一、碳钢的退火
1.如何退火20钢热轧卷板能获得较好的冲压性能？
20钢是一种优质碳素结构钢，这种钢正常的显微组织是铁素体和片层珠光体，目前广泛运用于五金制品、汽车零配件、管道等领域。为满足冲压成型要求，通常需要对这种钢进行球化退火处理。处理时，为了能缩短工期、降低能源消耗，人们迫切希望能够简化球化退火工艺，缩短球化退火时间。
球化退火按工作原理主要分为双相区球化退火、亚温区球化退火、淬火+高温回火、形变球化退火等。目前，多数企业通常对20钢采用双相区球化退火工艺。
双相区球化退火后的构件综合性能良好，但双相区球化退火工艺所需周期长，处理过程中能量消耗大。在以往的研究中，多数研究者认为如在奥氏体转变点以下温度保温会使球化的时间加长，故工业生产中采用亚温区球化退火工艺的研究比较少。但最近有关研究表明，对于快速冷却得到的细珠光体组织，在奥氏体转变点以下的较高温度进行退火可明显提高渗碳体的球化速度，且同样可以得到较好的力学性能。
例如，最近某研究院采用厚度为7.6mm的热连轧生产的20钢板卷，其化学成分见表2-1，对其材料进行了球化退火，研究20钢的球化退火工艺、组织与性能，收到较好效果。
表2-1 20钢卷板的化学成分（质量分数wt％）
20钢的Ac1点和Ac3点分别为729℃和815℃。采用的球化退火工艺为两种：双相区球化退火和亚温区球化退火。
①双相区球化退火工艺为：加热温度750℃，保温2h，随炉冷却到700℃，保温5～15h后再随炉冷却。
②亚温区球化退火工艺为：加热温度680℃，保温5～15h后随炉冷却。
球化退火前，热轧态20钢的珠光体片层间距较小，一些珠光体中的渗碳体已经呈现粒状，其中极少部分已经不是珠光体形态，呈现出碳化物弥散分布，如图2-1所示。
图2-1 球化退火前热轧态20钢的微观组织
20钢试样经双相区球化退火处理后的组织如图2-2所示。观察图2-2（a），未发现片层珠光体，铁素体呈现等轴晶粒状态。20钢组织倾向于出现粒状或短小片状的混合状态，由于加热到奥氏体化的温度较低，其基体内仍然有弥散的未溶碳化物粒子，故在缓冷过程中析出的碳化物依附于原有的碳化物颗粒形成球状，铁素体通过碳的扩散向奥氏体生长形成等轴晶粒。如图2-2（b）所示，在铁素体晶内发现极其细小的球状渗碳体，晶界明显增厚。当保温时间长达15h后，渗碳体按照Ostwald熟化机制长大，且分布更加均匀，如图2-2（c）所示。当保温时间大于15h后，显微组织变化不明显。
图2-2 20钢经双相区700℃保温不同时间的球化退火处理后的微观组织
20钢试样经亚温区球化退火处理后的组织形貌如图2-3所示。试样加热到680℃保温5h后，少量珠光体组织球化，但大量珠光体中的渗碳体呈现粒状，呈现出碳化物在珠光体形态中弥散分布，如图2-3（a）所示，但其片层珠光体形态明显保留。当试样保温达到9h后，珠光体基本全部球化，球化效果明显，如图2-3（b）所示。在试样保温15h后，如图2-3（c）所示，球化效果与保温9h比无明显变化，只是球化的渗碳体增多且有所长大。
图2-3 20钢经亚温区680℃保温不同时间的球化退火处理后的微观组织
从图2-2和图2-3可见，在保温开始不久，随着保温时间的延长，两种组织都在以较快的速度发生球化，但当保温时间超过上述一定时间后，两种球化退火基本完成，即使再延长保温时间也无明显变化。可以看到的是亚温区球化退火所需要的时间明显比双相区球化退火要短，并且球化差异比较明显。
20钢试样经球化退火处理后的抗拉强度和伸长率随保温时间的变化如图2-4与图2-5所示。对于双相区球化退火，由于组织比较粗大，故抗拉强度由500MPa急剧下降到400MPa以下，但塑性得到明显改善，20钢试样经球化退火处理后的伸长率由29％提高到33％以上。对于亚温区球化退火，增加保温时间，其20钢试样经球化退火处理后的抗拉强度降低程度较小。处理达到15h时，20钢试样经球化退火处理后的抗拉强度仍在420MPa左右，高于标准要求的410MPa。相对地塑性有所改善，伸长率最高到32％左右，故综合力学性能较好。
图2-4 20钢的抗拉强度随保温时间的变化
图2-5 20钢的伸长率随保温时间的变化
根据相关研究，20钢在奥氏体转变点以上温度半小时内渗碳体会全部溶解，如果珠光体很细，则会加快溶解。故预想的球化转变应是20钢加热到750℃保温2h后，碳化物全部溶解，然后冷却到700℃的过程中奥氏体转变成先共析铁素体和片层珠光体，在保温过程中渗碳体溶断、球化并长大。但从研究者上述双相区球化退火处理后20钢的微观组织形貌观察，未见片层珠光体形貌，也未见到预想的球化转变。
有研究者认为，在低的奥氏体化温度和低的冷却速度下，部分低碳钢与中碳钢组织倾向于出现粒状或短小片状的混合状态。故20钢组织中只出现等轴铁素体晶粒以及铁素体晶界和晶内大量极其细小的球状渗碳体组织，增加保温时间，碳化物会根据Ostwald熟化机制成长。但这种转变使得铁素体组织较为粗大，短时间内的球化效果也不明显，故强度降低幅度较大，这种组织状态使得20钢综合力学性能偏低。
亚温区球化是通过片状碳化物变化溶解，实质是短程扩散作用进行的。一般认为在奥氏体转变点以下温度时球化速度太慢，时间过长，但那可能是由于珠光体组织粗大造成的。
由以上研究可见，对于控轧控冷工艺生产的如20钢这类碳钢来说，其具有细小的珠光体组织，有利于加快球化进程。故采用亚温区球化退火处理可明显缩短球化退火时间，且球化效果较好，因而具有明显的降低生产成本、加快生产循环速度的作用。从微观组织中也可以看到，亚温区球化退火效果明显。由于冲压性能与球化效果好坏有直接关系，故与双相区球化退火相比，微观组织的不同使得亚温区球化退火处理后的20钢具有更好的冲压性能。