奧氏體等溫淬火工藝對(duì)冷軋高強(qiáng)鋼擴(kuò)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(fā)與應(yīng)用技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(寶鋼),上海 201999)

1 概述

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

研究表明,組織類型對(duì)鋼板擴(kuò)孔率的影響最大。圖1所示為不同組織的高強(qiáng)鋼的擴(kuò)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(kuò)孔率最低,通過回火降低馬氏體硬度的TAM鋼(Trip aided annealed martensite steel)擴(kuò)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(kuò)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(kuò)孔率與回火溫度有關(guān),回火溫度越高,馬氏體硬度降低越大,擴(kuò)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(kuò)孔率的提升[1]?？梢?馬氏體較高溫度回火以及促進(jìn)組織中形成貝氏體有利于先進(jìn)高強(qiáng)鋼鋼板擴(kuò)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(duì)象,研究不同的奧氏體等溫淬火工藝對(duì)強(qiáng)度和擴(kuò)孔性能的影響,探討提高先進(jìn)高強(qiáng)鋼擴(kuò)孔性能的技術(shù)方法。

2 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方案

試驗(yàn)材料采用工業(yè)生產(chǎn)的冷軋軋硬板,成分如表1所示,經(jīng)連鑄、熱軋、酸洗和冷軋后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(yàn)鋼板采用臨界區(qū)退火和淬火+低溫回火工藝得到的抗拉強(qiáng)度為980～1 130 MPa之間,擴(kuò)孔率約為30%。

表1 試驗(yàn)用鋼的主要化學(xué)成分

連續(xù)退火模擬采用Siemens VAI制造的連續(xù)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(qū)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(jìn)行等溫淬火,等溫時(shí)間280 s,等溫結(jié)束后試樣進(jìn)一步冷卻到室溫。拉伸試驗(yàn)采用JIS5#板狀拉伸試樣,在Instron拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸;擴(kuò)孔試驗(yàn)采用100 mm×100 mm的方形試樣,沖孔孔徑為10 mm,在MTS成形試驗(yàn)機(jī)上依據(jù)GB/T 24524—2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)孔試驗(yàn)。顯微組織采用4%的硝酸酒精進(jìn)行顯示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

模擬850 ℃保溫以3 K/s的冷卻速度冷卻,用JmatPro計(jì)算試驗(yàn)用鋼冷卻過程的相變。在保溫階段發(fā)生試驗(yàn)用鋼完全奧氏體化,在680 ℃開始發(fā)生奧氏體分解,得到極少的鐵素體,在545 ℃發(fā)生貝氏體相變前,奧氏體的含量仍超過99%,表明試驗(yàn)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(fā)生貝氏體相變?yōu)橹?。圖2為用JmatPro計(jì)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(jié)果?？梢钥吹皆囼?yàn)用鋼在500 ℃以下開始發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變,Ms點(diǎn)約為390 ℃。

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

圖4是等溫淬火溫度對(duì)試驗(yàn)用鋼擴(kuò)孔性能的影響,可以看到,擴(kuò)孔率最高點(diǎn)在380 ℃,在380 ℃附近的等溫溫度區(qū)間,擴(kuò)孔率處于較高水平。380 ℃兩側(cè),降低等溫淬火溫度和提高等溫淬火溫度擴(kuò)孔率均呈降低趨勢(shì)。 可見控制合適的等溫淬火溫度是獲得較高擴(kuò)孔率的關(guān)鍵。

文獻(xiàn)[3]曾就高硅的TBF鋼的等溫淬火組織演變過程進(jìn)行過論述,如圖5所示。當(dāng)?shù)葴卮慊饻囟鹊陀贛s點(diǎn)時(shí),淬火后部分奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體,等溫過程中剩余奧氏體大部分轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w,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(fā)生回火,形成回火馬氏體。當(dāng)?shù)葴販囟雀哂贛s點(diǎn)時(shí),等溫開始時(shí)未發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變,在等溫過程中奧氏體部分轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w,遺留的奧氏體冷卻到室溫時(shí)少量以殘余奧氏體形式存在,大部分轉(zhuǎn)變成馬氏體,這些新形成的馬氏體未經(jīng)回火處理。

本文試驗(yàn)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(guī)律可以參考圖5中相變過程進(jìn)行分析。圖4中380 ℃以下等溫淬火,等溫淬火溫度低于Ms點(diǎn),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(dǎo)致擴(kuò)孔率的下降。在390 ℃以上等溫,根據(jù)圖2所示試驗(yàn)用鋼相變規(guī)律,等溫溫度處于Ms點(diǎn)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(kuò)孔率應(yīng)該仍維持較高水平而不應(yīng)發(fā)生較明顯的下降。對(duì)460 ℃奧氏體等溫淬火的組織進(jìn)行觀察,并和380 ℃的等溫淬火組織進(jìn)行比較,得到圖6和圖7的結(jié)果?？梢钥吹皆?80 ℃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(jié)構(gòu)。

由此可見,試驗(yàn)用鋼在Ms點(diǎn)以上較高溫度等溫淬火時(shí),由于等溫時(shí)間所限,奧氏體沒有完全轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w,在后續(xù)冷卻過程中剩余的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,由于未經(jīng)回火,導(dǎo)致擴(kuò)孔率較低,如圖4所示。Ms點(diǎn)以上的等溫淬火溫度越高,馬氏體越多,擴(kuò)孔率就越低。

上述試驗(yàn)結(jié)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(jìn)高強(qiáng)鋼的擴(kuò)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(duì)應(yīng)的擴(kuò)孔率較高,在這種組織類型下,等溫溫度越高越好。但Ms點(diǎn)以上等溫淬火,等溫結(jié)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(huì)降低鋼的擴(kuò)孔率,并且等溫溫度越高,擴(kuò)孔率越低。

4 結(jié)論

(1) 將試驗(yàn)用鋼在Ms點(diǎn)附近的溫度區(qū)間進(jìn)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(kuò)孔性能。

(2) 在Ms點(diǎn)以下溫度區(qū)間等溫淬火,隨等溫溫度下降,試驗(yàn)用鋼的擴(kuò)孔率呈下降趨勢(shì)。

(3) 在Ms點(diǎn)以上溫度區(qū)間等溫淬火,等溫過程中奧氏體不能完全轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w,在后續(xù)冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變成為較多的未回火馬氏體,擴(kuò)孔率反而下降。