一種熱沖壓成形鋼的連續冷卻轉變曲線測定及其顯微組織

雷 娜, 周志超, 楊志權, 趙乃勝, 沈 潔, 王明輝

(北京首鋼股份有限公司, 遷安 064400)

熱沖壓成形鋼是一種適用于熱成形工藝生產的高強度鋼板,其熱成形前的顯微組織為鐵素體+珠光體,具有強度低、硬度低、塑性好等特點,易于切削加工和冷加工。熱沖壓過程中,鋼板在高溫下的塑性進一步增強,可有效解決冷成形過程中存在的易開裂、易回彈、難成形等問題。熱沖壓成形是一種生產高強度汽車零部件的技術,逐漸在汽車行業得到廣泛應用。某鋼廠熱軋酸洗熱成形鋼22MnB5主要應用于汽車防撞梁、車門防撞桿、扭力梁、B柱等部件中[1-2]。

鋼的過冷奧氏體連續冷卻轉變(CCT)曲線能系統反映冷卻速率對相轉變開始點、相變進行程度和相變所得產物的影響,是合理制定熱處理工藝的重要依據,也是研究固態相變理論的重要基礎[3-5]。在開發新的鋼材時,需要測定材料相應的CCT曲線。筆者以某廠生產的熱沖壓成形鋼22MnB5為對象,利用DIL805型熱膨脹相變儀測定該鋼的相變點,并結合顯微組織和硬度分析,獲得了該鋼的CCT曲線,為該鋼的后續研發和新的生產工藝制定提供數據支持。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

采用厚度為40 mm的熱成形鋼22MnB5中間坯進行試驗,在橫截面長和寬的各1/4處取樣,取樣位置參照YB/T 5127—2008 《鋼的臨界點測定 膨脹法》和YB/T 5128—2018 《鋼的連續冷卻轉變曲線圖的測定 膨脹法》,取樣方法如圖1所示,依次采用鋸床、銑床、磨床、線切割機將試樣加工成直徑為4 mm,高度為10 mm的淬火相變試樣。試驗材料的化學成分如表1所示。

圖1 取樣方法示意

表1 熱成形鋼22MnB5的化學成分 %

1.2 試驗方法

線切割后的相變試樣表面會有不同程度的氧化或油污,試驗前需要將其徹底清理干凈,防止試驗過程中發生試驗腔污染,破壞真空度,導致無法進行試驗。用砂紙輕輕打磨掉試樣表面的銹斑及油污,用超聲波清洗試樣兩遍,再用吹風機吹干試樣,使用游標卡尺分別測量試樣的初始長度和直徑;再使用點焊機將熱電偶絲焊接在試樣上,焊接熱電偶時,防止試樣焊接點氧化;熱電偶兩根絲不能互搭,防止短路。將待檢試樣放入兩個頂桿間,保證試樣與頂桿接觸良好,且在同一水平面上。連接熱電偶絲,將位移調零,然后開冷卻水,抽真空。待真空度達到一定程度后,充入惰性氣體開始試驗。

在室溫保護氣體環境下,采用DIL805型熱膨脹相變儀模擬生產過程中冷卻速率對鋼材相變和顯微組織的影響。靜態CCT曲線試驗工藝路線如圖2所示,具體為:加熱溫度為1 200 ℃,加熱速率為20 ℃/s;保溫5 min;以10個不同冷卻速率對試樣進行降溫處理,冷卻到室溫25 ℃。

采用蔡司DIM5000M型光學顯微鏡觀察不同冷卻速率下熱沖壓成形鋼的顯微組織形貌,腐蝕劑為體積分數為4%的硝酸乙醇溶液;采用全自動顯微維氏硬度計測量不同冷卻速率下熱沖壓成形鋼的硬度(HV5),加載力為5 kgf(1 kgf=9.806 65 N),保持時間為10 s,每個冷卻速率下分別測3個點,取硬度平均值。

2 試驗結果

2.1 組織轉變溫度點

22MnB5鋼的升溫膨脹曲線如圖3所示,升溫速率為20 ℃/s,相變點為切線與曲線的切點。測得22MnB5鋼加熱時的臨界點Ac1(加熱時珠光體向奧氏體轉變的溫度)為746 ℃,Ac3(加熱時轉變為奧氏體的終了溫度)為862 ℃。

圖3 22MnB5鋼的升溫膨脹曲線

2.2 顯微組織

不同冷卻速率下22MnB5鋼的顯微組織形貌如圖4所示。過冷奧氏體冷卻后轉變成不同的組織,如鐵素體(F)、鐵素體(F)+珠光體(P)、貝氏體(B)+馬氏體(M)、馬氏體(M)等[6]。由圖4可知:當冷卻速率為0.1 ℃/s時,顯微組織為粗大的F與P,先析出F;當冷卻速率為0.5 ℃/s和1 ℃/s時,顯微組織中出現了大量B,少量的F和P;當冷卻速率為3 ℃/s和5 ℃/s時,顯微組織以B為主,有極少量的P和F;當冷卻速率大于7.5 ℃/s時,有M出現;當冷卻速率大于10℃/s時,B含量減少,M含量逐漸增多;當冷卻速率大于30 ℃/s時,過冷奧氏體全部轉化為M。

圖4 不同冷卻速率下22MnB5鋼的顯微組織形貌

2.3 不同冷卻速率下的硬度

不同冷卻速率下22MnB5鋼的硬度變化為:當冷卻速率為0.5 ℃/s時,硬度變化很明顯;當冷卻速率為1～20 ℃/s時,硬度與冷卻速率正相關;當冷卻速率大于20 ℃/s時,硬度逐步趨于穩定。

當冷卻速率由0.1 ℃/s升高到0.5 ℃/s時,轉變產物F和P的含量逐漸減少,B的含量逐漸增加,對應的硬度發生較大變化;當冷卻速率為0.5～20 ℃/s時,F和P逐漸減少,主要為B和M,對應硬度顯著增大;當冷卻速率超過20 ℃/s時,主要發生M轉變,硬度基本穩定,略有增大。

3 CCT曲線的繪制及分析

采用切線法找出不同冷卻速率下膨脹曲線上的相變點,將不同冷卻速率下測得的相變點繪制在溫度-時間坐標上,再將同一種相變開始點和結束點用擬合線連接,再標出馬氏體的開始區間和結束區間,即得到該材料的CCT曲線,22MnB5鋼的CCT曲線如圖5所示[7-8]。圖5中冷卻曲線上的數字為不同冷卻速率,Ms為馬氏體轉變開始溫度,Mf為馬氏體轉變結束溫度。

由圖5可知:在不同冷卻速率下,熱沖壓成形鋼連續冷卻時,過冷奧氏體會析出F,發生P轉變、B轉變以及M轉變。當冷卻速率由0.1 ℃/s升高到0.5 ℃/s時,析出F的溫度逐漸降低,析出量也逐漸減少,同時有P轉變。冷卻速率為5～20 ℃/s時,F和P轉變量減少,B的轉變量越來越多。當冷卻速率達到7.5 ℃/s時,開始發生M轉變。

圖5 22MnB5鋼的CCT曲線

4 結論

(1) 將膨脹法與金相法和硬度法結合,得到熱沖壓成形鋼22MnB5的CCT曲線,為熱沖壓成形鋼控軋控冷工藝提供了依據。

(2) 熱沖壓成形鋼22MnB5的臨界點Ac1為746 ℃,Ac3為862 ℃。冷卻速率為0.1 ℃/s時,顯微組織為粗大的F+P;冷卻速率為0.5～5 ℃/s時,顯微組織為B+F+P;冷卻速率大于7.5 ℃/s時,顯微組織為M+B;冷卻速率大于30 ℃/s時,顯微組織全部為M。

(3) 硬度隨著冷卻速率的增大呈增大趨勢。當冷卻速率為1～20 ℃/s時,硬度隨著冷卻速率的增大明顯增大;當冷卻速率大于20 ℃/s時,硬度逐步趨于穩定。