新型汽车用 2000HS 热冲压钢：强度与塑性的完美结合

引言：本文研究人员开发了一种新型的2000HS汽车热成形钢，与传统的1500HS热成形钢相比，其表现出良好的强度和塑性综合性能，热成形过程中氧化层厚度明显降低。Z740-A950-T170合金的组织由板条马氏体、较大的M23C6析出相、较小的(Nb,V)C析出相和残余奥氏体(4～6vol.%)组成。Z740-A950-T170试样的综合力学性能最好，拉伸强度为2160MPa，屈服强度为1318MPa，总伸长率为12%。Mo元素的加入抑制了析出产物的粗化和伸长。大的M23C6析出相(101.2μm)和较小的(Nb,V)C析出相(17.5μm)起到钉扎位错、提高屈服强度的作用。室温下残余奥氏体(4-6vol.%)保留，通过相变诱导塑性(TRIP)效应提高强度并保持总伸长率。在950℃×5min热成形后，该钢的氧化层厚度(12.4μm)比1500HS钢(23.6μm)薄。氧化速度的明显降低是由于设计钢中Cr、Si含量较高，在氧化层底部形成致密的Cr、Si，提高了钢的抗氧化性能。

随着节能环保、高安全、长寿命的要求越来越严格，迫切需要开发超高强度钢以满足发展汽车轻量化、提高安全性的要求。工业应用已经显著减轻了重量，从而在不牺牲安全性的情况下提高燃油经济性。目前，在AHSS中，热冲压钢的极限拉伸强度(UTS)已达到2GPa、1.5GPa(22MnB5)和1.7GPa(30MnB5)。2GPa(38MnB5)热冲压钢在现代汽车零部件中得到广泛应用，并已实现工业化。在890～950℃热冲压后，组织由完整的马氏体组成，虽然UST较高，但热冲压钢的延展性普遍较低，总伸长率不足8%。如果没有铝硅涂层的保护，热冲压过程中会发生严重的氧化。为了改善表面质量，增加抗氧化性能，提高合金的耐腐蚀性能，设计了高铬硅合金成分体系，控制氧化层厚度。

我们的目标是在保证超高强度和良好伸长率的同时，获得超细马氏体。近年来，大量学者对冷轧热冲压钢给予高度重视，纷纷研究将淬火配分(QP)工艺与淬火回火(QT)工艺耦合，从而提高高强钢的性能。前期研究发现，优异的综合性能是由于TRIP效应发挥了残余奥氏体的作用。因此，在QT和QP工艺控制的背景下，开发轻量化、微合金化超高强度冷轧热冲压钢(>2000 MPa)，使其比传统的1500HS钢具有更高的强度和更好的延展性。但是，当前对热轧钢和热冲压钢性能的研究还不够深入。

北京科技大学现代交通先进金属材料与加工技术北京实验室赵正志教授团队设计了一种新型Cr-Si合金超高强度热轧冲压钢，去除B、Ti等化学成分并添加Cr，改善了热轧钢的表面质量，保证了淬硬性。热轧板在740℃保温4小时，退火板便于切割和最终热冲压前的预冷。不同的回火工艺，特别是170℃保温20分钟后，超高强度钢的总伸长率有明显提高。研究了一种新型高强度热轧热冲压钢（UTS>2150 MPa，良好的总伸长率（12%），优异的抗氧化性能）（氧化厚度为12.4μm）。这为新型热冲压钢的开发提供了动力。相关研究成果以《一种具有优越机械性能和抗氧化性能的新型热冲压钢》为题发表在《材料研究与技术》杂志上。

图 1

热冲压钢在轧制过程中的微观结构。（a）加热和冷却过程中的膨胀曲线；（b）不同温度下的平衡相分数；（c）热轧过程的 SEM 图像；（d）退火热冲压钢的 SEM 图像。电子显微镜图像

图 2

拉伸性能对热冲压和回火工艺的影响。（b）极限拉伸强度（UTS）、屈服强度（YS）和总伸长率（TEL）对回火工艺的影响；（c）回火后加工硬化率；（d）未回火/回火钢中的 RA 成分

当在170°C回火时，热轧热冲压钢中观察到板条具有混合马氏体微观组织，残余奥氏体，大颗粒的M23C6和小颗粒的（Nb，V）C沉淀物。2000HS热轧热冲压钢表现出最佳的力学性能，其屈服强度为1318 MPa，抗拉强度为2160 MPa，伸长率为12％，明显高于商业22MnB5钢。

图 3

不同回火工艺后样品的组织结构。（a, c, e, g）SEM 像；（b, d, f, h）沿 RD 方向观察的 EBSD 谱带对比像的相分布。（a, b）Z740-A950，（c, d）Z740-A950- t170，（e, f）Z740-A950- t270，（g, h）Z740-A950- t370。砖红色代表 BCC 相，浅蓝色代表 FCC 相

图 4

典型加工工艺的EBSD结构（ad）为Z740-A950、Z740-A950-t170、Z740-A950-t270、Z740-A950-t370）。（a1）-（d1）为EBSD反极图像。（a2）-（d2）为晶界（浅色线0～15°为小角度晶界，紫色线15～50°为原奥氏体晶界，红色线50～180°为大角度晶界）；（a3）-（d3）的KAM像。（RD为轧制方向，ND为法线方向）

随着回火温度的升高，马氏体板条宽度明显增加，板条束部分合并，但板条宽度小于1 μm，呈超细晶粒组织；M23C6大颗粒继续长大并粗化（101.2 μm），(Nb,V)C析出相为小颗粒（17.5 μm），但它们对位错有钉扎作用，对沉淀强化起重要作用。

图 5

Z740-A950 样品的 TEM 图像。a) 所研究钢中的马氏体和奥氏体，b) M23C6 碳化物的形态和 SAED 图案（图 5a 的放大图），c) M23C6 碳化物的 TEM-EDS 元素分析，d) 萃取复制试验中 (Nb,V)C 和 M23C6 的元素分析，e) (Nb,V)C 沉淀物的能谱，f) (Nb,V)C 沉淀物的平均直径

图 6

Z740-A950-T170 样品的 TEM 图像。a) 所研究钢的亚马氏体和奥氏体，b) 马氏体孪晶和 SAED 图案，c) M23C6 碳化物的形态和 SAED 图案，d) EDS1 的 TEM-EDS 分析，e) EDS2 的 TEM-EDS 分析，f) M23C6 沉淀物的平均直径，g) (Nb, V) c 沉淀物的 TEM-EDS 分析，h) (Nb, V) c 沉淀物相的 TEM-EDS 分析，i) (Nb, V) c 沉淀相的平均直径

在变形过程中，残余奥氏体大量转变为马氏体，M23C6碳化物，从而增加了总伸长率。更重要的是，无论是淬火还是回火样品，测试钢都保持相同的伸长率。良好的伸长率。这主要是由于存在4至6体积％的残余奥氏体和M23C6碳化物。

图 7

Z740-A950-T270 样品的 TEM 图像 a) M23C6 的 HRTEM 图像和相应的 FFT，b) M23C6 的 TEM-EDS 分析，c) M23C6 的平均直径，d) (Nb,V)C 的 HRTEM 图像和相应的 FFT，e) (Nb,V)C 的 TEM-EDS 分析，f) (Nb,V)C 的平均直径

图 8

Z740-A950-T370样品的TEM图像a）M23C6沉淀相的形态，b）M23C6的HRTEM图像和相应的FFT，c）M23C6的TEM-EDS分析，d）M23C6的TEM-EDS分析，e）(Nb,V)C的HRTEM图像和相应的FFT，f）(Nb,V)C的TEM-EDS分析，g）(Nb,V)C的平均直径

Z740-A950-T270和Z740-A950-T370 TEM样品的表征结果如图7和图8所示。较大的析出物沿马氏体板条边界分布，同时观察到两种类型的析出物。Z740-A950-T270样品中较大和较细小析出物的平均直径分别为108nm和18.2nm，Z740-A950-T370样品中较大和较细小析出物的平均直径分别为117nm和18.6nm。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和相应的快速傅里叶变换（FFT）图像以及TEM-EDS元素分析表明，大的析出物为立方M23C6，而小的析出物为具有FCC结构的MX相。富含Nb和V。

图 9

热冲压钢上氧化层的厚度和基本分布。a) 1500HS，b) 2000HS 在 950°C 下浸泡 5 分钟并空冷后

图10

淬火及不同回火温度下取向差分布

图11

研究了回火温度对M23C6和(Nb,V)C析出行为的影响。

所研究的2000HS表面的氧化速度为12.4μm，比1500HS（23.6μm）要薄得多。在热冲压过程中，设计钢中Cr和Si含量的高比例以及致密的Cr/Si合金化氧化层的形成导致当氧离子进入铁基体时形成这阻止了钢表面的进一步氧化。