加熱溫度對(duì)22MnB5微觀組織和奧氏體晶粒的影響

侯紅苗，盈 亮，吳秀峰，王玉山，趙立信，胡 平

（1.大連理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250022；3.合肥鍛壓集團(tuán)，安徽 合肥 230601；4.吉林偉孚特輕量化股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

1 前言

隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，全球生產(chǎn)的鍛壓件中有超過(guò)一半都用在汽車(chē)行業(yè)[1]。而伴隨節(jié)能、安全、環(huán)保等汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)，將沖壓和鍛造兩技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物——熱沖壓便應(yīng)運(yùn)而生。

高強(qiáng)度鋼板熱成形技術(shù)是同時(shí)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)車(chē)體輕量化和提高碰撞安全性的新技術(shù)[2]，將高強(qiáng)度硼鋼加熱得到均勻的奧氏體組織，隨后轉(zhuǎn)移到帶有冷卻系統(tǒng)的模具中成形淬火，使其組織充分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，從而獲得高強(qiáng)度高硬度的成形件，保證車(chē)身安全性的同時(shí)減輕了重量。

熱成形技術(shù)工藝參數(shù)多，為了實(shí)現(xiàn)奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，確保產(chǎn)品的力學(xué)性能，不同環(huán)節(jié)工藝參數(shù)的選擇至關(guān)重要。加熱階段的主要工藝參數(shù)是加熱溫度和保溫時(shí)間。加熱溫度應(yīng)該保持在再結(jié)晶溫度以上，確保板料奧氏體化。但是加熱溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致板料表面過(guò)燒和晶粒長(zhǎng)大，影響淬火后的產(chǎn)品質(zhì)量和性能。Sha和Sun研究了Nb-V-Ti微合金鋼奧氏體晶粒的長(zhǎng)大行為，發(fā)現(xiàn)奧氏體晶粒隨著加熱溫度的升高增大[3]。Fernández等人發(fā)現(xiàn)16MnNi4 HSLA鋼加熱1200℃保溫5～30min或加熱1150℃保溫60min，奧氏體晶粒會(huì)迅速長(zhǎng)大[4]。

本文通過(guò)研究不同加熱溫度對(duì)22MnB5微觀組織及奧氏體晶粒的影響，采用了氧化法和晶粒邊界腐蝕法顯示奧氏體晶界，同時(shí)測(cè)定了板料的抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)，從而確定最佳的加熱溫度，優(yōu)化加熱階段工藝參數(shù)，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用鋼板為2mm厚22MnB5冷軋鋼板，其化學(xué)成分如表1。圖2為22MnB5鋼原始組織，主要由鐵素體和珠光體構(gòu)成，抗拉強(qiáng)度約為500MPa，顯微硬度約為145HV。

表1 22MnB5鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

將板料分別加熱至 860℃、880℃、900℃、920℃、950℃，保溫3min充分奧氏體化后放入水中淬火至室溫。切取小試件制成金相試樣，使用4%硝酸酒精溶液腐蝕出試樣微觀組織，在LWD200-4CS型光學(xué)顯微鏡下觀察微觀組織。分別采用氧化法和晶粒邊界腐蝕法，顯示奧氏體晶界。熱處理工藝為：將試件預(yù)拋磨一面，使拋磨面朝上置于加熱爐中，在900±10℃溫度下加熱并保溫1h后水淬，氧化法使用15%鹽酸酒精溶液腐蝕，晶粒邊界腐蝕法使用飽和苦味酸水溶液加適量洗滌劑在熱水浴中侵蝕試件，顯現(xiàn)出奧氏體晶界，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T6394-2002運(yùn)用面積法測(cè)定晶粒尺寸。將試件切割成拉伸試件，在WDW3100型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單項(xiàng)拉伸試驗(yàn)，測(cè)試板料的抗拉強(qiáng)度。

圖1 22MnB5鋼原始組織

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 加熱溫度對(duì)板料微觀組織的影響

圖2 不同加熱溫度保溫3min板料微觀組織

圖2為不同加熱溫度下保溫3min的板料金相組織。由圖可知，獲得的微觀組織為板條狀馬氏體，隨著加熱溫度的升高，馬氏體板條束呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。在860℃和880℃時(shí)（圖2a，b），馬氏體板條束分布不均勻，且仍有部分鐵素體（亮白色）組織的存在，鐵素體組織強(qiáng)度較低，影響板料性能。從圖2c可以看出，900℃時(shí)馬氏體板條束有小幅度增大，分布較為均勻。溫度高于900℃（圖2d，e）后，馬氏體板條明顯增大。馬氏體板條束寬度影響板料強(qiáng)度，板條束寬度越寬，強(qiáng)度就會(huì)越低[5]，因此，馬氏體板條不宜過(guò)大，可認(rèn)為900℃為較佳的加熱溫度。

3.2 加熱溫度對(duì)板料奧氏體晶粒大小的影響。

表2為實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)，由表格所得加熱溫度與晶粒尺寸及抗拉強(qiáng)度曲線圖分別如圖3、圖5所示。

表2 加熱溫度與抗拉強(qiáng)度、晶粒尺寸測(cè)量值

圖3 氧化法與晶粒邊界腐蝕法測(cè)得晶粒尺寸對(duì)比

圖3為使用氧化法和晶粒邊界腐蝕法測(cè)得的晶粒尺寸對(duì)比。由圖可知，加熱溫度升高，奧氏體晶粒尺寸隨之增大。當(dāng)加熱溫度為860℃和880℃時(shí)，晶粒尺寸較小，且變化幅度不是很大，由金相圖可知，860℃和880℃微觀組織中存在少量未溶解的鐵素體，鐵素體會(huì)阻礙奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，使得晶粒尺寸較小[6]。溫度升高至900℃，晶粒尺寸明顯增大，此時(shí)晶粒尺寸也分布較為均勻，見(jiàn)圖4。溫度繼續(xù)升高，晶粒分布趨于均勻，尺寸亦隨溫度增大。氧化法測(cè)得的晶粒尺寸較晶粒邊界腐蝕法結(jié)果偏小，是因?yàn)槭褂醚趸〞?huì)在試樣表層奧氏體晶界處形成氧化物網(wǎng)絡(luò)，阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大[7]，所以顯示出的晶粒尺寸要比內(nèi)層的偏細(xì)。

圖5 加熱溫度對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

3.3 加熱溫度對(duì)板料抗拉強(qiáng)度的影響

圖5為22MnB5在不同加熱溫度下，抗拉強(qiáng)度隨溫度變化的曲線。從圖中可以看出，隨著加熱溫度的增加，板料抗拉強(qiáng)度在900℃時(shí)出現(xiàn)最大值，溫度繼續(xù)增加，抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。對(duì)900℃加熱溫度下的試件進(jìn)行硬度測(cè)量，其硬度值約為550HV，說(shuō)明板料在加熱溫度為900℃時(shí)，表現(xiàn)出的力學(xué)性能較佳。

4 結(jié)論

（1）加熱溫度為900℃，保溫時(shí)間為3min時(shí)，獲得板料的微觀組織為板條馬氏體，且分布均勻，板條束寬度適宜。

（2）加熱溫度為900℃，保溫時(shí)間為3min，板料奧氏體晶粒分布較為均勻，并且氧化法比晶粒邊界腐蝕法顯示22MnB5奧氏體晶粒尺寸偏細(xì)。

（3）加熱溫度為900℃，保溫3min，板料抗拉強(qiáng)度最大，硬度值也較高，板料力學(xué)性能最佳。

綜上所述，可認(rèn)為在熱成形加熱階段加熱溫度900℃，保溫3min，板料綜合性能最佳。

[1]Yu Xiaohong.China Metal Forming Equipment and Manufacturing Technology（鍛壓裝備與制造技術(shù)）[J]，2011，46（5）：14.

[2]Ma Ning，Hu Ping，Guo Wei.Manufacture Technology and Material（制造技術(shù)與材料）[J]，2009，45（5）：28.

[3]Q.Y.Sha，Z.Q.Sun.Material Science and Engineering A（材料科學(xué)與工程）[J]，2009，523：84.

[4]J.Fernández，S.Illescas，J.M.Guilemany.Material Letters（材料快報(bào)）[J]，2007，61：2392.

[5]Wang Chunfang，Wang Maoqiu，Shi Jie，et al.Electron Backscattered Diffraction Technology and Application（電子背散射衍射技術(shù)及應(yīng)用）[C]，Beijing，2007.

[6]Wang Chuanya.Steel and Temperature Treatment（Theory and Technology）（鋼的亞溫處理原理和工藝）[M]，Beijing：China Railway Press，2003.

[7]Zhang Wei.Material&Heat Treatment（材料熱處理技術(shù)）[J]，2010，39（22）：67.