水淬入口温度对冷轧马氏体钢组织性能的影响

孙荣生 ，王植 ，王静 ，刘军友 ，金晓龙 ，蔡顺达 ，刘仁东

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司冷轧厂，辽宁 鞍山 114021；3.鞍钢股份有限公司系统创新部，辽宁 鞍山 114021）

近年来，随着汽车轻量化和新能源汽车的高速发展，先进高强钢产品在汽车行业中的应用显著增加。冷轧马氏体钢作为超高强钢的典型代表，强度级别可达到1 500 MPa级，是目前强度最高的冷成型先进高强钢。冷轧马氏体钢可通过辊压成形生产形状简单的零件，主要用于车门防撞杆等零件，用来代替管状零件，以降低制造成本［1-3］。冷轧马氏体钢（Martensite Steel）主要是通过高温奥氏体组织快速淬火转变为板条马氏体组织，淬火马氏体组织需进行回火处理以改善其塑性，使其在如此高的强度下，仍具有一定的成形性能［4-5］。本文以C-Mn-Si系冷轧超高强马氏体钢为研究对象，研究水淬入口温度对马氏体钢微观组织及力学性能的影响。由于C-Mn-Si系冷轧马氏体钢的成分特点，退火工艺中的水淬入口温度对其性能及组织的影响极为重要，直接影响马氏体的生成量，最终决定马氏体钢的力学性能。通过对不同水淬入口温度条件下组织性能及力学性能分析，为工业化生产提供数据支撑。

1 试验材料及工艺路线

试验用钢采用工业生产的冷轧轧硬钢板，具体生产工艺路线如下：铁水预处理→转炉冶炼→精炼→连铸→热连轧机组→层流冷却→冷连轧机组→连续退火机组。试验钢化学成分如表1所示。试验用带钢取经酸洗、冷轧得到的1.2 mm厚热轧钢板进行模拟退火试验。

表1 试验钢化学成分（质量分数）Table 1 Chemical Compositions in Test Strip（Mass Fraction） %

试验钢退火工艺如图 1 所示，1#、2#、3#试样均加热到Ac3以上完全奥氏体化，经缓冷之后淬火至室温，1#试样水淬入口温度为650℃,2#试样水淬入口温度为700℃，3#试样水淬入口温度为750℃，之后进行回火并保温，最后冷却到室温。

图1 试验钢退火工艺Fig.1 Annealing Process for Test Strip

2 结果与讨论

2.1 水淬入口温度对试验用钢力学性能的影响

利用上述化学成分的试验钢冷硬板进行退火工艺模拟，冷硬板厚度为1.2 mm，不同水淬入口温度试验钢力学性能如图2所示。1#试验钢横向抗拉强度大于1 100 MPa，屈服强度大于900 MPa，延伸率大于11%；2#试验钢横向抗拉强度大于1 300 MPa，屈服强度大于1 100 MPa，延伸率大于8%；3#试验钢横向抗拉强度大于1 500 MPa，屈服强度大于1 200 MPa，延伸率大于7%。从中可以看出，随着水淬入口温度的升高，屈服强度及抗拉强度增加，延伸率降低，这是因为随着水淬入口温度的升高，影响基板内马氏体组织的生成量导致。

图2 不同水淬入口温度试验钢力学性能Fig.2 Mechanical Properties of Test Strip under Different Temperatures for Water Quenching

2.2 工业产品微观组织结构观察

通过光学电镜、扫描电镜及透射电镜对试验钢进行金相组织观察，不同水淬入口温度试验钢微观组织见图3。由图3可见，水淬入口温度为650℃的试验钢微观组织为块状铁素体+马氏体，通过透射电镜观察发现，马氏体基体中均出现碳化物析出；水淬入口温度为700℃的试验钢微观结构与水淬入口温度为650℃的试验钢相似，但为块状铁素体+板条马氏体的双相组织，且铁素体比例较水淬入口温度为650℃的少，同时通过透射电镜观察发现，板条马氏体基体中均出现碳化物析出；水淬入口温度为750℃的试验钢微观结构均为板条马氏体组织，且边缘变得模糊，同时在马氏体基体上析出大量的薄片状或薄膜状碳化物。这也是强度随着水淬入口温度增加而变高的原因。

图3 不同水淬入口温度试验钢微观组织Fig.3 Microstructures of Test Strip under Different Temperatures for Water Quenching

2.3 断口形貌分析

利用扫描电镜观察样品拉伸试样断口，不同水淬入口温度试验钢断口形貌见图4。从图中可以看出，水淬入口温度在650℃及700℃的试验钢韧窝大小差别不大，均表现韧窝数量较多，且均匀分布。水淬入口温度为750℃时，韧窝体积偏大数量偏少，且分布不均匀。虽然随着水淬入口温度升高，塑性变差，强度更高，但断裂均为韧性断裂。

图4 不同水淬入口温度试验钢断口形貌Fig.4 Fracture Appearances of Test Strip under Different Temperatures for Water Quenching

3 结论

（1）水淬入口温度直接影响成品带钢的组织及马氏体生成量，经750℃淬火可得到组织为全马氏体的单相组织，经700℃淬火可得到组织为马氏体+铁素体的双相组织，经650℃淬火可得到组织为马氏体+铁素体的双相组织，且铁素体组织较多。

（2）不同水淬入口温度下成品组织中的马氏体含量直接决定成品带钢的力学性能，随着水淬入口温度的升高，屈服强度、抗拉强度均呈上升趋势，延伸率呈下降趋势，全马氏体组织带钢强度可达1 500 MPa以上。

（3）利用扫描电镜观察拉伸试样断口形貌可以看出，不同水淬入口温度下试验钢均为韧性断裂，只是韧窝大小略有差别。