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邓宗吉 周世龙 郑笑芳 闫 伟 卢茜倩
(马鞍山钢铁股份有限公司技术中心 安徽 马鞍山：243000)
近年来，由于气候变暖和能源的稀缺，节能减排已成为汽车行业亟待解决的两大核心问题[1]，汽车轻量化是节约能源、提高燃油经济性、减少环境污染的最基本途径之一[2]。随着对汽车质量和可靠性的要求越来越严格，对关键安全部件的要求也越来越高，为了减轻重量，同时提供高碰撞安全性，高强度钢板在汽车零部件中得到越来越多的应用，通过使用高强度钢板可减薄许多汽车零部件和结构件的厚度，大大减轻重量，改善环境问题和碰撞安全问题[3]。冷成形超高强钢冲压回弹严重，且难以解决[4]。热冲压成形技术是解决冲压回弹问题非常有效的方法，因此热冲压硼钢在高强度汽车车身部件的生产中越来越受到重视[5]。
目前，热冲压钢零部件主要应用在乘用车A、B柱加强板、前后防撞梁、车门防撞杆等方面[6]。据统计，全球热成形钢年需求量超过400万吨，热冲压成形零件年需求量约6亿只，其中中国市场热成形钢年需求量约120万吨，国内热成形产线已超过150条[7]，目前主要使用的是铝硅镀层热冲压钢。在热冲压过程中，热冲压钢需在850-950℃的炉内进行奥氏体化3-10分钟，然后迅速转移到模具中同时进行成型和淬火，最终获得拉伸强度大于1500MPa的全马氏体组织结构件[8]。对于铝硅镀层的热冲压钢，在冲压过程中往往会因为机械故障导致炉内其余料片加热时间过长，造成材料报废。查阅资料，已有学者做过大量关于热处理工艺对铝硅镀层热冲压钢组织性能影响的研究。但是对于铝硅镀层热冲压钢在冲压过程中发生机械故障时，炉内的料片迅速取出是否可回炉奥氏体化再利用还未有学者做过细致研究。因此，本文主要针对上述存在的问题，开展了回炉奥氏体化次数对22MnB5铝硅镀层钢板组织性能影响的研究。
试验钢热处理前的初始材料通过工业线冶炼、连铸、热轧、酸轧、退火和热浸镀制造获得，厚度为1.4mm，化学成分如表1所示。经剪板机剪切为150mm×300mm×1.4mm的样板，将样板随炉加热至930℃保温5min，随后迅速将料片取出并转移至模具中保压淬火，然后分别以同样的加热工艺进行一次、两次、三次和四次回炉奥氏体化淬火。
表1 实验钢的化学成分(质量分数，%)
从淬火后的样板上截取10mm×15mm的金相试样，经研磨、抛光、硝酸酒精溶液和苦味酸溶液腐蚀后，在OM和SEM下观察实验钢的显微组织、原始奥氏体晶粒随回炉奥氏体化次数的变化规律，在Zwick-Z100拉伸试验机上进行拉伸实验，分析回炉奥氏体化次数对材料力学性能的影响。
2.1 实验结果
初始材料的组织如图1(a)所示，从图1(a)中可以看出，初始材料的组织由条带状珠光体和铁素体构成。不同次数回炉奥氏体化淬火后的组织如图1(b)、(c)、(d)、(e)、(f)所示，从图1中可以看出，淬火后的组织均为板条状的马氏体组织，经过一次回炉奥氏体化淬火后的马氏体组织仍较细，两次回炉奥氏体化淬火后的马氏体组织开始变粗，三次和四次回炉奥氏体化淬火后的马氏体组织变得粗大。随着回炉奥氏体化次数的增加(总加热时间延长)，淬火后的马氏体组织变粗，板条束变宽。
图1 初始材料及不同次数回炉奥氏体化淬火后的组织
不同次数回炉淬火后的原始奥氏体晶粒形貌如图2所示。采用Image-Pro Plus6.0图像分析软件测量了晶粒的平均尺寸，测量晶粒数量不少于1000个，从图2中可以看出，一次回炉奥氏体化淬火后的晶粒仍较细，平均尺寸小于13μm，两次回炉奥氏体化淬火后，奥氏体晶粒尺寸大于15μm，出现大晶粒，三次回炉奥氏体化淬火后，晶粒尺寸大于20μm。回炉奥氏体化次数对奥氏体晶粒尺寸的影响如图3所示，随着回炉奥氏体化次数的增加，总的奥氏体化时间延长，奥氏体晶粒尺寸随之增加，经过三次回炉奥氏体化淬火后，随着回炉次数的增加，晶粒长大变缓。
图2 不同次数回炉奥氏体化淬火后的奥氏体晶粒形貌
回炉奥氏体化次数对抗拉强度的影响如图3所示，从图3中可以看出，经过一次回炉奥氏体化淬火后，材料的抗拉强度略有降低，约下降5MPa左右，两次回炉后，材料的抗拉强度出现相对较大的下降，经过四次回炉奥氏体化淬火以后，材料的抗拉强度下降约40MPa左右，随着回炉奥氏体化次数的增加(总奥氏体化时间延长)，总的抗拉强度下降不大，整体呈现出下降的趋势。
图3 回炉奥氏体化次数对奥氏体晶粒尺寸和抗拉强度的影响
2.2 结果分析
实验钢初始材料带状组织的形成是由于钢液在铸坯结晶过程中Mn、P等元素偏析形成化学成分不均匀分布的枝晶组织，在轧制过程中沿变形方向被拉长，形成彼此交替堆叠的C及合金元素的贫化带和富化带，缓冷过程中，贫化带先柝出铁素铁，形成铁素体为主的条带，并将多余的碳排入两侧的富化带，其后富化带形成以珠光体为主的条带，最终形成了铁素体和珠光体彼此交替的带状组织[9]。
在本实验钢中，主要添加合金元素Al、Ti和B来细化晶粒和提升淬透性，Al和Ti加入形成AlN和TiN，可减少钢中固溶N，避免形成网状BN相而影响B的偏聚，减弱B的淬透性作用。有研究指出，Ti首先和N结合，生成TiN，剩余的Ti才会和C、S等元素结合[10]。本研究中，实验钢由工业生产获得，钢中N含量控制较低，因此N主要与Ti结合形成TiN。实验钢的奥氏体化温度为930℃，根据实验条件，选择固溶度积公式(1)、(2)计算TiN与TiC的全固溶温度，如下：
log{[Ti]·[N]}γ=0.32-8000/T
(1)
log{[Ti]·[C]}γ=2.75-7000/T
(2)
通过计算，得出TiN和TiC的全固溶温度分别为1553℃、1153℃，在奥氏体化温度为930℃时，Ti未完全固溶，Ti的碳氮析出物对奥氏体晶粒长大的阻碍作用会一直存在，因此在一定的奥氏体化时间内仍能保证晶粒均匀细小。有研究表明，随着保温时间的增加，钉扎在晶界的析出物聚集长大，对晶界的钉扎作用减弱，会造成奥氏体晶粒长大[11]。本实验钢奥氏体化温度较高，随着保温时间的延长，大颗粒析出相尺寸继续长大，小颗粒析出相溶解，造成晶界的钉扎作用减弱，因此，奥氏体晶粒尺寸随着保温时间的延长而变大。
有研究表明，原始奥氏体晶粒大，材料受到外力发生塑性变形时，不利于分散在更多的晶粒内进行，塑性变形不均匀，应力集中较大[12]。此外，马氏体板条束宽度作为对强度起作用的组织控制单元，宽度越大，强度越低[13]。对于本实验钢，随着回炉奥氏体化次数的增加，总的奥氏体化时间延长，材料的原奥氏体晶粒尺寸变大，淬火后的马氏体组织变粗，板条束变宽。因此，材料的力学性能下降。材料经过一次回炉奥氏体化淬火后，材料的晶粒和马氏体组织仍较细，受到外力发生塑性变形时，受力变形均匀，因此抗拉强度下降较小。经过两次回炉回炉奥氏体化淬火后，材料晶粒长大，出现大晶粒，马氏体组织变粗，受到外力发生塑性变形时，变形不均匀，应力集中较大，造成材料的抗拉强度出现相对较大的下降。
(1)实验表明随着回炉奥氏体化次数的增加，总加热时间延长，实验钢原始奥氏体晶粒长大，淬火后的马氏体组织变粗，板条束变宽，抗拉强度下降。
(2)对于B-Ti成分体系的铝硅镀层热冲压钢，生产过程中发生机械故障时，炉内的料片迅速取出可进行一次回炉奥氏体化再利用，材料仍能保证良好的性能。
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