回爐奧氏體化次數(shù)對22MnB5鋁硅鍍層鋼板組織性能的影響

鄧宗吉 周世龍 鄭笑芳 閆 偉 盧茜倩

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術中心 安徽 馬鞍山：243000)

近年來，由于氣候變暖和能源的稀缺，節(jié)能減排已成為汽車行業(yè)亟待解決的兩大核心問題[1]，汽車輕量化是節(jié)約能源、提高燃油經(jīng)濟性、減少環(huán)境污染的最基本途徑之一[2]。隨著對汽車質(zhì)量和可靠性的要求越來越嚴格，對關鍵安全部件的要求也越來越高，為了減輕重量，同時提供高碰撞安全性，高強度鋼板在汽車零部件中得到越來越多的應用，通過使用高強度鋼板可減薄許多汽車零部件和結(jié)構(gòu)件的厚度，大大減輕重量，改善環(huán)境問題和碰撞安全問題[3]。冷成形超高強鋼沖壓回彈嚴重，且難以解決[4]。熱沖壓成形技術是解決沖壓回彈問題非常有效的方法，因此熱沖壓硼鋼在高強度汽車車身部件的生產(chǎn)中越來越受到重視[5]。

目前，熱沖壓鋼零部件主要應用在乘用車A、B柱加強板、前后防撞梁、車門防撞桿等方面[6]。據(jù)統(tǒng)計，全球熱成形鋼年需求量超過400萬噸，熱沖壓成形零件年需求量約6億只，其中中國市場熱成形鋼年需求量約120萬噸，國內(nèi)熱成形產(chǎn)線已超過150條[7]，目前主要使用的是鋁硅鍍層熱沖壓鋼。在熱沖壓過程中，熱沖壓鋼需在850-950℃的爐內(nèi)進行奧氏體化3-10分鐘，然后迅速轉(zhuǎn)移到模具中同時進行成型和淬火，最終獲得拉伸強度大于1500MPa的全馬氏體組織結(jié)構(gòu)件[8]。對于鋁硅鍍層的熱沖壓鋼，在沖壓過程中往往會因為機械故障導致爐內(nèi)其余料片加熱時間過長，造成材料報廢。查閱資料，已有學者做過大量關于熱處理工藝對鋁硅鍍層熱沖壓鋼組織性能影響的研究。但是對于鋁硅鍍層熱沖壓鋼在沖壓過程中發(fā)生機械故障時，爐內(nèi)的料片迅速取出是否可回爐奧氏體化再利用還未有學者做過細致研究。因此，本文主要針對上述存在的問題，開展了回爐奧氏體化次數(shù)對22MnB5鋁硅鍍層鋼板組織性能影響的研究。

1 實驗材料和方法

試驗鋼熱處理前的初始材料通過工業(yè)線冶煉、連鑄、熱軋、酸軋、退火和熱浸鍍制造獲得，厚度為1.4mm，化學成分如表1所示。經(jīng)剪板機剪切為150mm×300mm×1.4mm的樣板，將樣板隨爐加熱至930℃保溫5min，隨后迅速將料片取出并轉(zhuǎn)移至模具中保壓淬火，然后分別以同樣的加熱工藝進行一次、兩次、三次和四次回爐奧氏體化淬火。

表1 實驗鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

從淬火后的樣板上截取10mm×15mm的金相試樣，經(jīng)研磨、拋光、硝酸酒精溶液和苦味酸溶液腐蝕后，在OM和SEM下觀察實驗鋼的顯微組織、原始奧氏體晶粒隨回爐奧氏體化次數(shù)的變化規(guī)律，在Zwick-Z100拉伸試驗機上進行拉伸實驗，分析回爐奧氏體化次數(shù)對材料力學性能的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 實驗結(jié)果

初始材料的組織如圖1(a)所示，從圖1(a)中可以看出，初始材料的組織由條帶狀珠光體和鐵素體構(gòu)成。不同次數(shù)回爐奧氏體化淬火后的組織如圖1(b)、(c)、(d)、(e)、(f)所示，從圖1中可以看出，淬火后的組織均為板條狀的馬氏體組織，經(jīng)過一次回爐奧氏體化淬火后的馬氏體組織仍較細，兩次回爐奧氏體化淬火后的馬氏體組織開始變粗，三次和四次回爐奧氏體化淬火后的馬氏體組織變得粗大。隨著回爐奧氏體化次數(shù)的增加(總加熱時間延長)，淬火后的馬氏體組織變粗，板條束變寬。

圖1 初始材料及不同次數(shù)回爐奧氏體化淬火后的組織

不同次數(shù)回爐淬火后的原始奧氏體晶粒形貌如圖2所示。采用Image-Pro Plus6.0圖像分析軟件測量了晶粒的平均尺寸，測量晶粒數(shù)量不少于1000個，從圖2中可以看出，一次回爐奧氏體化淬火后的晶粒仍較細，平均尺寸小于13μm，兩次回爐奧氏體化淬火后，奧氏體晶粒尺寸大于15μm，出現(xiàn)大晶粒，三次回爐奧氏體化淬火后，晶粒尺寸大于20μm?；貭t奧氏體化次數(shù)對奧氏體晶粒尺寸的影響如圖3所示，隨著回爐奧氏體化次數(shù)的增加，總的奧氏體化時間延長，奧氏體晶粒尺寸隨之增加，經(jīng)過三次回爐奧氏體化淬火后，隨著回爐次數(shù)的增加，晶粒長大變緩。

圖2 不同次數(shù)回爐奧氏體化淬火后的奧氏體晶粒形貌

回爐奧氏體化次數(shù)對抗拉強度的影響如圖3所示，從圖3中可以看出，經(jīng)過一次回爐奧氏體化淬火后，材料的抗拉強度略有降低，約下降5MPa左右，兩次回爐后，材料的抗拉強度出現(xiàn)相對較大的下降，經(jīng)過四次回爐奧氏體化淬火以后，材料的抗拉強度下降約40MPa左右，隨著回爐奧氏體化次數(shù)的增加(總奧氏體化時間延長)，總的抗拉強度下降不大，整體呈現(xiàn)出下降的趨勢。

圖3 回爐奧氏體化次數(shù)對奧氏體晶粒尺寸和抗拉強度的影響

2.2 結(jié)果分析

實驗鋼初始材料帶狀組織的形成是由于鋼液在鑄坯結(jié)晶過程中Mn、P等元素偏析形成化學成分不均勻分布的枝晶組織，在軋制過程中沿變形方向被拉長，形成彼此交替堆疊的C及合金元素的貧化帶和富化帶，緩冷過程中，貧化帶先柝出鐵素鐵，形成鐵素體為主的條帶，并將多余的碳排入兩側(cè)的富化帶，其后富化帶形成以珠光體為主的條帶，最終形成了鐵素體和珠光體彼此交替的帶狀組織[9]。

在本實驗鋼中，主要添加合金元素Al、Ti和B來細化晶粒和提升淬透性，Al和Ti加入形成AlN和TiN，可減少鋼中固溶N，避免形成網(wǎng)狀BN相而影響B(tài)的偏聚，減弱B的淬透性作用。有研究指出，Ti首先和N結(jié)合，生成TiN，剩余的Ti才會和C、S等元素結(jié)合[10]。本研究中，實驗鋼由工業(yè)生產(chǎn)獲得，鋼中N含量控制較低，因此N主要與Ti結(jié)合形成TiN。實驗鋼的奧氏體化溫度為930℃，根據(jù)實驗條件，選擇固溶度積公式(1)、(2)計算TiN與TiC的全固溶溫度，如下：

log{[Ti]·[N]}γ=0.32-8000/T

(1)

log{[Ti]·[C]}γ=2.75-7000/T

(2)

通過計算，得出TiN和TiC的全固溶溫度分別為1553℃、1153℃，在奧氏體化溫度為930℃時，Ti未完全固溶，Ti的碳氮析出物對奧氏體晶粒長大的阻礙作用會一直存在，因此在一定的奧氏體化時間內(nèi)仍能保證晶粒均勻細小。有研究表明，隨著保溫時間的增加，釘扎在晶界的析出物聚集長大，對晶界的釘扎作用減弱，會造成奧氏體晶粒長大[11]。本實驗鋼奧氏體化溫度較高，隨著保溫時間的延長，大顆粒析出相尺寸繼續(xù)長大，小顆粒析出相溶解，造成晶界的釘扎作用減弱，因此，奧氏體晶粒尺寸隨著保溫時間的延長而變大。

有研究表明，原始奧氏體晶粒大，材料受到外力發(fā)生塑性變形時，不利于分散在更多的晶粒內(nèi)進行，塑性變形不均勻，應力集中較大[12]。此外，馬氏體板條束寬度作為對強度起作用的組織控制單元，寬度越大，強度越低[13]。對于本實驗鋼，隨著回爐奧氏體化次數(shù)的增加，總的奧氏體化時間延長，材料的原奧氏體晶粒尺寸變大，淬火后的馬氏體組織變粗，板條束變寬。因此，材料的力學性能下降。材料經(jīng)過一次回爐奧氏體化淬火后，材料的晶粒和馬氏體組織仍較細，受到外力發(fā)生塑性變形時，受力變形均勻，因此抗拉強度下降較小。經(jīng)過兩次回爐回爐奧氏體化淬火后，材料晶粒長大，出現(xiàn)大晶粒，馬氏體組織變粗，受到外力發(fā)生塑性變形時，變形不均勻，應力集中較大，造成材料的抗拉強度出現(xiàn)相對較大的下降。

3 結(jié)論

(1)實驗表明隨著回爐奧氏體化次數(shù)的增加，總加熱時間延長，實驗鋼原始奧氏體晶粒長大，淬火后的馬氏體組織變粗，板條束變寬，抗拉強度下降。

(2)對于B-Ti成分體系的鋁硅鍍層熱沖壓鋼，生產(chǎn)過程中發(fā)生機械故障時，爐內(nèi)的料片迅速取出可進行一次回爐奧氏體化再利用，材料仍能保證良好的性能。