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(jí)別,冷軋材分為T1~T5級(jí)別,相應(yīng)級(jí)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(duì)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(duì)象,通過實(shí)驗(yàn)室Gleeble-3500熱模擬機(jī)模擬其再結(jié)晶發(fā)展過程及時(shí)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(duì)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(jì)提供依據(jù)。
選用某鋼廠冷軋T4鍍錫板為研究對(duì)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(duì)某鋼廠T4鍍錫板過時(shí)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(jì)進(jìn)行退火試樣組織和硬度檢測(cè),加載載荷砝碼1 kg,研究不同過時(shí)效退火工藝對(duì)T4鍍錫板組織性能的影響。
圖1 過時(shí)效退火工藝模擬方案Fig.1 Simulation scheme of over-aging annealing process
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(shí),在450~700℃溫度區(qū)間退火時(shí),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(duì)應(yīng)的溫度,由此可以推斷試驗(yàn)用T4鍍錫板的再結(jié)晶溫度約為575℃。
圖2 退火溫度對(duì)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(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)成纖維狀,而珠光體-滲碳體片層則會(huì)發(fā)生破裂,珠光體在冷變形時(shí),鐵素體中位錯(cuò)不易開動(dòng),使變形抗力增大,外力增大時(shí),鐵素體中心的位錯(cuò)源開始運(yùn)動(dòng),在鐵素體-滲碳體相界面出現(xiàn)位錯(cuò)塞積,對(duì)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(zhǎng)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(shí),組織中出現(xiàn)晶界清晰的新晶粒,而且已經(jīng)在整個(gè)視場(chǎng)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(gè)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(shí),相同的退火時(shí)間內(nèi),晶粒有所長(zhǎng)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
2.2.1 過時(shí)效退火溫度對(duì)組織的影響
圖5是冷軋T4鍍錫板過時(shí)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(shí)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(shí)(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(shí)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(shí)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(shí),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(shí)效退火條件下(見圖6(b)),再結(jié)晶晶粒較560℃過時(shí)效退火時(shí)略有增加,仍然存在一部分變形晶粒。當(dāng)過時(shí)效退火溫度達(dá)到640℃時(shí)(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(shí)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(shí)效退火溫度對(duì)硬度的影響
硬度為鍍錫板過時(shí)效退火后性能評(píng)價(jià)的一個(gè)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(yàn)鋼在不同過時(shí)效退火溫度下的洛氏硬度,可以看出,隨著過時(shí)效退火溫度的升高,T4鍍錫板的硬度呈下降趨勢(shì)。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?yàn)樵?60℃到640℃過時(shí)效退火時(shí),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(cuò)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(shí)效退火時(shí),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(shí)效退火后的硬度Table 1 Hardness of the T4 tinplate after over-aging annealing
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(shí)效退火時(shí),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(shí)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(shí)效退火溫度達(dá)到640℃后,再結(jié)晶形核已經(jīng)完成,此時(shí)提高退火溫度逐漸形成無畸變新晶粒。
3)隨著過時(shí)效退火溫度升高,T4鍍錫板經(jīng)過時(shí)效退火后硬度值呈下降趨勢(shì)。經(jīng)過560~640℃過時(shí)效退火時(shí),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(cuò)和變形帶被消除,硬度顯著降低(49 HV)。640~670℃過時(shí)效退火時(shí),再結(jié)晶基本完成,硬度值變化較小(9 HV)。