双相区热处理对430铁素体不锈钢冲压性和起皱性的影响

铁素体不锈钢是一类具有体心立方晶体结构，含碳量≤0.20%，含铬量在10.5%～32.0%，在室温下以铁素体组织为主的不锈钢。与奥氏体不锈钢相比，铁素体不锈钢不含镍或者仅含少量的镍，是一种节镍、低成本，很有发展前景的不锈钢。430(10Cr17) 是铁素体不锈钢中使用量最大、应用最广泛的一类不锈钢，已部分替代奥氏体不锈钢应用于厨房用具、家用电器、汽车排气系统等领域。在这些领域，Cr17型铁素体不锈钢多作为深冲件使用，要求其具有优良的成型性能。但是，目前国内相应钢种的成型性能普遍较低，远未达到奥氏体不锈钢的水平，冷加工过程中易产生表面起皱缺陷。现在普遍认为，铁素体不锈钢加工过程中的起皱缺陷是由于与带钢轧制方向平行延伸的、结晶方位相近的晶粒群的塑性变形不同而产生的。这种聚集组织起因于板坯连铸过程中形成的柱状晶，在热轧和退火过程中不能或极少发生相变,在热轧板上形成条带状组织，最终残留在冷轧退火板上而产生的。因此，要提高430铁素体不锈钢的冲压性和抗起皱性，就要分割破坏连铸柱状晶在热轧板上形成的条带状组织，抑制冷轧退火板上聚集组织的形成。由于铁素体不锈钢的动态回复速度非常快，在热轧过程中很难再结晶，因此热轧后退火是减少非预期织构和得到充分再结晶组织的重要方法。宝钢邬珠仙等人研究了罩式炉退火温度及保温时间对430 铁素体不锈钢成型性及抗起皱性的影响，再结晶率随着罩式退火保温时间的延长而增加，但不能完全消除热轧板带状组织。

本文以430铁素体不锈钢为研究对象, 将其热轧板在铁素体(α)+奥氏体(γ)双相温度区间进行两阶段热处理，并与常规罩式炉退火热轧板显微组织和力学性能进行对比，研究分析双相区热处理对其热轧板组织和性能的影响，旨在为改进后续冷轧板质量并提升钢板性能提供理论依据。

1、试验材料及方法

本研究的试验用样取自工业大生产热轧卷板，宽 1250 mm，厚 4.0 mm，材料的化学成分如表1所示。工业大生产中，430铁素体不锈钢铸坯经热轧后一般采用罩式炉退火再冷轧，罩式炉退火温度一般在840～860 ℃，保温时间10～20 h。热轧卷板的双相区热处理试验在高温退火炉中进行，试验卷板放入退火炉中升温至930 ℃，保温4 h后随炉冷却至880 ℃，再保温4 h后随炉冷却，至200 ℃以下出炉空冷。随后采用与常规罩式炉退火板材相同的冷轧退火工艺，冷轧至0.6 mm厚度，在900 ℃退火，保温2 min。

采用STA—449C综合热分析仪测定试验用430不锈钢热轧态板材的DSC曲线。用于力学性能测试和光学显微照相的退火试样，通过常用方法制备。使用DMI3000M 莱卡光学显微镜观察分析热轧退火态试样的微观组织形貌，利用计算机控制的电子万能试验机CMT5105对退火样和成品样进行拉伸试验。通过15%拉伸试验评价和衡量成品板的抗皱性及冲压性。成品板的抗起皱性可用15%拉伸后的起皱高度进行评价，沿轧制方向切取拉伸试样，当拉伸应变为15 %时，用表面粗糙度仪测定表面起皱高度。成品板的冲压性能可用平均塑性应变比(γm)和凸耳参数(Δγ)衡量，分别沿轧制方向0°、45°、90°方向切取试样，拉伸后测得相应的塑性应变比(γ)。γm和Δγ可分别由式(1)、(2)计算得出：

2、试验结果与讨论

2.1 DSC分析

平衡相图可用于描述不锈钢的相变和相稳定性。图1为Fe-Cr-C三元系中， w（Cr）=17%合金系的Fe-C伪二元相图，图中虚线是碳的名义质量分数为0.05%的垂直线，该成分接近于试验用430不锈钢的成分。平衡冷却条件下，其最终室温组织将是铁素体和M23C6型碳化物。采用STA—449C综合热分析仪测定试验用430不锈钢热轧态板材的DSC曲线，结果如图2所示。结合Cr17合金系的Fe-C伪二元相图，对试验材料比热曲线的吸热峰位置进行分析，该430不锈钢热轧态板材在688 ℃发生磁性转变，在890 ℃碳化物溶解，在926 ℃发生α→γ相变。因此，在罩式炉退火过程应处于铁素体单相区；在设计的试验温度条件下，应处于铁素体和奥氏体双相区。

2.2 热轧退火板力学性能对比

图3显示了试验用430不锈钢热轧板经罩式炉退火及双相区热处理后的力学性能检测结果。拉伸试验结果表明，经850 ℃×16 h 罩式炉退火后，抗拉强度和屈服强度分别为452MPa、312MPa；在双相温度区间进行两阶段热处理后，抗拉强度和屈服强度分别为442MPa、270MPa。与常规罩式炉退火工艺相比，双相区热处理后的430不锈钢热轧板抗拉强度变化不大，但屈服强度显著降低。同时，维氏硬度由151降低到139，而延伸率由32.5%提高到37%。和一般结构用钢不同，冲压用板材并不追求高的屈服强度，相反希望有低的屈服点，以有利于冷加工。在奥氏体和铁素体双相区对430不锈钢热轧板进行两阶段热处理，降低了屈服强度和硬度，提高了延伸率，改善了热轧板材的塑性，为后续的冷轧及连续退火提供了良好的原料条件。

2.3 热轧退火板显微组织对比

对罩式炉退火样及双相区热处理样进行抛光腐蚀后观察其轧制方向的显微组织，如图4所示。由图4(a)可见，经850 ℃×16 h 罩式炉退火后，试样并没有完全再结晶，仍部分保留了热轧态的条带状组织，几乎未形成均匀的等轴晶。这是因为在热轧和罩式炉退火过程中，都处于铁素体单相区，连铸板坯中发达的柱状晶不能或极少发生相变，不能通过相变的方法使晶粒取向随机化，再结晶退火后相同或相近取向的晶粒仍然呈团簇状聚集在一起，在热轧板上形成条带状组织。由图4(b)可见，在双相温度区间进行热处理，长时间保温并冷却后，原始热轧板中的条带状组织几乎被完全分割破坏，碳化物充分析出得到了均匀的等轴晶组织，晶粒尺寸多在30～60 μm。这是因为在930 ℃保温过程中，已发生α→γ相变，处于铁素体和奥氏体双相区；随后的冷却过程中，又发生γ→α相变，相变重结晶过程中新生的晶粒，在一定程度上破坏了热轧态条带状组织。对未发生相变的条带状组织，通过提高保温温度（比原850 ℃高30～80 ℃），也可促进再结晶和碳化物充分析出。

2.4 冷轧板冲压性和抗起皱性对比

为了评价双相区热处理对最终冷轧产品成型性能和抗起皱性的影响，对成品板塑性应变比（γ值）和起皱高度（Rmax）进行了分析。图5所示为经罩式炉退火和双相区热处理后的冷轧产品所得到的塑性应变比γ值和起皱高度Rmax的对比分析。由图5可见，与常规罩式炉退火工艺相比，双相区热处理使430不锈钢成品板的平均塑性应变比γm值由1.0提高到1.2，平面各向异性指数Δγ值变化不大，有利于改善最终冷轧板的冲压性能。15%拉伸试验结果表明，经罩式炉退火的成品板表面起皱高度为19.25 μm，经双相区热处理的成品板表面起皱高度为14.54 μm，双相区热处理使430不锈钢成品板的表面起皱高度降低了4.71 μm，具有比较优良的抗起皱性。

前人的研究表明，γ值的提高，可以通过使平行于轧制面的{111}组分非常发达，抑制{100}组分的再结晶织构发展来达到。要得到这样的织构，除了调整化学成分（如降低碳、氮，添加钛、铌等）和轧制工艺（如强润滑热轧以及两次冷轧法等），控制冷轧前热轧板组织，使冷轧前晶粒微细化也是有效的方法。在α+γ双相温度区对430不锈钢热轧板进行热处理，长时间进行中间退火，通过可逆相变的方法使晶粒取向随机化，有效分割了热轧板的条带状组织，碳化物充分析出得到了均匀的等轴晶组织，对这种组织进行冷轧退火，抑制了团簇状聚集组织的形成，能使{111}织构发达，实现了抗起皱性的改善和γ值的提高。

3、结论

1）在铁素体和奥氏体双相温度区间对430不锈钢热轧板进行两阶段热处理，分割了原始热轧板中沿轧向分布的条带状组织，抑制了团簇状聚集组织的形成，碳化物充分析出得到了相对均匀的等轴晶组织。

2）与常规罩式炉退火工艺相比，双相区热处理显著提高了430不锈钢热轧板的延伸率(32.5%→37%)，降低了屈服强度和硬度，改善了热轧板材的塑性，为后续的冷轧及连续退火提供了良好的原料条件。

3）与常规罩式炉退火工艺相比，双相区热处理使430不锈钢冷轧成品板的平均塑性应变比γm提高了0.2，表面起皱高度降低了4.71μm，有利于改善最终冷轧产品的冲压性能和抗起皱性。