在節(jié)能、環(huán)保、高安全、長(zhǎng)壽命的要求日益嚴(yán)格的情況下，開(kāi)發(fā)出超高強(qiáng)度的鋼材以滿足發(fā)展輕量化汽車(chē)和提高安全性的要求已刻不容緩。先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼（AHSS）在汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用顯著減輕了重量，從而提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，而不犧牲安全性。目前，在AHSS中，熱沖壓鋼的極限抗拉強(qiáng)度（UTS）分別達(dá)到了2 GPa、1.5 GPa （22MnB5）和1.7 GPa （30MnB5）。2 GPa （38MnB5）熱沖壓鋼已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車(chē)零部件，并已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。在890 ~ 950 °C熱沖壓后，組織由完全馬氏體組成。盡管UST較高，但熱沖壓鋼的延展性一般較低，總伸長(zhǎng)率低于8%，在沒(méi)有使用鋁硅涂層保護(hù)的情況下，熱沖壓過(guò)程中會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的氧化。為了改善表面質(zhì)量和提高抗氧化性能，設(shè)計(jì)了一種高鉻硅合金成分體系來(lái)控制氧化層的厚度。

我們的目標(biāo)是獲得超細(xì)粒馬氏體，同時(shí)保證超高的強(qiáng)度和良好的伸長(zhǎng)率。近年來(lái)，大量學(xué)者更加關(guān)注冷軋熱沖壓鋼，對(duì)淬火配分（Q-P）過(guò)程與調(diào)質(zhì)（Q-T）過(guò)程的耦合進(jìn)行了多項(xiàng)相關(guān)研究，從而提高了高強(qiáng)度鋼的性能。前人研究發(fā)現(xiàn)。優(yōu)異的整體性能是由于TRIP效應(yīng)發(fā)揮了殘余奧氏體的作用。因此，在QT和QP工藝控制下，開(kāi)發(fā)的輕量化、微合金化超高強(qiáng)度冷軋熱壓鋼（>2000 MPa）比傳統(tǒng)的1500HS鋼具有更高的強(qiáng)度和更好的延性。然而，當(dāng)前人們對(duì)熱軋鋼和熱沖壓鋼的性能研究還是不夠深入。

北京科技大學(xué)現(xiàn)代交通先進(jìn)金屬材料與加工技術(shù)北京實(shí)驗(yàn)室趙征志教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型Cr-Si合金超高強(qiáng)度熱軋熱軋沖壓鋼，去掉了 B、Ti等化學(xué)成分，加入Cr，提高了熱軋鋼的表面質(zhì)量，保證了淬透性。熱軋板材在740℃退火4小時(shí)。退火后的板材有利于最終熱沖壓前的切割和預(yù)冷成型。不同回火工藝，特別是170 °C保溫20分鐘后，超高強(qiáng)度鋼的總伸長(zhǎng)率有較大提高。研究了高強(qiáng)度的新型熱軋熱沖壓鋼（UTS>2150 MPa，總伸長(zhǎng)率較好（12%），抗氧化性能優(yōu)異（氧化厚度為12.4 μm）。這為新型熱沖壓鋼的開(kāi)發(fā)提供了動(dòng)力。相關(guān)研究成果以題為A novel hot stamping steel with superior mechanical properties and antioxidant properties發(fā)表在Journal of Materials Research and Technology上。

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.10.017

圖1

壓軋熱沖壓鋼的顯微組織。（a）膨脹曲線加熱和冷卻；（b）不同溫度下的平衡相分?jǐn)?shù)；（c）熱軋過(guò)程的掃描電鏡圖像;（d）退火熱沖壓鋼的掃描電鏡圖像

圖2

拉伸性能對(duì)熱沖壓和回火工藝的影響。（b）極限拉伸強(qiáng)度（UTS）、屈服強(qiáng)度（YS）和總伸長(zhǎng)率（TEL）對(duì)回火過(guò)程的影響；（c）回火后的加工硬化速率；（d）未回火/回火鋼中的RA組分

當(dāng)回火溫度為170°C時(shí)，板條混合了馬氏體微觀結(jié)構(gòu)，保留了奧氏體，大顆粒M23C6在熱軋熱沖壓鋼中觀察到（Nb，V）C沉淀的小顆粒。2000HS熱軋熱沖壓鋼表現(xiàn)出最佳的機(jī)械性能，屈服強(qiáng)度為1318 MPa，抗拉強(qiáng)度為2160 MPa，伸長(zhǎng)率為12%。它明顯高于商用22MnB5鋼。

圖3

不同回火工藝后試樣的顯微組織。（a, c, e, g） SEM圖像;（b, d, f, h） EBSD波段對(duì)比圖像的相位分布，沿RD方向檢查。（a, b） Z740-A950， （c, d） Z740-A950- t170， （e, f） Z740-A950- t270， （g, h） Z740-A950- t370。磚紅色代表BCC相，淺藍(lán)色代表FCC相

圖4

典型處理工藝的EBSD組織（a-d）為Z740-A950、Z740-A950- t170、Z740-A950- t270、Z740-A950- t370）。（a1）-（d1）為EBSD反極圖圖像。（a2）-（d2）為晶界（淺色線0 ~ 15°為低角度晶界，紫色線15 ~ 50°為先驗(yàn)奧氏體晶界，紅色線50 ~ 180°為高角度晶界）;（a3）-（d3）的KAM圖像。（RD為滾動(dòng)方向，ND為法線方向）

隨著回火溫度的升高，馬氏體板條寬度顯著增加，板條束部分合并，但其板條寬度小于1 μm，呈現(xiàn)超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)。M₂₃C₆的大顆粒連續(xù)生長(zhǎng)和粗化（101.2 μm）和（Nb，V）C沉淀的小顆粒（17.5 μm）。然而，他們釘住錯(cuò)位，并發(fā)揮了析出強(qiáng)化的重要作用。

圖

Z740-A950樣品TEM圖像。a）研究鋼中的馬氏體和奧氏體，b） M₂₃C₆碳化物的形貌和SAED模式（圖5a的放大視圖），c）M₂₃C₆碳化物的TEM-EDS元素分析，d） （Nb,V）C和M₂₃C₆在萃取復(fù)制試驗(yàn)中的元素分析，e）（Nb,V）C析出相的能譜，f） （Nb,V）C析出相的平均直徑

圖6

Z740-A950-T170樣品的TEM圖像。a）研究鋼的馬氏體亞增益和奧氏體，b）馬氏體孿晶和SAED模式，c） M₂₃C₆碳化物的形貌和SAED模式，d） EDS1的TEM-EDS分析，e） EDS2的TEM-EDS分析，f） M₂₃C₆析出相的平均直徑，g） （Nb,V） c析出相的TEM-EDS分析，h） （Nb,V） c析出相的TEM-EDS分析，i） （Nb,V） c析出相的平均直徑

在變形過(guò)程中，殘余的奧氏體被大大轉(zhuǎn)化為馬氏體，M₂₃C₆碳化物，提高了總伸長(zhǎng)率。更重要的是，無(wú)論任何淬火樣品或回火樣品，經(jīng)過(guò)測(cè)試的鋼都保持了良好的伸長(zhǎng)率。這主要是由于存在4∼6體積%的保留奧氏體和M₂₃C₆碳化物。

圖7

Z740-A950-T270試樣TEM圖像a） M₂₃C₆的HRTEM圖像及相應(yīng)的FFT, b） M₂₃C₆的TEM-EDS分析，c） M₂₃C₆的平均直徑，d） （Nb,V）C的HRTEM圖像及相應(yīng)的FFT, e） （Nb,V）C的TEM- eds分析，f） （Nb,V）C的平均直徑

圖8

Z740-A950-T370樣品的TEM圖像a） M₂₃C₆析出相的形貌，b） M₂₃C₆的HRTEM圖像及相應(yīng)的FFT, c） M₂₃C₆的TEM- eds分析，d） M₂₃C₆的TEM- eds分析，e） （Nb,V）C的HRTEM圖像及相應(yīng)的FFT, f） （Nb,V）C的TEM- eds分析，g） （Nb,V）C的平均直徑

Z740-A950-T270和Z740-A950-T370 TEM樣品的表征如圖7和圖8所示。沿馬氏體板條邊界分布有較大尺寸的析出相，同時(shí)還觀察到兩種類(lèi)型的析出相。Z740-A950-T270樣品中較大、較細(xì)析出相的平均直徑分別為108 nm和18.2 nm, Z740-A950-T370樣品中較大、較細(xì)析出相的平均直徑分別為117 nm和18.6 nm。高分辨率透射電鏡（HRTEM）和相應(yīng)的快速傅立葉變換（FFT）圖像以及TEM-EDS元素分析表明，大的析出相為立方結(jié)構(gòu)的M₂₃C₆，而小的析出相為FCC結(jié)構(gòu)的MX相合并，富含Nb和V。

圖9

熱沖壓鋼氧化層的厚度和基本分布圖。a） 1500HS, b） 2000HS經(jīng)950°C浸泡5 min風(fēng)冷處理

圖10

淬火和不同回火溫度下的錯(cuò)取向分布

圖11

研究了回火溫度對(duì)M23C6和（Nb,V）C析出行為的影響

所研究的2000HS表面的氧化率為12.4 μm，比1500HS（23.6 μm）薄得多。熱沖壓過(guò)程中，設(shè)計(jì)鋼內(nèi)Cr和Si含量的高比值與致密的Cr/Si合金化氧化層形成，從而防止了氧離子進(jìn)入鐵基體時(shí)鋼的表面進(jìn)一步氧化。