汽車用22MnB5與26MnB5鋼組織性能對比研究

鐘國江

（威海機(jī)械工程高級技工學(xué)校，威海 264500）

當(dāng)今，汽車生產(chǎn)朝著安全、輕量化方向發(fā)展。要想達(dá)成上述目標(biāo)，關(guān)鍵是對汽車材料做輕量化處理，并保證其具備理想強(qiáng)度。現(xiàn)階段，制作汽車板的鋼材料主要有22MnB5和26MnB5兩種。因此，對兩者性能進(jìn)行研究，判斷更符合行業(yè)發(fā)展趨勢的材料，具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用材料為某大學(xué)聯(lián)合企業(yè)共同開發(fā)所得，具體成分如表1所示。

表1 材料化學(xué)成分

2 研究方法

首先，研究人員計(jì)劃借助熱膨脹相變儀，分別測定不同材料的CCT曲線，明確冷卻速率給組織轉(zhuǎn)變造成的影響。其次，利用顯微鏡仔細(xì)觀察顯微組織外部形貌，使用4%濃度的HN03與酒精所配制溶液，對顯微組織做輕微腐蝕處理。最后，由研究人員利用顯微硬度計(jì)對材料顯微硬度進(jìn)行測試。測試過程中，硬度計(jì)載荷始終保持在0.98 N，這樣可最大程度提高對比精確度，賦予其更理想的實(shí)際意義[1]。

3 對比分析

3.1 顯微硬度

圖1是處于不同冷卻速率下，材料顯微硬度所出現(xiàn)的變化。通過圖1和所做試驗(yàn)可知，22MnB5、26MnB5顯微硬度與冷卻速率呈正相關(guān)。若冷卻速率達(dá)到10 ℃·s-1，材料硬度將得到大幅提升。出現(xiàn)該情況，主要是加入了B元素，賦予了材料極高的淬透性，降低了獲得馬氏體組織難度。22MnB5硬度較26MnB5略低，是兩者含碳量的差異決定的。含碳量與馬氏體淬硬性的關(guān)聯(lián)極為密切，除特殊情況外，中低碳鋼馬氏體所表現(xiàn)出的硬度與強(qiáng)度均會(huì)隨著含碳量的增加而提升[2]。

圖1 冷卻速率與顯微硬度關(guān)系

3.2 顯微組織

將冷卻速率調(diào)整至0.1 ℃·s-1，材料顯微組織均為帶狀珠光體、帶狀鐵素體，分布方向和軋制方向重合。這是因?yàn)椴牧虾剂刻幱?.2～0.3，為高含碳量汽車鋼種。將其置于緩慢冷卻環(huán)境下，碳原子將得到充分而均勻的擴(kuò)散。此外，還要考慮到材料屬于熱軋鋼，特點(diǎn)是奧氏體結(jié)晶不完全，有纖維組織遺傳存在。而鐵素體的作用主要是分割?yuàn)W氏體，形成大量帶狀?yuàn)W氏體。

研究表明，帶狀組織極易被冷卻速率影響。如果冷卻速率慢，被充分析出的鐵素體將使帶狀組原有級別加重。26MnB5含碳量較22MnB5略高，前者的卷取溫度和終軋溫度均較后者高。可見，前者必將具有更明顯的帶狀組織。參考研究所得理論數(shù)據(jù)，可得出以下結(jié)論：材料性能及組織均由終軋溫度所決定，若終軋溫度勻速降低，將帶來鐵素體細(xì)化的連鎖反應(yīng)。

現(xiàn)階段，可用來表示兩者關(guān)系的公式為：

式中：δd代表奧氏體相對晶粒度；d代表鐵素體晶粒平均直徑；S代表帶間距。晶粒度分為1級～8級，其中1級～3級是粗晶粒，4級～6級是中晶粒，7級和8級是細(xì)晶粒。若晶粒度未達(dá)到4級且終軋溫度較低，則帶狀減輕明顯；如果晶粒度超過4級且終軋溫度偏高，通常有減輕帶狀的反應(yīng)。本次試驗(yàn)將終軋厚度控制在3 mm左右，晶粒尺寸約為25 μm。另外，帶間距取12.5 μm。通過計(jì)算可知，晶粒度未達(dá)到4級，表明22MnB5有較低的終軋溫度，可使帶狀組織得到顯著減輕。研究人員考慮到卷取溫度給帶狀組織所帶來的影響極小，低溫卷取的作用更傾向于保證冷卻速率，故決定利用低溫卷取溫度[3]。

將冷卻速率調(diào)整至0.5 ℃·s-1，22MnB5顯微組織以珠光體、鐵素體為主，26MnB5還含有一定量的貝氏體。冷卻速率越接近1 ℃·s-1，貝氏體含量越多。當(dāng)冷卻速率達(dá)到3 ℃·s-1后，材料顯微組織僅保留貝氏體。此后，馬氏體逐漸形成。除特殊情況外，22MnB5所含有馬氏體均少于26MnB5，因?yàn)楹笳吆剂枯^高，CCT曲線更靠近右側(cè)，不僅珠光體、鐵素體的轉(zhuǎn)變受到抑制，冷卻速率也出現(xiàn)明顯降低。26MnB5獲得貝氏體和馬氏體的速度，通常較22MnB5 更快[4]。

3.3 CCT曲線

通過試驗(yàn)可知，無論是22MnB5還是26MnB5，相變區(qū)均可拆分為以下部分。首先，低溫轉(zhuǎn)變區(qū)。在冷卻速率未達(dá)到20 ℃·s-1時(shí)，馬氏體為相變主要產(chǎn)物。其次，中溫轉(zhuǎn)變區(qū)。在冷卻速率未達(dá)到5 ℃·s-1時(shí)，貝氏體為相變主要產(chǎn)物。最后，高溫轉(zhuǎn)變區(qū)。在冷卻速率未達(dá)到1 ℃·s-1時(shí)，珠光體、鐵素體為相變主要產(chǎn)物。可以推斷，處于冷卻速率較低環(huán)境中的顯微組織，存在形式以珠光體、鐵素體較為常見。如果提高冷卻速率，材料珠光體便會(huì)被貝氏體替代。本次試驗(yàn)所研究材料均含有一定量B元素，隨著B原子的偏聚，晶界能量大幅降低，可被用來對珠光體、鐵素體進(jìn)行共析的形核被抑制，出現(xiàn)貝氏體組織。將冷卻速率提升至30 ℃·s-1以上，研究人員可獲得單一馬氏體，表明22MnB5和26MnB5均有良好的淬透性。

關(guān)于轉(zhuǎn)變溫度的上限，兩者存在明顯差異，因?yàn)樵黾犹荚睾浚墒关愂象w的轉(zhuǎn)變速度減緩，而提升冷卻速率所帶來影響，主要是使碳元素具有推遲作用，在珠光體、鐵素體還有貝氏體上逐漸顯露出來。研究人員將冷速調(diào)整至0.1 ℃·s-1，22MnB5含有鐵素體對應(yīng)轉(zhuǎn)變溫度較26MnB5略高，溫度差約為20 ℃。如果將冷速調(diào)整為1 ℃·s-1，可使鐵素體發(fā)生轉(zhuǎn)變的初始溫度下降30 ℃。上述情況出現(xiàn)的原因，主要是奧氏體內(nèi)兩相區(qū)的碳被再次分配，其穩(wěn)定性也將隨著含碳量的提升而變得更強(qiáng)[5]。

4 結(jié)語

22MnB5和26MnB5的性能差異，可被歸納為3個(gè)方面，分別是顯微硬度、顯微組織與CCT曲線。兩者存在明顯差異的原因，主要是含碳量不同。現(xiàn)階段，更符合汽車行業(yè)生產(chǎn)需求的材料為26MnB5鋼。因?yàn)樵摬牧暇哂懈叩挠捕群蛷?qiáng)度，有助于輕量化發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。