張飛豹，李鑫，宋鴻武，張士宏，范海生

（1. 廣東省航空航天裝備技術(shù)研究所，廣東 珠海 519090；2. 南昌航空大學(xué)，南昌 330063；3. 中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽 110016；4. 北京中科普金特種材料技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100081）

許多學(xué)者在鋼鐵材料研究中發(fā)現(xiàn)了奧氏體熱穩(wěn)定化現(xiàn)象[1—3]。熱穩(wěn)定化是指淬火時(shí)因緩慢冷卻或在冷卻過程中停留而引起奧氏體的穩(wěn)定性提高，是馬氏體轉(zhuǎn)變遲滯的現(xiàn)象。正如 Rao和 Thomas[4]通過高分辨率點(diǎn)陣測量的那樣，碳含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.27%的鋼淬火后，殘余奧氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可高達(dá)0.4%～1.04%。根據(jù)以往的研究，對馬氏體形成時(shí)間和碳在馬氏體和奧氏體中均勻擴(kuò)散所需時(shí)間的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，徐祖耀院士[5—10]提出了以下結(jié)論：馬氏體形成期間可能存在碳的擴(kuò)散，但這不是一個(gè)主要或必要的過程，因此，基于傳統(tǒng)的熱沖壓-碳配分QP工藝，結(jié)合劉偉杰[11]提出的動態(tài)碳配分概念，文中提出了一個(gè)稱為熱沖壓-動態(tài)碳配分(HS-DP)工藝思路，即淬火和碳配分在熱沖壓和冷卻過程后動態(tài)完成。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用 94#實(shí)驗(yàn)鋼，其材料成分設(shè)計(jì)見表1。實(shí)驗(yàn)鋼在真空感應(yīng)爐中熔化，澆鑄后鍛造成 80 mm×80 mm×150 mm的鍛坯。用450 mm×450 mm的雙輥可逆式軋機(jī)對鍛坯進(jìn)行熱軋。熱軋過后板的厚度為7 mm。將熱軋板酸洗并冷軋以獲得厚度為2.5 mm的最終實(shí)驗(yàn)鋼板。冷軋?jiān)O(shè)備采用四輥Φ325 mm×400 mm直拉式可逆軋機(jī)進(jìn)行。通過Formastor-FII自動相變分析儀測量的實(shí)驗(yàn)鋼相變點(diǎn)見表2。

表1 94#實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of 94# experimental steel (mass fraction) %

表2 94#鋼相變點(diǎn)Tab.2 Phase transition point of 94# steel ℃

實(shí)際的熱成形過程通過使用鹽浴淬火來模擬。樣品采用不同的熱處理工藝，加熱至890 ℃，持續(xù)300 s，從完全奧氏體化后開始淬火，見圖1。對于 QT工藝，工藝路線從馬氏體開始轉(zhuǎn)變起始溫度310 ℃（Ms點(diǎn)），對樣品實(shí)施二次淬火，選擇不同的淬火介質(zhì)（水、油、空氣）冷卻至室溫，以實(shí)現(xiàn)動態(tài)淬火碳配分過程。

圖1 HS-DP熱處理工藝示意圖Fig.1 Schematic illustration of HS-DP heat treatment

對于拉伸試驗(yàn)，試樣按照GB/T 228—2002測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理。用于本試驗(yàn)的樣品尺寸的圖示見圖2。在SANS CMT5105計(jì)算機(jī)控制的萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上，測試試樣的室溫拉伸性能。

圖2 拉伸試驗(yàn)的樣品尺寸Fig.2 Sample dimensions for tensile tests.

經(jīng)過體積分?jǐn)?shù)為4%硝酸酒精腐蝕9 s后，采用SHIMADZU SSX-550掃描電子顯微鏡(SEM)，觀察樣品的顯微結(jié)構(gòu)。X射線衍射試驗(yàn)在日本理學(xué) Rigaku D/Max 2500 PC衍射儀上進(jìn)行，所用靶材為 Cu靶(λα=0.154 06 nm)，工作電流為300 mA，工作電壓為50 kV，樣品在 40°～100°的 2θ范圍內(nèi)掃描，包含(111),(200), (220)和(311)這4個(gè)主要奧氏體峰，速度為3 min掃描1°，步長為0.02°。XRD測量的樣品首先經(jīng)過研磨和機(jī)械拋光，然后電解拋光，在由乙醇、高氯酸和水以13︰2︰1的體積比組成的電解液中，在25 V電壓下電解30 s以消除內(nèi)應(yīng)力。奧氏體的碳濃度xc的計(jì)算見式(1)[12—14]。

根據(jù)式(2)[15—17]從反射位置確定奧氏體晶格參數(shù)αγ：

式中：h,K,L是衍射晶面指數(shù)；λ是輻射的波長。奧氏體晶格參數(shù)αγ從最大的 4個(gè)奧氏體峰的位置來確定。由軟件計(jì)算出對應(yīng)的 2θ，并使用式(2)來計(jì)算奧氏體晶格常數(shù)αγ代入式(1)，以獲得奧氏體的碳含量。為了捕獲冷卻曲線，用ADAM-4118 Rugged型熱電偶輸入模塊，搭載K型熱電偶，以115.2 kb/s的速率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 掃描電鏡SEM下的微觀結(jié)構(gòu)與表征

圖3 顯示HS-DP過程后鋼的顯微組織的SEM顯微照片F(xiàn)ig.3 SEM micrographs showing microstructures of steels after HS-DP process

進(jìn)行 HS-DP處理的樣品顯微結(jié)構(gòu)掃描電子顯微照片見圖3。

經(jīng)過各種 HS-DP工藝后，實(shí)驗(yàn)鋼的顯微組織見圖3。1#工藝后，顯微組織基本為板條馬氏體，板條邊界清晰。2#和3#工藝處理后，實(shí)驗(yàn)鋼的顯微組織顯示出明顯的QP工藝特征：馬氏體板條加寬、邊緣彎曲。這表明在2#和3#工藝過程中發(fā)生了碳配分。熱沖壓動態(tài)-碳配分工藝在實(shí)驗(yàn)鋼中得以實(shí)現(xiàn)。

2.2 HS-DP過程的冷卻特性

在HS-DP熱處理工藝條件下，在890 ～M℃f的溫度范圍內(nèi)，平均冷卻速率為26.6 /s℃，大于鋼的臨界冷卻速度(0.5 /s)℃。Ms～Mf溫度范圍內(nèi)的冷卻曲線見圖4?？梢钥闯?，不同介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)鋼冷卻速率不同，其中v水>v油>v空，見表3。

圖4 在HS-DP熱處理工藝下的冷卻曲線Fig.4 Cooling curve of HS-DP under heat treatment process

表3 在Ms～Mf范圍內(nèi)的平均冷卻速率。Tab.3 Average cooling rate in experimental temperature range Ms～Mf

2.3 鋼HS-DP處理之后的力學(xué)性能

實(shí)驗(yàn)鋼的力學(xué)性能見表4?？梢钥闯?，不同的HS-DP熱處理過程對力學(xué)性能都有很大的影響。通過1#工藝處理的鋼材力學(xué)性能可以發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的水淬工藝相比，可以保持一致強(qiáng)度和伸長率。相比之下，2#和3#處理可以提高伸長率、強(qiáng)塑積。

表4 HS-DP工藝下的力學(xué)性能Tab.4 Mechanical properties under HS-DP process

HS-DP處理?xiàng)l件下的XRD圖譜見圖5?？梢园l(fā)現(xiàn)，1#工藝過程沒有出現(xiàn)過奧氏體峰，2#和 3#過程有明顯的奧氏體峰出現(xiàn)。由于2#和3#淬火過程中鋼的冷卻速率較低，鋼在Ms～Mf范圍內(nèi)經(jīng)歷的時(shí)間相對較長，分別為2.8 s和60 s。在馬氏體轉(zhuǎn)變過程中發(fā)生動態(tài)配分，Ms～Mf范圍內(nèi)較低的冷卻速率有利于碳從馬氏體擴(kuò)散到殘余奧氏體中。用2#和3#工藝處理的鋼的殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)計(jì)算值分別為7.2%和 10.2%。2#和 3#工藝處理的殘余奧氏體碳含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為 0.95%和 1.03%，因此，提高鋼的殘余奧氏體含量及其相應(yīng)的穩(wěn)定性可以提高鋼的強(qiáng)塑積。

圖5 HS-DP工藝下實(shí)驗(yàn)鋼XRD圖譜Fig.5 Experimental XRD patterns of HS-DP steel in heat treatment process

3 結(jié)論

提出了一種熱成形和Q & P工藝的集成工藝，即新穎的熱沖壓-動態(tài)碳配分(HS-DP)的一步法配分工藝。設(shè)計(jì)的模擬實(shí)驗(yàn)表明碳鋼配分發(fā)生于實(shí)驗(yàn)鋼的淬火過程，因此熱沖壓動態(tài)碳配分工藝可以在實(shí)驗(yàn)鋼來實(shí)現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)說明熱沖壓-動態(tài)碳配分工藝應(yīng)用前景廣闊。