鋁鎮(zhèn)靜鋼連續(xù)退火相變行為與抗應(yīng)變時效性能
鄧凱1，孟慶格2，鄭紅星1
(1. 上海大學材料科學與工程學院， 上海 200444；2. 寶鋼股份有限公司中央研究院， 上海 201900)
摘要：針對冷軋態(tài)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼，基于連續(xù)升溫過程中的物相轉(zhuǎn)變行為解析，開展連續(xù)退火過程中兩相區(qū)保溫時間對其物相組織及抗應(yīng)變時效性能的試驗研究。結(jié)果表明，試驗用低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼在890 ℃高溫保溫5 s時，鐵素體基體中仍殘留有少量珠光體，滲碳體及氮化物析出不明顯；延長保溫時間至60 s后，鐵素體晶粒粗化、珠光體基本消失，碳化物在晶內(nèi)大量析出，同時析出部分納米級AlN和Ti(C,N)顆粒。另外，隨著保溫時間從5 s延長至60 s，平均時效指數(shù)由64.1 MPa大幅降至31.5 MPa。本研究可為低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼連續(xù)退火工藝優(yōu)化提供參考。
關(guān)鍵詞：鋁鎮(zhèn)靜鋼；連續(xù)退火；固態(tài)相變；時效指數(shù)；微觀組織
1 引言
深沖鋼廣泛應(yīng)用于汽車、家電等多個制造領(lǐng)域，其發(fā)展主要經(jīng)歷了3代。第1代深沖鋼以沸騰鋼為代表，受冶金熔煉技術(shù)限制，沸騰鋼中仍然存在較多的固溶態(tài)N原子，沖壓產(chǎn)品表面往往會因應(yīng)變時效而出現(xiàn)不均勻變形的現(xiàn)象，即呂德斯帶。第2代深沖鋼即低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼，其主要是利用了添加Al元素能夠進行較為充分的脫氧、同時形成大量AlN等氮化物的特性。第3代深沖鋼則是以無間隙原子IF鋼為代表，無間隙原子鋼利用Ti和Nb元素的合金化效應(yīng)，可以將間隙C、N原子基本清除。相比低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼，無間隙原子鋼的深沖性能更為優(yōu)異，但生成無間隙原子鋼需要Ti、Nb合金化金屬元素以及RH精煉設(shè)備，導致生產(chǎn)成本較高。另外，無間隙原子鋼采用的連續(xù)退火工藝應(yīng)用于低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼時，鋼的抗應(yīng)變時效性能并不理想，因此低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼多采用加熱和冷卻較為緩慢的罩式退火工藝，罩式退火方式下形成的長條狀餅形鐵素體晶粒對深沖性能提升非常有利，且能夠有效緩解應(yīng)變時效問題，但罩式退火工藝能耗高、生產(chǎn)周期過長。
近年來隨著市場競爭加劇，加之冶金行業(yè)面臨減排壓力加大，鋼鐵企業(yè)開始重新重視低成本低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的開發(fā)應(yīng)用。研究學者也開展了針對鋁鎮(zhèn)靜鋼連續(xù)退火工藝的優(yōu)化探索，包括C、N元素賦存形態(tài)等基礎(chǔ)解析工作。LI Z M等發(fā)現(xiàn)時效指數(shù)(AI)隨著退火溫度和卷取溫度的升高而下降，其中卷取溫度影響較大，同時時效指數(shù)隨著鋼中固溶碳含量的增加而提高。劉光明等發(fā)現(xiàn)降低過時效溫度有利于Fe3C的析出，基體中固溶碳含量降低會使得碳元素的固溶強化作用隨之降低，進而降低屈服強度，有利于提升鋼板的抗應(yīng)變時效性能。Massardier V等針對低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼開展了超快速連續(xù)退火工藝(加熱速率設(shè)為100~1 000 ℃/s)研究，系統(tǒng)構(gòu)建了超快速加熱過程中鋁鎮(zhèn)靜鋼的相變機制，分析了工藝參數(shù)對鐵素體晶粒尺寸的影響，并對晶內(nèi)固溶態(tài)C、N進行了定量表征，但該研究并未涉及抗應(yīng)變時效性能的定量表征。Souza T O D等發(fā)現(xiàn)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼添加B元素后，卷取溫度對抗應(yīng)變時效性能基本無影響，但在連續(xù)退火過程中析出的BN顆粒有助于將時效指數(shù)從40 MPa降至30 MPa。CHEN Y L等發(fā)現(xiàn)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼在卷取過程中，相較于MnS相，AlN相的尺度變化對卷取溫度和保溫時間因素更為敏感。薛俊平等也發(fā)現(xiàn)隨著卷取溫度的升高，AlN析出物的尺寸從30 nm增大至200 nm，固溶態(tài)氮含量顯著降低。Radis R等則在超低碳鋼950 ℃和1 050 ℃經(jīng)不同時間等溫處理后發(fā)現(xiàn)，析出的AlN顆粒呈現(xiàn)出立方體、長條狀甚至多種非規(guī)則的形貌特征。
本文基于JMatPro相圖計算，綜合運用熱膨脹儀、差示掃描量熱分析儀、高溫激光共聚焦顯微鏡、電子探針及透射電鏡等檢測分析手段，解析冷軋態(tài)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼在連續(xù)升溫過程中的相變行為，并在兩相區(qū)開展高溫階段不同保溫時間的連續(xù)退火試驗，通過構(gòu)建微觀組織特征與力學性能之間的關(guān)系，為低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼連續(xù)退火工藝優(yōu)化提供參考依據(jù)。
2 精選圖表
3 結(jié)論
(1)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼在連續(xù)退火過程中依次發(fā)生變形鐵素體及變形珠光體的回復與再結(jié)晶，滲碳體球化及溶解、珠光體和鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變，同時高溫階段伴隨著氮化物析出。
(2)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼在890 ℃連續(xù)退火保溫5 s時，鐵素體基體中仍保留少量珠光體，滲碳體及氮化物析出不明顯；延長保溫時間至60 s后鐵素體晶粒明顯粗化，珠光體基本消失，大量碳化物在晶內(nèi)析出，同時析出部分納米級AlN和Ti(C,N)顆粒。
(3)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼在890 ℃連續(xù)退火保溫5 s和60 s時，平均時效指數(shù)分別為64.1 MPa和31.5 MPa，60 s保溫時間的試樣時效指數(shù)降低與高溫階段氮化物的形成析出密切相關(guān)。
