一种汽车用微合金非调质钢的连续冷却转变

赵 楠 ,孙晓冉 ,王程明 ,郭维超 ,赵剑磊

(1.河钢材料技术研究院,石家庄 050000;2.北京中永成建筑工程检验有限责任公司,北京 101118)

随着汽车需求量的剧增,国产化汽车产业也迅猛发展起来,随之而来的是对汽车零部件钢材需求量的不断增加。汽车零部件中有大量的连杆、齿轮、曲轴等受力结构件,这些结构件材料通常选用合金结构钢和中碳结构钢等[1]。汽车结构件材料要具有高强度、高韧性等优异的综合力学性能,往往需要对其材料进行调质处理,以满足对结构件力学性能的要求,这个过程将消耗大量的能源,并产生大量的污染物,且结构件的生产工艺复杂,生产周期长[2]。随着冶金工艺以及热加工技术的不断更新和进步,无需对材料进行调质处理,只需对其进行控轧、控冷等工艺处理就可以获得优异的力学性能[3]。非调质钢是在中碳钢中添加了微合金元素(Nb、V、Ti元素等),控制轧制工艺及冷却过程可以使非调质钢具有优异的综合力学性能[4-7]。

笔者采用膨胀法分析了某钢厂生产的一种汽车用微合金非调质钢在不同冷却速率下的过冷奥氏体转变过程,绘制了其过冷奥氏体连续冷却转变(CCT)曲线,详细研究了不同冷却速率下材料相变组织及显微硬度的变化趋势,以及冷却速率对CCT曲线、组织转变和力学性能的影响。

1 试验材料及方法

试验材料为某钢厂生产的一种汽车用铌钒微合金非调质钢,其主要化学成分如表1所示。在钢材中心位置沿纵向截取规格为4 mm×10 mm(直径×长度)的实心圆柱试样,并将试样两端磨平,避免试样夹持不稳造成误差。

表1 试验钢的主要化学成分 %

利用DIL805L 型淬火膨胀仪,依据YB/T 5127—2018 《钢的临界点测定方法 膨胀法》,将试样以0.05 ℃/s的速率加热至完全奥氏体化,测出试验钢的临界点Ac1和Ac3;依据YB/T 5128—2018《钢的连续冷却转变曲线图的测定方法 膨胀法》,将试样以10 ℃/s 的速率加热至900 ℃,并保温10 min,然后分别以0.1,0.2,0.5,1.0,3.0,5.0,10.0,20.0,40.0 ℃/s的冷速速率冷却至室温,记录试验时间-温度-膨胀量曲线。冷却后的试样经研磨、抛光、腐蚀后,利用光学显微镜对试样进行金相检验,并测定试样的显微维氏硬度,加载载荷为98 N。

2 试验结果与分析

2.1 不同冷却速率下的显微组织

不同冷却速率下试验钢的显微组织形貌如图1所示。由图1可知: 当冷却速率小于0.2 ℃/s时,显微组织以铁素体(F)和珠光体(P)为主,并含有少量的贝氏体(B),且铁素体为多边形大块状,说明在较低的冷却速率下,铁素体充分长大;随着冷却速率的增大,铁素体和珠光体逐渐细化且含量减少,贝氏体含量逐渐增大;当冷却速率增大至0.2 ℃/s时,显微组织中开始出现马氏体(M),此时的组织转变为铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体的混合组织;随着冷却速率的进一步增大,铁素体和珠光体含量继续减少,直到珠光体完全消失,铁素体也逐渐变成沿奥氏体晶界析出的细条状;当冷却速率为5.0 ℃/s时,铁素体消失,转变产物为贝氏体与马氏体;随着冷却速率的继续增大,马氏体含量逐渐增大,贝氏体含量逐渐减少直至完全消失;当冷却速率达到20.0 ℃/s时,过冷奥氏体的转变产物全部为马氏体。

2.2 相变温度和CCT曲线

根据膨胀仪采集的时间-膨胀量-温度曲线,采用切线法确定试验钢的临界点Ac3为838 ℃,Ac1为732 ℃,试验钢临界点的切点图如图2所示。

图2 试验钢临界点的切点图

不同冷却速率下的相变起始温度如表2所示(Fs为铁素体转变起始点,Ff为铁素体转变结束点,Ps为珠光体转变起始点,Pf为珠光体转变结束点,Bs为贝氏体转变起始点,Bf为贝氏体转变结束点,Ms为马氏体转变起始点,Mf为马氏体转变结束点),结合各冷却速率下的相变产物,绘制出试验钢的CCT曲线(见图3)。

图3 试验钢的CCT曲线

表2 试验钢在不同冷却速率下的相变温度和组织

由图3可知:试验钢的过冷奥氏体转变包含铁素体相变区、珠光体相变区、贝氏体相变区、马氏体相变区,试验钢在小冷却速率下获得组织粗大的多边形铁素体及珠光体。

从表2中各冷却速率下的相变起始温度及结束温度可以看出:铁素体的相变起始温度偏低。由于该钢中Mn元素含量较高,而Mn元素是强碳化物形成元素,固溶于铁素体和奥氏体中,使铁素体的形核与长大过程更容易发生,因此可以在较小冷却速率下获得较粗大的铁素体[8-10]。同时,Mn元素还能扩大奥氏体区域,增强过冷奥氏体的稳定性,延迟铁素体的转变,降低铁素体的相变起始温度[11-12]。此外,将微合金元素Nb、V 固溶在试验钢中,能够提高过冷奥氏体的稳定性,增大过冷度,使得相变起始温度降低[13-14]。

此外,试验钢在较小冷却速率下就可以得到贝氏体和马氏体,并且在研究的较宽冷却速率范围内均可获得贝氏体和马氏体,这主要是钢中合金元素的影响。几乎所有合金元素溶入奥氏体之后都会降低过冷奥氏体的稳定性,提高钢的淬透性,因此试验钢很容易出现贝氏体和马氏体[15-16]。钢中的Mo元素是强碳化物元素,在铁素体和渗碳体之间的扩散速率慢,使奥氏体向铁素体和珠光体的转变过程延长,从而促进贝氏体和马氏体的形成[17]。

2.3 不同冷却速率下的硬度变化

当冷却速率分别为0.1,0.2,0.5,1,3,5,10,20,40 ℃/s时,显微硬度分别为217,256,305,332,351,368,391,412,420 HV。随着冷却速率的增大,显微硬度整体呈上升趋势。这是由不同冷却速率下试验钢的显微组织变化引起的,碳含量的不同以及晶体结构的差异使各显微组织的硬度呈现马氏体硬度>贝氏体硬度>奥氏体硬度>铁素体硬度的规律[18],因此随着冷却速率的增大,试验钢的显微组织从以铁素体、珠光体为主,逐渐转变为大部分组织为贝氏体,最终转变为完全马氏体,显微硬度也呈现逐步增大的趋势。当冷却速率从0.1 ℃/s增大到0.5 ℃/s时,试验钢的显微硬度随着冷却速率的增大快速增大;当冷却速率达到0.5 ℃/s后,试验钢的显微硬度随冷却速率的增大也逐渐增大,但增大速率变慢,这也是试验钢显微组织的变化造成的;当冷却速率为0.1 ℃/s时,相变组织大部分为多边形铁素体加珠光体,随着冷却速率的逐渐增大,铁素体逐渐细化并沿晶界析出,显微组织大部分为贝氏体,因此宏观上呈现显微硬度迅速增大的现象。

3 结论

(1) 测定了一种汽车用微合金非调质钢的CCT曲线,确定其临界温度Ac3为838 ℃,Ac1为732 ℃。

(2) 试验钢在不同冷却速率下分别发生了铁素体/珠光体转变,贝氏体转变和马氏体转变。当冷却速率小于0.2 ℃/s时,试验钢的相变产物由均匀分布的铁素体、贝氏体和珠光体组成;当冷却速率为0.2 ℃/s时,转变产物中出现马氏体;当冷却速率为5 ℃/s时,铁素体、珠光体消失,转变为贝氏体、马氏体;随着冷却速率的进一步增大,马氏体含量逐渐增大,贝氏体含量逐渐减少直至贝氏体消失;当冷却速率大于20 ℃/s时,转变产物全部为马氏体。

(3) 随着冷却速率的增大,试验钢的显微硬度呈先快速增大,后增大速率变慢的趋势。