目前熱成形鋼的發(fā)展趨勢主要集中在提高延性上，同時(shí)，新鋼種的設(shè)計(jì)也克服了表面過度氧化，避免了沖壓模具冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜性。這種新型鋼及相應(yīng)的成形技術(shù)被稱為低溫?zé)岢尚位驘釠_壓技術(shù)，克服了傳統(tǒng)熱成形鋼的缺點(diǎn)。本文研究了不同退火溫度后的微觀結(jié)構(gòu)特性和力學(xué)行為。結(jié)果表明，其微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性與退火溫度有很大的關(guān)系。這些結(jié)果表明，當(dāng)罩退退火溫度在570-630℃之間時(shí)，鋼的抗拉強(qiáng)度超過1400MPa，總伸長率為9%。在690℃以上，拉伸強(qiáng)度和總伸長率明顯下降。這些惡化的力學(xué)性能可以歸因于先前的奧氏體粒尺寸和板條馬氏體分?jǐn)?shù)的增加。

Keywords: Low temperature hot forming; Medium-Mn; Microstructure; Mechanical characteristics

1. Introduction

目前，由于汽車車身輕量化和提高被動(dòng)安全性的需求，促使汽車行業(yè)持續(xù)開發(fā)新的材料和制造工藝。熱沖壓是一種結(jié)合了成型和淬火工藝，用以生產(chǎn)超高強(qiáng)度汽車結(jié)構(gòu)件的創(chuàng)新且有效方法，如汽車A柱、B柱、車頂梁、保險(xiǎn)杠等 [1,2]。在熱沖壓生產(chǎn)過程中，將硼鋼放到800-950℃的加熱爐中保溫3-10分鐘，使其充分奧氏體化，然后迅速轉(zhuǎn)移到模具中，成形和淬火同時(shí)進(jìn)行，并最終獲得具有超高抗拉強(qiáng)度的全馬氏體組織構(gòu)件[3,4]。22MnB5（抗拉強(qiáng)度在1300MPa以上）是近幾十年來在熱沖壓生產(chǎn)中最常用的硼鋼。近年來，一種抗拉強(qiáng)度超過1800 MPa的新型熱沖壓鋼被開發(fā)出來，用以取代部分傳統(tǒng)的熱沖壓鋼。

熱成形鋼在模具中淬火冷卻成形獲得全馬氏體結(jié)構(gòu)是其重大特點(diǎn)。 然而較高的熱處理溫度導(dǎo)致氧化皮嚴(yán)重，同時(shí)需要較高的冷卻能力，導(dǎo)致模具設(shè)計(jì)制造成本較高，影響傳統(tǒng)熱成形鋼的應(yīng)用，近年來低溫?zé)釠_壓成形技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)，中錳成分可降低奧氏體化溫度，同時(shí)對冷卻能力要求低，最終性能優(yōu)異[5, 6].

2. Material and test process

本論文研究的鋼成分為，wt%: C, 0.1-0.13; Si, 0.25; Mn, 4.50-5.50; Cr, 0.15-0.55; S, 0.0017; P, 0.006; B, 0.0010-0.0040; and Fe, balance. 最終冷軋板厚度為1.5mm。利用相圖計(jì)算軟件計(jì)算的 Ae1 和 Ae3 分別為 451°C 和737°C。

10°C/s熱膨脹測定的 Ac1 和 Ac3 分別為 652 °C 和 781°C, 因此低溫?zé)岢尚尾捎?/span>800℃-7min來完成完全奧氏體化。熱成形前在570-720°C范圍內(nèi)退火。每個(gè)退火參數(shù)都要垂直于滾動(dòng)方向切割三個(gè)拉伸樣品。室溫下在儀器5985拉伸試驗(yàn)機(jī)上測量了力學(xué)性能，十字頭位移為2mm/min，標(biāo)距長度為50mm，寬度為12.5mm。在平行于軋制方向的電解拋光后，采用電子背散射衍射(EBSD)對其截面進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)分析。EBSD觀察是在JSM 7001FFE-SEM進(jìn)行的。首先對EBSD樣品進(jìn)行機(jī)械拋光，然后在室溫下在10%高氯酸和85%酒精的混合溶液中進(jìn)行電子拋光，應(yīng)用電位為25V。

3. Results and discussion

3.1 Mechanical properties before and after low temperature hot forming

圖2描述了不同的罩退退火溫度和隨后的低溫?zé)嵝纬傻牧W(xué)性能。這些結(jié)果表明，當(dāng)退火溫度在570-630C之間，退火時(shí)間為8h時(shí)，退火鋼的抗拉強(qiáng)度約為800MPa。結(jié)果表明，在低溫?zé)岢尚螤顟B(tài)下，當(dāng)加熱溫度超過1100MPa時(shí)，其力學(xué)性能略有下降。當(dāng)浴缸退火溫度在570-630C之間時(shí)，低溫?zé)岢尚魏蟮匿摰目估瓘?qiáng)度超過1400MPa。然而，當(dāng)退火溫度超過690C時(shí)，低溫?zé)岢尚武摰目估瓘?qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低到1300MPa左右。.

3.2 Microstructure evolution

圖3顯示了模擬罩退退火后鋼的微觀結(jié)構(gòu)。630℃以下退火條件下的鋼的微觀結(jié)構(gòu)由以下的鐵氧體和碳化物組成。此外，由于優(yōu)良的淬火耐火性，在模擬罩式退火爐冷卻過程中可以形成馬氏體。馬氏體分?jǐn)?shù)隨退火溫度的升高而逐漸增加。在720℃下退火后，形成了一個(gè)幾乎完全的馬氏體結(jié)構(gòu)。 退火參數(shù)對試驗(yàn)鋼微觀組織的影響如圖4所示。鋼在800℃下奧氏體化，在淬火前等溫保持8 min?？梢钥闯觯?jīng)過完全奧氏體化后的微觀結(jié)構(gòu)由板條馬氏體和大量馬氏體組成。

為了詳細(xì)分析不同退火條件下微觀結(jié)構(gòu)的變化，我們進(jìn)行了EBSD分析。顯示了EBSD逆極圖(IPF)和重建的晶界圖。隨著罩退退火溫度的升高，板條馬氏體的比例和奧氏體粒徑增大。原奧氏體晶粒的平均粒度由5.9μm增加到9.6μm。在720℃退火的馬氏體板條的長度和寬度均大于600℃。未溶解的碳化物和細(xì)鐵素體結(jié)構(gòu)提供了大量的成核點(diǎn)，因此奧氏體的粒徑小于初始結(jié)構(gòu)為粗馬氏體的樣品。對于馬氏體鋼，強(qiáng)度是由原始奧氏體顆粒中三個(gè)子結(jié)構(gòu)的尺寸決定的，因此，退火溫度是與材料熱沖壓應(yīng)用有關(guān)的關(guān)鍵因素。它可以總結(jié)在曲線中，較高的退火溫度的樣品似乎遇到了強(qiáng)度的下降。

4. Conclusions

從本文中得出的主要結(jié)論如下： 當(dāng)罩退溫度在570-630C之間時(shí)，低溫?zé)岢尚魏蟮匿摰目估瓘?qiáng)度超過1400MPa。然而，當(dāng)罩式退火溫度超過690C時(shí)，低溫?zé)岢尚武摰目估瓘?qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低到1300MPa左右。 隨著浴退火溫度的升高，板條馬氏體的比例和奧氏體粒徑增大。先驗(yàn)奧氏體的平均粒度由5.9μm增加到9.6μm。較高的退火溫度的樣品似乎遇到了強(qiáng)度的下降。

References

1. Z. Q. Zhang, C. H. Liu, S. F. Meng, X. J Li and X. H. Zhao, Investigation of Heat Transfer in Hot Stamping of Boron Steel, Metall. Mater. Trans. B. 47, 824(2016).

2. S.Q. Zhang, D. Feng, Y. H. Huang, S. Z. Wei, H. Mohrbacher and Y. Zhang, Constitutive Modeling of High-Temperature Flow Behavior of an Nb Micro-alloyed Hot Stamping Steel, J. Mater. Eng. Perform. 25, 948(2016).

3. Z. X. Gui, W. K. Liang, and Y. S. Zhang, Enhancing ductility of the Al-Si coating on hot stamping steel by controlling the Fe-Al phase transformation during austenitization, Sci. China Technol. Sc. 57, 1785(2014).

4. P.F. Bariani, S. Bruschi, A. Ghiotti and A. Turetta, Testing formability in the hot stamping of HSS, CIRP Annals 57, 265(2008).

5. S. S. Li and H. W. Luo, Medium-Mn steels for hot forming application in the automotive industry, International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, 28, 741(2021)

6. C. Y. Wang, X. D. Li, S Han, L. Zhang, Y. Chang, W.Q. Cao, H. Dong, Warm Stamping Technology of the Medium Manganese, Steel research international, 12, (2018).

注：本文由首鋼集團(tuán)研究院供稿，熱成形產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟整理發(fā)布，版權(quán)歸原作者所有。在此聲明禁止媒體、機(jī)構(gòu)或個(gè)人在未經(jīng)授權(quán)的情況下違法轉(zhuǎn)載和使用。熱成形產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟是服務(wù)于工業(yè)企業(yè)的垂直行業(yè)媒體，關(guān)注「熱成形產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟」公眾號了解更多專家解讀、技術(shù)熱點(diǎn)、資訊/論文及行業(yè)活動(dòng)等信息，投稿合作：13501964098 聯(lián)盟秘書處。