石慧君，曹 鵬，湯鵬鵬，孫夢龍，黎小洲，陳 煒

(江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

熱成型工藝的主要優(yōu)點是能夠生產(chǎn)抗拉強度在1 500 MPa以上的無回彈高強度鋼零件，板材在熱成型模具中淬火，會獲得較高的強度和較小的精度誤差[1]。熱成型過程中的工藝參數(shù)包括保溫時間、淬火速率、保壓力、保壓時間和壓邊力等[2-7]，對板材力學(xué)性能的影響較大。高溫環(huán)境下的成型性能會受到環(huán)境溫度和自身溫度的影響[8-10]。特別地，板材在加熱爐中奧氏體化后轉(zhuǎn)移至模具的過程中，會存在一定的溫度差，即板材的初始成型溫度會降低，而初始成型溫度對板材的抗拉性能有決定性的影響，但關(guān)于這方面的研究較為缺乏。本文主要研究了熱成型過程中的溫度工藝參數(shù)(奧氏體化加熱溫度和初始成型溫度)對22MnB 5超高強鋼的顯微組織和拉伸性能的影響，采用淬火試驗、單向拉伸試驗研究了溫度工藝參數(shù)對22MnB5超高強鋼的影響規(guī)律。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

本試驗的板材是寶武集團提供的厚度為1.4 mm的無鍍層冷軋帶鋼22MnB 5，淬火試驗的試樣如圖1(a)所示，尺寸為123 mm×40 mm，主要化學(xué)成分如表1所示。板料的初始顯微組織為均勻分布的鐵素體和珠光體，其基本力學(xué)性能如表2所示。

(a) 淬火試樣

(b) 拉伸試樣

表1 原始22MnB5超高強鋼中主要合金元素質(zhì)量分數(shù) %

表2 原始22MnB5超高強鋼的力學(xué)性能

1.2 試驗方案

1.2.1 加熱溫度的影響試驗

為了研究超高強鋼在不同奧氏體化加熱溫度下的變化規(guī)律和最佳的參數(shù)，首先通過在高溫加熱爐中將22MnB5超高強鋼試樣加熱到設(shè)定的加熱溫度(分別為830 ℃， 870 ℃， 910 ℃和950 ℃)，保溫時間為4 min，然后將其快速轉(zhuǎn)移到平板模具中進行淬火。平板模具中有冷卻水道，圖2是布置冷卻水道的平板模具的示意圖與實物圖，平板模具的材料為H13熱作模具鋼。隨后將淬火后的超高強鋼加工成符合國際標準的單向拉伸試樣來進行單向拉伸試驗，拉伸試樣如圖1(b)所示。實驗裝置為CMT5105型號

(a) 示意圖

(b) 實物圖

單位： mm

圖2 帶冷卻水道的H13平板模具

的電子萬能試驗機(產(chǎn)地：深圳，中國)，試驗中的拉伸速度為3 mm·min-1，拉伸時的應(yīng)變速率為0.1 s-1，自動記錄應(yīng)力-應(yīng)變曲線。最后通過LEICA DM2500M型號的金相顯微鏡(德國)對22MnB5超高強鋼淬火試樣進行微觀組織的觀察。

1.2.2 初始成型溫度的影響試驗

為了研究初始成型溫度(熱成型過程中，上模與高溫狀態(tài)的板料接觸時的瞬時溫度)對22MnB5超高強鋼成型質(zhì)量的影響，設(shè)計試驗主要步驟如下：(1)通過將22MnB5超高強鋼加熱到最佳奧氏體化溫度(910 ℃)，保溫時間4 min；(2)試樣在空氣中冷卻到初始成型溫度(500 ℃， 600 ℃， 700 ℃和800 ℃)，通過手持式紅外測溫儀來實時測溫；(3)快速轉(zhuǎn)移到圖1所示的H13平板模具中進行淬火；(4)對不同初始成型溫度淬火后的試樣進行單向拉伸試驗和微觀組織觀察。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 加熱溫度對22MnB5超高強鋼微觀組織和拉伸性能的影響

圖3為經(jīng)過830～910 ℃加熱溫度后22MnB5超高強鋼的微觀組織，可以看出，隨著加熱溫度的升高，淬火后22MnB5中的板條狀馬氏體組織會增多并且分布會趨向均勻。特別是加熱溫度為910 ℃時，淬火后的組織都為板條狀馬氏體組織，并且奧氏體晶粒沒有發(fā)生在950 ℃下觀察到的變粗現(xiàn)象，板條束未出現(xiàn)銳化和寬化，表明加熱溫度為910 ℃時的成型質(zhì)量最佳。

(a) 830 ℃ (b) 870 ℃

(c) 910 ℃ (d) 950 ℃

圖4是不同加熱溫度(830 ℃， 870 ℃， 910 ℃和 950 ℃)下22MnB5超高強鋼淬火后的拉伸性能的變化規(guī)律。

可以看出，當加熱溫度在830～910 ℃間，淬火后22MnB5超高強鋼的抗拉強度快速上升，峰值出現(xiàn)在910 ℃時；而在950 ℃時，抗拉

圖4 不同加熱溫度淬火后試樣的抗拉強度

強度出現(xiàn)下降的趨勢。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隨著加熱溫度的提高，超高強鋼的組織會逐漸發(fā)生完全奧氏體化，組織會轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻陌鍡l狀馬氏體，此時的抗拉強度是最高的，但隨著溫度的進一步提高，奧氏體晶粒隨著溫度的上升而出現(xiàn)過奧氏體化的現(xiàn)象，即晶粒變得粗大，此時板條狀馬氏體的板條束尺寸變寬，降低了材料在拉伸試驗中的抗拉強度。

2.2 初始成型溫度對22MnB5超高強鋼微觀組織和拉伸性能的影響

對22MnB5超高強鋼在不同初始成型溫度(500 ℃， 600 ℃， 700 ℃和800 ℃)淬火后的試樣進行了單向拉伸試驗，研究了初始成型溫度對于22MnB5超高強鋼淬火后抗拉強度的影響，確定了最佳的初始成型溫度。

圖5是不同初始成型溫度下22MnB5超高強鋼的微觀組織圖，當初始成型溫度為 500 ℃和 600 ℃時，觀察到的微觀組織主要為貝氏體和少量的殘余奧氏體組織，隨著溫度的升高，貝氏體和殘余奧氏體組織會轉(zhuǎn)化為板條狀的馬氏體組織，特別是800 ℃時的微觀組織全部轉(zhuǎn)化為均勻的板條狀馬氏體。

(a) 500 ℃

(b) 600 ℃

(c) 700 ℃

(d) 800 ℃

圖6是22MnB5超高強鋼在H13平板模具中淬火后試樣的拉伸性能數(shù)據(jù)，可以看出：在500～700 ℃溫度范圍內(nèi)，抗拉強度與溫度呈正相關(guān)的關(guān)系，從1 058.7 MPa(500 ℃)上升到1 630.54 MPa(700 ℃)；當溫度高于700 ℃后，材料的抗拉強度趨向穩(wěn)定。在500 ℃和600 ℃時，22MnB5超高強鋼抗拉強度低的原因是在空氣中的冷卻速率較低，板料中的原始奧氏體組織已經(jīng)有部分轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w和鐵素體，導(dǎo)致較低的抗拉強度。在700～800 ℃范圍內(nèi)，22MnB5超高強鋼的組織轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l狀馬氏體，試樣具有最佳的抗拉強度。

圖6 不同初始成型溫度下試樣的抗拉強度

3 結(jié) 論

1) 研究了熱成型過程中的奧氏體化加熱溫度(分別為830 ℃， 870 ℃， 910 ℃和 950 ℃)對 22MnB5超高強鋼淬火后微觀組織和拉伸性能的影響規(guī)律，當加熱溫度為 910 ℃時，22MnB5超高強鋼淬火后的組織為均勻板條狀馬氏體組織，在淬火后會達到最佳的抗拉強度(1 600 MPa以上)。

2) 研究了初始成型溫度(500， 600， 700和800 ℃)對 22MnB5超高強鋼淬火后微觀組織和拉伸性能的影響規(guī)律，在500～700 ℃溫度范圍內(nèi)，抗拉強度與溫度呈正相關(guān)關(guān)系，當初始成型溫度在 700～800 ℃范圍內(nèi)時，板材具有最佳和穩(wěn)定的抗拉強度，達到1 600 MPa以上。