出相主要成分為T(mén)i，Nb及少量Fe，但是在較低的退火溫度（760，800℃）下，細(xì)小析出相中有Fe TiP相析出；而在820℃和840℃的高溫下卻未發(fā)現(xiàn)有FeTiP相析出。趙子蘇等人的研究發(fā)現(xiàn)［13］，高強(qiáng)IF鋼中Fe TiP相的析出主要發(fā)生在晶界處。因此，這些細(xì)小的FeTiP析出相在很大程度上阻礙了再結(jié)晶過(guò)程中晶界的遷移，導(dǎo)致再結(jié)晶溫度的提高。同時(shí)，細(xì)小Fe TiP相的析出阻礙了退火過(guò)程中有利織構(gòu)的形成，對(duì)試樣r值產(chǎn)生不利影響［14，15］。這也是造成試樣在低溫下強(qiáng)度較高，r值較低的原因。中等大小和粗大尺寸的析出相類(lèi)型基本相同。另外，隨著退火溫度的升高，三種不同大小的析出相尺寸均先增大后減小。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是隨著溫度的升高，在其他工藝條件不變的情況下，試樣在退火后的冷卻速度加快，第二相粒子析出更細(xì)小彌散。

4 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度隨連續(xù)退火溫度的升高呈先下降后有所升高的趨勢(shì)；而抗拉強(qiáng)度隨退火溫度的升高不斷降低，當(dāng)退火溫度升高到820℃及以上時(shí)趨于穩(wěn)定。

（2）實(shí)驗(yàn)鋼的延伸率隨著退火溫度從低溫升高到810℃時(shí)迅速提高，當(dāng)溫度繼續(xù)升高，延伸率增大的趨勢(shì)變緩；r值隨退火溫度的升高呈上升趨勢(shì)。

（3）保溫時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)度影響不大，但對(duì)延伸率存在一定的影響，即保溫時(shí)間控制在40～50s之間，可獲得較高的延伸率。

（4）實(shí)驗(yàn)鋼的微觀組織隨著退火溫度的升高逐漸等軸化，且晶粒大小均勻，組織均為鐵素體。退火溫度影響第二相粒子的析出，在不同的退火溫度下，第二相粒子的尺寸主要有細(xì)小、中等和粗大三類(lèi)。隨著退火溫度的升高，三種不同大小的析出相尺寸均先增大后減小。中等和粗大析出相的類(lèi)型基本相同，但細(xì)小析出相的類(lèi)型存在差別，即在采用低溫退火時(shí)細(xì)小析出相中Fe TiP相析出。

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Influence of Continuous Annealing on Microstructure and Properties High－strength IF Steel

HU Kuan－h(huán)ui，TIAN De－xin，F(xiàn)ENG Guan－wen，DUAN Xiao－ping，YAN Long
（Research and Development Center of Wuhan Iron
and Steel Group Corp，Wuhan 430080，China）

The influence of continuous annealing on the properties and microstructure and particle of second phase of high－strength IF steel was studied．The hot simulation of different temperature and different holding time continuous annealing was performed on EU AV hot dip process simulator．Universal testing machine，optical microscope and transmission electron microscope were used to examine the annealed samples．It was proved that there is a close relationship between the mechanical properties，the microstructure，the second phase’s shape．The effect of continuous annealing on the mechanical properties and the microstructure and the second phases was obtained．

high strength IF steel；continuous annealing；microstructure；the second phase

TG142．1

A

1001－4381（2012）07－0050－05

2011－04－20；

2012－04－05

胡寬輝（1978－），男，工程師，碩士，主要從事汽車(chē)用鋼的研究，聯(lián)系地址：武漢市青山區(qū)冶金大道26號(hào)汽車(chē)用鋼研究所（430080），E－mail：hukuanhui＠126．com