变强度22MnB5热成型钢热处理工艺研究

郭 健 杨丽娜 李立铭

（唐山钢铁集团有限责任公司）

0 前言

随着汽车对轻量化和安全性能要求的日益提高，高强热成型钢在整车中的应用越来越多，在整车设计中，关键的安全结构件在考虑高强度的同时需兼顾碰撞吸能的要求，高强钢热成型零件变强度技术应运而生[1-2]，零部件的不同位置具有不同的强度，制作变强度零件的工艺主要有焊接法[3]、板料局部加热法[4]、差速冷却法[5]、板料整体加热局部冷区法和退火[6]等。

板料整体加热局部冷法[7]是将加热炉分为两段设置，前段为高温段，板料在高温段先整体加热到Ac3温度以上并保温，使板料组织完全奥氏体化；后段通过在炉内设置挡板调节炉内温度，需要获得马氏体相的位置继续保温，使变强度位置随炉冷却到一定设计温度，最后整体出炉进行热成型和保压淬火，由于零件变强度区域在炉内已经发生珠光体铁素体相变，在之后的模具保压淬火过程中不发生马氏体相变从而实现变强度设计[8]。板料整体加热局部冷法如图1所示。

图1 板料整体加热局部冷法

国内某主机厂采用整体加热局部冷法生产变强度22MnB5热成型钢时，变强度区域设计要求：屈服强度430～550 MPa，抗拉强度650～750 MPa，断后延伸率要大于15%，而在零件生产中实测的变强度区域的抗拉强度为630 MPa，断后延伸率为18%，没有达到设计要求，国内某主机厂零件软硬区分布如图2所示。笔者利用Gleeble-3500热模拟试验机模拟采用整体加热局部冷法生产变强度的热处理工艺方式，研究了不同冷却速率、不同等温温度对22MnB5热成型钢组织性能的影响，为热成型钢实现变强度的设计提供了最佳热处理工艺参数。

图2 某主机厂热成型件

1 试验材料与试验方案

1.1 试验材料

试验材料选用22MnB5钢板，厚度为1.2 mm，22MnB5的化学成分见表1。

表1 22MnB5化学成分

1.2 不同冷却速率对组织性能的影响的热模拟工艺

利用Gleeble3500热模拟机将试样加热至930 ℃、保温2.5 min，然后分别以1 ℃/s、1.5 ℃/s、2 ℃/s、5 ℃/s冷却到550 ℃并保温一定时间，最后以大于30 ℃/s的临界冷却速率冷却到室温。不同冷速热模拟工艺如图3所示。

图3 不同冷速热模拟工艺

1.3 不同等温温度对组织性能影响的热模拟工艺

利用Gleeble3500热模拟机将试样加热至930 ℃、保温2.5 min，然后分别以2 ℃/s分别冷却到600 ℃、550 ℃、500 ℃、450 ℃并保温一定时间，最后以大于30 ℃/s的临界冷却速率冷却到室温。不同等温温度热模拟工艺如图4所示。

2 试验结果与分析

2.1 22MnB5的原始组织及性能

试验选用的材料为22MnB5钢板，。其初始组织为铁素体和珠光体的混合组织，如图5所示。常温下22MnB5初始状态的力学性能见表2。

图4 不同等温温度热模拟工艺

图5 22MnB5的初始组织

表2 22MnB5初始状态力学性能

2.2 不同冷却速率对组织性能的影响

不同冷却速率下22MnB5的显微组织如图6所示。

图6 不同冷却速率下22MnB5的显微组织

从图6可以看出，冷却速率为1 ℃/s时，22MnB5的显微组织为铁素体和珠光体，铁素体的量约为63%；冷却速率为1.5 ℃/s时，22MnB5的显微组织为铁素体和珠光体，铁素体的量约为58%；冷却速率为2 ℃/s时，22MnB5的显微组织为铁素体和珠光体，铁素体的量约为52%；冷却速率为5 ℃/s时，22MnB5的显微组织为铁素体、珠光体和贝氏体，铁素体的量约为43%。由此可知，随着冷却速率的增加，铁素体的含量逐渐减少，珠光体的含量逐渐增多，冷却速率为5 ℃/s时，有贝氏体生成。

当钢化学成分一定时，先共析铁素体形态的数量与冷却速率有关，冷却速率增加，先共析铁素体没有充分的时间析出长大，数量逐渐减少且析出形态由块状趋向于针状发展，当冷却速度进一步增加时，奥氏体发生非扩散型转变，即发生贝氏体转变，表现出的宏观力学性能为强度增加但塑性下降。当冷却速率为2 ℃/s时，强度延伸率综合性能配合最佳。

不同冷却速率下22MnB5力学性能见表3和图7所示。

从图7可以看出，当冷却速率从1℃/s增加到5 ℃/s的过程中，22MnB5的屈服强度和抗拉强度逐渐增加，延伸率逐渐减小。

表3 不同冷却速率下22MnB5力学性能

图7 不同冷却速率下22MnB5的力学性能变化趋势

2.3 不同等温温度对组织性能的影响

将22MnB5热成型用钢由室温加热到930℃奥氏体充分均匀化后，在不同等温温度保温一定时间，然后冷却至室温的微观组织如图8所示。

图8 不同等温温度下22MnB5的显微组织

从图8（d）可以看出，测得的珠光体团尺寸为1.166 μm，其中团内含5个珠光体片层，因此600 ℃等温时珠光体片层间距约为0.23 μm；以此类推，500～550 ℃等温时珠光体片层间距约为0.15～0.20 μm；450 ℃等温温度时珠光体片层间距约为0.10 μm。由此可见，珠光体片层间距随等温温度的降低而逐渐减小。

材料在450～600 ℃等温时发生奥氏体向珠光体的转变，随等温温度的降低，原子活动能力减弱，扩散距离缩短，使珠光体中的渗碳体和铁素体片层间距减小，珠光体中的渗碳体层有阻止滑移的作用，塑性变形基本在铁素体内发生，珠光体受外力拉伸时，滑移的最大距离等于片层间距，珠光体片层间距越小，材料表现强度越高，塑性下降。500～550 ℃等温时，强度延伸率综合性能配合最佳。

不同等温温度下22MnB5的力学性能见表4和图9。

表4 不同等温温度下22MnB5的力学性能

图9 不同等温温度下22MnB5的力学性能

从图9可以看出，不同等温温度下22MnB5的抗拉强度、屈服强度随等温温度的降低逐渐升高，延伸率逐渐减低。

3 结论

（1）22MnB5钢在930 ℃保温5 min，冷却速率从1℃/s增加到5 ℃/s时，铁素体的含量由63%逐渐减少为43%，冷却速率为5 ℃/s时，有贝氏体生成，随着冷却速率的增加，其屈服强度和抗拉强度逐渐增加，延伸率逐渐减小。

（2）22MnB5钢在930 ℃保温5 min，450～600 ℃等温时，发生奥氏体向铁素体和珠光体转变，600 ℃等温时珠光体片层间距为0.23 μm，组织为粗片状珠光体；500～550 ℃等温时珠光体片层间距为0.15～0.20 μm；450 ℃等温温度时珠光体片层间距为0.10 μm，随等温温度的降低，珠光体片层间距减小， 延伸率逐渐减小，强度逐渐升高。

（3）22MnB5钢在930 ℃保温5 min，以2 ℃/s冷却到500～550 ℃等温时，其屈服强度为430～450 MPa，抗拉强度为650～680 MPa，断后延伸率为16%～18%，综合性能最佳，满足变强度热成型钢对强度和塑性的要求。