超高強度硼鋼38MnB5的熱沖壓工藝研究

郝亮，朱國明，聞玉輝，袁靜璽，康永林, 2

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超高強度硼鋼38MnB5的熱沖壓工藝研究

郝亮1，朱國明1，聞玉輝1，袁靜璽1，康永林1, 2

(1. 北京科技大學 材料科學與工程學院，北京，100083； 2. 北京科技大學 新金屬材料國家重點實驗室，北京，100083)

利用掃描電鏡(SEM)、光學顯微鏡、萬能拉伸試驗機對2.2 mm厚的38MnB5鋼在不同加熱溫度和不同保溫時間工藝參數下，對微觀組織、原始奧氏體晶粒粒徑和力學性能進行研究，制定出最佳的熱沖壓工藝參數。研究結果表明：當保溫時間一定時，隨著加熱溫度的升高試樣抗拉強度逐漸增強，在950 ℃時達到峰值，隨著溫度繼續升高，抗拉強度降低；當加熱溫度一定時，隨著保溫時間的加長，原始奧氏體晶粒不斷長大，試樣抗拉強度隨時間增加而增加，在10 min時達到峰值，保溫時間繼續加長，抗拉強度降低；38MnB5鋼在加熱溫度為950 ℃和保溫時間為10 min的工藝參數下，得到最佳力學性能。抗拉強度達到2 061 MPa，屈服強度達到1 421 MPa，斷后伸長率為7%。

熱沖壓；38MnB5鋼；組織；力學性能

隨著經濟的快速發展，人類面臨的能源、環境等方面的危機越來越大，根據統計，以現在的開采速度，全球的石油儲量僅能滿足40年的需求[1]。而汽車燃油是能源消耗的大戶之一，而且排放也為環境治理帶來了巨大的負擔。研究表明，約75%的油耗與汽車質量有關[2]，因此，在保證汽車安全的前提下，實現汽車的輕量化是降低油耗及排放的有效途徑。熱沖壓成形部件的應用，既強化了車身，提高了安全性，又可以減輕車身質量，是同時實現車身輕量化和提高碰撞安全性的最好途徑。熱沖壓鋼已經廣泛應用于汽車的各個部件上，屈服強度達到1 200 MPa，抗拉強度達到 1 500 MPa。目前，國內外普遍采用的硼鋼為22MnB5；國內則僅有寶鋼可批量生產冷軋B1500HS和熱軋BR1500HS 2種熱沖壓用硼鋼[3-4]。文獻[5?7]主要圍繞22MnB5進行合金元素、模擬仿真分析和氫致裂紋等進行研究。然而，隨著對鋼強度的要求越來越高，更高強度等級的鋼的需求很快被提上日程。現階段研究的38MnB5鋼就是一種在沖壓后屈服強度達到了 1 400 MPa，抗拉強度更是達到了2 000 MPa的熱沖壓成形鋼[8]。熱沖壓工藝有3個環節：1) 加熱溫度和保溫時間確保均勻奧氏體化；2) 快速沖壓保證相變前完成形變；3) 快速冷卻獲得完全馬氏體轉變[9]。整個過程為??三圍熱處理(形變熱處理)[10]。本文作者針對38MnB5在不同加熱溫度和不同保溫時間下，形成的組織及組織對力學性能的影響進行試驗研究。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料為試驗室50 kg真空冶煉爐冶煉的38MnB5坯料，在兩輥可逆軋機經過7道次熱軋軋制至2.2 mm厚度，終軋表面溫度為840 ℃，放入650 ℃加熱爐中隨爐冷卻至室溫。其主要化學成分如表1 所示。

表1 38MnB5的化學成分(質量分數)

圖1所示為熱軋后隨爐冷卻狀態下38MnB5鋼原始組織金相顯微照片，其主要由鐵素體和珠光體構成，測得熱軋態下的38MnB5鋼的抗拉強度為604 MPa，屈服強度為405 MPa，斷后伸長率為24%。

1.2 實驗方法

實驗設計為在不同加熱溫度、不同保溫時間下進行水淬來探討38MnB5熱成形鋼最佳成形工藝參數，具體的熱處理工藝流程如圖2所示，加熱溫度分別為850，900，950和1 000 ℃，每組試驗的保溫時間分別為2，5，10和15 min，取出淬火。

圖1 38MnB5鋼的原始組織金相顯微照片

圖2 38MnB5鋼的熱處理工藝示意圖

從水淬后的試樣上切取金相和拉伸試樣，金相試樣在其水淬試樣1/4處切取長×寬為10 mm×10 mm的試樣，拉伸試樣切取在水淬試樣1/4處垂直于軋制方向進行取樣，其拉伸試樣尺寸如圖3所示。切好的金相試樣經過機械研磨、拋光后，采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，利用掃描電鏡(SEM)觀察其組織形貌；在MTS810電子萬能試驗機上按照標準GB/T 228.1—2010進行拉伸，拉伸速率為2 mm/s；將經過機械研磨、拋光后的金相試樣在70 ℃的飽和苦味酸中保溫90 s后，在光學顯微鏡下觀察原始奧氏體晶粒。用Image-tool軟件測量晶粒并進行統計。最后根據試驗結果得出38MnB5最佳熱沖壓工藝參數。

數據單位：mm

2 結果與分析

2.1 38MnB5淬火后微觀組織

熱沖壓過程的主要工藝參數包括：加熱溫度、保溫時間、淬火速度及保壓時間等，都對熱沖壓零件的最終質量有很大的影響[11]。在該文中，只對加熱溫度和保溫時間進行研究。加熱溫度應確保溫度在鋼板再結晶溫度以上從而實現板料的奧氏體化，溫度不宜過高或過低，加熱溫度如果過低，奧氏體化會不完全，會有部分的鐵素體和珠光體沒有轉變成奧氏體組織，導致組織不均勻，并使淬火后的馬氏體減少，影響力學性能；若加熱溫度過高，則會導致板料表面過燒和晶粒粗大進而影響淬火后鋼板的力學性能。通過NADERI等[12]的實驗證實細致光滑的晶粒也會促使馬氏體轉變升高，而粗糙的晶粒使馬氏體的轉變溫度降低，進而影響最終材料性能。將38MnB5鋼在不同奧氏體化加熱溫度下保溫5 min，淬火后的微觀組織如圖4所示。可以看出試樣在加熱溫度為850 ℃時，雖然組織為馬氏體，但馬氏體板條塊分界并不清晰，鋼板基體中應仍存在小部分殘余奧氏體組織；當溫度達到900 ℃，板料基體中的馬氏體板條開始清晰。當溫度上升到950 ℃以上時，開始出現明顯的馬氏體板條，且分界清晰。特別是在奧氏體化溫度為1 000 ℃時，馬氏體板條束呈現出明顯的長大趨勢，出現了明顯的寬化和銳化。馬氏體的板條束越寬，越容易對晶體造成割裂，從而降低材料的力學性能[13]。

此外，奧氏體化的保溫時間也是影響38MnB5鋼淬火后組織的重要因素之一。板料經過奧氏體化后，需經過一定時間的恒溫處理以保證組織的均勻性，從而獲得穩定的質量和性能。保溫時間過短，達不到恒溫均熱的效果；保溫時間過長，會導致原始奧氏體晶粒長大，從而因為遺傳作用影響淬火后的馬氏體組織，進而影響力學性能。圖5所示為38MnB5鋼在加熱溫度為950 ℃時，不同保溫時間下淬火后的微觀組織。由圖5可以看出：當保溫時間為2 min時，淬火后組織基體已成為馬氏體組織，但隨著保溫時間延長，馬氏體組織更加均勻化，而當保溫時間達到15 min時，馬氏體出現了非常明顯的長大和寬化，從而導致材料的力學性能降低。

2.2 38MnB5原始奧氏體晶粒粒徑

多晶金屬材料的強度和韌性與其晶粒粒徑有著密切的關系，并遵循Hall?Petch關系：s=0+y?1/2[14]。式中：s為屈服應力，0和y皆為常數，前者表示晶內對形變的抗力，后者表征晶界對形變的影響，隨結構而定；為晶粒平均直徑。原始奧氏體的晶粒粒徑和均勻程度決定著熱沖壓板的組織和力學性能，因此，通過實驗研究加熱溫度和保溫的時間對原始奧氏體晶粒粒徑和均勻程度的影響，再通過組織和力學性能得出最佳工藝參數。

圖4 不同奧氏體化加熱溫度下38MnB5鋼淬火后的微觀組織形貌

圖5 不同保溫時間下奧氏體化溫度950 ℃時38MnB5鋼淬火后的微觀組織形貌

圖6所示為不同加熱溫度下保溫時間為5 min時，采用晶粒邊界腐蝕法所得原始奧氏體晶界的金相顯微照片。從圖6可以看出：隨著奧氏體化溫度升高晶粒粒徑增大，奧氏體化溫度為950 ℃時相比于900 ℃時晶粒要更加均勻；當奧氏體化溫度高于950 ℃時，晶粒均勻度增加，但晶粒增大顯著。從晶粒粒徑和晶粒均勻度2個方面綜合考慮，最佳奧氏體化加熱溫度為950 ℃。

圖7所示為38MnB5鋼在奧氏體化加熱溫度為950 ℃，保溫時間分別為2，5，10和15 min時原始奧氏體的金相圖。從圖7可以看出：當保溫時間為 2 min和5 min時，雖然晶粒較小，但晶粒不均勻，其原因可能是保溫時間不足，晶粒分布不夠均勻。當保溫時間為10 min時，晶粒粒徑雖然相較于2 min和 5 min時略有增大，但是晶粒粒徑趨于穩定。當保溫時間為15 min時，由于保溫時間過長，部分晶粒再次開始長大，使原始奧氏體晶粒過于粗大且出現不均勻性。因此，可以得出：板料在保溫時間為10 min左右時，可以獲得較為理想的原始奧氏體晶粒。

圖8所示為在不同溫度不同時間下原始奧氏體晶粒粒徑。從圖8可以看出：當保溫時間一定時，原始奧氏體晶粒粒徑隨著加熱溫度的升高而增加。而且增長趨勢大體相同；當加熱溫度一定時，原始奧氏體晶粒粒徑隨著保溫時間的增加而增加；當溫度高于950℃時，原始奧氏體晶粒粒徑的增長速率明顯加快；特別是當保溫時間為15 min時，晶粒變得明顯粗大，曲線的最低值也與其他3條曲線最高值相當。溫度過高導致的晶粒粗大的微觀機理主要在于原子的擴散機制，加熱溫度越高，原子運動越劇烈，原子擴散就會越劇烈，奧氏體晶粒的長大速度就會越快。

2.3 38MnB5鋼淬火后力學性能

圖9所示為保溫時間和加熱溫度對淬火后的38MnB5鋼抗拉強度和屈服強度的影響。由圖9(a)可以看出：當保溫時間一定時，隨著奧氏體化加熱溫度的升高，淬火后材料的抗拉強度迅速升高，到達1個峰值后，隨著溫度的繼續升高，抗拉強度開始下降。這是由于隨著奧氏體化溫度的升高，材料的奧氏體化程度趨于完全，淬火后的馬氏體含量增加，導致其抗拉強度不斷升高，其最高值達到2 061 MPa，此時的奧氏體化溫度為950 ℃；當溫度為1 000 ℃時，原始奧氏體晶粒的粒徑開始迅速長大，馬氏體板條也開始粗大影響了材料的力學性能，抗拉強度開始降低。

由圖9(b)可知：當奧氏體化溫度為850，900和950 ℃時，隨著保溫時間增加，抗拉強度增大，并達到1個峰值后，抗拉強度開始降低；而當奧氏體化加熱溫度為1 000 ℃時，隨著保溫時間的增加，抗拉強度持續降低。從圖9(b)可以看出：在2 min和5 min時，由于奧氏體化的時間比較短，組織內的滲碳體還未來得及完全溶解和擴散，奧氏體兩側的碳的濃度不均勻，還需要一定的保溫時間促使碳的擴散實現奧氏體均勻化；當保溫時間達到10 min時，碳元素在奧氏體中也達到均勻化，組織完全奧氏體化，淬火后此時板料的抗拉強度達到了峰值；當保溫時間達到15 min時，由于奧氏體晶粒逐漸增大，淬火后形成的馬氏體板條粗大，因此，抗拉強度降低；當奧氏體化加熱溫度為1 000 ℃時，由于溫度過高，使晶粒迅速長大，在奧氏體均勻化還未完全時，晶粒已經迅速粗大，因此，抗拉強度呈下降趨勢。

圖6 保溫5 min時不同加熱溫度下38MnB5鋼的原始奧氏體晶界的金相顯微照片

圖7 奧氏體化溫度950 ℃時不同保溫時間下38MnB5鋼原始奧氏體晶界的顯微照片

保溫時間/min：1—2；2—5；3—10；4—15。

1—2；2—5；3—10；4—15；5—850℃；6—900℃；7—950℃；8—1 000℃。

3 結論

1) 當保溫時間一定時，隨奧氏體化加熱溫度的升高，馬氏體組織轉化完全，試樣抗拉強度在950 ℃達到峰值，之后隨加熱溫度的繼續升高，抗拉強度降低。

2) 當奧氏體化加熱溫度一定時，隨著保溫時間增長，碳的擴散更加充分，使奧氏體均勻化，淬火后得到的馬氏體組織較為均勻，但當保溫時間超過10 min時，馬氏體板塊寬化和銳化，抗拉強度降低。

3) 隨著加熱溫度的升高和保溫時間的延長都會使晶粒長大，當加熱溫度為950 ℃，保溫時間為10 min時，得到的原始奧氏體晶粒較均勻，其平均晶粒粒徑為40.9 μm。

4) 38MnB5熱成形鋼在950 ℃保溫10 min時，其伸長率和抗拉強度獲得最佳化，抗拉強度為 2 061 MPa，伸長率為7%。

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(編輯 楊幼平)

Study on hot stamping process of 38MnB5 ultra high strength boron steel

HAO Liang1, ZHU Guoming1, WEN Yuhui1, YUAN Jingxi1, KANG Yonglin1, 2

(1. School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Microstructure and prior austenite grain size of 38MnB5 hot stamping steel were observed and investigated via scanning electron microscopy (SEM) and optical microscope. Mechanical properties were obtained via universal tensile testing machine. Hot stamping steels with different heating temperature and soaking time were performed and the optimal process was confirmed. The results show that the tensile strength increases at first and then decreases with the increase of temperature, peaking at 950 ℃. The prior austenite grain grows with the increase of soaking time while tensile strength increases at first and then decreases, peaking at 10 min. The 38MnB5 hot stamping steel with the most optimal mechanical properties is obtained at the heating temperature of 950 ℃ and the soaking time of 10 min. The tensile strength is 2 061 MPa, the yield strength is 1 421 MPa and the elongation is 7%.

hot stamping; 38MnB5 steel; microstructure; mechanical property

TG115

A

1672?7207(2018)04?0817?07

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.04.007

2017?04?15；

2017?07?13

國家自然科學基金資助項目(U1460101)；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20120006120002) (Project(U1460101) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(20120006120002) supported by the Specialized Research Fund for Doctoral Program)

朱國明，博士，副教授，從事塑性加工，數值模擬仿真研究；E-mail：zhuguoming@ustb.edu.cn