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热冲压用钢22MnB5 回火组织与性能分析

2020-02-27 08:42:07 来源: 河北冶金
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导读: 汽车轻量化是目前汽车行业的重点课题之一,超高强度钢的使用能够有效的减轻车身重量。以唐钢生产的热冲用钢 22MnB5 为研究对象,研究了回火热处理工艺对其微观组织和力学性能的影响。结果表明: 回火处理能够有效地降低 22MnB5 淬火处理后的内应力,防止脆性失效,低温回火能够有效地提高材料的综合性能。
文:武冠华   李建英   马光宗       孙宏亮   (  华北理工大学材料科学与工程学院    河钢集团唐钢公司 技术中心)

    0 引言

随着能源、环境问题逐步被重视,节能、环保成为各个领域发展创新首要考虑的问题。提高钢材强度能够有效地减少材料用量,节约能源和原材料,因此高强度钢材的应用比例进一步加大。汽车上应用高强钢,可以在保证安全性的前提下有效地减轻车身重量,降低车辆百公里燃油消耗,对节能环保事业具有很强地推动作用。

1 为某车型侧门防撞梁的示意图,车门采用防撞梁加强,既可在发生正碰时有效的传递撞击能量,也可在发生侧碰时吸收侧向撞击能量,从而加强车身的安全性。目前应用的汽车侧门防撞梁分为管件和冲压件两种( 图 1 所示为管件) ,抗拉强度均高于 1 500 MPa。由于随着钢强度的提高其冷成型难度逐步增大,因此目前的侧门防撞梁多使用热冲压钢制作,此类钢热轧态的抗拉强度一般在 700 MPa 以下,淬火后强度可提升至 1 500 MPa 以上,再通过回火手段进一步改善材料的综合力学性能。本文

参考当前侧门防撞杆制作时的热处理工艺,以应用较为广泛的 2. 0 mm 厚度规格为研究对象,研究了回火温度对唐钢热冲压用钢 22MnB5 性能和显微组织的影响。


    1 试验材料与方法

       试验样板的合金成分为( wt% ) : 0. 24 C,0. 21Si,1. 5 Mn,0. 45 Cr,0. 047 Ti,0. 003 5 B。由唐钢薄板坯热轧 1810 生产线生产。工艺流程: 铁水预处理→转炉→LF 精炼→连铸→热轧→平整。

根据公式:Ac3 = 955 - 350C - 25Mn + 51Si + 106Nb + 100Ti+ 68Al - 11Cr - 33Ni - 16Cu + 67Mo式中,Ac3 为亚共析钢中铁素体向奥氏体开始转变的温度,计算出本实验采用样板的 Ac3 点为 844 ℃。为保证材料淬火后能够得到均匀的全马氏体组织,本试验制定的淬火工艺: 加热温度 900 ℃,保温时间 6 min,对淬火试样分别以 150 ℃、200 ℃、250 ℃、300℃、400 ℃、550 ℃的温度回火 40 min。

淬火、回火试验均使用 SRJK - 8 - 13 型箱式电阻炉进行加热,淬火介质为浓度 10% 的盐水,回火后空冷至室温。热处理试验完成后,切取一小段制成金相试样,剩下部分在 CMT -4105 型屏显示液压万能试验机上进行物理性能测定,每组试验留出试样进行 90°冷弯试验。金相试样使用 4% 硝酸酒精溶液腐蚀出试样微观组织,在金相显微镜下进行微观组织观察和采集。

2 试验结果与分析

2. 1 热轧、淬火态组织性能分析

2 为本次试验钢的原始( 热轧态) 组织。低倍图( 图 2a) 中可以看出,材料是有两相组织构成,具有明显的带状组织特征。从 500 倍放大金相图 ( 图 2b) 中观测可见,材料由珠光体和铁素体构成,组织分布均匀,珠光体中片层明显。热轧态的力学性能 平 均 值: 抗 拉 强 度 671 MPa,屈 服 强 度 490MPa,延伸率 29% 。

3 为淬火态试样的微观组织。淬火后力学性能平均值: 抗拉强度 1 791 MPa,延伸率 10. 5% 。淬火过程: 加热到 900 ℃,保温 6 min 后,垂直插入浓度 10% 的盐水淬火。从图 3a 中可以看出,淬火后基体基本为全部马氏体组织,可见清晰的板条束及少量的片状马氏体结构,其中白色块状区域经分析为马氏体和极少量残余奥氏体。图 3b 为淬火试样表面的组织形貌,可见试样在加热及淬火冷却过程中表面存在氧化脱碳。有文献对该现象进行了研究,结果表明淬火钢件由于氧化脱碳的影响,其微观组织发生变化,形成由表至里铁素体 - 铁素体马氏体混合组织 - 全马氏体组成的多层金属复合材料。该类微观结构有助于降低结构的峰值冲击力,同时,较平缓的冲击力水平及材料的逐层失效可以使结构保持较高的吸能能力,适合用于承受冲击吸能构件的选材。

2. 2 回火试验结果与分析

4 为不同回火温度得到的显微组织。对比可见,回火温度越高碳化物析出越多。150 ℃ ( 图 4a) 条件下回火后仍可看到清晰的马氏体组织,在原奥氏体晶界处能看到明显的碳化物析出; 250 ℃ ( 图4b) 回火后在原奥氏体晶界和马氏体晶界处均有大量粒状碳化物析出,淬火态的马氏体组织已不清晰; 400 ℃( 图 4c) 条件下回火后已经难以观察到马氏体组织,整个基体弥散的布满粒状的碳化物,组织为回火屈式体; 550 ℃( 图 4d) 回火后已经可以观测到类似铁素体的组织,并可以看到粒状碳化物较 400℃回火时有明显的长大,组织为回火索氏体。

  5 为回火温度与抗拉强度及延伸率之间的关 提高回火温度将使试样的抗拉强度降低,尤其在温系,通过 Origin 数据处理软件自动生成。曲线显示 度 150 ~250 ℃和大于 300 ℃时,强度随回火温度的降低趋势更加明显; 试样的延伸率随回火温度的升 随温度升高延伸率快速下降,并在 250 ~300 ℃达到高呈先升后降再升高的趋势,在 150 ℃ 达到峰值后 最低点,300 ℃后随温度的升高延伸率逐步提高。

5 中 0 ℃为淬火试样的性能,通过延伸率可见低温回火通过消除内应力对淬火后试样的塑性起到了很好的改善作用,但是回火温度在 200 ~350 ℃ 之间,延伸率明显降低,且低于淬火试样的延伸率,表明试验钢在 250 ~ 300 ℃ 之间会出现明显的回火脆性。

本试验对热处理后试样的 90 ℃ 冷弯性能进行了测试,结果为: 淬火试样均出现了不同程度的裂纹或断裂,淬火 - 回火试样均未出现裂纹。试验结果表明回火可以有效地消除淬火试样的内应力,降低材料因内应力导致的脆性,防止脆性失效。2. 3 讨论

试验钢中存在的硼元素能起到固溶强化效果,并且奥氏体化过程中,固溶的硼在奥氏体晶界的偏聚能够增强材料的淬透性,使其在淬火时能够获得均匀、完全的马氏体组织,从而使材料获得更高的强度7,8]。有研究表明冷却速度会影响硼相的析出,当冷却速度低于 20 ℃ /s 时,硼元素会沿晶界连续析出,降低材料淬火后的性能9]。所以本试验使用盐水淬火,加速淬火过程中试样表面蒸汽膜的破裂速度,进一步增加淬火冷速,以保证消除该类影响。有研究表明,奥氏体化过程中硼的偏聚需要一定的时间9],因此本试验在淬火前加热保温时间取 6 min,适量的硼在晶界处的偏聚会提高淬透性并起到固溶强化的作用。

6 为热处理试样的强塑积对比图。其中 0 ℃ 为淬火试样的强塑积,强塑积是表征材料强韧性水平的综合性能指标,是钢的抗拉强度与总伸长率的乘积,其数值近似地等于拉伸曲线所包围的面积,表示了钢在拉伸试验过程中所吸收的能量或外力拉断试样时所作的功。由图 6 可见,150 ℃ 回火后试样的强塑积与回火前相比提升明显,可见经回火之后虽然试样的强度有所下降,但在碰撞中能够吸收更多的能量; 但在 250 ~ 300 ℃ 之间,因产生了回火脆性而导致了综合性能的下降。冷弯试验也表明了回火的必要性: 回火可以有效地减少因残余应力产生的脆性,防止在碰撞过程中材料因脆性而导致的断裂失效,能够更有效的保障车内人员的安全。

3 结论

回火能够有效地消除热冲压用钢因淬火产生的残余应力,降低淬火材料因内应力导致的脆性。随回火温度的升高,试验钢由回火马氏体组织逐渐演变为回火索氏体组织; 同时,抗拉强度下降,塑性和韧性提高,在 250 ~300 ℃回火时出现回火脆性。对于本试验钢,150 ℃ 低温回火能够显著提升淬火材料的综合性能。

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