盧 金，王忠堂

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

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97#鋼板熱成形工藝組織與力學(xué)性能研究

盧 金，王忠堂

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

對(duì)97#鋼板進(jìn)行了熱沖壓實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同奧氏體化溫度、奧氏體化時(shí)間、保壓時(shí)間對(duì)工件組織及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，奧氏體化溫度950℃、奧氏體化時(shí)間5min、保壓時(shí)間60s為較優(yōu)工藝參數(shù)，抗拉強(qiáng)度達(dá)2203MPa，強(qiáng)塑積為18.7GPa·%，金相組織為馬氏體。

97#鋼板；熱沖壓；奧氏體化

目前，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為當(dāng)今世界的主題，且在汽車(chē)制造行業(yè)也處于舉足輕重的地位。汽車(chē)輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的有效措施之一[1]。研究表明，汽車(chē)每減重10%，能耗降低3%～8%[2]。實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化有很多措施，采用新型材料高強(qiáng)度鋼是有效措施之一。研究表明，屈服強(qiáng)度超過(guò)1000MPa的高強(qiáng)度鋼能實(shí)現(xiàn)40%以上的減重率[3]。

然而，高強(qiáng)度鋼在室溫下成形缺陷大，易出現(xiàn)開(kāi)裂、起皺等，且成形件回彈量大，工件尺寸精度難以保證，因此高強(qiáng)度鋼成形一般采用熱成形技術(shù)[4]。高強(qiáng)度鋼熱成形工藝是將高強(qiáng)度鋼加熱，待處于均勻奧氏體化狀態(tài)，送入帶有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)快速成形并模內(nèi)淬火處理，最終形成馬氏體[5]。此工藝不但可以獲得高強(qiáng)度比，且塑性好，成形件精度高。97#鋼是基于22MnB5成分設(shè)計(jì)的高強(qiáng)度Q-P鋼，其材料的綜合性能較22MnB5更為優(yōu)異[6-7]。采用97#鋼進(jìn)行盒型件熱沖壓實(shí)驗(yàn)，研究奧氏體化溫度、奧氏體化時(shí)間、保壓時(shí)間對(duì)工件的組織及力學(xué)性能的影響具有一定意義[8-9]。

1 實(shí)驗(yàn)材料

基于22MnB5成分設(shè)計(jì)Q-P鋼(命名為“97#鋼”)，其化學(xué)成分如表1所示，其中碳元素的含量在0.39%，銅元素含量為1.4%。C主要起到固溶強(qiáng)化以及配分穩(wěn)定奧氏體作用；Si為非碳化物形成元素，抑制滲碳體的形成，穩(wěn)定奧氏體；Mn起到固溶強(qiáng)化，穩(wěn)定奧氏體作用；Cr能增加鋼的淬透性；Mo起到固溶強(qiáng)化，穩(wěn)定奧氏體，防止回火脆性，細(xì)化馬氏體組織；B抑制形成鐵素體/珠光體；Cu起到析出強(qiáng)化的作用；Ni起到固溶強(qiáng)化，穩(wěn)定奧氏體，防止熱脆性的作用。通過(guò)計(jì)算，97#鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變溫度為808℃，馬氏體轉(zhuǎn)變起始點(diǎn)為230℃，臨界冷速為1℃/s。

表1 實(shí)驗(yàn)用Q-P鋼化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

2 實(shí)驗(yàn)方案

對(duì)97#鋼采用熱沖壓工藝，板料經(jīng)電阻爐加熱后迅速移至帶有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)快速成型，模內(nèi)保壓淬火。

板料加熱5min，加熱溫度分別為750℃、800℃、850℃、900℃、950℃，模內(nèi)保壓淬火60s。

奧氏體化溫度選取950℃，加熱時(shí)間分別為1min、2min、4min、6min、8min，保壓60s。

選取奧氏體化溫度為950℃，奧氏體化時(shí)間為5min，保壓時(shí)間分別為5s、30s、60s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 奧氏體化溫度對(duì)工件組織及力學(xué)性能的影響

圖1是不同溫度熱沖壓件的室溫力學(xué)性能。由圖1 a可知，溫度越高則抗拉強(qiáng)度越高，900℃和950℃抗拉強(qiáng)度接近，在2200MPa左右；850℃時(shí)抗拉強(qiáng)度為2035MPa；奧氏體化溫度為800℃和750℃時(shí)抗拉強(qiáng)度較低，分別為1796MPa、1515MPa。750℃時(shí)延伸率為13.2%，其他在8.3%至8.8%之間，變化不大。 850℃至950℃時(shí)強(qiáng)塑積18GMPa·%左右，變化不大。

圖1 不同奧氏體化溫度下工件的室溫力學(xué)性能

圖2為不同奧氏體化溫度的熱沖壓件光學(xué)金相照片。由圖2可以看出,不同奧氏體化溫度的最終組織都含板條狀馬氏體，在750℃、800℃溫度時(shí),板條狀馬氏體不明顯，說(shuō)明奧氏體化溫度低時(shí)奧氏體化不完全。

3.2 奧氏體化時(shí)間對(duì)工件組織及力學(xué)性能的影響

圖3為不同奧氏體化時(shí)間時(shí)工件的力學(xué)性能。由圖3可以看出，奧氏體化時(shí)間在2～8min內(nèi)，熱沖壓件的拉伸性能曲線接近，差別較小，最大為2251MPa，最小為2185MPa，相差66MPa。塑性變化也不明顯，延伸率為8.0%～8.7%。此外，強(qiáng)塑積變化也不大，都在18GPa·%左右。而奧氏體化時(shí)間為1min時(shí)，抗拉強(qiáng)度為1409MPa,明顯低于其他時(shí)間的強(qiáng)度，而延伸率較高為9.2%，強(qiáng)塑積為13GPa·%，說(shuō)明奧氏體化并未完全。

圖4為不同奧氏體化時(shí)間的熱沖壓件光學(xué)金相照片。由圖4可以看出，不同奧氏體化時(shí)間的板料組織情況，最終組織都含有板條狀馬氏體，在奧氏體化時(shí)間為1min時(shí),馬氏體量較少，這是因?yàn)閵W氏體化時(shí)間短，奧氏體化不完全。

圖2 不同奧氏體化溫度下的金相組織

圖3 不同奧氏體化時(shí)間時(shí)工件的力學(xué)性能

3.3 保壓時(shí)間對(duì)工件組織及力學(xué)性能的影響

圖5為保壓時(shí)間與工件力學(xué)性能的關(guān)系。保壓5s時(shí)抗拉強(qiáng)度較低為1598MPa，保壓30s和60s時(shí)，抗拉強(qiáng)度為2200MPa。5s時(shí)強(qiáng)塑積為16GPa·%，比其他時(shí)間低3GPa·%，說(shuō)明保壓在30s以上即可獲得強(qiáng)度在2000MPa以上，延伸率8.5%以上的熱沖壓件，工件性能穩(wěn)定。

圖6為不同保壓時(shí)間的熱沖壓件的金相組織照片。從圖6中可以看到，不同保壓時(shí)間的材料組織情況，最終組織都含有板條狀馬氏體，保壓時(shí)間為5s時(shí)，馬氏體較少，其他時(shí)間差別不大。

4 結(jié)論

(1)分析了不同奧氏體化溫度對(duì)工件組織與性能的影響。結(jié)果表明，溫度在850℃以上時(shí)，工件的抗拉強(qiáng)度在2000MPa以上，延伸率在8.5%，強(qiáng)塑積在18GPa·%，工件能夠完全奧氏體化。

(2)分析了不同奧氏體化時(shí)間對(duì)工件組織與性能的影響。當(dāng)加熱時(shí)間在2min以上，工件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到2100MPa以上，強(qiáng)塑積在18GPa·%，組織為馬氏體。

圖4 不同奧氏體化時(shí)間下的金相組織

圖5 不同保壓時(shí)間下工件的力學(xué)性能

圖6 不同保壓時(shí)間下的金相組織

(3)分析了不同保壓時(shí)間對(duì)工件組織與性能的影響。當(dāng)保壓時(shí)間為30s時(shí)，抗拉強(qiáng)度為2205MPa，強(qiáng)塑積達(dá)到19GPa·%，組織為馬氏體。

(4)綜上所述，為保證得到良好組織性能，工藝參數(shù)選為加熱溫度950℃，加熱時(shí)間5min，保壓時(shí)間30s。

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(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

Microstructure and Mechanical Property of 97# Steel Sheet During Hot Stamping Process

LU Jin，WANG Zhongtang

( Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Hot stamping process for 97# steel sheet was studied by experiment.The influence of austenitizing temperature,austenitizing time on and pressing microstructure and mechanical property were analyzed.The results show that the optimal processing parameters are austenitizing temperature 950℃,and the austenitizing time 5 min and the pressing time 60s.Mechanical properties of the workpiece are that the tensile strength is 2203MPa,and strength-ductility is 18.7GPa·%,and the microstructure is martensite.

97# steel sheet;hot stamping;austenitizing

2015-07-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51034009)

盧金(1988—)，女，碩士研究生；通訊作者：王忠堂(1962—)，男，教授，博士，研究方向：先進(jìn)塑性加工技術(shù)。

1003-1251(2016)05-0059-05

TG142

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