奧氏體等溫淬火工藝對冷軋高強鋼擴孔性能的影響

朱曉東,薛 鵬,李 偉,茅瑋辰

(1.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999;2.汽車用鋼開發與應用技術國家重點實驗室(寶鋼),上海 201999)

1 概述

近年來,隨著冷軋先進高強鋼鋼板在汽車制造領域的深入應用,提高其成形性的需要越來越迫切。高強度鋼板成形性包括延伸率、彎曲性能和擴孔性能三個方面,其中擴孔性能的高低決定了鋼板在凸緣翻邊時的成形能力,在實際零件的沖壓時邊部開裂也與材料的擴孔性能密切相關,因此擴孔性能的提升具有重要的實際意義。

研究表明,組織類型對鋼板擴孔率的影響最大。圖1所示為不同組織的高強鋼的擴孔率比較(圖中TPF為TRIP型多邊形鐵素體鋼,TAM為TRIP型退火馬氏體鋼,TBF為TRIP型貝氏體鐵素體鋼,B為貝氏體鋼),可以看到,組織為馬氏體+鐵素體的雙相鋼(DP)擴孔率最低,通過回火降低馬氏體硬度的TAM鋼(Trip aided annealed martensite steel)擴孔率明顯提高,而含貝氏體組織的TBF鋼(Trip-aided bainite ferrite steel)和貝氏體鋼擴孔率高[1]。

從工藝角度看,采用淬火+回火工藝制造的雙相鋼鋼板的擴孔率與回火溫度有關,回火溫度越高,馬氏體硬度降低越大,擴孔率越高[2]。如果采用快冷+奧氏體等溫淬火(austempering)工藝,提高等溫溫度,可以形成更多的貝氏體,有利于鋼板擴孔率的提升[1]。可見,馬氏體較高溫度回火以及促進組織中形成貝氏體有利于先進高強鋼鋼板擴孔率提高。

本文以一種原本用于冷軋雙相鋼的冷軋鋼板為研究對象,研究不同的奧氏體等溫淬火工藝對強度和擴孔性能的影響,探討提高先進高強鋼擴孔性能的技術方法。

2 試驗材料和試驗方案

試驗材料采用工業生產的冷軋軋硬板,成分如表1所示,經連鑄、熱軋、酸洗和冷軋后進行實驗室退火模擬。熱軋工藝為1 230 ℃板坯加熱、890 ℃終軋、580 ℃卷取后,酸洗和冷軋得到1.2 mm厚度冷軋鋼板。該試驗鋼板采用臨界區退火和淬火+低溫回火工藝得到的抗拉強度為980～1 130 MPa之間,擴孔率約為30%。

表1 試驗用鋼的主要化學成分

連續退火模擬采用Siemens VAI制造的連續退火模擬裝置,試樣尺寸為450 mm×150 mm×1.2 mm。鋼板退火工藝為:加熱速率10 K/s,加熱到840 ℃單相區保溫80 s,以3 K/s的冷卻速度冷卻到700 ℃,然后以50 K/s的平均冷速快冷到不同的溫度進行等溫淬火,等溫時間280 s,等溫結束后試樣進一步冷卻到室溫。拉伸試驗采用JIS5#板狀拉伸試樣,在Instron拉伸試驗機拉伸;擴孔試驗采用100 mm×100 mm的方形試樣,沖孔孔徑為10 mm,在MTS成形試驗機上依據GB/T 24524—2009標準進行擴孔試驗。顯微組織采用4%的硝酸酒精進行顯示。

3 試驗結果與分析

模擬850 ℃保溫以3 K/s的冷卻速度冷卻,用JmatPro計算試驗用鋼冷卻過程的相變。在保溫階段發生試驗用鋼完全奧氏體化,在680 ℃開始發生奧氏體分解,得到極少的鐵素體,在545 ℃發生貝氏體相變前,奧氏體的含量仍超過99%,表明試驗用鋼具有較高的淬透性,在冷速很低的情況下,奧氏體的分解非常緩慢直至發生貝氏體相變為止。圖2為用JmatPro計算的模擬850 ℃保溫、3 K/s冷卻到700 ℃后再以50 K/s快速冷卻的相變結果。可以看到試驗用鋼在500 ℃以下開始發生貝氏體轉變,Ms點約為390 ℃。

圖3所示為奧氏體等溫淬火溫度對試驗用鋼強度的影響。可以看到,在研究的奧氏體等溫淬火溫度區間,試驗用鋼的抗拉強度均保持了較高水平,處于980～1 100 MPa之間,屈服強度隨等溫溫度的上升呈單一的下降趨勢,抗拉強度則隨等溫溫度上升呈先下降后上升的趨勢。

圖4是等溫淬火溫度對試驗用鋼擴孔性能的影響,可以看到,擴孔率最高點在380 ℃,在380 ℃附近的等溫溫度區間,擴孔率處于較高水平。380 ℃兩側,降低等溫淬火溫度和提高等溫淬火溫度擴孔率均呈降低趨勢。 可見控制合適的等溫淬火溫度是獲得較高擴孔率的關鍵。

文獻[3]曾就高硅的TBF鋼的等溫淬火組織演變過程進行過論述,如圖5所示。當等溫淬火溫度低于Ms點時,淬火后部分奧氏體轉變成馬氏體,等溫過程中剩余奧氏體大部分轉變為貝氏體,遺留少量奧氏體到室溫以殘余奧氏體形式存在。馬氏體在等溫期間發生回火,形成回火馬氏體。當等溫溫度高于Ms點時,等溫開始時未發生馬氏體轉變,在等溫過程中奧氏體部分轉變為貝氏體,遺留的奧氏體冷卻到室溫時少量以殘余奧氏體形式存在,大部分轉變成馬氏體,這些新形成的馬氏體未經回火處理。

本文試驗用鋼硅含量較低,奧氏體等溫淬火過程中可能殘余奧氏體含量較低,X射線衍射分析得到不同等溫工藝下的殘余奧氏體含量為0.4%～3.0%。奧氏體等溫淬火過程主要相變規律可以參考圖5中相變過程進行分析。圖4中380 ℃以下等溫淬火,等溫淬火溫度低于Ms點,一方面等溫溫度越低,鋼中的馬氏體形成越多,等溫淬火過程中形成的貝氏體越少;另一方面,等溫溫度越低,馬氏體回火越不充分,硬度越高,因此導致擴孔率的下降。在390 ℃以上等溫,根據圖2所示試驗用鋼相變規律,等溫溫度處于Ms點以上,快冷階段沒有馬氏體形成,如果等溫后組織主要是貝氏體,擴孔率應該仍維持較高水平而不應發生較明顯的下降。對460 ℃奧氏體等溫淬火的組織進行觀察,并和380 ℃的等溫淬火組織進行比較,得到圖6和圖7的結果。可以看到在380 ℃等溫,鋼中的組織基本上是貝氏體組織,僅在晶界附近存在少量尺寸較小的馬氏體島;而460 ℃等溫的組織中除貝氏體外還存在較多的塊狀馬氏體。由圖7的SEM組織照片可以清晰地看出460 ℃等溫組織中的塊狀馬氏體的亞結構。

由此可見,試驗用鋼在Ms點以上較高溫度等溫淬火時,由于等溫時間所限,奧氏體沒有完全轉變為貝氏體,在后續冷卻過程中剩余的奧氏體轉變為馬氏體,由于未經回火,導致擴孔率較低,如圖4所示。Ms點以上的等溫淬火溫度越高,馬氏體越多,擴孔率就越低。

上述試驗結果分析表明,采用較高的奧氏體等溫淬火溫度可以有效提高先進高強鋼的擴孔率,但必須注意工藝的控制以獲得理想的組織,貝氏體+回火馬氏體的組織對應的擴孔率較高,在這種組織類型下,等溫溫度越高越好。但Ms點以上等溫淬火,等溫結束后,剩余的奧氏體在最終冷卻階段可能形成高硬度的馬氏體,會降低鋼的擴孔率,并且等溫溫度越高,擴孔率越低。

4 結論

(1) 將試驗用鋼在Ms點附近的溫度區間進行等溫淬火,獲得回火馬氏體+貝氏體為主的多相組織,可以得到較理想的擴孔性能。

(2) 在Ms點以下溫度區間等溫淬火,隨等溫溫度下降,試驗用鋼的擴孔率呈下降趨勢。

(3) 在Ms點以上溫度區間等溫淬火,等溫過程中奧氏體不能完全轉變為貝氏體,在后續冷卻時轉變成為較多的未回火馬氏體,擴孔率反而下降。