兩相區保溫及Q&P工藝對改善鋼組織性能的分析

陳輝，景財年，涂英明，張勇

(山東建筑大學 材料科學與工程學院，山東 濟南 250101)

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兩相區保溫及Q&P工藝對改善鋼組織性能的分析

陳輝，景財年*，涂英明，張勇

(山東建筑大學 材料科學與工程學院，山東 濟南 250101)

在普通的熱連軋設備中，簡化后的淬火—配分(Quenching & Partitioning-Q&P)工藝的應用可以獲得性能更加優異的高強度鋼，提高傳統Q&P工藝在實際生產中的可操作性以及改善熱成形鋼的力學性能。文章基于鹽浴爐模擬了一步法Q&P工藝，研究了兩相區保溫，不同配分溫度及配分時間對0.24C-0.38Si-1.27Mn熱成形鋼組織與力學性能的影響。結果表明：經溫度為770 ℃保溫時間為120 s，并在300和340 ℃分別配分10～60 s后，顯微組織主要為鐵素體、板條馬氏體及殘余奧氏體，且該熱成形鋼的最佳配分溫度和配分時間為300 ℃和60 s；而經300和340 ℃配分60 s后，斷后伸長率和強塑積均得到了大幅度的提升；強塑積與斷后伸長率之間的變化規律高度相似，斷后伸長率對于強塑積的影響比抗拉強度的影響要大，通過提高斷后伸長率來提高鋼的強塑積更加有效。

兩相區保溫；Q&P工藝；顯微組織；力學性能

0　引言

先進高強度鋼在汽車中的應用能夠大幅度提高汽車的輕量化，從而有效緩解能源、環境等危機[1-2]。其中，由淬火—配分Q&P(quenching and partitioning)工藝生產的Q&P鋼因兼具高強度和高塑性的特點得到了國內外的廣泛關注[3-5]； 該工藝由Speer于2003年提出，能夠生產一種以馬氏體+殘余奧氏體為基本組織，并具有相變誘導塑性TRIP(Transformation Induced Plasticity)效應的先進高強度鋼(即Q&P鋼)[6]；TRIP效應能夠顯著地吸收汽車受到碰撞時的沖擊能，從而提升汽車的安全等級[7]。由于馬氏體的強度很高，可在不降低甚至提高汽車安全性能的情況下，通過適當減薄汽車部件的厚度而達到輕量化的目的；因此，Q&P工藝已經成了典型的下一代汽車先進高強度鋼的生產工藝，其在汽車工業領域具有廣泛的應用前景[8-9]。

傳統的 Q&P工藝是將鋼板在奧氏體區進行全奧氏體化后進行兩步法淬火—配分[10]，其在實際生產過程中對設備具有嚴苛的要求，而當前企業的普通熱連軋設備很難滿足傳統Q&P工藝所需的條件，為了簡化傳統的Q&P工藝，文章采用一步法Q&P工藝研究了配分溫度和配分時間對熱成形鋼組織和性能的影響，以期將Q&P工藝應用于普通的熱連軋設備；另外，文章采用了兩相區加熱保溫后再進行淬火配分處理的方法，與傳統的Q&P工藝相比，加熱到兩相區后進行保溫，一方面能夠降低能量的消耗，另一方面，兩相區保溫能夠得到部分鐵素體組織，其有助于獲得性能更加優異的Q&P鋼以滿足未來汽車工業對高性能鋼板的需求。

1　試驗材料及方法

試驗采用的熱成形鋼(0.24C-0.38Si-1.27Mn)的主要化學成分見表1。采用鹽浴爐模擬的Q&P工藝如圖1所示，試驗鋼的Ac3(組織全部轉化為奧氏體的溫度)約為830 ℃，Ms(馬氏體相變開始的溫度)約為390 ℃，具體試驗步驟為：先將試樣在電阻爐中加熱到770 ℃的兩相區進行保溫，然后將1～4#試樣在300 ℃的鹽浴爐中分別配分10、20、30和60 s，將5～8#試樣在340℃的鹽浴爐中分別配分10、20、30、60 s。

將經過Q&P工藝處理后的鋼板切割后制成金相試樣，然后經粗磨、細磨和拋光后用4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，并在Nikon 3000光學顯微鏡下觀察金相組織。拉伸試樣按照ASEME8標準制備，并在WDW-100E拉伸試驗機上進行拉伸試驗，采用D8 Advanced型X射線衍射儀(XRD)測試試樣中殘余奧氏體的含量。

表1　試驗鋼主要化學成分

圖1　Q&P工藝路線圖

2　試驗結果分析

2.1組織和物相分析

圖2 為不同配分溫度和時間下的顯微組織。從圖2中可以看出，經兩相區保溫及Q&P工藝處理后，試驗鋼的組織主要由鐵素體、馬氏體以及殘余奧氏體組成，鐵素體主要以粒狀的形式存在，且分布較為均勻，馬氏體主要分布在鐵素體周圍，以板條束的形態存在，由于試驗鋼是在兩相區加熱并保溫，所以得到的馬氏體含量較低。

比較圖2中(a)、(c)和 (b)、(d)可以看出，隨著配分溫度的升高，滲碳體的析出量逐漸增多，因為滲碳體的析出與碳原子的擴散有關，而碳原子的擴散速率隨著配分溫度的上升以指數方式增加，因此配分溫度的上升以及較低的Si含量，導致滲碳體的含量隨配分溫度的上升而增大。另外,比較圖2中(a)、(b)和(c)、(d)可以發現，隨著配分時間的增大，組織晶粒逐漸增大，鐵素體和馬氏體相界面處的殘余奧氏體逐漸減少，其主要原因是當試驗采用的熱成形鋼中抑制和延遲滲碳體析出的Si含量較低，僅為0.38%，導致滲碳體隨配分時間的增加而大量析出，消耗了用來穩定奧氏體的碳元素，降低了奧氏體的穩定性，當淬火至室溫時，部分奧氏體再次轉換為二次馬氏體，導致殘余奧氏體含量降低[11-12]。

圖2　不同配分溫度和時間下的顯微組織圖(a)300 ℃配分10 s ；(b)300 ℃配分60 s；(c)340 ℃配分10 s；(d)340 ℃配分60 s

2.2抗拉強度分析

不同配分溫度和時間下抗拉強度的變化規律如圖3所示。從圖3中可以看出，當配分溫度為300 ℃時，試驗鋼的抗拉強度隨配分時間的增加呈逐漸減小的趨勢，當配分時間為10 s時抗拉強度最大，為506.9 MPa，其原因與馬氏體中的碳含量隨配分時間的增加而降低有關，Q&P工藝的碳配分是一個過飽和馬氏體中的碳原子逐漸脫溶，并擴散到奧氏體中的過程，因此，隨著配分時間的增加，馬氏體中的碳含量就會逐漸降低，馬氏體發生脫碳軟化的現象，從而使抗拉強度降低[13-14]。

當配分溫度為340 ℃時，隨著配分時間的增加，抗拉強度先上升后下降，在配分時間為20 s時抗拉強度最大，達到503.11 MPa，抗拉強度呈現出這種變化規律主要有以下兩個方面的原因：(1)每個碳配分溫度都對應著最佳的配分時間，時間過長或過短都會對鋼的力學性能產生不利影響，因為在淬火溫度一定的情況下，最佳的配分時間能夠得到最大含量的殘余奧氏體，殘余奧氏體會在拉伸過程中產生TRIP效應而轉變為誘導馬氏體，誘導馬氏體是由碳含量很高的殘余奧氏體轉變而來，其強度很高，能在一定程度上提高鋼的抗拉強度，當在340 ℃配分20 s時抗拉強度最高，說明該配分溫度下的最佳配分時間為20 s，從而得到了更多的誘導馬氏體，提高了抗拉強度[15]；(2)隨著配分時間的增加，馬氏體中會析出碳化物，盡管在試驗采用的熱成形鋼中含有抑制碳化物析出的Si元素，但由于其含量較低，僅為0.38%，無法長時間有效地抑制碳化物的析出，導致馬氏體的碳含量降低，從而馬氏體的強度降低[16-17]。因此，當配分時間低于20 s時，抗拉強度的上升說明馬氏體因碳含量降低而導致的抗拉強度的減小值小于因誘導馬氏體導致的抗拉強度的增大值，即誘導馬氏體導致的抗拉強度的增大起主導作用，當配分時間大于20 s時，則恰好相反，即馬氏體因碳含量降低而導致抗拉強度的減小其主導作用，從而使試驗鋼的抗拉強度逐漸減小。

圖3　不同配分溫度和時間下的抗拉強度圖

2.3斷后伸長率分析

圖4為不同配分溫度和時間下斷后伸長率的變化曲線。從圖4中可以看出，當配分時間為300 ℃時，試驗鋼的斷后伸長率隨配分時間的增加逐漸增大，當配分時間為60 s時，斷后伸長率得到最大值37.95%，呈現出這種變化規律的原因主要與配分過程中馬氏體中碳含量不斷降低，使馬氏體被回火以及殘余奧氏體含量的變化有關，(1) 隨著配分時間的增加，馬氏體中碳含量會逐漸擴散到殘余奧氏體中，但鑒于試驗的熱成形鋼中Si含量較低，無法長時間有效地抑制和延遲滲碳體的析出，因此，隨著配分時間的增加，碳更多地會以滲碳體的形式析出，從而導致馬氏體中碳含量降低，斷后伸長率增加[18]；(2) 盡管殘余奧氏體含量會因為過長的配分時間而分解，導致斷后伸長率降低[19]。但由于XRD的分析結果表明文中試驗鋼中殘余奧氏體含量最大為5%，因此，部分殘余奧氏體分解帶來的斷后伸長率的降低值要遠低于馬氏體被回火軟化而導致的斷后伸長率的升高值，最終使300 ℃配分時試驗鋼的斷后伸長率曲線呈現出逐漸上升的變化趨勢。

當配分溫度為340 ℃時，從圖4中可以看出，試驗鋼的斷后伸長率先上升后下降，在配分時間為30 s時，斷后伸長率得到最大值36.2%，呈現出這種變化規律的原因不僅與配分過程中馬氏體中碳含量不斷降低使馬氏體被回火以及殘余奧氏體含量的變化有關，還與過高的配分溫度及過長的配分時間導致滲碳體大量析出并聚集長大有關，雖然馬氏體的回火軟化能夠提高斷后伸長率，但由于滲碳體是一種脆性相，其聚集長大會顯著惡化試驗鋼的力學性能；因此，當配分時間大于30 s時，試驗鋼的斷后伸長率呈現出逐漸下降的變化趨勢。

圖4　不同配分溫度和時間下的斷后伸長率圖

2.4強塑積分析

強塑積即抗拉強度與斷后伸長率的乘積，它是一個衡量材料成形性能和綜合力學性能的指標，試驗中不同配分溫度及時間下的強塑積變化曲線如圖5所示。從圖4和圖5中可以看出，強塑積的變化與斷后伸長率的變化規律相似，當配分溫度為300 ℃時，試驗鋼的強塑積隨配分時間的增加呈增大趨勢，當配分溫度為340 ℃時，強塑積隨配分時間的增加先增大后減?。粡娝芊e的變化主要由抗拉強度和力學性能兩個因素決定，在保證抗拉強度和斷后伸長率均符合對材料力學性能要求指標的情況下，強塑積越高說明材料的成形性能以及綜合性能越好。文章實驗當配分溫度為300 ℃，配分時間為60 s時，強塑積得到了最大值18.6 GPa·%，這說明該熱成形鋼的最佳配分溫度和配分時間為300 ℃和60 s，同時，該強塑積比熱成形鋼直接淬火的強塑積(一般在15 GPa·%以下[20])高了大約3600 MPa·%，因此，實驗采用的一步法Q&P工藝能夠顯著改善試驗鋼的成形性能和綜合力學性能。

圖5　不同配分溫度及時間下的強塑積圖

另外，不僅強塑積的變化規律與斷后伸長率的變化規律相似，在其他的研究中也有這種現象出現[14, 20-21]，可以看出，斷后伸長率對于強塑積的影響往往要大于抗拉強度的影響，因此，在抗拉強度滿足要求的情況下，斷后伸長率的提高更有助于獲得高的強塑積，從而改善熱成形鋼的成形性以及塑性。

3　結論

通過上述研究可知：

(1) 從不同溫度和時間下顯微組織的變化可知，經770 ℃保溫120 s，并在300、340 ℃分別配分10～60 s后獲得的組織主要為鐵素體、板條馬氏體以及殘余奧氏體，該熱成形鋼的最佳配分溫度和配分時間為300 ℃和60 s。

(2) 經兩相區保溫，并在300和340 ℃配分60 s后，試驗鋼的斷后伸長率和強塑積相比于熱成形鋼直接淬火的斷后伸長率和強塑積均得到了大幅度的提高，分別達到了37.95%、18.6 GPa·%和36.2%、17.7 GPa·%，因此，兩相區保溫及一步Q&P工藝能夠有效提高熱成形鋼的塑性及成形性。

(3) 強塑積與斷后伸長率兩者的變化規律具有高度的相似性，即斷后伸長率對于強塑積的影響要大于抗拉強度的影響，因此，通過提高斷后伸長率來提高鋼的強塑積會更加有效。

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(學科責編：吳芹)

Analysis of intercritical heat preservation and Q&P process of improvement of microstructure and properties

Chen Hui, Jing Cainian*, Tu Yingming,etal.

(School of Material Science and Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

The paper provides an important theoretical and guidance significance for the application of simplify quenching and partitioning (Q&P) process in hot continuous rolling equipment, which has contributed to obtain the high strength steel with more excellent performance. In order to improve the maneuverability of the traditional Q&P process in practical production and improve the mechanical properties of hot stamping steel, a hot stamping steel (0.24C-0.38Si-1.27Mn) was treatment by salt bath furnace to simulate the one-step Q&P process, and then the effects of intercritical heat preservation, partitioning temperature and partitioning time on the microstructure and mechanical properties of the hot stamping steel were studied. The results show that the main microstructure is ferrite, martensite and retained austenite when the hot stamping steel was heated preservation at 770 ℃for 120s, and partitioning10s-60s at 300℃ and 340℃, respectively, the optimum partitioning temperature and partitioning time of the hot stamping steel are 300℃ and 60s; the elongation, the product of strength and elongation have been greatly improved at 300℃ and 340℃ partitioning 60s, respectively; the highly similar change regulation between the product of strength and elongation and the elongation show that the effect of elongation on the product of strength and elongation is greater than the tensile strength.

intercritical heat preservation; quenching and partitioning process; microstructure; mechanical properties

2016-06-03

山東省科技發展計劃項目 (2013GGX10306)

陳輝(1990-), 男, 在讀碩士, 主要從事汽車鋼板的成形與熱處理等方面的研究. Email: chsdjzu@sina.com.

*：景財年(1973-), 男, 教授, 博士, 主要從事汽車高強度鋼等方面的研究. Email: jcn55@163.com.

1673-7644(2016)03-0244-05

TU996

A