一种热冲压成形钢的连续冷却转变曲线测定及其显微组织

雷 娜, 周志超, 杨志权, 赵乃胜, 沈 洁, 王明辉

(北京首钢股份有限公司, 迁安 064400)

热冲压成形钢是一种适用于热成形工艺生产的高强度钢板,其热成形前的显微组织为铁素体+珠光体,具有强度低、硬度低、塑性好等特点,易于切削加工和冷加工。热冲压过程中,钢板在高温下的塑性进一步增强,可有效解决冷成形过程中存在的易开裂、易回弹、难成形等问题。热冲压成形是一种生产高强度汽车零部件的技术,逐渐在汽车行业得到广泛应用。某钢厂热轧酸洗热成形钢22MnB5主要应用于汽车防撞梁、车门防撞杆、扭力梁、B柱等部件中[1-2]。

钢的过冷奥氏体连续冷却转变(CCT)曲线能系统反映冷却速率对相转变开始点、相变进行程度和相变所得产物的影响,是合理制定热处理工艺的重要依据,也是研究固态相变理论的重要基础[3-5]。在开发新的钢材时,需要测定材料相应的CCT曲线。笔者以某厂生产的热冲压成形钢22MnB5为对象,利用DIL805型热膨胀相变仪测定该钢的相变点,并结合显微组织和硬度分析,获得了该钢的CCT曲线,为该钢的后续研发和新的生产工艺制定提供数据支持。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

采用厚度为40 mm的热成形钢22MnB5中间坯进行试验,在横截面长和宽的各1/4处取样,取样位置参照YB/T 5127—2008 《钢的临界点测定 膨胀法》和YB/T 5128—2018 《钢的连续冷却转变曲线图的测定 膨胀法》,取样方法如图1所示,依次采用锯床、铣床、磨床、线切割机将试样加工成直径为4 mm,高度为10 mm的淬火相变试样。试验材料的化学成分如表1所示。

图1 取样方法示意

表1 热成形钢22MnB5的化学成分 %

1.2 试验方法

线切割后的相变试样表面会有不同程度的氧化或油污,试验前需要将其彻底清理干净,防止试验过程中发生试验腔污染,破坏真空度,导致无法进行试验。用砂纸轻轻打磨掉试样表面的锈斑及油污,用超声波清洗试样两遍,再用吹风机吹干试样,使用游标卡尺分别测量试样的初始长度和直径;再使用点焊机将热电偶丝焊接在试样上,焊接热电偶时,防止试样焊接点氧化;热电偶两根丝不能互搭,防止短路。将待检试样放入两个顶杆间,保证试样与顶杆接触良好,且在同一水平面上。连接热电偶丝,将位移调零,然后开冷却水,抽真空。待真空度达到一定程度后,充入惰性气体开始试验。

在室温保护气体环境下,采用DIL805型热膨胀相变仪模拟生产过程中冷却速率对钢材相变和显微组织的影响。静态CCT曲线试验工艺路线如图2所示,具体为:加热温度为1 200 ℃,加热速率为20 ℃/s;保温5 min;以10个不同冷却速率对试样进行降温处理,冷却到室温25 ℃。

采用蔡司DIM5000M型光学显微镜观察不同冷却速率下热冲压成形钢的显微组织形貌,腐蚀剂为体积分数为4%的硝酸乙醇溶液;采用全自动显微维氏硬度计测量不同冷却速率下热冲压成形钢的硬度(HV5),加载力为5 kgf(1 kgf=9.806 65 N),保持时间为10 s,每个冷却速率下分别测3个点,取硬度平均值。

2 试验结果

2.1 组织转变温度点

22MnB5钢的升温膨胀曲线如图3所示,升温速率为20 ℃/s,相变点为切线与曲线的切点。测得22MnB5钢加热时的临界点Ac1(加热时珠光体向奥氏体转变的温度)为746 ℃,Ac3(加热时转变为奥氏体的终了温度)为862 ℃。

图3 22MnB5钢的升温膨胀曲线

2.2 显微组织

不同冷却速率下22MnB5钢的显微组织形貌如图4所示。过冷奥氏体冷却后转变成不同的组织,如铁素体(F)、铁素体(F)+珠光体(P)、贝氏体(B)+马氏体(M)、马氏体(M)等[6]。由图4可知:当冷却速率为0.1 ℃/s时,显微组织为粗大的F与P,先析出F;当冷却速率为0.5 ℃/s和1 ℃/s时,显微组织中出现了大量B,少量的F和P;当冷却速率为3 ℃/s和5 ℃/s时,显微组织以B为主,有极少量的P和F;当冷却速率大于7.5 ℃/s时,有M出现;当冷却速率大于10℃/s时,B含量减少,M含量逐渐增多;当冷却速率大于30 ℃/s时,过冷奥氏体全部转化为M。

图4 不同冷却速率下22MnB5钢的显微组织形貌

2.3 不同冷却速率下的硬度

不同冷却速率下22MnB5钢的硬度变化为:当冷却速率为0.5 ℃/s时,硬度变化很明显;当冷却速率为1～20 ℃/s时,硬度与冷却速率正相关;当冷却速率大于20 ℃/s时,硬度逐步趋于稳定。

当冷却速率由0.1 ℃/s升高到0.5 ℃/s时,转变产物F和P的含量逐渐减少,B的含量逐渐增加,对应的硬度发生较大变化;当冷却速率为0.5～20 ℃/s时,F和P逐渐减少,主要为B和M,对应硬度显著增大;当冷却速率超过20 ℃/s时,主要发生M转变,硬度基本稳定,略有增大。

3 CCT曲线的绘制及分析

采用切线法找出不同冷却速率下膨胀曲线上的相变点,将不同冷却速率下测得的相变点绘制在温度-时间坐标上,再将同一种相变开始点和结束点用拟合线连接,再标出马氏体的开始区间和结束区间,即得到该材料的CCT曲线,22MnB5钢的CCT曲线如图5所示[7-8]。图5中冷却曲线上的数字为不同冷却速率,Ms为马氏体转变开始温度,Mf为马氏体转变结束温度。

由图5可知:在不同冷却速率下,热冲压成形钢连续冷却时,过冷奥氏体会析出F,发生P转变、B转变以及M转变。当冷却速率由0.1 ℃/s升高到0.5 ℃/s时,析出F的温度逐渐降低,析出量也逐渐减少,同时有P转变。冷却速率为5～20 ℃/s时,F和P转变量减少,B的转变量越来越多。当冷却速率达到7.5 ℃/s时,开始发生M转变。

图5 22MnB5钢的CCT曲线

4 结论

(1) 将膨胀法与金相法和硬度法结合,得到热冲压成形钢22MnB5的CCT曲线,为热冲压成形钢控轧控冷工艺提供了依据。

(2) 热冲压成形钢22MnB5的临界点Ac1为746 ℃,Ac3为862 ℃。冷却速率为0.1 ℃/s时,显微组织为粗大的F+P;冷却速率为0.5～5 ℃/s时,显微组织为B+F+P;冷却速率大于7.5 ℃/s时,显微组织为M+B;冷却速率大于30 ℃/s时,显微组织全部为M。

(3) 硬度随着冷却速率的增大呈增大趋势。当冷却速率为1～20 ℃/s时,硬度随着冷却速率的增大明显增大;当冷却速率大于20 ℃/s时,硬度逐步趋于稳定。