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新一代高强度淬火分配钢的研究和应用
第20卷第12期
2008年12月
钢铁研究学报 JournalofIronandSteelResearch
Vol.20,No.12December2008
作者简介:
纪云航(19832,男,硕士; E2mail:
yhji@sjtu.edu.cn; 修订日期:
2008208204
新一代高强度淬火分配钢的研究和应用
纪云航1, 冯伟骏2, 王 利2, 薛小怀1
(1.上海交通大学材料科学与工程学院,上海200240; 2.上海宝山钢铁股份有限公司研究院,上海201900
摘 要:
简要介绍了具有超高强度和较高伸长率的淬火分配(Q&P钢的处理工艺、相关的理论模型和国内外的研究现状。
指出在Q&P钢的处理工艺中,淬火温度的选择和抑制渗碳体析出的重要性,并探讨了Q&P钢在汽车上的可应用领域。
关键词:
淬火分配钢;汽车;高强度
中图分类号:
TG14214 文献标识码:
A 文章编号:
100120963(20081220001205
ResearchandApplicationsofNewTypeQ&PSteel
JIYun2hang1, FENGWei22,2,E2huai1
(1.SchoolofMaterialsScienceand,,Shanghai,200240,China;2.ResearchInstitute,,,201900,China
Abstract:
TheofhightensilestrengthandgoodelongationQ&Psteel,relatedtheoreticalmodelandthestatusanddevelopmentareintroduced.TheimportanceofthechoiceofquenchingtemperatureandsuppressionofcarbideprecipitationforQ&PprocessispointedoutandtheapplicationofQ&Psteelinvehicleisdiscussed.
Keywords:
Q&Psteel;automobile;highstrengthsteel
近年来,人们对环保、资源和能源的重视不断加
强,对汽车的安全标准要求也不断提高,为了满足节能和安全的要求,要求汽车向轻量化发展,其中以相变强化为主的先进高强度汽车用钢的开发和应用已成为世界各大钢铁公司研究的主流课题之一。
长期以来,传统的淬火和回火工艺被用于生产含马氏体组织的高强度钢。
淬火形成的马氏体可提高钢的强度,回火消除内应力,使马氏体内析出碳化物和残余奥氏体分解,以调整钢的塑韧性。
一些研究工作已经揭示:
在淬火过程中,马氏体条间的残余奥氏体会增碳(即发生碳由马氏体向奥氏体分配[1],早期的文献[2]也讨论过碳在马氏体和残余奥氏体间的分配,以及在含硅钢中贝氏体相变时碳会向奥氏体扩散,形成无碳化物贝氏体[3,4],然而由于淬火温度较低,淬火后仅有少量原子扩散以及回火时明显发生了其它相变,所以碳由马氏体向残余奥
氏体分配以稳定奥氏体的问题并未引起重视,更没有发展成钢的热处理工艺。
最近,开发和研究了含硅和锰的在贝氏体区等温淬火形成的TRIP钢[5]。
受此启示,美国人将中碳高硅钢(0135C2113Mn20174Si进行淬火处理,再在MS2Mf之间一定温度等温,使碳由马氏体分配至残余奥氏体,以稳定残余奥氏体,提高钢的塑韧性[6,7]。
这一新工艺被称为淬火和分配(Q&P———QuenchingandPartitioning工艺。
此工艺引起了国际上的关注。
1 约束准平衡模型
111 模型简介
J.G.Speer等提出了与Q&P处理工艺相应的约束准平衡模型(CPE[4,8],并假设[9]:
在Q&P处理过程中无碳化物析出;马氏体/奥氏体界面受限制而不发生迁移;碳原子在马氏体和奥氏体两相中的
化学势(μC相等。
CPE与平衡(EQ及准平衡不
同[10],平衡时Fe、C在两相中的化学势相等,此时α相和γ相的体积分数和组分进行调整;准平衡时Fe/X(取代原子的比率固定,C在两相中的化学势相等,界面发生迁移;CPE定义Fe和取代原子完全固定,而碳原子(或间隙原子自由迁移。
M.Hilert等[11]认为,由于要求自由能最小,CPE仅适用于最终状态。
图1为在平衡和CPE条件下,Fe2C二元体系中α相和γ相在一定温度下的自由能2成分图[4]。
可见,由两相公切线可得到平衡条件和该温度下两组元在α相和γ相中的化学势相等和两平衡相的浓度xαEQ和xγ
EQ[图1(a]。
对于CPE,碳原子在α和γ两相中的化学势相等,但铁原子在两相中的化学势不
相等。
图1(b出现两种情况:
①相成分(xα-Ⅱ
CPE和xγ-Ⅱ
CPE比平衡相成分具有更高的碳浓度;②相成分
(xα-ⅠCPE和xγ-ⅠCPE比平衡相成分的碳浓度低。
112 CPE模型的计算
由CPE相关计算式[3,8]:
首先,CPE条件下,碳在α和γ两相中的化学势相等(活度相等,又因为碳在每相中的活度可由活度系数和碳的摩尔分数给出,所以满足下式[4]:
xγC
=
xα
Ce
76789-4318-(169105-12014TxγRT
(1
式中,xγ
C,xα
C分别为C在α相和γ相中的摩尔分数;
R为气体常数;T为温度。
其次,由于马氏体/奥氏体界面固定,即碳分配
过程中铁原子(或置换原子在每一相中的数目不变。
因而铁的物质平衡可表示为:
fγCPE(1-xγCCPE=fγ
i(1-xalloyC(2式中,fγ
CPE,xγ
CCPE分别为在CPE条件下,碳完全扩散时的奥氏体量和碳浓度;fγ
i分数;xalloyC
再次,:
xCPEf=xalloy
C
(3,α
CCPE分别为CPE条件下,碳完全扩散时
。
(a平衡条件; (b两种可能的约束准平衡条件(Ⅰ和Ⅱ
图1 Fe2C二元体系中α相和γ相在一定温度下的自由能2成分图
Fig11 SchematicdiagramsofmolarGibbsfreeenergyvscompositionforFe2Cbinarysystem
最后,
α相和γ相的摩尔分数之和等于1,即:
fαCPE+fγ
CPE=1
(4 文献[8]给出了CPE计算实例,表明钢中大部分的碳分配至奥氏体中,因而奥氏体中富集相当高的碳是可能的。
2 Q&P处理工艺
Q&P处理工艺过程为[3]:
首先对钢进行奥氏体
化(完全奥氏体化,即在Ac3以上保温或部分奥氏体化即在Ac1~Ac3之间保温,然后淬火至马氏体转变开始温度(MS与终结温度(Mf之间的某一温度,再
进行碳的分配处理,最后冷却至室温。
在淬火温度等温进行碳分配处理,称为一步Q&P法。
如果加热到淬火温度以上进行碳分配处理,称为两步Q&P法。
图2为Q&P处理工艺示意图[3,4]。
此图给出了完全奥氏体化情况,部分奥氏体化组织中会出现铁素体。
由图2可知,分配处理后碳由马氏体分配至未转变奥氏体,奥氏体富碳,从而使其稳定性增加,在随后冷却至室温的过程中,大部分未转变奥氏体稳定的保存下来,仅有少量转变成马氏体。
对于Q&P处理工艺,稳定残余奥氏体,抑制碳化物的析出非常重要。
因为任何碳化物的形成都将
・2・ 钢 铁 研 究 学 报 第20卷
w(Ci,w(Cγ,w(CM———原始合金、奥氏体和马氏体中的碳含量; tQ———淬火温度; tP———碳的分配温度
图2 Q&P处理工艺示意图
Fig12 SchematicillustrationofQ&Pprocess
消耗碳,使可供富集到残余奥氏体中的碳含量减少,从而降低奥氏体稳定性,最终形成的残余奥氏体量减少。
添加Si可抑制渗碳体的形成[12,13]。
因为Si不溶于渗碳体,同时Si可以抑制或推迟碳化物的形成。
铝和磷也具有这些作用[14]。
因此,
素在Q&P
用。
由于TRIPSi
化物的形成,Q。
在Q&P,淬火温度决定了马氏体量,马氏体量可以用Koistinen2Marburger[4,15]关系式表示:
fM=1-e-111×10-2(MS-tQ(5式中,fM为淬火至tQ时,奥氏体转变成马氏体的相分数。
MS可用经验关系式(6[16]预测:
MS=539-42300w(C-3040w(Mn-750w(Si+3000w(Al(6 对于一定成分的Q&P钢具有一个最佳的淬火温度。
如果tQ较高,初次淬火形成的马氏体量较少,奥氏体量较多,碳的富集程度有限,奥氏体的稳定性较低,导致部分残余奥氏体在随后冷却至室温的过程中发生分解,而最终室温残余奥氏体量减少;如果tQ过低,导致淬火后奥氏体量较少,尽管富碳的奥氏体能在随后的冷却过程中稳定保留下来,但最终残余奥氏体量仍不高。
最佳淬火温度是在分配处理后奥氏体中富集的碳刚好使它的MS点降至室温以下,从而获得高强度和良好塑性结合的Q&P钢。
图3[6]为Fe2016C20195Mn21196Si钢经Q&P处理后奥氏体体积分数、碳含量及马氏体体积分数与淬火温度的关系。
可见Fe2016C20195Mn21196Si
钢
w(Cγ———奥氏体中的碳含量; VMi———初始淬火后马氏体体积分数; Vγf———初始淬火后奥氏体体积分数; VMf———最终淬火后马氏体体积分数; Vγf———最终淬火后残余奥氏体的体积分数图3 Fe2016C20195Mn21196Si钢经Q&P处理后奥氏体体积分数、
Fig13 PredictedvolumecarboncontentofretainedasafunctionFe2016C20195Mn21196Si
185℃[6],高于或低于此温度,残余奥氏体量都将减少。
3 国内外研究现状
钢经Q&P处理后,在具有相当塑性的同时,其强度比经TRIP工艺处理(两相区退火,贝氏体相变等温后显著提高。
如A.M.Streicher等[17]将Fe20119C21159Mn21163Si钢按TRIP处理工艺经820℃,180s/400℃,10s处理后,其屈服强度为503MPa,抗拉强度1072MPa,总伸长率1916%;而经820℃,180s/200℃,10s的一步Q&P处理后,其屈服强度为740MPa,抗拉强度1424MPa,总伸长率1019%;经820℃,180s/200℃,10s/400℃,10s的Q&P处理后,屈服强度为781MPa,抗拉强度1179MPa,总伸长率1218%。
一些钢经Q&P处理后,残余奥氏体量增加。
如F.H.L.Gerdeman[18]将碳含量为016%和硅含量为2%的9260钢在900℃奥氏体化15min;然后淬火至150~210℃的锡-铋浴中,保持120s;再在250~500℃的熔盐中进行10~3600s分配处理;最后冷却至室温的Q&P处理后,其残余奥氏体含量大于6%,而经直接淬火后其残余奥氏体量小于2%。
这种高强度和残余奥氏体量较多的Q&P钢其综合性能比传统淬火回火处理的好,有望在齿轮和轴承方面获得应用。
・3・
第12期 纪云航等:
新一代高强度淬火分配钢的研究和应用
S.Unger等[19]对成分(质量分数,%为:
C317,Si215,Mn0134,Cu0117的商业球墨铸铁进行Q&P处理,即:
850℃奥氏体化;分别淬火至137,157和172℃保温150s;然后分别在230,270,310,350及390℃进行1800s的分配处理。
处理后,大量的残余奥氏体保存下来,使其强度提高,但延展性和室温冲击性能下降[12]。
J.G.Speer等[4]研究了成分为Fe20119C21196Al21146Mn高Al的TRIP钢经Q&P处理后,分配处理温度和时间对残余奥氏体含量及残余奥氏体中碳含量的影响。
实验过程为:
该钢经805℃两相区退火180s后,奥氏体含量约50%;然后淬火至284℃保温3s,奥氏体含量约为15%;再将样品分别在300,350,400和450℃进行碳分配处理,每个温度的分配处理时间分别为10,100和1000s;最后水淬至室温。
研究结果表明,残余奥氏体含量随分配时间延长而增多,而且在高分配温度下,奥氏体量的增加速度较快;在较高温度下,分配时间达到1时,残余奥氏体量减少。
对此J.,
温度升高而提高,
高的趋势。
D.V.Edmonds等[20]发现,分配温度下停留时间较长时将出现ε碳化物。
对此,D.V.Edmonds等认为合金元素Si,Al尽管能够有效抑制θ型碳化物的析出,但不能有效抑制其他类型碳化物(如过渡碳化物的析出。
碳化物析出消耗了供奥氏体富集的碳,影响奥氏体的稳定性。
该研究结果有助于选择获得最大残余奥氏体的最低分配温度。
E.De.Moor等[21]对CMnSi和CMnSiAl钢进行了Q&P处理和传统的淬火回火处理后发现:
经Q&P处理后,钢中的残余奥氏体量远比淬火回火处理多;相同碳含量的CMnSi和CMnSiAl钢经Q&P处理后,CMnSi钢中的残余奥氏体量较多;CMnSiAl钢中的过渡碳化物量多于CMnSi钢。
这说明Al推迟过渡碳化物形成的作用可能小于Si。
国外的这些研究都是在J.G.Speer教授提出的CPE理论基础上进行的,主要集中于Q&P处理工艺、Q&P钢的微观组织及其对性能的影响和合金元素对Q&P钢组织及性能的影响等方面。
近期,国内上海交通大学的戎咏华教授等与上海宝山钢铁公司合作对Fe2012C21145Mn21153Si钢进行了800℃,70s/400℃,70s的TRIP工艺处理,得到屈服强度为530MPa,抗拉强度为781MPa和总伸长率约为32%的TRIP钢。
而此钢经920℃,120s/200℃,10s/480℃,10s/水淬至室温的Q&P处理后,得到屈服强度为740MPa,抗拉强度1050MPa,总伸长率24%[6]的Q&P钢。
这表明,Q&P处理工艺的优越性在于马氏体可提供强化,而残余奥氏体可提供塑性。
ZHONGNing等[22]对成分为Fe2012C2115Si21167Mn的钢进行了Q&P处理,得到抗拉强度超过1000MPa、伸长率约为20%的Q&P钢,发现在Q&P处理中,马氏体/奥氏体界面可迁移。
随后他们进一步预测了界面迁移对残余奥氏体体积分数的影响规律。
研究结果表明:
碳含量高的Q&P钢在/
,反之,碳含量低,其马氏体/奥氏体界。
通过在,能较好地改善Q&P钢的力学性能。
为了获得强度更高的Q&P钢,在徐祖耀院士的指点下,提出了两种有效的途径:
①通过Q&P处理后再进行回火处理,以在马氏体中获得弥散的碳化物。
此方法被称为Q2P2T处理;②细化初始奥氏体晶粒(通过合金化或控制轧制,再通过Q&P处理获得更高强度的结构钢。
4 应用探讨
钢经Q&P处理后得到的组织为马氏体和残余奥氏体。
大量马氏体的存在保证了钢具有较高的强度,而其中4%~10%的残余奥氏体的存在又增加了钢的塑性。
因此,Q&P钢兼有超高强度和较大的伸长率,其抗拉强度可达1000~1400MPa,而伸长率仍可达到15%左右。
Q&P钢的这一性能特点决定了它在汽车安全结构件中具有较好的应用前景,特别适合用于防止侵入的一些零件,如车门防撞杆、保险杠及B柱等。
目前,主流车型中这类零件所用钢板主要有两类:
①马氏体钢;②热冲压成形钢。
与相同强度级别的马氏体钢相比,具有较高伸长率的Q&P钢使冷成形成为可能,这不但可以降低零件的冲裂率,而且还可冲压一些形状较复杂的零件。
热冲压成形作为提高零件强度的另一种手段,尽管可以达到较高的强度,但其工序较多,生产成本较高。
因此,采用Q&P钢板经冷成形生产车门防撞杆、保
・
4
・ 钢 铁 研 究 学 报 第20卷
险杠及B柱等零件将具有较强的竞争力。
5 结语
钢经过Q&P处理后,残余奥氏体比一般热处理获得了良好的强塑性组合,具有很好的应用前景。
但目前对这种工艺和相关理论的认识仅处于初始阶段,并有争议,仍然需要进行大量的研究。
将来,在完善Q&P处理工艺的相关理论,发现新的合金化理念,以有效抑制过渡碳化物的形成,深入了解碳的分配过程和研制钢经Q&P处理的热力学软件等方面需努力,从而为确立适合工业化生产的Q&P处理工艺,满足汽车工业发展的需要提供理论和实验支持。
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