Q&P工艺在冷轧中锰钢中的应用

代乐乐，江海涛，尹鸿祥，刘再旺

(1.首钢技术研究院，北京 100043；2.北京科技大学 冶金工程研究院，北京 100083)

Q&P工艺在冷轧中锰钢中的应用

代乐乐1，江海涛2，尹鸿祥2，刘再旺1

(1.首钢技术研究院，北京 100043；2.北京科技大学 冶金工程研究院，北京 100083)

摘要：利用热膨胀仪、SEM和TEM等设备和技术，对经过不同Q&P工艺处理的低碳高硅中锰钢(w(Mn)=7.6%)的组织和性能进行研究。结果表明，与在奥氏体化相区退火(800 ℃)的Q&P工艺相比，在两相区退火(630～660 ℃)的Q&P工艺能够获得更好的组织和力学性能；当退火温度为640 ℃时，能够获得最佳的延伸率和强塑积，强塑积最高可达到40 GPa%。奥氏体化相区退火后的组织主要是马氏体和残余奥氏体，两相区退火后的组织主要是铁素体和残余奥氏体，室温下存在的亚稳态奥氏体所产生的TRIP效应能够有效提高材料的塑性。

关键词：Q&P工艺；中锰钢；TRIP效应；残余奥氏体

近年来，全球经济的发展速度越来越快，作为汽车用钢不仅要有相应的强度，而且满足汽车板轻量化的要求[1-4]。Q&P工艺，即淬火配分工艺，是近几年提出的一种先进的热处理工艺，其方式为先加热到一定的温度，再进行淬火，从而形成一定量的马氏体；然后加热到大约三四百度的温度，保温一定时间使得碳原子能够从马氏体中扩散至奥氏体，从而提高奥氏体的稳定性，最终冷却至室温，获得亚稳定的残余奥氏体以及马氏体组织[5-7]。马氏体能够提供较高的强度，奥氏体能够提供较高的塑性，因此，Q&P工艺能够满足汽车工业对于轻量化的要求。

1试验材料及试验方法

试验用钢使用25 kg真空感应炉冶炼，锻造后在冒口取样进行化学成分测试，测得的化学成分见表1。锻造后取样并在DIL-805热膨胀仪上进行Ac1和Ac3相变点以及静态连续冷却转变图的测试。试样按照200 ℃/h的速度由室温升至1 000 ℃，根据温度—膨胀量曲线做切线确定Ac1和Ac3相变点，再将试样加热至1 000 ℃，以0.5～50 ℃/s的不同冷速冷却至室温，根据不同冷速的温度—膨胀量曲线确定不同冷速条件下的相变点，最终将其绘制成静态连续冷却转变图。钢锭经过热轧和冷轧后进行模拟Q&P工艺，使用CCT-AY-Ⅱ型板带退火模拟实验机。利用高氯酸-酒精的混合溶液电解抛光后，在ZEISS ULTRA55场发射扫描电镜(SEM)下观察微观组织。试样经电火花切割成厚度为0.3 mm，随后机械减薄至0.05 mm，然后进行双喷处理，所制试样采用TEM-2000FX型电镜进行观察。

表1　试验用钢的化学成分(质量分数)　(%)

2试验结果与分析

2.1绘制静态连续冷却转变图以及测试相变点

静态连续冷却转变图如图1所示，热处理曲线如图2所示。首先，将试样加热到1 000 ℃进行完全奥氏体化，然后，按照不同的冷却速率(50、30、15、8、5、3、2、1和0.5 ℃/s)进行冷却。根据试验结果发现，不同冷速冷却后均未发现马氏体相变以外的其他相变，并且测得Ms点为220 ℃，与普通的低碳钢相比马氏体转变温度较低。本文试验钢中加入了较多的锰元素，而锰元素是扩大奥氏体相区的元素，有助于提高奥氏体的稳定性[8]；因此，使奥氏体向铁素体和贝氏体等组织转变的孕育期大大增加，从而在上述几种不同冷速下均未出现马氏体相变以外的其他相变。另外，测得Ac1和Ac3相变点为595和752 ℃，同样由于大量的锰元素扩大了奥氏体相区，导致Ac1和Ac3相变点相比于普通低碳钢更低。

图1　静态连续冷却转变图

图2　热处理曲线

2.2热轧板组织

热轧工艺如下：1 200 ℃完全奥氏体化1 h后开轧，粗轧开轧温度为1 150 ℃，粗轧终轧温度为1 050 ℃，精轧开轧温度为1 000 ℃，精轧终轧温度800 ℃。轧后组织如图3所示，从图3a可以发现很多类似马氏体板条的组织，从图3b可以清晰地发现板条状的马氏体组织，板条的宽度大约为100～200 nm。由于热轧板组织含有大量的马氏体，因此冷轧之前需要进行两相区退火，退火温度为680 ℃。退火后进行冷轧，压下量为50%。

图3　轧后组织

2.3不同Q&P工艺对比

经过冷轧后，对冷轧板进行不同退火温度的Q&P工艺处理，退火温度分别为800、660、650、640和630 ℃，退火时间为5 min，淬火温度为100 ℃，配分温度为450 ℃，配分时间为3 min，配分完毕后水淬至室温。不同退火温度的Q&P工艺曲线如图4所示。

图4　不同退火温度的Q&P工艺曲线

不同温度热处理后试样的力学性能如图5所示。由图5a可以发现，屈服强度随温度升高先上升再下降，640 ℃时屈服强度达到峰值；由图5b可以发现，抗拉强度随温度升高也呈现出先升高再下降的趋势，660 ℃时达到了峰值；由图5c可以发现，延伸率随温度升高也呈现出先上升再下降的趋势，640 ℃时达到了峰值；由图5d可以发现，强塑积随温度变化的规律和延伸率的规律一致，也在640 ℃时达到了峰值。因此，可以根据性能结果判定640 ℃为最佳的退火温度。当退火温度升高至800 ℃时，力学性能出现了明显的下降，强度和延伸率均大幅下降。由于800 ℃是完全奥氏体化温度，而630～660 ℃的温度处于两相区温度范围，在此温度区间保温可以获得一定量的铁素体，同时有助于提高所生成的奥氏体中的碳含量，使得奥氏体更加稳定[9]，并且能够在室温下存在。室温下的亚稳态残余奥氏体在发生塑性变形的过程中会产生TRIP效应，而TRIP效应能够有效优化材料的力学性能[10]。

图5　不同温度热处理后试样的力学性能

不同温度Q&P工艺处理后SEM微观组织如图6所示，可以发现800 ℃时照片中存在明显的板条状马氏体，而凹陷下去的组织多为残余奥氏体组织。从630～660 ℃的照片中可以发现一些凸出和凹下的组织，凸出的组织为铁素体组织，晶粒尺寸为1～2 μm，凹下组织为残余奥氏体组织。从微观组织照片可以发现，两相区退火后得到的残余奥氏体数量较多于奥氏体相区退火后，这可能是由于800 ℃奥氏体相区保温时所生成的奥氏体碳含量偏低造成的。众所周知，奥氏体的稳定性与其中的碳含量密切相关，当碳含量偏低时，则其稳定性也较低，难以保存至室温条件下。

图6　不同温度Q&P工艺处理后SEM微观组织

3结语

综上所述，可以得出以下结论。

1)对于中锰钢而言，奥氏体相区保温的Q&P工艺与两相区保温的Q&P工艺相比，后者具有更好的组织性能。

2)Q&P工艺的退火温度由630 ℃升高到800 ℃的过程中，其屈服强度、延伸率和强塑积呈现出先升高再降低的规律，并且在640 ℃时达到了峰值。

参考文献

[1] 江海涛，代乐乐，李志超，等. 两相区退火对中锰钢热轧板组织和性能的影响[J]. 材料热处理学报，2013，34(7)：100-105.

[2] Arsenault R J，Wang L，Feng C R. Strengthening of composites duo to microstructural changes in thematrix[J]. Acta. Metall., 39:47-57.

[3] 董瀚，王毛球，翁宇庆. 高性能钢的M～3组织调控理论与技术[J]. 钢铁，2010，45(7)：1-7.

[4] Shi J，Sun X J，Wang M Q，et al. Enhanced work-hardening behavior and mechanical properties in ultrafine-grained steels with large- fractioned metastable austenite[J], Scripta Materialia, 2010，63: 815-818.

[5] 董辰，陈雨来，江海涛，等. 超高强Q&P钢淬火温度对组织和性能的影响[J]. 热加工工艺，2009，38(12):121-152.

[6] 董辰，江海涛，陈雨来，等. 低碳超高强度Q&P钢板的热处理工艺和组织性能[J]. 特殊钢，2009，30(5):68-70.

[7] 王存宇，时捷，曹文全，等. Q&P工艺处理钢的单轴拉伸性能研究[J]. 材料热处理学报，2010，31(6):77-83．

[8] 余永宁. 金属学原理[M]. 北京:冶金工业出版社，2007．

[9] 尹鸿祥，赵爱民，赵征志，等. 退火时间对冷轧中锰TRIP钢组织和力学性能的影响[J]. 北京科技大学学报，2013，35(9)：1158-1163.

[10] 徐文欢，孙荣民，王存宇，等. 冷轧中锰钢的成形性能[J]. 钢铁，2012，47(11)：63-68.

责任编辑郑练

The Application of Q&P Process in Cold-rolled Medium Manganese Steel

DAI Lele1, JIANG Haitao2, YIN Hongxiang2, LIU Zaiwang1

(1.Shougang Research Institute of Technology, Beijing 100043, China;

2.Engineering Research Institute of USTB, Beijing 100083, China)

Abstract：Microstructure and performance of cold-rolled low carbon medium manganese steel plate with different Q&P process are studied by means of SEM, TEM, etc. The results show that comparing with the Q&P process(800 ℃) of austenitic phase annealing, the Q&P process(630～660 ℃) with intercritical annealing is better for steel microstructure and performance. The elongation will be best when the Q&P process with annealing temperature of 640 ℃. The steel microstructure will be martensite and retained austenite which is treated by austenitic phase annealing. However, after intercritical annealing, the major microstructure will be ferrite and retained austenite. The retained austenite which is existed in room temperature can effectively improve the plasticity by TRIP effect.

Key words:Q&P process, medium manganese steel, TRIP effect, retained austenite

收稿日期：2015-02-09

作者简介：代乐乐(1987-)，男，工程师，主要从事汽车板及专用板的研发与应用等方面的研究。

中图分类号：TG 142.1

文献标志码:B