退火工艺对薄规格SPCC钢板组织和性能的影响

杜晶晶，宋仁伯，杨富强

（北京科技大学材料科学与工程学院，北京，100083）

SPCC冷轧碳素钢薄板及钢带的应用范围较广。与常规厚度的SPCC钢板（厚度≥0.6mm）相比，薄规格SPCC钢板（厚度≤0.3mm）主要应用于电子产品外壳，所以对其深冲性能和表面质量的要求更高。冷轧后退火处理是冷轧生产中的重要工序，以达到降低钢的硬度、消除冷加工硬化、恢复钢的塑性变形能力之目的。由于受组织中碳化物长大的影响，薄规格SPCC退火板的伸长率会降低。因此研究退火工艺对薄规格SPCC板带的组织及性能的影响十分必要。

李秀莲等［1］分析了SPCC冷轧薄板成材率和性能合格率低的原因，提出退火工艺的优化措施，从而改善了SPCC冷轧薄板的性能，其研究的钢板厚度为0.5～2.0mm。高荣庆等［2］讨论了压下率和退火温度对SPCC钢带组织与性能的影响，认为从金相角度考虑，厚度小于0.3mm的SPCC钢板的最优退火温度为675～700℃。武磊等［3］分析了不同退火工艺对CSP热轧带钢供冷轧原料的SPCC板深冲性能和组织的影响，其研究的冷轧基板厚度为1.0mm。本文则针对0.3mm厚的薄规格SPCC钢板，通过罩式退火模拟试验，研究退火温度和保温时间对钢板力学性能、成形性和织构的影响。

1 试验

试验材料为工业条件下生产的冷轧变形量为80%的0.3mm厚SPCC钢板，其化学成分如表1所示。

表1 SPCC钢板的化学成分（wB／%）Table1 Chemical compositions of SPCC sheet

在SKY－2箱式电阻炉内以氮气为保护气体对SPCC钢板进行退火模拟试验：首先将钢板由室温快速加热到500℃，随后缓慢加热到退火温度（分别设为680、700、720℃），保温9～13h，最后随炉冷却到550℃后空冷。

由于钢板的厚度仅为0.3mm，因此采用HR30T标尺测定试样的表面洛氏硬度（总负荷为294.2N、钢球直径为1.588mm），然后根据ASTM E140和ISO18265标准中HR30T和HV的换算对照表，利用插值法得出试样的维氏硬度。

采用CMT4105拉伸试验机对SPCC退火板进行力学性能和基本成型性能检测，分别按GB／T228—2002、GB／T5028—1999 和 GB／T5027—1999测定试样的断后延伸率A50、拉伸应变硬化指数n值和塑性应变比r值。

将SPCC退火板打磨、抛光，用5%硝酸酒精进行侵蚀，用金相显微镜观察其微观形貌。从680℃和700℃退火钢板上取14mm×24mm的小薄片，使用200＃～2000＃砂纸逐级打磨至厚度方向1／4表面处，然后使用无水酒精清洗并吹干。在D5000型X射线衍射仪中进行试样的织构检测。根据反射法测得｛110｝、｛200｝、｛211｝三张不完整极图，由计算机分析软件推算ODF图，并根据试验数据绘制α和γ取向线。

2 结果与讨论

2.1 退火温度对SPCC钢板力学性能的影响

经过不同温度退火并保温13h后，0.3mm厚SPCC钢板的力学性能和基本成形性能如图1和图2所示。从图1中可看出，退火温度为680℃时，试样的断后延伸率和硬度值较高；随着退火温度的升高，试样的硬度和延伸率逐渐下降；当退火温度升至720℃时，试样的断后延伸率和硬度值急剧降低，结合图2可知，此时试样的r值仅为0.81，这可能是由于温度过高导致材料晶粒粗大、塑性下降。从图2中可以看出，退火温度为700℃时，试样的r值较高，这可能是因为在退火过程中，一些有利织构，特别是｛111｝〈110〉、｛111｝〈112〉等织构得到了发展，极大地提高了板材的冲压成形能力。r值是衡量钢板深冲性能的重要指标，r值的大小与钢板的晶体取向密度函数密切相关。因为｛111｝晶面是主滑移面，而〈110〉方向是主滑移方向，由此构成的滑移系平行于板面，若｛111｝晶面平行于轧面的晶粒比例高，对应的r值就高，致使板在成形时抵抗厚度减薄的能力强，所以其深冲性能较好［4－5］。

n值也是评价深冲钢板成形性的重要指标之一。一般来说，材料的屈强比越小，其n值就越大，钢板的成形性能就越好。由图2可见，在不同退火温度下，试样的n值均在0.28～0.31之间，且随退火温度的升高而略有上升，这表明本文研究的SPCC钢板经不同温度退火后均具有良好的成形性。

图1 不同退火温度下试样的硬度及延伸率Fig.1 HV and elongation of the samples at different annealing temperatures

图2 不同退火温度下试样的n值及r值Fig.2 n，rvalues of the samples at different annealing temperatures

不同退火温度下试样的金相组织如图3所示。由图3可见，经过680、700、720℃退火后，晶粒都发生了完全再结晶；退火温度为680℃时，铁素体组织均匀，晶粒细小呈等轴状，因此退火后的钢板强度高，且延伸率达45.6%；随着退火温度的升高，大晶粒吞并小晶粒，晶粒尺寸逐渐增大，720℃退火时，晶粒过分粗大，造成钢板的强度与塑性同时下降，此时其延伸率仅为18.0%。

图3 不同退火温度下试样的微观形貌Fig.3 Microstructure of the samples at different annealing temperatures

2.2 保温时间对SPCC钢板力学性能的影响

经过680℃退火并分别保温9、10、11、12、13 h后，0.3mm厚SPCC钢板的力学性能和基本成形性能如图4和图5所示。从图4和图5中可以看出，保温时间不同时，试样的A50均在41%～46%之间，HV均在77～81之间，n值为0.3左右，r值在1.6～2.0之间，其变化幅度都较小；随着保温时间的延长，试样的硬度略有降低，断后延伸率略有增大；保温时间为11h时，试样的r值较大。

图4 不同保温时间下试样的硬度及延伸率Fig.4 HV and elongation of the samples at different holding times

图5 不同保温时间下试样的n值及r值Fig.5 n，r values of the samples at different holding times

不同保温时间下试样的金相组织见图6。由图6可见，随着保温时间的延长，晶粒尺寸略有增大，晶粒都比较均匀，且发生了完全再结晶。

图6 不同保温时间下试样的微观形貌Fig.6 Microstructure of the samples at different holding times

2.3 退火温度对SPCC钢板织构的影响

图7和图8为不同退火温度下保温13h后SPCC钢板的φ2＝45°ODF截面图及其织构沿α、γ取向线分布密度图。由图7和图8可见，试样织构组分主要集中在γ取向线，表现出较强的γ织构特征，其中｛111｝〈112〉组分强度最高，｛001｝〈110〉组分强度较低。材料在退火过程中，具有｛111｝〈112〉取向的晶粒将吞噬具有｛001｝〈110〉取向的晶粒，从而使得｛111｝〈112〉组分强度提高［6－7］。退火后，中心面上各晶粒已经发生完全再结晶，具有｛111｝〈112〉取向的晶粒吞噬了大量｛001｝〈110〉取向的晶粒，因此，SPCC钢板织构中的最强组分为｛111｝〈112〉织构。同时，700℃退火时的｛111｝〈112〉织构强度（15.2）大于680℃退火时的｛111｝〈112〉织构强度（14.5）。700℃退火后，在Φ为45°～65°时，织构强度稳定在6.0以上，而不利于深冲的｛001｝〈110〉织构的强度值都比较小，约为4。

对于深冲钢板，其特征织构主要表现在α取向线（φ1＝0°，Φ＝0°～90°，φ2＝45°）和γ取向线（φ1＝0°～90°，Φ＝55°，φ2＝45°）［3］。在轧制过程中轧件主要受平行于轧向的拉力和垂直于轧面的压力。晶粒受拉时，其取向会发生转动，滑移方向和拉力方向上的差异趋于减少，即拉伸方向转向滑移方向；晶粒受压时，如果开始时滑移面是倾斜的，滑移面的法线就会转向，和压力方向一致。当铁素体区压下率较大时，晶粒的取向趋于一个共同的方向，且变形程度越大，这种趋向越明显，即形成了变形织构［8］。由图8（a）可见，680℃退火后，变形织构｛112｝〈110〉的强度达到4，即钢板中还保留着强度较高的变形织构；而700℃退火后，｛112｝〈110〉织构强度相对较弱，这表明提高退火温度可以减少变形织构。

图7 不同退火温度下SPCC钢板的ODF图Fig.7 Orientation distribution function （ODF）of SPCC sheets at different annealing temperatures

图8 不同退火温度下织构沿取向线的分布密度Fig.8 Orientation distribution density of textures at different annealing temperatures

SPCC退火板在γ取向线上已有明显的γ纤维织构特征，680℃和700℃退火后，钢板中｛111｝〈110〉织构强度都在12左右，｛111｝〈112〉织构强度在15左右。

3 结论

（1）随着退火温度的升高，0.3mm 薄规格SPCC钢板的晶粒尺寸逐渐增大，硬度和延伸率逐渐降低，特别当退火温度升至720℃时，钢板的断后延伸率和硬度急剧降低。

（2）保温时间对0.3mm 薄规格SPCC钢板的深冲性能影响不大。随着保温时间的延长，钢板的晶粒尺寸略有增大，硬度有所降低，延伸率略有增大，变化幅度都较小。

（3）经过680℃和700℃退火后，SPCC钢板的织构组分集中分布在γ取向线上。随着退火温度的升高，变形织构｛112｝〈110〉强度降低，有利织构｛111｝〈112〉强度提高，700℃退火时其强度可达15.2。

［1］李秀莲，何亮，孙尚.SPCC冷轧薄板退火工艺的优化与性能分析［J］.热加工工艺，2008，39（8）：171－173，176.

［2］高荣庆，吴庚亮，孙建卫.压下率和退火温度对SPCC冷轧钢带组织与性能的影响［J］.金属热处理，2011，36（7）：23－27.

［3］武磊，刘雅政，刘兴全，等.退火工艺对CSP供冷轧原料的SPCC板性能和织构的影响［J］.材料热处理学报，2007，28（s1）：130－133.

［4］He Li，Jin Zhihao，Lu Jinde，et al.Modulated structures of Fe－10Mn－2Cr－1.5Calloy［J］.Materials and Design，2002，23（8）：717－720.

［5］李姚兵，杨雪梅，苏岚，等.超低碳 Ti－IF钢性能和析出相研究［J］.物理测试，2008，26（4）：10－14.

［6］王昭东，郭艳辉，王国栋.高强Ti－IF钢铁素体区热轧和冷轧过程织构演变规律［J］.材料科学与工艺，2009，17（1）：75－79.

［7］Vanderschueren D，Yoshinaga N，Koyama K.Recrystallization of Ti－IF steel investigated with electron backscattering pattern（EBSD）［J］.ISIJ International，1996，36（8）：1046－1054.

［8］毛卫民.金属材料的晶体学织构与各向异性［M］.北京：科学出版社，2002：33－45.