水淬入口溫度對冷軋馬氏體鋼組織性能的影響

孫榮生 ，王植 ，王靜 ，劉軍友 ，金曉龍 ，蔡順達 ，劉仁東

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧 鞍山 114021；3.鞍鋼股份有限公司系統創新部，遼寧 鞍山 114021）

近年來，隨著汽車輕量化和新能源汽車的高速發展，先進高強鋼產品在汽車行業中的應用顯著增加。冷軋馬氏體鋼作為超高強鋼的典型代表，強度級別可達到1 500 MPa級，是目前強度最高的冷成型先進高強鋼。冷軋馬氏體鋼可通過輥壓成形生產形狀簡單的零件，主要用于車門防撞桿等零件，用來代替管狀零件，以降低制造成本［1-3］。冷軋馬氏體鋼（Martensite Steel）主要是通過高溫奧氏體組織快速淬火轉變為板條馬氏體組織，淬火馬氏體組織需進行回火處理以改善其塑性，使其在如此高的強度下，仍具有一定的成形性能［4-5］。本文以C-Mn-Si系冷軋超高強馬氏體鋼為研究對象，研究水淬入口溫度對馬氏體鋼微觀組織及力學性能的影響。由于C-Mn-Si系冷軋馬氏體鋼的成分特點，退火工藝中的水淬入口溫度對其性能及組織的影響極為重要，直接影響馬氏體的生成量，最終決定馬氏體鋼的力學性能。通過對不同水淬入口溫度條件下組織性能及力學性能分析，為工業化生產提供數據支撐。

1 試驗材料及工藝路線

試驗用鋼采用工業生產的冷軋軋硬鋼板，具體生產工藝路線如下：鐵水預處理→轉爐冶煉→精煉→連鑄→熱連軋機組→層流冷卻→冷連軋機組→連續退火機組。試驗鋼化學成分如表1所示。試驗用帶鋼取經酸洗、冷軋得到的1.2 mm厚熱軋鋼板進行模擬退火試驗。

表1 試驗鋼化學成分（質量分數）Table 1 Chemical Compositions in Test Strip（Mass Fraction） %

試驗鋼退火工藝如圖 1 所示，1#、2#、3#試樣均加熱到Ac3以上完全奧氏體化，經緩冷之后淬火至室溫，1#試樣水淬入口溫度為650℃,2#試樣水淬入口溫度為700℃，3#試樣水淬入口溫度為750℃，之后進行回火并保溫，最后冷卻到室溫。

圖1 試驗鋼退火工藝Fig.1 Annealing Process for Test Strip

2 結果與討論

2.1 水淬入口溫度對試驗用鋼力學性能的影響

利用上述化學成分的試驗鋼冷硬板進行退火工藝模擬，冷硬板厚度為1.2 mm，不同水淬入口溫度試驗鋼力學性能如圖2所示。1#試驗鋼橫向抗拉強度大于1 100 MPa，屈服強度大于900 MPa，延伸率大于11%；2#試驗鋼橫向抗拉強度大于1 300 MPa，屈服強度大于1 100 MPa，延伸率大于8%；3#試驗鋼橫向抗拉強度大于1 500 MPa，屈服強度大于1 200 MPa，延伸率大于7%。從中可以看出，隨著水淬入口溫度的升高，屈服強度及抗拉強度增加，延伸率降低，這是因為隨著水淬入口溫度的升高，影響基板內馬氏體組織的生成量導致。

圖2 不同水淬入口溫度試驗鋼力學性能Fig.2 Mechanical Properties of Test Strip under Different Temperatures for Water Quenching

2.2 工業產品微觀組織結構觀察

通過光學電鏡、掃描電鏡及透射電鏡對試驗鋼進行金相組織觀察，不同水淬入口溫度試驗鋼微觀組織見圖3。由圖3可見，水淬入口溫度為650℃的試驗鋼微觀組織為塊狀鐵素體+馬氏體，通過透射電鏡觀察發現，馬氏體基體中均出現碳化物析出；水淬入口溫度為700℃的試驗鋼微觀結構與水淬入口溫度為650℃的試驗鋼相似，但為塊狀鐵素體+板條馬氏體的雙相組織，且鐵素體比例較水淬入口溫度為650℃的少，同時通過透射電鏡觀察發現，板條馬氏體基體中均出現碳化物析出；水淬入口溫度為750℃的試驗鋼微觀結構均為板條馬氏體組織，且邊緣變得模糊，同時在馬氏體基體上析出大量的薄片狀或薄膜狀碳化物。這也是強度隨著水淬入口溫度增加而變高的原因。

圖3 不同水淬入口溫度試驗鋼微觀組織Fig.3 Microstructures of Test Strip under Different Temperatures for Water Quenching

2.3 斷口形貌分析

利用掃描電鏡觀察樣品拉伸試樣斷口，不同水淬入口溫度試驗鋼斷口形貌見圖4。從圖中可以看出，水淬入口溫度在650℃及700℃的試驗鋼韌窩大小差別不大，均表現韌窩數量較多，且均勻分布。水淬入口溫度為750℃時，韌窩體積偏大數量偏少，且分布不均勻。雖然隨著水淬入口溫度升高，塑性變差，強度更高，但斷裂均為韌性斷裂。

圖4 不同水淬入口溫度試驗鋼斷口形貌Fig.4 Fracture Appearances of Test Strip under Different Temperatures for Water Quenching

3 結論

（1）水淬入口溫度直接影響成品帶鋼的組織及馬氏體生成量，經750℃淬火可得到組織為全馬氏體的單相組織，經700℃淬火可得到組織為馬氏體+鐵素體的雙相組織，經650℃淬火可得到組織為馬氏體+鐵素體的雙相組織，且鐵素體組織較多。

（2）不同水淬入口溫度下成品組織中的馬氏體含量直接決定成品帶鋼的力學性能，隨著水淬入口溫度的升高，屈服強度、抗拉強度均呈上升趨勢，延伸率呈下降趨勢，全馬氏體組織帶鋼強度可達1 500 MPa以上。

（3）利用掃描電鏡觀察拉伸試樣斷口形貌可以看出，不同水淬入口溫度下試驗鋼均為韌性斷裂，只是韌窩大小略有差別。