高強鋼的Q&P熱處理工藝研究進展

應俊龍,賈夢夢,趙興德

(1.昌河飛機工業(集團)有限責任公司,江西 景德鎮 330034;2.陸軍裝備部某航空軍事代表室,江西 景德鎮 330034)

輕量化制造是當前及未來航空武器裝備發展的重要方向之一,可謂至關重要。目前,高強度鋼已部分替代普通低碳合金鋼,在保證強度的同時,降低了鋼材的厚度,一定程度實現了制造的輕量化。但是,對于高強度鋼而言,如何能最大限度發揮材料的性能極限,熱處理無疑是一種有效的方式。2003年J.G.Speer 等[1-3]提出了一種新的熱處理工藝：將實驗鋼加熱到奧氏體化,然后進行淬火處理,與常規的淬火處理不同的是將實驗鋼淬火溫度設置在Ms和Mf之間某個溫度,并在淬火溫度等溫一段時間,這樣最后得到的組織為馬氏體和殘余奧氏體,此熱處理過程稱為一步法淬火和碳分配(即Q&P熱處理工藝)。相對于普通的QT熱處理(即淬火、回火)工藝,經Q&P熱處理后能獲得更好的綜合性能。

1 Q&P熱處理工藝流程及其模型

Q&P 熱處理工藝流程如圖1所示[4],其中Ci為原始樣品、Cm為馬氏體中的碳含量、Cγ為奧氏體中的碳含量,QT代表淬火溫度,PT代表配分溫度。將鋼板加熱到Ac3以上進行完全奧氏體化或Ac1～Ac3之間進行部分奧氏體化,隨后淬火至Ms～Mf之間的某一溫度(QT),再加熱至Ms附近溫度(PT)保溫一段時間,最后淬火至室溫。其室溫組織為馬氏體+殘余奧氏體或鐵素體+馬氏體+殘余奧氏體(兩相區保溫)。

圖1 Q&P熱處理工藝示意圖[4]Fig.1 Schematic of Q&P heat treatment process

J.G.Speer和T.Y.Hsu等[5-6]對Q&P鋼的熱力學和動力學模型進行研究分析,提出了“約束條件準平衡”模型,認為過飽和馬氏體中碳原子擴散到殘余奧氏體中時,需要滿足三個假設條件,C. Capdevils和M. Hillert等[7-9]在“約束條件準平衡”模型的基礎上增加了一個假設條件,形成了“約束條件碳平衡”(Constrained Carbon Paraequilibrium,即CCE模型)：

1)碳原子完全從過飽和馬氏體擴散至殘余奧氏體中,馬氏體和亞穩態殘余奧氏體中碳的化學勢完全一樣。初期差別化的化學勢則為碳原子遷移提供驅動力;

2)在配分過程中,馬氏體和殘余奧氏體的相界面保持恒定不變;

3)在碳從富碳馬氏體擴散至奧氏體的過程中,不存在形成碳化物的競爭反應,所有的碳原子都作用于提高殘余奧氏體的穩定性和富集度;

4)碳原子只有在配分過程中做長程擴散,而另外的替換原子做短程擴散,當相界面完成運動時,自由能呈最低的平衡態。

2 Q&P熱處理工藝研究現狀

Q&P熱處理工藝[10-11]相比于傳統的QT熱處理工藝,通過碳分配的作用,提升了殘余奧氏體的穩定性,進而提高材料的強韌性,當前眾多國內外學者對該技術開展了深入研究,并取得了一些突破性的成果。郭艷輝等[12]開展了低碳硅錳鋼(化學成分為0.201%C、1.929%Mn、0.0085%Cr、0.028%Al、1.033%Si、0.0079%P、96.7926%Fe)的Q&P 熱處理工藝研究,對不同Q&P 熱處理工藝參數下的試樣開展了顯微組織、XRD衍射、EBSD 分析和力學性能等測試分析,在馬氏體板條之間和原奧氏體晶界處分布著納米級的殘余奧氏體組織,隨著配分時間的增加,殘余奧氏體的含量先增加后減少,強塑積亦先上升后下降。章輝[13]設計了四種不同合金成分的低碳低合金鋼,體系化研究了合金元素、軋制工藝以及熱處理對于Q&P鋼組織及性能的影響。確定了合金元素為0.5%Al+1%Si,采用了異步比為1.13的異步冷軋工藝,制備出高強度的超細晶鐵素體低碳低合金鋼;在280～440 ℃范圍內研究了配分溫度對力學性能和微觀組織的影響,隨著配分溫度的提升,可獲得更多的奧氏體組織,在420 ℃配分時,可獲得體積分數約14%的奧氏體組織,綜合性能較好;對0.18%C+ 1.5%Mn+0.5%Al+1%Si+0.03%Nb的低碳低合金鋼,提出了細化晶粒與Q&P熱處理相結合的工藝方案,延伸率可達到28%以上、強塑積為21.2 GPa%。劉芳等[14]研究了淬火-碳分配熱處理(Q&P工藝)的淬火終點溫度、分配時間對22MnB5合金鋼力學性能和組織的影響。設定相同的分配時間,對比了淬火終點溫度200 ℃與250 ℃,如圖2、圖3所示,250 ℃時抗拉強度稍低,但斷后延伸率更高。對于22MnB5合金鋼,在910 ℃奧氏體化、250 ℃淬火,再420 ℃碳分配60 s,可獲得殘余奧氏體體積分數11.6%的物相組織,得到較好的綜合性能。

圖2 淬火終點溫度200 ℃[14]Fig.2 The quenching end temperature is 200 ℃

圖3 淬火終點溫度250 ℃[14]Fig.3 The quenching end temperature is 250 ℃

趙榮達等[15]以18Cr2Ni4W 鋼為研究對象,對其進行表面滲碳和Q&P熱處理。18Cr2Ni4W鋼經滲碳后,滲層附近的晶粒組織迅速增大,見圖4;通過高頻感應加熱至850 ℃固溶處理、在低溫鹽浴中進行250 ℃碳配分處理后,晶粒組織得以顯著細化,硬度值提升了40%以上,見圖5。

圖4 18Cr2Ni4W鋼滲碳[15]Fig.4 Carburizing of 18Cr2Ni4W steel

圖5 18Cr2Ni4W 鋼滲碳、配分20 min[15]Fig.5 18Cr2Ni4W steel was carburized and distributed for 20 min

吝章國[16]研究了Q&P熱處理工藝下不同組織成分的超高強中錳鋼對奧氏體穩定性和力學性能的影響規律。通過DIL805A淬火變形熱膨脹儀對Q&P熱處理工藝參數、相變進行模擬,得出了淬火-配分時的組織的轉變過程,采用EBSD 標定殘余奧氏體如圖6所示。其中,淬火-分配前的退火溫度對于微觀組織、晶粒尺寸和奧氏體含量影響較大,且Mn元素也發生了配分。7Mn鋼體系(即Mn含量約6.93%)可得到屈服強度1172 MPa、抗拉強度1243 MPa、延伸率36.2%的力學性能。

圖6 7Mn鋼體系較優Q&P熱處理工藝下殘余奧氏體的EBSD分析結果[16]Fig.6 EBSD analysis results of residual austenite in 7MN steel system under optimal Q&P heat treatment process

張君[17]研究了Cr、Ni、Nb等微量合金元素添加對低碳Si-Mn鋼組織演化及力學性能的影響。其中,添加Cr和Ni元素,可提高低碳Si-Mn鋼的抗拉強度(約50～400 MPa),但會導致延伸率略微降低(約2%～5%);添加適量的Nb元素,可以同時提升抗拉強度(100 MPa以上)和延伸率(3%以上)。提出了Q&Q-P熱處理工藝,即預先進行完全奧氏體化處理,形成全馬氏體組織;再進行Q-P熱處理工藝,可細化奧氏體晶粒、提高其強度及含量,實現馬氏體板條領域的尺寸降低,由此進一步提升了抗拉強度和延伸率,其熱處理應力應變曲線和瞬間加工硬化指數如圖7所示。

圖7 Q&P和Q&Q-P熱處理應力應變曲線和瞬間加工硬化指數[17]Fig.7 Q&P and Q&Q-P heat treatment stress-strain curve and instantaneous work hardening index

王炳權[18]選取C-Si-Mn系碳鋼作為實驗對象,利用TEM、XRD等手段精細分析了配分溫度、時間對于元素擴散至奧氏體組織的影響。其中,配分溫度為350 ℃時,所需配分時間為40 s;配分溫度為400 ℃時,所需配分時間僅為6 s。

F.C.Rizzo和D.V.Edmonds等[19-20]開展了0.19C-1.63Si-1.59Mn材料的Q&P熱處理工藝研究,設定工藝參數為：奧氏體化溫度為900 ℃、淬火溫度為293 ℃、配分溫度為400 ℃,初淬后馬氏體含量約68%,利用透射電鏡表征等檢測手段,獲取了薄膜狀殘余奧氏體及馬氏體板條的厚度,分別為0.14 μm和0.3 μm。

M.J.Santofimia和C.Y.Wang等[21-22]通過EBSD手段區分了初淬馬氏體和新鮮馬氏體組織。從圖8可看出,結合EBSD的band contrast圖、彩色相圖分析,圖中初淬馬氏體呈現為fcc結構,新鮮馬氏體呈現為bcc結構,明顯可看出新鮮馬氏體比初淬馬氏體尺寸小,主要在原始奧氏體晶界及初淬馬氏體板條間分布著殘余奧氏體組織,在新鮮馬氏體及其周圍未檢測出殘余奧氏體。

圖8 EBDS分析Q&P鋼顯微組織[21-22]Fig.8 Microstructure of Q&P steel by EBDS analysis

3 Q&P熱處理工藝的展望

Q&P工藝作為一種新型的熱處理技術,已在高強鋼合金中得到了驗證及小批量的試用,可獲得高強度、高塑性配合的力學性能。但以下幾點仍需予以重點關注：

1)進一步加強高性能DP鋼的研制及其機理研究,特別是Cr、Ni、Nb、V等微量元素的添加及其作用;

2)當前對于Q&P工藝過程中元素擴散行為的研究大多處于理論計算階段,試驗驗證方面的研究并不多;

3)基于Q&P工藝的專用設備尚待研制,以便于該技術在制造領域的大規模推廣應用。