一、碳鋼的退火
1.如何退火20鋼熱軋卷板能獲得較好的沖壓性能？
20鋼是一種優質碳素結構鋼，這種鋼正常的顯微組織是鐵素體和片層珠光體，目前廣泛運用于五金制品、汽車零配件、管道等領域。為滿足沖壓成型要求，通常需要對這種鋼進行球化退火處理。處理時，為了能縮短工期、降低能源消耗，人們迫切希望能夠簡化球化退火工藝，縮短球化退火時間。
球化退火按工作原理主要分為雙相區球化退火、亞溫區球化退火、淬火+高溫回火、形變球化退火等。目前，多數企業通常對20鋼采用雙相區球化退火工藝。
雙相區球化退火后的構件綜合性能良好，但雙相區球化退火工藝所需周期長，處理過程中能量消耗大。在以往的研究中，多數研究者認為如在奧氏體轉變點以下溫度保溫會使球化的時間加長，故工業生產中采用亞溫區球化退火工藝的研究比較少。但最近有關研究表明，對于快速冷卻得到的細珠光體組織，在奧氏體轉變點以下的較高溫度進行退火可明顯提高滲碳體的球化速度，且同樣可以得到較好的力學性能。
例如，最近某研究院采用厚度為7.6mm的熱連軋生產的20鋼板卷，其化學成分見表2-1，對其材料進行了球化退火，研究20鋼的球化退火工藝、組織與性能，收到較好效果。
表2-1 20鋼卷板的化學成分（質量分數wt％）
20鋼的Ac1點和Ac3點分別為729℃和815℃。采用的球化退火工藝為兩種：雙相區球化退火和亞溫區球化退火。
①雙相區球化退火工藝為：加熱溫度750℃，保溫2h，隨爐冷卻到700℃，保溫5～15h后再隨爐冷卻。
②亞溫區球化退火工藝為：加熱溫度680℃，保溫5～15h后隨爐冷卻。
球化退火前，熱軋態20鋼的珠光體片層間距較小，一些珠光體中的滲碳體已經呈現粒狀，其中極少部分已經不是珠光體形態，呈現出碳化物彌散分布，如圖2-1所示。
圖2-1 球化退火前熱軋態20鋼的微觀組織
20鋼試樣經雙相區球化退火處理后的組織如圖2-2所示。觀察圖2-2（a），未發現片層珠光體，鐵素體呈現等軸晶粒狀態。20鋼組織傾向于出現粒狀或短小片狀的混合狀態，由于加熱到奧氏體化的溫度較低，其基體內仍然有彌散的未溶碳化物粒子，故在緩冷過程中析出的碳化物依附于原有的碳化物顆粒形成球狀，鐵素體通過碳的擴散向奧氏體生長形成等軸晶粒。如圖2-2（b）所示，在鐵素體晶內發現極其細小的球狀滲碳體，晶界明顯增厚。當保溫時間長達15h后，滲碳體按照Ostwald熟化機制長大，且分布更加均勻，如圖2-2（c）所示。當保溫時間大于15h后，顯微組織變化不明顯。
圖2-2 20鋼經雙相區700℃保溫不同時間的球化退火處理后的微觀組織
20鋼試樣經亞溫區球化退火處理后的組織形貌如圖2-3所示。試樣加熱到680℃保溫5h后，少量珠光體組織球化，但大量珠光體中的滲碳體呈現粒狀，呈現出碳化物在珠光體形態中彌散分布，如圖2-3（a）所示，但其片層珠光體形態明顯保留。當試樣保溫達到9h后，珠光體基本全部球化，球化效果明顯，如圖2-3（b）所示。在試樣保溫15h后，如圖2-3（c）所示，球化效果與保溫9h比無明顯變化，只是球化的滲碳體增多且有所長大。
圖2-3 20鋼經亞溫區680℃保溫不同時間的球化退火處理后的微觀組織
從圖2-2和圖2-3可見，在保溫開始不久，隨著保溫時間的延長，兩種組織都在以較快的速度發生球化，但當保溫時間超過上述一定時間后，兩種球化退火基本完成，即使再延長保溫時間也無明顯變化?？梢钥吹降氖莵啘貐^球化退火所需要的時間明顯比雙相區球化退火要短，并且球化差異比較明顯。
20鋼試樣經球化退火處理后的抗拉強度和伸長率隨保溫時間的變化如圖2-4與圖2-5所示。對于雙相區球化退火，由于組織比較粗大，故抗拉強度由500MPa急劇下降到400MPa以下，但塑性得到明顯改善，20鋼試樣經球化退火處理后的伸長率由29％提高到33％以上。對于亞溫區球化退火，增加保溫時間，其20鋼試樣經球化退火處理后的抗拉強度降低程度較小。處理達到15h時，20鋼試樣經球化退火處理后的抗拉強度仍在420MPa左右，高于標準要求的410MPa。相對地塑性有所改善，伸長率最高到32％左右，故綜合力學性能較好。
圖2-4 20鋼的抗拉強度隨保溫時間的變化
圖2-5 20鋼的伸長率隨保溫時間的變化
根據相關研究，20鋼在奧氏體轉變點以上溫度半小時內滲碳體會全部溶解，如果珠光體很細，則會加快溶解。故預想的球化轉變應是20鋼加熱到750℃保溫2h后，碳化物全部溶解，然后冷卻到700℃的過程中奧氏體轉變成先共析鐵素體和片層珠光體，在保溫過程中滲碳體溶斷、球化并長大。但從研究者上述雙相區球化退火處理后20鋼的微觀組織形貌觀察，未見片層珠光體形貌，也未見到預想的球化轉變。
有研究者認為，在低的奧氏體化溫度和低的冷卻速度下，部分低碳鋼與中碳鋼組織傾向于出現粒狀或短小片狀的混合狀態。故20鋼組織中只出現等軸鐵素體晶粒以及鐵素體晶界和晶內大量極其細小的球狀滲碳體組織，增加保溫時間，碳化物會根據Ostwald熟化機制成長。但這種轉變使得鐵素體組織較為粗大，短時間內的球化效果也不明顯，故強度降低幅度較大，這種組織狀態使得20鋼綜合力學性能偏低。
亞溫區球化是通過片狀碳化物變化溶解，實質是短程擴散作用進行的。一般認為在奧氏體轉變點以下溫度時球化速度太慢，時間過長，但那可能是由于珠光體組織粗大造成的。
由以上研究可見，對于控軋控冷工藝生產的如20鋼這類碳鋼來說，其具有細小的珠光體組織，有利于加快球化進程。故采用亞溫區球化退火處理可明顯縮短球化退火時間，且球化效果較好，因而具有明顯的降低生產成本、加快生產循環速度的作用。從微觀組織中也可以看到，亞溫區球化退火效果明顯。由于沖壓性能與球化效果好壞有直接關系，故與雙相區球化退火相比，微觀組織的不同使得亞溫區球化退火處理后的20鋼具有更好的沖壓性能。