變強度22MnB5熱成型鋼熱處理工藝研究

郭 健 楊麗娜 李立銘

（唐山鋼鐵集團有限責任公司）

0 前言

隨著汽車對輕量化和安全性能要求的日益提高，高強熱成型鋼在整車中的應用越來越多，在整車設計中，關鍵的安全結構件在考慮高強度的同時需兼顧碰撞吸能的要求，高強鋼熱成型零件變強度技術應運而生[1-2]，零部件的不同位置具有不同的強度，制作變強度零件的工藝主要有焊接法[3]、板料局部加熱法[4]、差速冷卻法[5]、板料整體加熱局部冷區法和退火[6]等。

板料整體加熱局部冷法[7]是將加熱爐分為兩段設置，前段為高溫段，板料在高溫段先整體加熱到Ac3溫度以上并保溫，使板料組織完全奧氏體化；后段通過在爐內設置擋板調節爐內溫度，需要獲得馬氏體相的位置繼續保溫，使變強度位置隨爐冷卻到一定設計溫度，最后整體出爐進行熱成型和保壓淬火，由于零件變強度區域在爐內已經發生珠光體鐵素體相變，在之后的模具保壓淬火過程中不發生馬氏體相變從而實現變強度設計[8]。板料整體加熱局部冷法如圖1所示。

圖1 板料整體加熱局部冷法

國內某主機廠采用整體加熱局部冷法生產變強度22MnB5熱成型鋼時，變強度區域設計要求：屈服強度430～550 MPa，抗拉強度650～750 MPa，斷后延伸率要大于15%，而在零件生產中實測的變強度區域的抗拉強度為630 MPa，斷后延伸率為18%，沒有達到設計要求，國內某主機廠零件軟硬區分布如圖2所示。筆者利用Gleeble-3500熱模擬試驗機模擬采用整體加熱局部冷法生產變強度的熱處理工藝方式，研究了不同冷卻速率、不同等溫溫度對22MnB5熱成型鋼組織性能的影響，為熱成型鋼實現變強度的設計提供了最佳熱處理工藝參數。

圖2 某主機廠熱成型件

1 試驗材料與試驗方案

1.1 試驗材料

試驗材料選用22MnB5鋼板，厚度為1.2 mm，22MnB5的化學成分見表1。

表1 22MnB5化學成分

1.2 不同冷卻速率對組織性能的影響的熱模擬工藝

利用Gleeble3500熱模擬機將試樣加熱至930 ℃、保溫2.5 min，然后分別以1 ℃/s、1.5 ℃/s、2 ℃/s、5 ℃/s冷卻到550 ℃并保溫一定時間，最后以大于30 ℃/s的臨界冷卻速率冷卻到室溫。不同冷速熱模擬工藝如圖3所示。

圖3 不同冷速熱模擬工藝

1.3 不同等溫溫度對組織性能影響的熱模擬工藝

利用Gleeble3500熱模擬機將試樣加熱至930 ℃、保溫2.5 min，然后分別以2 ℃/s分別冷卻到600 ℃、550 ℃、500 ℃、450 ℃并保溫一定時間，最后以大于30 ℃/s的臨界冷卻速率冷卻到室溫。不同等溫溫度熱模擬工藝如圖4所示。

2 試驗結果與分析

2.1 22MnB5的原始組織及性能

試驗選用的材料為22MnB5鋼板，。其初始組織為鐵素體和珠光體的混合組織，如圖5所示。常溫下22MnB5初始狀態的力學性能見表2。

圖4 不同等溫溫度熱模擬工藝

圖5 22MnB5的初始組織

表2 22MnB5初始狀態力學性能

2.2 不同冷卻速率對組織性能的影響

不同冷卻速率下22MnB5的顯微組織如圖6所示。

圖6 不同冷卻速率下22MnB5的顯微組織

從圖6可以看出，冷卻速率為1 ℃/s時，22MnB5的顯微組織為鐵素體和珠光體，鐵素體的量約為63%；冷卻速率為1.5 ℃/s時，22MnB5的顯微組織為鐵素體和珠光體，鐵素體的量約為58%；冷卻速率為2 ℃/s時，22MnB5的顯微組織為鐵素體和珠光體，鐵素體的量約為52%；冷卻速率為5 ℃/s時，22MnB5的顯微組織為鐵素體、珠光體和貝氏體，鐵素體的量約為43%。由此可知，隨著冷卻速率的增加，鐵素體的含量逐漸減少，珠光體的含量逐漸增多，冷卻速率為5 ℃/s時，有貝氏體生成。

當鋼化學成分一定時，先共析鐵素體形態的數量與冷卻速率有關，冷卻速率增加，先共析鐵素體沒有充分的時間析出長大，數量逐漸減少且析出形態由塊狀趨向于針狀發展，當冷卻速度進一步增加時，奧氏體發生非擴散型轉變，即發生貝氏體轉變，表現出的宏觀力學性能為強度增加但塑性下降。當冷卻速率為2 ℃/s時，強度延伸率綜合性能配合最佳。

不同冷卻速率下22MnB5力學性能見表3和圖7所示。

從圖7可以看出，當冷卻速率從1℃/s增加到5 ℃/s的過程中，22MnB5的屈服強度和抗拉強度逐漸增加，延伸率逐漸減小。

表3 不同冷卻速率下22MnB5力學性能

圖7 不同冷卻速率下22MnB5的力學性能變化趨勢

2.3 不同等溫溫度對組織性能的影響

將22MnB5熱成型用鋼由室溫加熱到930℃奧氏體充分均勻化后，在不同等溫溫度保溫一定時間，然后冷卻至室溫的微觀組織如圖8所示。

圖8 不同等溫溫度下22MnB5的顯微組織

從圖8（d）可以看出，測得的珠光體團尺寸為1.166 μm，其中團內含5個珠光體片層，因此600 ℃等溫時珠光體片層間距約為0.23 μm；以此類推，500～550 ℃等溫時珠光體片層間距約為0.15～0.20 μm；450 ℃等溫溫度時珠光體片層間距約為0.10 μm。由此可見，珠光體片層間距隨等溫溫度的降低而逐漸減小。

材料在450～600 ℃等溫時發生奧氏體向珠光體的轉變，隨等溫溫度的降低，原子活動能力減弱，擴散距離縮短，使珠光體中的滲碳體和鐵素體片層間距減小，珠光體中的滲碳體層有阻止滑移的作用，塑性變形基本在鐵素體內發生，珠光體受外力拉伸時，滑移的最大距離等于片層間距，珠光體片層間距越小，材料表現強度越高，塑性下降。500～550 ℃等溫時，強度延伸率綜合性能配合最佳。

不同等溫溫度下22MnB5的力學性能見表4和圖9。

表4 不同等溫溫度下22MnB5的力學性能

圖9 不同等溫溫度下22MnB5的力學性能

從圖9可以看出，不同等溫溫度下22MnB5的抗拉強度、屈服強度隨等溫溫度的降低逐漸升高，延伸率逐漸減低。

3 結論

（1）22MnB5鋼在930 ℃保溫5 min，冷卻速率從1℃/s增加到5 ℃/s時，鐵素體的含量由63%逐漸減少為43%，冷卻速率為5 ℃/s時，有貝氏體生成，隨著冷卻速率的增加，其屈服強度和抗拉強度逐漸增加，延伸率逐漸減小。

（2）22MnB5鋼在930 ℃保溫5 min，450～600 ℃等溫時，發生奧氏體向鐵素體和珠光體轉變，600 ℃等溫時珠光體片層間距為0.23 μm，組織為粗片狀珠光體；500～550 ℃等溫時珠光體片層間距為0.15～0.20 μm；450 ℃等溫溫度時珠光體片層間距為0.10 μm，隨等溫溫度的降低，珠光體片層間距減小， 延伸率逐漸減小，強度逐漸升高。

（3）22MnB5鋼在930 ℃保溫5 min，以2 ℃/s冷卻到500～550 ℃等溫時，其屈服強度為430～450 MPa，抗拉強度為650～680 MPa，斷后延伸率為16%～18%，綜合性能最佳，滿足變強度熱成型鋼對強度和塑性的要求。