一种新型高强度低温热成型钢

目前热成形钢的发展趋势主要集中在提高延性上，同时，新钢种的设计也克服了表面过度氧化，避免了冲压模具冷却系统的复杂性。这种新型钢及相应的成形技术被称为低温热成形或热冲压技术，克服了传统热成形钢的缺点。本文研究了不同退火温度后的微观结构特性和力学行为。结果表明，其微观结构和力学特性与退火温度有很大的关系。这些结果表明，当罩退退火温度在570-630℃之间时，钢的抗拉强度超过1400MPa，总伸长率为9%。在690℃以上，拉伸强度和总伸长率明显下降。这些恶化的力学性能可以归因于先前的奥氏体粒尺寸和板条马氏体分数的增加。

Keywords: Low temperature hot forming; Medium-Mn; Microstructure; Mechanical characteristics

1. Introduction

目前，由于汽车车身轻量化和提高被动安全性的需求，促使汽车行业持续开发新的材料和制造工艺。热冲压是一种结合了成型和淬火工艺，用以生产超高强度汽车结构件的创新且有效方法，如汽车A柱、B柱、车顶梁、保险杠等 [1,2]。在热冲压生产过程中，将硼钢放到800-950℃的加热炉中保温3-10分钟，使其充分奥氏体化，然后迅速转移到模具中，成形和淬火同时进行，并最终获得具有超高抗拉强度的全马氏体组织构件[3,4]。22MnB5（抗拉强度在1300MPa以上）是近几十年来在热冲压生产中最常用的硼钢。近年来，一种抗拉强度超过1800 MPa的新型热冲压钢被开发出来，用以取代部分传统的热冲压钢。

热成形钢在模具中淬火冷却成形获得全马氏体结构是其重大特点。 然而较高的热处理温度导致氧化皮严重，同时需要较高的冷却能力，导致模具设计制造成本较高，影响传统热成形钢的应用，近年来低温热冲压成形技术逐渐成为研究热点，中锰成分可降低奥氏体化温度，同时对冷却能力要求低，最终性能优异[5, 6].

2. Material and test process

本论文研究的钢成分为，wt%: C, 0.1-0.13; Si, 0.25; Mn, 4.50-5.50; Cr, 0.15-0.55; S, 0.0017; P, 0.006; B, 0.0010-0.0040; and Fe, balance. 最终冷轧板厚度为1.5mm。利用相图计算软件计算的 Ae1 和 Ae3 分别为 451°C 和737°C。

10°C/s热膨胀测定的 Ac1 和 Ac3 分别为 652 °C 和 781°C, 因此低温热成形采用800℃-7min来完成完全奥氏体化。热成形前在570-720°C范围内退火。每个退火参数都要垂直于滚动方向切割三个拉伸样品。室温下在仪器5985拉伸试验机上测量了力学性能，十字头位移为2mm/min，标距长度为50mm，宽度为12.5mm。在平行于轧制方向的电解抛光后，采用电子背散射衍射(EBSD)对其截面进行了微观结构分析。EBSD观察是在JSM 7001FFE-SEM进行的。首先对EBSD样品进行机械抛光，然后在室温下在10%高氯酸和85%酒精的混合溶液中进行电子抛光，应用电位为25V。

3. Results and discussion

3.1 Mechanical properties before and after low temperature hot forming

图2描述了不同的罩退退火温度和随后的低温热形成的力学性能。这些结果表明，当退火温度在570-630C之间，退火时间为8h时，退火钢的抗拉强度约为800MPa。结果表明，在低温热成形状态下，当加热温度超过1100MPa时，其力学性能略有下降。当浴缸退火温度在570-630C之间时，低温热成形后的钢的抗拉强度超过1400MPa。然而，当退火温度超过690C时，低温热成形钢的抗拉强度和屈服强度降低到1300MPa左右。.

3.2 Microstructure evolution

图3显示了模拟罩退退火后钢的微观结构。630℃以下退火条件下的钢的微观结构由以下的铁氧体和碳化物组成。此外，由于优良的淬火耐火性，在模拟罩式退火炉冷却过程中可以形成马氏体。马氏体分数随退火温度的升高而逐渐增加。在720℃下退火后，形成了一个几乎完全的马氏体结构。 退火参数对试验钢微观组织的影响如图4所示。钢在800℃下奥氏体化，在淬火前等温保持8 min。可以看出，经过完全奥氏体化后的微观结构由板条马氏体和大量马氏体组成。

为了详细分析不同退火条件下微观结构的变化，我们进行了EBSD分析。显示了EBSD逆极图(IPF)和重建的晶界图。随着罩退退火温度的升高，板条马氏体的比例和奥氏体粒径增大。原奥氏体晶粒的平均粒度由5.9μm增加到9.6μm。在720℃退火的马氏体板条的长度和宽度均大于600℃。未溶解的碳化物和细铁素体结构提供了大量的成核点，因此奥氏体的粒径小于初始结构为粗马氏体的样品。对于马氏体钢，强度是由原始奥氏体颗粒中三个子结构的尺寸决定的，因此，退火温度是与材料热冲压应用有关的关键因素。它可以总结在曲线中，较高的退火温度的样品似乎遇到了强度的下降。

4. Conclusions

从本文中得出的主要结论如下： 当罩退温度在570-630C之间时，低温热成形后的钢的抗拉强度超过1400MPa。然而，当罩式退火温度超过690C时，低温热成形钢的抗拉强度和屈服强度降低到1300MPa左右。 随着浴退火温度的升高，板条马氏体的比例和奥氏体粒径增大。先验奥氏体的平均粒度由5.9μm增加到9.6μm。较高的退火温度的样品似乎遇到了强度的下降。

References

1. Z. Q. Zhang, C. H. Liu, S. F. Meng, X. J Li and X. H. Zhao, Investigation of Heat Transfer in Hot Stamping of Boron Steel, Metall. Mater. Trans. B. 47, 824(2016).

2. S.Q. Zhang, D. Feng, Y. H. Huang, S. Z. Wei, H. Mohrbacher and Y. Zhang, Constitutive Modeling of High-Temperature Flow Behavior of an Nb Micro-alloyed Hot Stamping Steel, J. Mater. Eng. Perform. 25, 948(2016).

3. Z. X. Gui, W. K. Liang, and Y. S. Zhang, Enhancing ductility of the Al-Si coating on hot stamping steel by controlling the Fe-Al phase transformation during austenitization, Sci. China Technol. Sc. 57, 1785(2014).

4. P.F. Bariani, S. Bruschi, A. Ghiotti and A. Turetta, Testing formability in the hot stamping of HSS, CIRP Annals 57, 265(2008).

5. S. S. Li and H. W. Luo, Medium-Mn steels for hot forming application in the automotive industry, International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, 28, 741(2021)

6. C. Y. Wang, X. D. Li, S Han, L. Zhang, Y. Chang, W.Q. Cao, H. Dong, Warm Stamping Technology of the Medium Manganese, Steel research international, 12, (2018).

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