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[热冲压|热成型工艺] 铌钒微合金化对22MnB5热成形钢显微组织与性能的影响

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发表于 2020-4-10 08:56:15 | 显示全部楼层 |阅读模式

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铌钒微合金化对22MnB5热成形钢显微组织与性能的影响

刘安民1,冯 毅1,赵 岩1,马鸣图1,路洪洲2
(1.中国汽车工程研究院股份有限公司,重庆 401122;2.中信金属股份有限公司,北京 100004)
【中国汽车材料网】摘 要:复合添加质量分数均为0.04%的铌和钒对22MnB5热成形钢进行微合金化,对比研究了微合金化前后试验钢的显微组织、拉伸性能、淬透性和极限尖冷弯性能,分析了铌钒微合金化对性能的影响机制。结果表明:微合金化前后试验钢的显微组织均为全马氏体且均存在明显的马氏体板条束,微合金化后的组织更为细小,马氏体板条束长度更短,拉伸性能略有提升;铌钒复合微合金化能有效提高试验钢的淬透性,其淬硬层深度由未微合金化的3~5 mm提高到13~14 mm;铌钒微合金化后试验钢的极限尖冷弯角为65°~70°,显著高于未微合金化的;NbC细化晶粒与VC沉淀强化的协同作用是微合金化后试验钢具有更优性能的根本原因。
关键词:22MnB5钢;铌钒微合金化;淬透性;冷弯角

自2009年以来,我国汽车工业得到了飞速发展,目前已成为我国的支柱产业之一[1]。在全球节能减排趋势下,汽车工业正向着智能化、电动化和轻量化方向发展。近年来,随着汽车轻量化技术不断进步,轻量化材料及先进工艺在汽车上的应用不断增多,其中,热冲压成形技术既能实现轻量化又能提升安全性能,主要用于生产汽车结构件和安全件,已得到各大汽车厂家的认可,得到了广泛应用[2-3]。

]具有全马氏体组织、1 500 MPa级别的22MnB5热成形钢已经得到大规模应用,以1 800 MPa为代表的更高强度级别的热成形钢也相继开发并已逐渐实现应用[4]。但是,强度级别高的钢种其韧性较差,在碰撞过程中发生脆断或在服役过程中出现延迟断裂的风险增大。宝马和奔驰公司依据德国VDA 238-100标准,分别提出热成形钢的极限尖冷弯角应大于60°和65°的要求,但目前淬火态22MnB5钢的极限尖冷弯角很难达到60°。BIAN等[5-6]研究发现:添加质量分数0.05%的铌能够细化热成形钢的晶粒,并显著提高其极限尖冷弯角,进而能够增加其热成形零件在碰撞过程中未开裂阶段的变形量,即增加同等条件下热成形零件的碰撞吸收能量。目前,22MnB5热成形钢的成分优化方法主要为单独添加钨、钼、铌等元素[2,5],复合添加铌和钒的优化工艺尚未见报道。为此,作者通过复合添加铌和钒对传统22MnB5热成形钢进行了成分优化,研究了铌钒微合金化对该钢淬透性、显微组织、力学性能和极限尖冷弯性能的影响,分析了铌钒微合金化对其性能的影响机制。


1 试样制备与试验方法
1.1 试样制备

试验材料为马钢在相同工艺下生产的两种热成形钢,分别记为1#钢和2#钢,实测化学成分见表1。其中,1#钢为传统22MnB5热成形钢,2#钢为在传统22MnB5热成形钢的成分基础上,复合添加质量分数均约为0.04%的铌和钒元素进行微合金化后的钢。两种热成形钢的生产工艺为转炉冶炼→炉外精炼→真空除气→连铸。将连铸坯热轧成厚度4~5 mm的钢板,酸洗去除氧化皮后,冷轧成厚度1.5 mm的薄板,再进行连续退火处理;将退火后的薄板机加成尺寸1 000 mm×700 mm×1.5 mm的矩形板,在热冲压生产线上加热到930 ℃并保温5 min,用机械手快速将矩形板移到平板模具上进行淬火处理(模拟实际生产线上零件的热成形),淬火时加载载荷15 kN,矩形板在平板模具上的冷却时间为20 s,出模温度150~200 ℃。

表1 两种热成形钢的化学成分(质量分数)

Table 1 Chemical composition of two hot press forming steels (mass) %

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1.2 试验方法

在淬火后的矩形板上线切割出平面尺寸10 mm×10 mm的金相试样,经热镶、粗细砂纸逐级研磨、金相研磨机抛光后,用体积分数4%硝酸乙醇溶液腐蚀,根据GB/T 13298-2015,采用DMI3000M型光学显微镜(OM)观察显微组织;在淬火后的矩形板上采用线切割和研磨方式加工出试样,经热镶、机械抛光、电解抛光处理后,使用FEI Nova400型扫描电镜(SEM)进行背散射衍射(EBSD)测试。根据GB/T 4340.1-2009,使用HVS-1000型维氏硬度计测试硬度,载荷为9.8 N,加载时间15 s。

在淬火后的矩形板上采用线切割和研磨方式加工出尺寸160 mm×50 mm×1.5 mm的拉伸试样,平行段宽度为12.5 mm,长度方向为轧制方向,根据GB/T 228.1-2010,使用CMT5305型万能材料拉伸试验机进行拉伸试验,试验温度为25 ℃,应变速率为0.003 s-1。

在连铸坯上加工出尺寸φ25 mm×100 mm的圆棒试样,根据GB/T 225-2006进行端淬试验。将圆棒试样加热至900 ℃,保温30 min空冷(正火预处理)后,在蔡康CK-III型端淬机上加热至900 ℃保温25 min水冷;采用粗细砂纸逐级研磨试样端面,最终用400#砂纸研磨出平面,采用TH300型洛氏硬度计测试距淬火端面不同距离处的洛氏硬度。

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图1 冷弯过程示意

Fig.1 Diagram of cold bending


在显微组织和拉伸性能合格的淬火矩形板上,通过线切割和端面研磨方式加工出尺寸60 mm×60 mm×1.5 mm的试样,用400#砂纸研磨清理其表面氧化皮,酒精清洗吹干。氧化皮清除后1#钢试样的实测厚度为1.46 mm,2#钢试样的为1.43 mm。按照VDA 238-100,在预安装压头和辊轮工装的CMT5305型万能材料拉伸试验机上进行冷弯试验,冷弯过程如图1所示,压头半径0.4 mm,辊轮间距3.5 mm,温度为室温,下压速度为20 mm·min-1。


2 试验结果与讨论

2.1 对显微组织与力学性能的影响

由图2可以看出:热冲压工艺处理后,1#钢和2#钢的显微组织均为全马氏体组织,且均存在明显的马氏体板条束;1#钢的显微组织相对粗大,马氏体板条束长度在30~40 μm,2#钢的显微组织相对细小、均匀,马氏体板条束长度在10~20 μm,这说明铌钒微合金化有利于细化22MnB5热成形钢的显微组织。此外,热冲压保压淬火结束后的出模温度为150~200 ℃,在出模时试样发生一定程度的低温自回火,这会适当降低淬火应力。

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图2 两种试验钢的显微组织

Fig.2 Microstructures of two tested steels: (a) 1#steel, OM micrograph; (b) 2#steel, OM micrograph;

(c) 1#steel, EBSD micrograph and (d) 2#steel, EBSD micrograph


1#和2#钢的显微硬度均在460~490 HV。由图3可以看出:1#钢和2#钢的抗拉强度均大于1 500 MPa,屈服强度大于1 050 MPa,断后伸长率大于8%;2#钢的强塑性水平相对于1#钢的略有提升。结合图2分析可知,铌钒微合金化通过细化组织而改善了试验钢的强塑性。

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图3 两种试验钢的工程应力-工程应变曲线

Fig.3 Engineering stress-engineering strain curves of two tested steels


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图4 两种试验钢的洛氏硬度随距淬火端距离的变化曲线

Fig.4 Rockwell hardness vs distance from quenching end curves of two tested steels


2.2 对淬透性的影响

由图4可以看出,随着距淬火端距离的增大,1#和2#钢的硬度均降低。根据碳质量分数0.22%马氏体的硬度,将洛氏硬度42 HRC定为全马氏体转变的临界点,则由图4可知1#钢的淬硬层深度为3~5 mm,2#钢的为13~14 mm。由此可见,铌钒微合金化能够显著提高22MnB5热成形钢的淬透性。在同等热冲压条件下,铌钒微合金化22MnB5热成形钢更容易获得全马氏体组织,这大大拓宽了其热冲压工艺窗口。


2.3 对极限尖冷弯性能的影响

VDA 238-100中规定,在冷弯试验过程中,当载荷达到最大时试样处于失效临界区,此时由最大载荷对应的位移计算得到的冷弯角为试样的极限尖冷弯角;当位移进一步增大后,试样出现裂纹并发生失效断裂[7]。由图5可以看出,1#和2#钢在冷弯开始阶段的变形抗力几乎保持一致,在冷弯后半阶段,2#钢的协调变形能力优于1#钢的,表现出更大的变形抗力和位移。通常可用载荷-位移曲线包围的面积来表征变形过程中吸收能量的能力。2#钢载荷-位移曲线包围的面积明显高于1#钢的,表明2#钢在弯曲变形过程中吸收能量的能力强于1#钢的。由表2可以看出,2#钢的极限尖冷弯角为65°~70°,高于1#钢的,说明铌钒微合金化能够提高22MnB5热成形钢的极限尖冷弯性能。

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图5 在冷弯试验过程中不同试验钢试样的载荷-位移曲线

Fig.5 Load-displacement curves of different tested steel specimens during cold bending test

表2 两种试验钢的极限尖冷弯角

Table 2 Extreme tip cold bending angles of two tested steels(°)


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图6 2#钢的TEM形貌

Fig.6 TEM micrographs of 2#steel: (a) view 1 and (b) view 2


综上所述,铌钒微合金化试验钢的综合服役性能更为优异。由于两种热成形钢的厚度相同,微合金化试验钢在服役性能方面的优势主要来自于其本身的组织特性。由图6可知,2#钢基体中析出了NbC和VC。NbC在高温奥氏体化过程中(NbC在钢中的固溶温度约为1 150 ℃,在约930 ℃奥氏体化温度下为析出状态)能有效阻止晶粒长大,使得淬火后试验钢能够获得细小的板条马氏体组织,从而增强其在冷弯过程中拉应力区的协调变形能力;而在热成形淬火冷却过程中基体中析出了VC,起到了一定的沉淀强化作用。在细晶效应与沉淀强化效应的协调作用下,2#钢具有更高的变形抗力和更为优异的强塑性水平。


3 结 论

(1) 铌钒微合金化前后22MnB5热成形钢的显微组织均为全马氏体,且均存在明显的马氏体板条束,铌钒微合金化后的组织更为细小,马氏体板条束长度更短,拉伸性能略有提升。

(2) 铌钒微合金化能有效提高22MnB5热成形钢的淬透性,其淬硬层深度由未微合金化的3~5 mm提高到13~14 mm,这拓宽了热冲压成形的工艺窗口。

(3) 铌钒微合金化能够显著提高22MnB5热成形钢的冷弯性能,微合金化后的极限尖冷弯角达到65°~70°,相比于未微合金化的有显著提升;基体组织中NbC的细化晶粒作用和VC的沉淀强化作用,是铌钒微合金化后22MnB5热成形钢性能更为优异的根本原因。




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