铝镇静钢连续退火相变行为与抗应变时效性能

邓凯¹，孟庆格²，郑红星¹

(1. 上海大学材料科学与工程学院， 上海 200444；2. 宝钢股份有限公司中央研究院， 上海 201900)

摘要：针对冷轧态低碳铝镇静钢，基于连续升温过程中的物相转变行为解析，开展连续退火过程中两相区保温时间对其物相组织及抗应变时效性能的试验研究。结果表明，试验用低碳铝镇静钢在890 ℃高温保温5 s时，铁素体基体中仍残留有少量珠光体，渗碳体及氮化物析出不明显；延长保温时间至60 s后，铁素体晶粒粗化、珠光体基本消失，碳化物在晶内大量析出，同时析出部分纳米级AlN和Ti(C,N)颗粒。另外，随着保温时间从5 s延长至60 s，平均时效指数由64.1 MPa大幅降至31.5 MPa。本研究可为低碳铝镇静钢连续退火工艺优化提供参考。

关键词：铝镇静钢；连续退火；固态相变；时效指数；微观组织

1 引言

深冲钢广泛应用于汽车、家电等多个制造领域，其发展主要经历了3代。第1代深冲钢以沸腾钢为代表，受冶金熔炼技术限制，沸腾钢中仍然存在较多的固溶态N原子，冲压产品表面往往会因应变时效而出现不均匀变形的现象，即吕德斯带。第2代深冲钢即低碳铝镇静钢，其主要是利用了添加Al元素能够进行较为充分的脱氧、同时形成大量AlN等氮化物的特性。第3代深冲钢则是以无间隙原子IF钢为代表，无间隙原子钢利用Ti和Nb元素的合金化效应，可以将间隙C、N原子基本清除。相比低碳铝镇静钢，无间隙原子钢的深冲性能更为优异，但生成无间隙原子钢需要Ti、Nb合金化金属元素以及RH精炼设备，导致生产成本较高。另外，无间隙原子钢采用的连续退火工艺应用于低碳铝镇静钢时，钢的抗应变时效性能并不理想，因此低碳铝镇静钢多采用加热和冷却较为缓慢的罩式退火工艺，罩式退火方式下形成的长条状饼形铁素体晶粒对深冲性能提升非常有利，且能够有效缓解应变时效问题，但罩式退火工艺能耗高、生产周期过长。

近年来随着市场竞争加剧，加之冶金行业面临减排压力加大，钢铁企业开始重新重视低成本低碳铝镇静钢的开发应用。研究学者也开展了针对铝镇静钢连续退火工艺的优化探索，包括C、N元素赋存形态等基础解析工作。LI Z M等发现时效指数(AI)随着退火温度和卷取温度的升高而下降，其中卷取温度影响较大，同时时效指数随着钢中固溶碳含量的增加而提高。刘光明等发现降低过时效温度有利于Fe₃C的析出，基体中固溶碳含量降低会使得碳元素的固溶强化作用随之降低，进而降低屈服强度，有利于提升钢板的抗应变时效性能。Massardier V等针对低碳铝镇静钢开展了超快速连续退火工艺(加热速率设为100~1 000 ℃/s)研究，系统构建了超快速加热过程中铝镇静钢的相变机制，分析了工艺参数对铁素体晶粒尺寸的影响，并对晶内固溶态C、N进行了定量表征，但该研究并未涉及抗应变时效性能的定量表征。Souza T O D等发现低碳铝镇静钢添加B元素后，卷取温度对抗应变时效性能基本无影响，但在连续退火过程中析出的BN颗粒有助于将时效指数从40 MPa降至30 MPa。CHEN Y L等发现低碳铝镇静钢在卷取过程中，相较于MnS相，AlN相的尺度变化对卷取温度和保温时间因素更为敏感。薛俊平等也发现随着卷取温度的升高，AlN析出物的尺寸从30 nm增大至200 nm，固溶态氮含量显著降低。Radis R等则在超低碳钢950 ℃和1 050 ℃经不同时间等温处理后发现，析出的AlN颗粒呈现出立方体、长条状甚至多种非规则的形貌特征。

本文基于JMatPro相图计算，综合运用热膨胀仪、差示扫描量热分析仪、高温激光共聚焦显微镜、电子探针及透射电镜等检测分析手段，解析冷轧态低碳铝镇静钢在连续升温过程中的相变行为，并在两相区开展高温阶段不同保温时间的连续退火试验，通过构建微观组织特征与力学性能之间的关系，为低碳铝镇静钢连续退火工艺优化提供参考依据。

2 精选图表

3 结论

(1)低碳铝镇静钢在连续退火过程中依次发生变形铁素体及变形珠光体的回复与再结晶，渗碳体球化及溶解、珠光体和铁素体向奥氏体转变，同时高温阶段伴随着氮化物析出。

(2)低碳铝镇静钢在890 ℃连续退火保温5 s时，铁素体基体中仍保留少量珠光体，渗碳体及氮化物析出不明显；延长保温时间至60 s后铁素体晶粒明显粗化，珠光体基本消失，大量碳化物在晶内析出，同时析出部分纳米级AlN和Ti(C,N)颗粒。

(3)低碳铝镇静钢在890 ℃连续退火保温5 s和60 s时，平均时效指数分别为64.1 MPa和31.5 MPa，60 s保温时间的试样时效指数降低与高温阶段氮化物的形成析出密切相关。