Q&P工藝在冷軋中錳鋼中的應用

代樂樂，江海濤，尹鴻祥，劉再旺

(1.首鋼技術研究院，北京 100043；2.北京科技大學 冶金工程研究院，北京 100083)

Q&P工藝在冷軋中錳鋼中的應用

代樂樂1，江海濤2，尹鴻祥2，劉再旺1

(1.首鋼技術研究院，北京 100043；2.北京科技大學 冶金工程研究院，北京 100083)

摘要：利用熱膨脹儀、SEM和TEM等設備和技術，對經過不同Q&P工藝處理的低碳高硅中錳鋼(w(Mn)=7.6%)的組織和性能進行研究。結果表明，與在奧氏體化相區退火(800 ℃)的Q&P工藝相比，在兩相區退火(630～660 ℃)的Q&P工藝能夠獲得更好的組織和力學性能；當退火溫度為640 ℃時，能夠獲得最佳的延伸率和強塑積，強塑積最高可達到40 GPa%。奧氏體化相區退火后的組織主要是馬氏體和殘余奧氏體，兩相區退火后的組織主要是鐵素體和殘余奧氏體，室溫下存在的亞穩態奧氏體所產生的TRIP效應能夠有效提高材料的塑性。

關鍵詞：Q&P工藝；中錳鋼；TRIP效應；殘余奧氏體

近年來，全球經濟的發展速度越來越快，作為汽車用鋼不僅要有相應的強度，而且滿足汽車板輕量化的要求[1-4]。Q&P工藝，即淬火配分工藝，是近幾年提出的一種先進的熱處理工藝，其方式為先加熱到一定的溫度，再進行淬火，從而形成一定量的馬氏體；然后加熱到大約三四百度的溫度，保溫一定時間使得碳原子能夠從馬氏體中擴散至奧氏體，從而提高奧氏體的穩定性，最終冷卻至室溫，獲得亞穩定的殘余奧氏體以及馬氏體組織[5-7]。馬氏體能夠提供較高的強度，奧氏體能夠提供較高的塑性，因此，Q&P工藝能夠滿足汽車工業對于輕量化的要求。

1試驗材料及試驗方法

試驗用鋼使用25 kg真空感應爐冶煉，鍛造后在冒口取樣進行化學成分測試，測得的化學成分見表1。鍛造后取樣并在DIL-805熱膨脹儀上進行Ac1和Ac3相變點以及靜態連續冷卻轉變圖的測試。試樣按照200 ℃/h的速度由室溫升至1 000 ℃，根據溫度—膨脹量曲線做切線確定Ac1和Ac3相變點，再將試樣加熱至1 000 ℃，以0.5～50 ℃/s的不同冷速冷卻至室溫，根據不同冷速的溫度—膨脹量曲線確定不同冷速條件下的相變點，最終將其繪制成靜態連續冷卻轉變圖。鋼錠經過熱軋和冷軋后進行模擬Q&P工藝，使用CCT-AY-Ⅱ型板帶退火模擬實驗機。利用高氯酸-酒精的混合溶液電解拋光后，在ZEISS ULTRA55場發射掃描電鏡(SEM)下觀察微觀組織。試樣經電火花切割成厚度為0.3 mm，隨后機械減薄至0.05 mm，然后進行雙噴處理，所制試樣采用TEM-2000FX型電鏡進行觀察。

表1　試驗用鋼的化學成分(質量分數)　(%)

2試驗結果與分析

2.1繪制靜態連續冷卻轉變圖以及測試相變點

靜態連續冷卻轉變圖如圖1所示，熱處理曲線如圖2所示。首先，將試樣加熱到1 000 ℃進行完全奧氏體化，然后，按照不同的冷卻速率(50、30、15、8、5、3、2、1和0.5 ℃/s)進行冷卻。根據試驗結果發現，不同冷速冷卻后均未發現馬氏體相變以外的其他相變，并且測得Ms點為220 ℃，與普通的低碳鋼相比馬氏體轉變溫度較低。本文試驗鋼中加入了較多的錳元素，而錳元素是擴大奧氏體相區的元素，有助于提高奧氏體的穩定性[8]；因此，使奧氏體向鐵素體和貝氏體等組織轉變的孕育期大大增加，從而在上述幾種不同冷速下均未出現馬氏體相變以外的其他相變。另外，測得Ac1和Ac3相變點為595和752 ℃，同樣由于大量的錳元素擴大了奧氏體相區，導致Ac1和Ac3相變點相比于普通低碳鋼更低。

圖1　靜態連續冷卻轉變圖

圖2　熱處理曲線

2.2熱軋板組織

熱軋工藝如下：1 200 ℃完全奧氏體化1 h后開軋，粗軋開軋溫度為1 150 ℃，粗軋終軋溫度為1 050 ℃，精軋開軋溫度為1 000 ℃，精軋終軋溫度800 ℃。軋后組織如圖3所示，從圖3a可以發現很多類似馬氏體板條的組織，從圖3b可以清晰地發現板條狀的馬氏體組織，板條的寬度大約為100～200 nm。由于熱軋板組織含有大量的馬氏體，因此冷軋之前需要進行兩相區退火，退火溫度為680 ℃。退火后進行冷軋，壓下量為50%。

圖3　軋后組織

2.3不同Q&P工藝對比

經過冷軋后，對冷軋板進行不同退火溫度的Q&P工藝處理，退火溫度分別為800、660、650、640和630 ℃，退火時間為5 min，淬火溫度為100 ℃，配分溫度為450 ℃，配分時間為3 min，配分完畢后水淬至室溫。不同退火溫度的Q&P工藝曲線如圖4所示。

圖4　不同退火溫度的Q&P工藝曲線

不同溫度熱處理后試樣的力學性能如圖5所示。由圖5a可以發現，屈服強度隨溫度升高先上升再下降，640 ℃時屈服強度達到峰值；由圖5b可以發現，抗拉強度隨溫度升高也呈現出先升高再下降的趨勢，660 ℃時達到了峰值；由圖5c可以發現，延伸率隨溫度升高也呈現出先上升再下降的趨勢，640 ℃時達到了峰值；由圖5d可以發現，強塑積隨溫度變化的規律和延伸率的規律一致，也在640 ℃時達到了峰值。因此，可以根據性能結果判定640 ℃為最佳的退火溫度。當退火溫度升高至800 ℃時，力學性能出現了明顯的下降，強度和延伸率均大幅下降。由于800 ℃是完全奧氏體化溫度，而630～660 ℃的溫度處于兩相區溫度范圍，在此溫度區間保溫可以獲得一定量的鐵素體，同時有助于提高所生成的奧氏體中的碳含量，使得奧氏體更加穩定[9]，并且能夠在室溫下存在。室溫下的亞穩態殘余奧氏體在發生塑性變形的過程中會產生TRIP效應，而TRIP效應能夠有效優化材料的力學性能[10]。

圖5　不同溫度熱處理后試樣的力學性能

不同溫度Q&P工藝處理后SEM微觀組織如圖6所示，可以發現800 ℃時照片中存在明顯的板條狀馬氏體，而凹陷下去的組織多為殘余奧氏體組織。從630～660 ℃的照片中可以發現一些凸出和凹下的組織，凸出的組織為鐵素體組織，晶粒尺寸為1～2 μm，凹下組織為殘余奧氏體組織。從微觀組織照片可以發現，兩相區退火后得到的殘余奧氏體數量較多于奧氏體相區退火后，這可能是由于800 ℃奧氏體相區保溫時所生成的奧氏體碳含量偏低造成的。眾所周知，奧氏體的穩定性與其中的碳含量密切相關，當碳含量偏低時，則其穩定性也較低，難以保存至室溫條件下。

圖6　不同溫度Q&P工藝處理后SEM微觀組織

3結語

綜上所述，可以得出以下結論。

1)對于中錳鋼而言，奧氏體相區保溫的Q&P工藝與兩相區保溫的Q&P工藝相比，后者具有更好的組織性能。

2)Q&P工藝的退火溫度由630 ℃升高到800 ℃的過程中，其屈服強度、延伸率和強塑積呈現出先升高再降低的規律，并且在640 ℃時達到了峰值。

參考文獻

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責任編輯鄭練

The Application of Q&P Process in Cold-rolled Medium Manganese Steel

DAI Lele1, JIANG Haitao2, YIN Hongxiang2, LIU Zaiwang1

(1.Shougang Research Institute of Technology, Beijing 100043, China;

2.Engineering Research Institute of USTB, Beijing 100083, China)

Abstract：Microstructure and performance of cold-rolled low carbon medium manganese steel plate with different Q&P process are studied by means of SEM, TEM, etc. The results show that comparing with the Q&P process(800 ℃) of austenitic phase annealing, the Q&P process(630～660 ℃) with intercritical annealing is better for steel microstructure and performance. The elongation will be best when the Q&P process with annealing temperature of 640 ℃. The steel microstructure will be martensite and retained austenite which is treated by austenitic phase annealing. However, after intercritical annealing, the major microstructure will be ferrite and retained austenite. The retained austenite which is existed in room temperature can effectively improve the plasticity by TRIP effect.

Key words:Q&P process, medium manganese steel, TRIP effect, retained austenite

收稿日期：2015-02-09

作者簡介：代樂樂(1987-)，男，工程師，主要從事汽車板及專用板的研發與應用等方面的研究。

中圖分類號：TG 142.1

文獻標志碼:B