熱沖壓成形鋼是一種適用于熱成形工藝生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼板,其熱成形前的顯微組織為鐵素體＋珠光體,具有強(qiáng)度低、硬度低、塑性好等特點(diǎn),易于切削加工和冷加工。熱沖壓過程中,鋼板在高溫下的塑性進(jìn)一步增強(qiáng),可有效解決冷成形過程中存在的易開裂、易回彈、難成形等問題。熱沖壓成形是一種生產(chǎn)高強(qiáng)度汽車零部件的技術(shù),逐漸在汽車行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。某鋼廠熱軋酸洗熱成形鋼22MnB5主要應(yīng)用于汽車防撞梁、車門防撞桿、扭力梁、B柱等部件中[1－2]。

鋼的過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線能系統(tǒng)反映冷卻速率對(duì)相轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)、相變進(jìn)行程度和相變所得產(chǎn)物的影響,是合理制定熱處理工藝的重要依據(jù),也是研究固態(tài)相變理論的重要基礎(chǔ)[3－5]。在開發(fā)新的鋼材時(shí),需要測(cè)定材料相應(yīng)的CCT曲線。筆者以某廠生產(chǎn)的熱沖壓成形鋼22MnB5為對(duì)象,利用DIL805型熱膨脹相變儀測(cè)定該鋼的相變點(diǎn),并結(jié)合顯微組織和硬度分析,獲得了該鋼的CCT曲線,為該鋼的后續(xù)研發(fā)和新的生產(chǎn)工藝制定提供數(shù)據(jù)支持。

1. 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用厚度為40 mm的熱成形鋼22MnB5中間坯進(jìn)行試驗(yàn),在橫截面長(zhǎng)和寬的各1/4處取樣,取樣位置參照YB/T 5127—2008 《鋼的臨界點(diǎn)測(cè)定 膨脹法》和YB/T 5128—2018 《鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖的測(cè)定 膨脹法》,取樣方法如圖1所示,依次采用鋸床、銑床、磨床、線切割機(jī)將試樣加工成直徑為4 mm,高度為10 mm的淬火相變?cè)嚇?。試?yàn)材料的化學(xué)成分如表1所示。

圖 1取樣方法示意

1.2 試驗(yàn)方法

線切割后的相變?cè)嚇颖砻鏁?huì)有不同程度的氧化或油污,試驗(yàn)前需要將其徹底清理干凈,防止試驗(yàn)過程中發(fā)生試驗(yàn)腔污染,破壞真空度,導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)。用砂紙輕輕打磨掉試樣表面的銹斑及油污,用超聲波清洗試樣兩遍,再用吹風(fēng)機(jī)吹干試樣,使用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量試樣的初始長(zhǎng)度和直徑；再使用點(diǎn)焊機(jī)將熱電偶絲焊接在試樣上,焊接熱電偶時(shí),防止試樣焊接點(diǎn)氧化；熱電偶兩根絲不能互搭,防止短路。將待檢試樣放入兩個(gè)頂桿間,保證試樣與頂桿接觸良好,且在同一水平面上。連接熱電偶絲,將位移調(diào)零,然后開冷卻水,抽真空。待真空度達(dá)到一定程度后,充入惰性氣體開始試驗(yàn)。

在室溫保護(hù)氣體環(huán)境下,采用DIL805型熱膨脹相變儀模擬生產(chǎn)過程中冷卻速率對(duì)鋼材相變和顯微組織的影響。靜態(tài)CCT曲線試驗(yàn)工藝路線如圖2所示,具體為：加熱溫度為1 200 ℃,加熱速率為20 ℃/s；保溫5 min；以10個(gè)不同冷卻速率對(duì)試樣進(jìn)行降溫處理,冷卻到室溫25 ℃。

圖 2靜態(tài)CCT曲線試驗(yàn)工藝路線

采用蔡司DIM5000M型光學(xué)顯微鏡觀察不同冷卻速率下熱沖壓成形鋼的顯微組織形貌,腐蝕劑為體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液；采用全自動(dòng)顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量不同冷卻速率下熱沖壓成形鋼的硬度(HV5),加載力為5 kgf(1 kgf＝9.806 65 N),保持時(shí)間為10 s,每個(gè)冷卻速率下分別測(cè)3個(gè)點(diǎn),取硬度平均值。

2. 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 組織轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)

22MnB5鋼的升溫膨脹曲線如圖3所示,升溫速率為20 ℃/s,相變點(diǎn)為切線與曲線的切點(diǎn)。測(cè)得22MnB5鋼加熱時(shí)的臨界點(diǎn)Ac1(加熱時(shí)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度)為746 ℃,Ac3(加熱時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度)為862 ℃。

圖 322MnB5鋼的升溫膨脹曲線

2.2 顯微組織

不同冷卻速率下22MnB5鋼的顯微組織形貌如圖4所示。過冷奧氏體冷卻后轉(zhuǎn)變成不同的組織,如鐵素體(F)、鐵素體(F)＋珠光體(P)、貝氏體(B)＋馬氏體(M)、馬氏體(M)等[6]。由圖4可知：當(dāng)冷卻速率為0.1 ℃/s時(shí),顯微組織為粗大的F與P,先析出F；當(dāng)冷卻速率為0.5 ℃/s和1 ℃/s時(shí),顯微組織中出現(xiàn)了大量B,少量的F和P；當(dāng)冷卻速率為3 ℃/s和5 ℃/s時(shí),顯微組織以B為主,有極少量的P和F；當(dāng)冷卻速率大于7.5 ℃/s時(shí),有M出現(xiàn)；當(dāng)冷卻速率大于10℃/s時(shí),B含量減少,M含量逐漸增多；當(dāng)冷卻速率大于30 ℃/s時(shí),過冷奧氏體全部轉(zhuǎn)化為M。

圖 4不同冷卻速率下22MnB5鋼的顯微組織形貌

2.3 不同冷卻速率下的硬度

不同冷卻速率下22MnB5鋼的硬度變化為：當(dāng)冷卻速率為0.5 ℃/s時(shí),硬度變化很明顯；當(dāng)冷卻速率為1～20 ℃/s時(shí),硬度與冷卻速率正相關(guān)；當(dāng)冷卻速率大于20 ℃/s時(shí),硬度逐步趨于穩(wěn)定。

當(dāng)冷卻速率由0.1 ℃/s升高到0.5 ℃/s時(shí),轉(zhuǎn)變產(chǎn)物F和P的含量逐漸減少,B的含量逐漸增加,對(duì)應(yīng)的硬度發(fā)生較大變化；當(dāng)冷卻速率為0.5～20 ℃/s時(shí),F和P逐漸減少,主要為B和M,對(duì)應(yīng)硬度顯著增大；當(dāng)冷卻速率超過20 ℃/s時(shí),主要發(fā)生M轉(zhuǎn)變,硬度基本穩(wěn)定,略有增大。

3. CCT曲線的繪制及分析

采用切線法找出不同冷卻速率下膨脹曲線上的相變點(diǎn),將不同冷卻速率下測(cè)得的相變點(diǎn)繪制在溫度－時(shí)間坐標(biāo)上,再將同一種相變開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)用擬合線連接,再標(biāo)出馬氏體的開始區(qū)間和結(jié)束區(qū)間,即得到該材料的CCT曲線,22MnB5鋼的CCT曲線如圖5所示[7－8]。圖5中冷卻曲線上的數(shù)字為不同冷卻速率,Ms為馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度,Mf為馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度。

圖 522MnB5鋼的CCT曲線

由圖5可知：在不同冷卻速率下,熱沖壓成形鋼連續(xù)冷卻時(shí),過冷奧氏體會(huì)析出F,發(fā)生P轉(zhuǎn)變、B轉(zhuǎn)變以及M轉(zhuǎn)變。當(dāng)冷卻速率由0.1 ℃/s升高到0.5 ℃/s時(shí),析出F的溫度逐漸降低,析出量也逐漸減少,同時(shí)有P轉(zhuǎn)變。冷卻速率為5～20 ℃/s時(shí),F和P轉(zhuǎn)變量減少,B的轉(zhuǎn)變量越來(lái)越多。當(dāng)冷卻速率達(dá)到7.5 ℃/s時(shí),開始發(fā)生M轉(zhuǎn)變。

4. 結(jié)論

(1) 將膨脹法與金相法和硬度法結(jié)合,得到熱沖壓成形鋼22MnB5的CCT曲線,為熱沖壓成形鋼控軋控冷工藝提供了依據(jù)。

(2) 熱沖壓成形鋼22MnB5的臨界點(diǎn)Ac1為746 ℃,Ac3為862 ℃。冷卻速率為0.1 ℃/s時(shí),顯微組織為粗大的F＋P；冷卻速率為0.5～5 ℃/s時(shí),顯微組織為B＋F＋P；冷卻速率大于7.5 ℃/s時(shí),顯微組織為M＋B；冷卻速率大于30 ℃/s時(shí),顯微組織全部為M。

(3) 硬度隨著冷卻速率的增大呈增大趨勢(shì)。當(dāng)冷卻速率為1～20 ℃/s時(shí),硬度隨著冷卻速率的增大明顯增大；當(dāng)冷卻速率大于20 ℃/s時(shí),硬度逐步趨于穩(wěn)定。

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