退火工藝對超高強淬火配分鋼力學性能的影響

王植 ，劉軍友 ，孫榮生 ，李毅

（1.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧 鞍山114021；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；3.鞍鋼神鋼冷軋高強汽車鋼鋼板有限公司，遼寧 鞍山114021）

淬火配分（QP）鋼由Speer在2003年提出，屬于第三代汽車用先進高強鋼，是一種具有相變誘導塑性、高強度與高塑性等特點的馬氏體鋼，其顯微組織由馬氏體與10%～20%的殘余奧氏體組成。在塑性變形過程中，殘余奧氏體在應力作用下發生馬氏體相變。隨著國家環保政策要求越來越嚴格，汽車工業尤其是新能源汽車對汽車車身減重方面的需求變得尤為迫切，QP鋼在強度提高的同時，具有較好的相變誘導塑性也成為汽車工業減重的一個優先選擇[1-3]。

淬火配分鋼受到各大鋼廠和研究機構的廣泛關注，人們對此進行了大量的相關研究。淬火配分鋼的生產關鍵在軋后的熱處理工藝，不同于常規連續退火的工藝，其在加熱再結晶和相變快速淬火冷卻后還需要再加熱，從而完成配分的過程。不同的工藝參數對鋼的性能起到關鍵性的作用，所以對軋后熱處理工藝的模擬研究尤為重要［4-10］。

1 試驗材料和熱模擬方法

試驗材料為1.2 mm的冷硬鋼板，其化學成分見表1。

表1 試驗材料的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical Compositions of Experimental Materials（Mass Fraction） %

在熱鍍鋅模擬器上進行了四組不同工藝參數的連退模擬試驗。主要變化參數包括加熱溫度T1、緩冷溫度T2、淬火溫度T3以及配分溫度T4，退火曲線示意圖見圖1，熱模擬試驗參數見表2。

圖1 退火曲線示意圖Fig.1 Schematic Diagram for Annealing Curves

表2 熱模擬試驗參數Table 2 Experimental Parameters for Thermal Simulation Test ℃

選取典型工藝試驗獲得的樣品使用金相顯微鏡觀察金相組織，分別采用金相顯微鏡、透射電鏡及掃描電鏡對相結構及拉伸試樣的斷口結構進行觀察。

2 試驗結果與分析

2.1 溫度對力學性能的影響

2.1.1 加熱溫度對力學性能的影響

對于普通冷軋后的帶鋼加熱目的是實現再結晶，而對于QP鋼還要實現奧氏體化。加熱溫度對力學性能的影響如圖2所示，隨著加熱溫度的升高，QP 鋼的屈服強度（Ys）和抗拉強度（Ts）都在升高，斷后伸長率（E）在760℃達到最大，然后隨著退火溫度的升高開始下降。

在850℃以下，QP鋼沒有完全奧氏體化，隨著溫度的升高，奧氏體的含量不斷增加，在淬火的過程中產生的馬氏體和殘余奧氏體尤其是馬氏體含量增加，屈服強度和抗拉強度不斷升高。760℃較720℃的再結晶晶粒更大，所以可以獲得較高的塑性。

圖2 加熱溫度對力學性能的影響Fig.2 Effect of Heating Temperature on Mechanical Properties

2.1.2 緩冷溫度對力學性能的影響

一般的連續退火線都有緩冷段，QP鋼在這段部分奧氏體轉化為鐵素體。選取520℃，550℃和700℃三個溫度進行模擬試驗，緩冷溫度對力學性能的影響如圖3所示，從圖中可以看出屈服強度和抗拉強度變化不大，斷后伸長率隨著溫度的降低有上升的趨勢。這主要是由于緩冷溫度越低，由奧氏體轉變的鐵素體晶粒會更大。

2.1.3 淬火溫度對力學性能的影響

根據馬氏體相變點計算公式：

其中，Ms為馬氏體相變點溫度，℃；w（C）、w（Mn）、w（Si）分別為碳、錳、硅的質量分數。

馬氏體相變溫度在310℃左右，所以試驗選取了190℃，220℃和250℃三個淬火溫度。淬火溫度對力學性能的影響見圖4。從圖4可以看出，QP鋼在190℃淬火時屈服強度和抗拉強度最高，220℃淬火時屈服強度和抗拉強度有所下降，而在250℃退火時屈服強度和抗拉強度又有所升高，但斷后伸長率隨著溫度降低，越來越差。

在淬火過程中，奧氏體向馬氏體轉變，溫度越低，轉化率越高，在190℃淬火時，馬氏體量最多，所以強度高、塑性差。220℃淬火鋼較250℃淬火鋼強度低，基體中雖然馬氏體更多，但是在250℃淬火，碳和合金擴散到殘余奧氏體中，對強度的貢獻更大，所以強度更高。

圖3 緩冷溫度對力學性能的影響Fig.3 Effect of Slow Cooling Temperature on Mechanical Properties

圖4 淬火溫度對力學性能的影響Fig.4 Effect of Quenching Temperature on Mechanical Properties

2.1.4 配分溫度對力學性能的影響

配分過程主要是將碳從過飽和馬氏體配分到殘余奧氏體中去，使馬氏體貧碳軟化，使殘余奧氏體富碳而更多地存在于室溫，更多的殘余奧氏體可以帶來更大的相變誘導塑性效應，從而使QP鋼具備優異的力學性能。

熱模擬試驗分別在340℃，370℃和400℃對樣品進行了配分。配分溫度對力學性能的影響如圖5所示。隨著配分溫度的升高，帶鋼的屈服強度和抗拉強度都有所降低，但抗拉強度都在1 460 MPa以上，斷后伸長率提高較明顯。更高的溫度使碳的擴散具備了更大的動力，可以根據設計要求，選擇合適的溫度，來獲得合適的強度和塑性。

圖5 配分溫度對力學性能的影響Fig.5 Effect of Quenching Temperature on Mechanical Properties

綜上，選擇加熱溫度800℃，緩冷溫度550℃，淬火溫度190℃，配分溫度400℃為最優的退火工藝參數，可以獲得抗拉強度大于1 500 MPa，斷后伸長率大于8%的超級鋼性能。

2.2 微觀檢測分析

2.2.1 金相組織

為了確定加熱后奧氏體化的程度，利用金相顯微鏡觀察了不同加熱溫度退火后鋼板的金相組織。通過觀察可以看出，隨著加熱溫度的提高，組織中的鐵素體含量降低。選取典型的加熱溫度720℃、760℃和850℃的QP鋼樣品金相組織見圖6。

圖7示出了不同緩冷溫度QP鋼樣品的金相組織。從圖中可以看出，緩冷溫度降低，鐵素體晶粒粗大；組織觀察結果表明，其與力學性能指標具有良好的對應關系，較大的鐵素體晶粒會帶來更好的塑性。

不同淬火溫度QP鋼樣品金相組織如圖8所示，從金相照片可以看出，馬氏體含量的不同，越低的淬火溫度，馬氏體含量越高。對于不同配分溫度樣品也進行了觀察，由于是碳原子的擴散，金相照片無明顯變化。

圖6 不同加熱溫度QP鋼樣品的金相組織Fig.6 Metallographic Structures of QP Steel Samples with Different Heating Temperatures

圖7 不同緩冷溫度QP鋼樣品的金相組織Fig.7 Metallographic Structures of QP Steel Samples with Different Slow Cooling Temperatures

圖8 不同淬火溫度鋼樣品的金相組織Fig.8 Metallographic Structures of QP Steel Samples with Different Quenching Temperatures

2.2.2 精細結構

選取最優退火工藝下QP鋼樣品，利用透射電鏡對微觀結構進行了觀察，如圖9所示。從圖中可以明顯的看到鐵素體（白色部分），馬氏體（灰色部分）和奧氏體（黑色部分）同時存在。馬氏體提供了強度，鐵素體提供了塑性，殘余奧氏體提供了應變誘導塑性效應。通過測量，殘余奧氏體的含量可以達到11.6%。

2.2.3 拉伸試樣斷口形貌

選取最優退火工藝下樣品拉伸試樣斷口，利用掃描電鏡進行觀察，如圖10所示。從圖中可以看出，韌窩均勻廣泛分布，說明雖然QP鋼強度高，但斷裂仍為韌性斷裂，該QP鋼具有良好的塑性，可以進行輥壓等加工，形成汽車用零部件，實現汽車的減重目的。

圖9 典型QP鋼樣品的精細結構Fig.9 Fine Structures of Typical QP Steel Samples

圖10 典型QP鋼拉伸試樣斷口照片Fig.10 Fracture Photographs of Typical QP Steel Tensile Samples

3 結論

（1）對于冷軋態QP鋼，高的加熱溫度淬火后可獲得更多的馬氏體和殘余奧氏體。

（2）緩冷溫度主要影響鐵素體晶粒的尺寸，緩冷溫度越低，晶粒尺寸越大。

（3）190℃淬火樣品的抗拉強度可達1 500 MPa以上，但較高的淬火溫度可以獲得更好的塑性。

（4）配分溫度越高，碳的擴散越充分，強度更低，塑性更好。

（5）加熱溫度800℃，緩冷溫度550℃，淬火溫度190℃，配分溫度400℃為最優的退火工藝參數，可以獲得抗拉強度大于1 500 MPa，斷后伸長率大于8%的超級鋼性能,殘奧含量可以達到11.6%以上，拉伸樣品為韌性斷裂，可以滿足用戶輥壓成型要求。