两相区保温及Q&P工艺对改善钢组织性能的分析

陈辉，景财年，涂英明，张勇

(山东建筑大学 材料科学与工程学院，山东 济南 250101)



两相区保温及Q&P工艺对改善钢组织性能的分析

陈辉，景财年*，涂英明，张勇

(山东建筑大学 材料科学与工程学院，山东 济南 250101)

在普通的热连轧设备中，简化后的淬火—配分(Quenching & Partitioning-Q&P)工艺的应用可以获得性能更加优异的高强度钢，提高传统Q&P工艺在实际生产中的可操作性以及改善热成形钢的力学性能。文章基于盐浴炉模拟了一步法Q&P工艺，研究了两相区保温，不同配分温度及配分时间对0.24C-0.38Si-1.27Mn热成形钢组织与力学性能的影响。结果表明：经温度为770 ℃保温时间为120 s，并在300和340 ℃分别配分10～60 s后，显微组织主要为铁素体、板条马氏体及残余奥氏体，且该热成形钢的最佳配分温度和配分时间为300 ℃和60 s；而经300和340 ℃配分60 s后，断后伸长率和强塑积均得到了大幅度的提升；强塑积与断后伸长率之间的变化规律高度相似，断后伸长率对于强塑积的影响比抗拉强度的影响要大，通过提高断后伸长率来提高钢的强塑积更加有效。

两相区保温；Q&P工艺；显微组织；力学性能

0　引言

先进高强度钢在汽车中的应用能够大幅度提高汽车的轻量化，从而有效缓解能源、环境等危机[1-2]。其中，由淬火—配分Q&P(quenching and partitioning)工艺生产的Q&P钢因兼具高强度和高塑性的特点得到了国内外的广泛关注[3-5]； 该工艺由Speer于2003年提出，能够生产一种以马氏体+残余奥氏体为基本组织，并具有相变诱导塑性TRIP(Transformation Induced Plasticity)效应的先进高强度钢(即Q&P钢)[6]；TRIP效应能够显著地吸收汽车受到碰撞时的冲击能，从而提升汽车的安全等级[7]。由于马氏体的强度很高，可在不降低甚至提高汽车安全性能的情况下，通过适当减薄汽车部件的厚度而达到轻量化的目的；因此，Q&P工艺已经成了典型的下一代汽车先进高强度钢的生产工艺，其在汽车工业领域具有广泛的应用前景[8-9]。

传统的 Q&P工艺是将钢板在奥氏体区进行全奥氏体化后进行两步法淬火—配分[10]，其在实际生产过程中对设备具有严苛的要求，而当前企业的普通热连轧设备很难满足传统Q&P工艺所需的条件，为了简化传统的Q&P工艺，文章采用一步法Q&P工艺研究了配分温度和配分时间对热成形钢组织和性能的影响，以期将Q&P工艺应用于普通的热连轧设备；另外，文章采用了两相区加热保温后再进行淬火配分处理的方法，与传统的Q&P工艺相比，加热到两相区后进行保温，一方面能够降低能量的消耗，另一方面，两相区保温能够得到部分铁素体组织，其有助于获得性能更加优异的Q&P钢以满足未来汽车工业对高性能钢板的需求。

1　试验材料及方法

试验采用的热成形钢(0.24C-0.38Si-1.27Mn)的主要化学成分见表1。采用盐浴炉模拟的Q&P工艺如图1所示，试验钢的Ac3(组织全部转化为奥氏体的温度)约为830 ℃，Ms(马氏体相变开始的温度)约为390 ℃，具体试验步骤为：先将试样在电阻炉中加热到770 ℃的两相区进行保温，然后将1～4#试样在300 ℃的盐浴炉中分别配分10、20、30和60 s，将5～8#试样在340℃的盐浴炉中分别配分10、20、30、60 s。

将经过Q&P工艺处理后的钢板切割后制成金相试样，然后经粗磨、细磨和抛光后用4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀，并在Nikon 3000光学显微镜下观察金相组织。拉伸试样按照ASEME8标准制备，并在WDW-100E拉伸试验机上进行拉伸试验，采用D8 Advanced型X射线衍射仪(XRD)测试试样中残余奥氏体的含量。

表1　试验钢主要化学成分

图1　Q&P工艺路线图

2　试验结果分析

2.1组织和物相分析

图2 为不同配分温度和时间下的显微组织。从图2中可以看出，经两相区保温及Q&P工艺处理后，试验钢的组织主要由铁素体、马氏体以及残余奥氏体组成，铁素体主要以粒状的形式存在，且分布较为均匀，马氏体主要分布在铁素体周围，以板条束的形态存在，由于试验钢是在两相区加热并保温，所以得到的马氏体含量较低。

比较图2中(a)、(c)和 (b)、(d)可以看出，随着配分温度的升高，渗碳体的析出量逐渐增多，因为渗碳体的析出与碳原子的扩散有关，而碳原子的扩散速率随着配分温度的上升以指数方式增加，因此配分温度的上升以及较低的Si含量，导致渗碳体的含量随配分温度的上升而增大。另外,比较图2中(a)、(b)和(c)、(d)可以发现，随着配分时间的增大，组织晶粒逐渐增大，铁素体和马氏体相界面处的残余奥氏体逐渐减少，其主要原因是当试验采用的热成形钢中抑制和延迟渗碳体析出的Si含量较低，仅为0.38%，导致渗碳体随配分时间的增加而大量析出，消耗了用来稳定奥氏体的碳元素，降低了奥氏体的稳定性，当淬火至室温时，部分奥氏体再次转换为二次马氏体，导致残余奥氏体含量降低[11-12]。

图2　不同配分温度和时间下的显微组织图(a)300 ℃配分10 s ；(b)300 ℃配分60 s；(c)340 ℃配分10 s；(d)340 ℃配分60 s

2.2抗拉强度分析

不同配分温度和时间下抗拉强度的变化规律如图3所示。从图3中可以看出，当配分温度为300 ℃时，试验钢的抗拉强度随配分时间的增加呈逐渐减小的趋势，当配分时间为10 s时抗拉强度最大，为506.9 MPa，其原因与马氏体中的碳含量随配分时间的增加而降低有关，Q&P工艺的碳配分是一个过饱和马氏体中的碳原子逐渐脱溶，并扩散到奥氏体中的过程，因此，随着配分时间的增加，马氏体中的碳含量就会逐渐降低，马氏体发生脱碳软化的现象，从而使抗拉强度降低[13-14]。

当配分温度为340 ℃时，随着配分时间的增加，抗拉强度先上升后下降，在配分时间为20 s时抗拉强度最大，达到503.11 MPa，抗拉强度呈现出这种变化规律主要有以下两个方面的原因：(1)每个碳配分温度都对应着最佳的配分时间，时间过长或过短都会对钢的力学性能产生不利影响，因为在淬火温度一定的情况下，最佳的配分时间能够得到最大含量的残余奥氏体，残余奥氏体会在拉伸过程中产生TRIP效应而转变为诱导马氏体，诱导马氏体是由碳含量很高的残余奥氏体转变而来，其强度很高，能在一定程度上提高钢的抗拉强度，当在340 ℃配分20 s时抗拉强度最高，说明该配分温度下的最佳配分时间为20 s，从而得到了更多的诱导马氏体，提高了抗拉强度[15]；(2)随着配分时间的增加，马氏体中会析出碳化物，尽管在试验采用的热成形钢中含有抑制碳化物析出的Si元素，但由于其含量较低，仅为0.38%，无法长时间有效地抑制碳化物的析出，导致马氏体的碳含量降低，从而马氏体的强度降低[16-17]。因此，当配分时间低于20 s时，抗拉强度的上升说明马氏体因碳含量降低而导致的抗拉强度的减小值小于因诱导马氏体导致的抗拉强度的增大值，即诱导马氏体导致的抗拉强度的增大起主导作用，当配分时间大于20 s时，则恰好相反，即马氏体因碳含量降低而导致抗拉强度的减小其主导作用，从而使试验钢的抗拉强度逐渐减小。

图3　不同配分温度和时间下的抗拉强度图

2.3断后伸长率分析

图4为不同配分温度和时间下断后伸长率的变化曲线。从图4中可以看出，当配分时间为300 ℃时，试验钢的断后伸长率随配分时间的增加逐渐增大，当配分时间为60 s时，断后伸长率得到最大值37.95%，呈现出这种变化规律的原因主要与配分过程中马氏体中碳含量不断降低，使马氏体被回火以及残余奥氏体含量的变化有关，(1) 随着配分时间的增加，马氏体中碳含量会逐渐扩散到残余奥氏体中，但鉴于试验的热成形钢中Si含量较低，无法长时间有效地抑制和延迟渗碳体的析出，因此，随着配分时间的增加，碳更多地会以渗碳体的形式析出，从而导致马氏体中碳含量降低，断后伸长率增加[18]；(2) 尽管残余奥氏体含量会因为过长的配分时间而分解，导致断后伸长率降低[19]。但由于XRD的分析结果表明文中试验钢中残余奥氏体含量最大为5%，因此，部分残余奥氏体分解带来的断后伸长率的降低值要远低于马氏体被回火软化而导致的断后伸长率的升高值，最终使300 ℃配分时试验钢的断后伸长率曲线呈现出逐渐上升的变化趋势。

当配分温度为340 ℃时，从图4中可以看出，试验钢的断后伸长率先上升后下降，在配分时间为30 s时，断后伸长率得到最大值36.2%，呈现出这种变化规律的原因不仅与配分过程中马氏体中碳含量不断降低使马氏体被回火以及残余奥氏体含量的变化有关，还与过高的配分温度及过长的配分时间导致渗碳体大量析出并聚集长大有关，虽然马氏体的回火软化能够提高断后伸长率，但由于渗碳体是一种脆性相，其聚集长大会显著恶化试验钢的力学性能；因此，当配分时间大于30 s时，试验钢的断后伸长率呈现出逐渐下降的变化趋势。

图4　不同配分温度和时间下的断后伸长率图

2.4强塑积分析

强塑积即抗拉强度与断后伸长率的乘积，它是一个衡量材料成形性能和综合力学性能的指标，试验中不同配分温度及时间下的强塑积变化曲线如图5所示。从图4和图5中可以看出，强塑积的变化与断后伸长率的变化规律相似，当配分温度为300 ℃时，试验钢的强塑积随配分时间的增加呈增大趋势，当配分温度为340 ℃时，强塑积随配分时间的增加先增大后减小；强塑积的变化主要由抗拉强度和力学性能两个因素决定，在保证抗拉强度和断后伸长率均符合对材料力学性能要求指标的情况下，强塑积越高说明材料的成形性能以及综合性能越好。文章实验当配分温度为300 ℃，配分时间为60 s时，强塑积得到了最大值18.6 GPa·%，这说明该热成形钢的最佳配分温度和配分时间为300 ℃和60 s，同时，该强塑积比热成形钢直接淬火的强塑积(一般在15 GPa·%以下[20])高了大约3600 MPa·%，因此，实验采用的一步法Q&P工艺能够显著改善试验钢的成形性能和综合力学性能。

图5　不同配分温度及时间下的强塑积图

另外，不仅强塑积的变化规律与断后伸长率的变化规律相似，在其他的研究中也有这种现象出现[14, 20-21]，可以看出，断后伸长率对于强塑积的影响往往要大于抗拉强度的影响，因此，在抗拉强度满足要求的情况下，断后伸长率的提高更有助于获得高的强塑积，从而改善热成形钢的成形性以及塑性。

3　结论

通过上述研究可知：

(1) 从不同温度和时间下显微组织的变化可知，经770 ℃保温120 s，并在300、340 ℃分别配分10～60 s后获得的组织主要为铁素体、板条马氏体以及残余奥氏体，该热成形钢的最佳配分温度和配分时间为300 ℃和60 s。

(2) 经两相区保温，并在300和340 ℃配分60 s后，试验钢的断后伸长率和强塑积相比于热成形钢直接淬火的断后伸长率和强塑积均得到了大幅度的提高，分别达到了37.95%、18.6 GPa·%和36.2%、17.7 GPa·%，因此，两相区保温及一步Q&P工艺能够有效提高热成形钢的塑性及成形性。

(3) 强塑积与断后伸长率两者的变化规律具有高度的相似性，即断后伸长率对于强塑积的影响要大于抗拉强度的影响，因此，通过提高断后伸长率来提高钢的强塑积会更加有效。

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(学科责编：吴芹)

Analysis of intercritical heat preservation and Q&P process of improvement of microstructure and properties

Chen Hui, Jing Cainian*, Tu Yingming,etal.

(School of Material Science and Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

The paper provides an important theoretical and guidance significance for the application of simplify quenching and partitioning (Q&P) process in hot continuous rolling equipment, which has contributed to obtain the high strength steel with more excellent performance. In order to improve the maneuverability of the traditional Q&P process in practical production and improve the mechanical properties of hot stamping steel, a hot stamping steel (0.24C-0.38Si-1.27Mn) was treatment by salt bath furnace to simulate the one-step Q&P process, and then the effects of intercritical heat preservation, partitioning temperature and partitioning time on the microstructure and mechanical properties of the hot stamping steel were studied. The results show that the main microstructure is ferrite, martensite and retained austenite when the hot stamping steel was heated preservation at 770 ℃for 120s, and partitioning10s-60s at 300℃ and 340℃, respectively, the optimum partitioning temperature and partitioning time of the hot stamping steel are 300℃ and 60s; the elongation, the product of strength and elongation have been greatly improved at 300℃ and 340℃ partitioning 60s, respectively; the highly similar change regulation between the product of strength and elongation and the elongation show that the effect of elongation on the product of strength and elongation is greater than the tensile strength.

intercritical heat preservation; quenching and partitioning process; microstructure; mechanical properties

2016-06-03

山东省科技发展计划项目 (2013GGX10306)

陈辉(1990-), 男, 在读硕士, 主要从事汽车钢板的成形与热处理等方面的研究. Email: chsdjzu@sina.com.

*：景财年(1973-), 男, 教授, 博士, 主要从事汽车高强度钢等方面的研究. Email: jcn55@163.com.

1673-7644(2016)03-0244-05

TU996

A