汽車用低合金鋼的索氏體化與組織性能研究

萬雯

（上海城建職業學院，上海 201415）

引言

為了滿足現代化汽車用鋼高強度和高塑性的要求，從而實現整體結構輕量化以及節能減排等，采用微合金化、熱處理和加工變形等方法成為了開發兼具更高強度和良好塑性的新型汽車用鋼的重要手段[1]。雖然Nb、V和Ti等微量元素在鋼鐵制品中可以起到改善強塑性等一系列積極作用，但是價格較為昂貴，生產成本較高，無法滿足量大面廣的低成本汽車用鋼的生產要求[2]；淬火、回火和正火等熱處理工藝能夠對低碳鋼或者合金鋼的微觀組織與性能進行調控，但是不適于在高碳鋼中應用[3]；加工變形的方法雖然能夠很大程度上提高高碳鋼的強度和硬度，但是塑性會有較大幅度犧牲[4]。將中碳鋼或高碳鋼奧氏體化后進行中溫熱處理以獲得具有超細片層結構的索氏體組織的索氏體化工藝有望在新型高強塑汽車用鋼的開發中應用，然而，目前這方面的工作還主要集中在彈簧鋼、鋼簾線等領域，且對于添加了Cu等微量元素的中高碳鋼的索氏體化工藝的研究較少[5]，索氏體化工藝參數和微量元素對中碳低合金鋼微觀組織與力學性能的影響規律也不清楚。本文通過添加微量Cu的方法開發出新型中碳低合金汽車用鋼，并考察了等溫溫度和等溫保溫時間對其微觀組織與力學性能的影響，結果有助于為更高強度和塑性的汽車用鋼的開發提供技術支撐。

1 試驗材料與方法

采用某公司生產的高強汽車用中碳低合金鋼為試驗原料，化學成分采用電感耦合等離子發射光譜法測得主要元素含量（質量分數，%）為0.57C、0.23Si、0.44Mn、0.03Cr、1.23Cu，余量為Fe。試驗用鋼的熔煉在150 kg真空感應熔煉爐中進行，澆鑄成120 mm× 120 mm ×280 mm鑄坯后進行鍛造和多道次熱軋，最終成品為2 mm厚熱軋板。

采用DIL 803型熱膨脹儀測得試驗用鋼的Ac1和Ac3分別為710 ℃和765 ℃，因此，選取奧氏體化溫度為875 ℃以確保試驗用鋼能夠完全奧氏體化。采用SIROLL cisPL型強力冷卻系統對熱軋薄板進行等溫淬火處理，將120 mm×300 mm試樣以8 ℃/s速度升溫至875 ℃并保溫10 min后，分別以48 ℃/s速度冷卻至等溫溫度400~600 ℃，等溫處理時間介于100~3 000 s，等溫結束后以18 ℃/s速度冷卻至室溫。

線切割塊狀試樣并進行鑲嵌、機械打磨、拋光和4 %硝酸酒精溶液腐蝕后，依次采用清水和酒精沖洗，在JSM-7200F型場發射掃描電鏡上觀察顯微組織；透射電鏡試樣切割成1 mm薄片后手工打磨至70 μm左右，采用專業穿孔機截取Φ3 mm圓片后進行電解雙噴減薄，在JEOL-2010型透射電鏡上觀察微觀組織；硬度測試采用MH-3型數顯硬度計進行，載荷500 g，保載時間5 s；拉伸試樣加工成圖1所示尺寸，根據國標GB/T 228-2010標準進行室溫拉伸試驗，設備為MCM-440型電子萬能拉伸機，拉伸速率為1.5 mm/min，每組拉伸試樣取3根并以平均值為測試結果。

圖1 拉伸試樣尺寸

2 結果與分析

圖2為試驗用鋼400 ℃等溫熱處理后的掃描電鏡顯微形貌，等溫保溫時間為100~3 000 s。當等溫保溫時間為100 s和300 s時，試驗用鋼的組織為片層狀珠光體（P）+馬氏體（M）；當延長保溫時間至1 000 s和3 000 s時，試樣用鋼中的馬氏體基本消失，組織為不規則形態的索氏體?？梢姡?00 ℃等溫熱處理保溫時間在1 000 s及以上時過冷奧氏體可以全部轉變為索氏體。

圖2 試驗用鋼400 ℃等溫熱處理后的SEM形貌

圖3~6分別為試驗用鋼在450 ℃、500 ℃、550 ℃和600 ℃等溫熱處理后的掃描電鏡顯微形貌，等溫保溫時間為100~3 000 s?？梢?，在450 ℃及以上等溫等溫處理，即使等溫保溫時間很短（100 s），試驗用鋼中也不會出現馬氏體；450~600 ℃等溫保溫100 s以上，試驗用鋼的組織都為單一珠光體，而未見馬氏體組織存在，只是不同等溫熱處理制度下的索氏體和滲碳體形態和尺寸存在一定差異，如等溫溫度500 ℃及以上時，試樣用鋼中的滲碳體才轉變為規則片層狀，且隨著等溫保溫時間延長有逐漸球化特征。

圖3 試驗用鋼450 ℃等溫熱處理后的SEM形貌

圖4 試驗用鋼500 ℃等溫熱處理后的SEM形貌

圖5 試驗用鋼550 ℃等溫熱處理后的SEM形貌

圖6 試驗用鋼600 ℃等溫熱處理后的SEM形貌

對圖3~6的等溫溫度450~600 ℃、等溫處理時間100~3 000 s的試驗用鋼中的滲碳體和珠光體特征參數進行統計分析[6]，圖7為試驗用鋼的滲碳體片層厚度和索氏體片層間距與等溫熱處理參數的對應關系曲線，其中，等溫溫度為400 ℃時試驗用鋼中的珠光體和滲碳體形態不規則而未作統計。從等溫溫度/等溫時間與滲碳體片層厚度的關系曲線可知，如圖7（a），隨著等溫保溫時間延長或者等溫溫度升高，試驗用鋼的滲碳體片層厚度呈現逐漸增加的趨勢，等溫溫度為500 ℃和550 ℃時的滲碳體片層厚度與等溫保溫時間曲線較為相似，而等溫溫度為600 ℃時試驗用鋼中滲碳體片層厚度明顯增加。從等溫溫度/等溫時間與索氏體片層間距的關系曲線可知，如圖7（b），等溫保持時間為100 s時，450、500、550和600 ℃時索氏體片層間距分別為78 nm、99 nm、102 nm和195 nm，且隨著等溫保溫時間延長或者等溫溫度升高，試驗用鋼的索氏體片層間距有逐漸增加的特征；此外，當等溫溫度為450~550 ℃時，試驗用鋼中索氏體片層間距和滲碳體厚度在等溫時間達到300 s后不會隨著等溫時間繼續延長而明顯改變，但是等溫溫度600 ℃時的索氏體片層間距和滲碳體厚度卻仍然為明顯增加，且索氏體片層間距增加幅度要小于滲碳體厚度，這也就表明索氏體片層間距的增加與滲碳體厚度增大有關。

圖7 試驗用鋼的滲碳體片層厚度和珠光體片層厚度、等溫熱處理參數的對應關系

圖8為試驗用鋼的顯微硬度與等溫熱處理參數的對應關系曲線，其中，等溫溫度400~600 ℃、等溫處理時間100~3 000 s。當等溫溫度為400 ℃時，隨著等溫時間從100 s增加至3 000 s，試驗用鋼的硬度呈現先快速降低而后增加的特征，其中，等溫保溫時間在100 s和300 s時的硬度明顯較大，這主要與此時的顯微組織中含有高硬度的馬氏體有關[7]，而當等溫保溫時間延長至1 000 s及以上時，試驗用鋼的顯微組織為硬度較低的索氏體；在等溫溫度為450 ℃時，試驗用鋼的顯微硬度隨著等溫時間延長而逐漸增加；在等溫溫度為500 ℃和550 ℃時，試驗用鋼的顯微硬度呈現先增加而后減小的特征，在等溫保溫時間為1 000 s時取得最大值；在等溫溫度為600 ℃時，試驗用鋼的顯微硬度隨著等溫時間延長逐漸降低，這與此時索氏體片層明顯增大以及滲碳體厚度明顯增加有關[8]。

圖8 試驗用鋼的維氏硬度與等溫熱處理參數的對應關系

圖9為試驗用鋼的強塑性與等溫溫度和等溫時間的關系曲線。當等溫溫度為400 ℃時，試驗用鋼在等溫保持時間為100 s和300 s時的抗拉強度分別達到1 720 MPa和1 540 MPa，而斷后伸長率較低，分別約為1.8 %和2.7 %，這主要與此時基體組織中含有塑性較低的馬氏體有關[9]；當等溫保溫時間延長至1 000 s及以上時，抗拉強度有所降低而斷后伸長率升高。當等溫溫度為450 ℃時，隨著等溫保溫時間的延長，試驗用鋼的強度和塑性并未發生顯著變化，抗拉強度介于1 050~1 210 MPa，斷后伸長率介于8.2 %~9.1 %之間。當等溫溫度為500 ℃時，隨著等溫保溫時間延長，試驗用鋼的抗拉強度和斷后伸長率都表現為先上升而后降低，在等溫時間為1 000 s時達到最大值，繼續延長保溫時間抗拉強度和斷后伸長率反而能降低。等溫溫度為550 ℃時，試驗用鋼的強塑性變化規律與等溫溫度500 ℃時相似，只是相應保溫時間下的強度略低于等溫溫度500 ℃時的試樣。當等溫溫度為600 ℃時，試驗用鋼的抗拉強度呈現逐漸降低的趨勢，在等溫保溫時間為3 000 s時的抗拉強度僅為980 MPa，斷后伸長率都保持在7.2 %以上。

圖9 試驗用鋼的強塑性與等溫溫度和等溫時間的關系曲線

試驗用鋼的強度和塑性會隨著等溫溫度和等溫保溫時間而發生明顯變化，這主要是因為試驗用鋼在索氏體化過程中會發生微觀組織轉變，如過冷奧氏體轉變為馬氏體以及不同形態的索氏體和滲碳體等[10]，除此之外，由于低合金鋼中還含有Cu元素，等溫熱處理時從基體中彌散析出的納米級ε-Cu相的析出也是影響材料力學性能的關鍵。圖10為試驗用鋼在等溫溫度500 ℃等溫保溫時間1 000 s時的顯微形貌和能譜分析結果。從圖10（a）的掃描電鏡顯微形貌中可見，試驗用鋼的索氏體片層和滲碳體表面彌散分布著納米級顆粒狀析出相；透射電鏡明場像和暗場相中可見，這種細小顆粒狀析出相的尺寸約為20 nm，能譜分析表明主要含有Cu和Fe元素，結合文獻可知[11]，這種納米級析出相為ε-Cu相，細小彌散ε-Cu相的存在可以對試驗用鋼起到第二相強化的作用，索氏體化過程中ε-Cu相的存在形式、析出數量和尺寸等會對最終力學性能產生重大影響[12]。從圖8的顯微硬度測試結果和圖9的拉伸性能測試結果可知，試驗用鋼在等溫溫度為500 ℃、等溫保持時間1 000 s時達到最佳的強度和塑性結合，這與此時試驗用鋼中ε-Cu相的析出強化效果最佳有關，而繼續延長等溫保溫時間會造成滲碳體球化和索氏體片層間距增加，而造成力學性能有所降低[13]。在等溫溫度為600 ℃時，試驗用鋼力學性能的降低主要與此時索氏體片層間距明顯增大及其滲碳體發生粗化有關，并在很大程度上抵消了試驗用鋼中ε-Cu相的析出強化效果[14]。綜合而言，試驗用鋼在等溫溫度500 ℃、等溫保持時間1000 s時可以獲得良好的強塑性結合。

圖10 試驗用鋼在等溫溫度為500 ℃保溫1 000 s時顯微形貌和能譜分析

3 結論

1）隨著等溫保溫時間延長或者等溫溫度升高，試驗用鋼的滲碳體片層厚度呈現逐漸增加的趨勢，等溫溫度為500 ℃和550 ℃時的滲碳體片層厚度與等溫保溫時間曲線較為相似，而等溫溫度為600 ℃時試驗用鋼中滲碳體片層厚度明顯增加。隨著等溫保溫時間延長或者等溫溫度升高，試驗用鋼的索氏體片層間距有逐漸增加的特征，尤其是等溫溫度600 ℃時的索氏體片層間距和滲碳體厚度增加較為明顯。

2）當等溫溫度為400 ℃時，隨著等溫時間增加，試驗用鋼的硬度呈現先快速降低而后增加的特征；在等溫溫度為450 ℃時，試驗用鋼的顯微硬度隨著等溫時間延長而逐漸增加；在等溫溫度為500 ℃和550 ℃時，試驗用鋼的顯微硬度呈現先增加而后減小的特征，在等溫保溫時間為1 000 s時取得最大值；在等溫溫度為600 ℃時，試驗用鋼的顯微硬度隨著等溫時間延長而逐漸降低。

3）試驗用鋼在等溫溫度500 ℃、等溫保持時間1 000 s時可以獲得良好的強塑性結合，這主要與此時索氏體片層和滲碳體厚度較小以及基體中析出了大量起彌散強化作用的納米級ε-Cu相有關。