基于淬火碳分配工藝研究的概述

徐紹娟 慕東 江秉華 魏燕紅 林紅英

摘? 要：研究證明，經(jīng)淬火碳分配工藝處理后的鋼可獲得優(yōu)異的強(qiáng)度和塑韌性等綜合力學(xué)性能，其室溫組織由貧碳的馬氏體和富碳的殘余奧氏體組成，馬氏體組織保證了鋼的強(qiáng)度，而殘留奧氏體提高了鋼的塑性。文章對(duì)近年來淬火-碳分配工藝的研究進(jìn)展做了概述，并對(duì)該工藝未來的發(fā)展趨勢(shì)做了展望。

關(guān)鍵詞：淬火碳分配工藝;馬氏體;殘余奧氏體

中圖分類號(hào)：TG156? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）34-0096-02

Abstract： Studies have shown that the steel processed by the quenching and partitioning process can obtain comprehensive mechanical properties such as excellent strength and ductility. Its room temperature structure is composed of carbon-poor martensite and carbon-rich retained austenite， and the martensite structure is guaranteed. The strength of the steel is improved， and the retained austenite improves the plasticity of the steel. This paper summarizes the research progress of the quenching and partitioning process in recent years， and looks forward to the future development trend of the process.

Keywords： quenching and partitioning process; martensite; retained austenite

1 概述

馬氏體鋼傳統(tǒng)的熱處理工藝為淬火和回火。淬火組織主要為馬氏體或是馬氏體加殘余奧氏體，其強(qiáng)度高;回火則消除淬火應(yīng)力、同時(shí)馬氏體析出碳化物、殘余奧氏體分解。在1960年，Matas[1]等發(fā)現(xiàn)，在過冷奧氏體轉(zhuǎn)變過程中，鋼中的C原子可以由馬氏體相向殘余奧氏體中擴(kuò)散。隨后，Sarikaya[2]等通過實(shí)驗(yàn)證明，在淬火過程中，C會(huì)由馬氏體相向殘余奧氏體中進(jìn)行分配，從而造成增C現(xiàn)象。雖然很早人們就知道C會(huì)從馬氏體向殘余奧氏體分配，但是由于傳統(tǒng)的理論研究認(rèn)為室溫下存在的殘余奧氏體對(duì)材料的強(qiáng)度、硬度和耐磨性有害，從而希望材料中的殘余奧氏體越少越好。

2003年，美國(guó)科羅拉多礦校Speer[3]提出一種新工藝，即淬火碳分配工藝（Q&P），該工藝通過提高鋼中殘余奧氏體的含量，使鋼在室溫下的微觀組織由馬氏體和殘余奧氏體組成，從而保證鋼在高強(qiáng)度下具有較高的塑韌性，獲得綜合性能優(yōu)良的鋼。

淬火碳分配工藝（Q&P）與傳統(tǒng)的淬火回火工藝的區(qū)別在于，Q&P工藝?yán)娩撝械脑厝鏢i、AL等來阻礙碳化物的析出，使C從馬氏體向殘余奧氏體中分配，殘余奧氏體富C，從而獲得穩(wěn)定的奧氏體組織，使鋼在保證高強(qiáng)度的情況下具有高的韌性。

2 淬火碳分配工藝過程

圖1為淬火碳分配熱處理工藝示意圖[4]。QT表示初始淬火溫度，PT表示碳分配溫度。其中將QT=PT的處理稱為一步法工藝，將QT≠PT的處理稱為兩步法工藝。

3 淬火碳分配工藝的研究現(xiàn)狀

（1）在鋼種方面，研究者們發(fā)現(xiàn)通過淬火碳分配處理后的鋼能獲得較好的強(qiáng)塑性結(jié)合，主要在于該工藝能夠有效的增加殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)及其含碳量，最終獲得馬氏體與殘余奧氏體的復(fù)合組織。

J.G.Speer[5]等人將高碳含硅鋼（0.6C-2Si-Mn）進(jìn)行淬火碳分配工藝處理，其硬度為HRC58，殘余奧氏體含量為10%。而傳統(tǒng)的Q-T工藝得到的殘余奧氏體一般都在2%左右。

唐荻[6]等對(duì)0.3C-1.35Mn-1.3Si鋼通過淬火碳分配處理后，其殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)高達(dá)15.5%，有較高的強(qiáng)塑積，其抗拉強(qiáng)度為1221MPa，伸長(zhǎng)率為14%。較傳統(tǒng)熱處理工藝，綜合性能提高很多。

鐘寧[7]對(duì)0.2C-1.53Si-1.46Mn鋼進(jìn)行淬火碳分配處理后，顯微組織由高位錯(cuò)密度的板條馬氏體和殘余奧氏體組成，其屈服強(qiáng)度達(dá)900MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)1100MPa，伸長(zhǎng)率為21%，與其它先進(jìn)結(jié)構(gòu)鋼（馬氏體鋼、TRIP鋼、雙相鋼）相比，經(jīng)淬火碳分配處理后的鋼擁有較好的綜合力學(xué)性能。

（2）在工藝參數(shù)方面，研究者們主要在初始淬火溫度、碳分配溫度、碳分配保溫時(shí)間、淬火介質(zhì)等方面做了不同的研究。

陳連生[8]等對(duì)0.2C-1.28Mn-0.37Si進(jìn)行淬火碳分配處理，研究碳配分溫度對(duì)鋼的組織性能以及殘余奧氏體含量的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)碳配分溫度為400℃時(shí)，其強(qiáng)塑積達(dá)到最大值22610MPa.%，此時(shí)殘余奧氏體的含量（體積分?jǐn)?shù)）達(dá)到最大值5.3%。

蒯振[9]等人通過對(duì)0.26C-1.5Si-1.7Mn進(jìn)行淬火碳分配處理，發(fā)現(xiàn)在配分時(shí)間為300秒時(shí)，抗拉強(qiáng)度為1000MPa，伸長(zhǎng)率為27.3%，強(qiáng)塑積達(dá)到最大為27300MPa.%。

董辰[10]等對(duì)0.18C-1.48Si-1.4Mn-0.25Al-0.016P鋼進(jìn)行淬火碳分配處理，研究不同初始淬火溫度對(duì)鋼組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)在250℃時(shí)獲得較好的強(qiáng)塑積。

Ludmila[11]等人對(duì)42SiCr進(jìn)行研究，選取多種淬火介質(zhì)，并以淬火冷卻速度作為研究的對(duì)象，結(jié)果表明，不同的淬火冷卻速度會(huì)影響鋼的強(qiáng)度，但是對(duì)塑韌性的影響不大。鹽浴爐中得到的鋼的屈服強(qiáng)度最高，其值為1788MPa，抗拉強(qiáng)度為1920MPa;水淬得到的屈服強(qiáng)度不高，但是抗拉強(qiáng)度最大，其值為2008MPa。

4 對(duì)淬火碳分配工藝發(fā)展的展望

為了進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度，節(jié)約能源和資源，徐祖耀[12]在淬火碳分配的基礎(chǔ)上提出了淬火碳分配回火（Q-P-T）工藝，在設(shè)計(jì)的碳含量小于0.5%的鋼中加入了碳化物形成元素，通過實(shí)驗(yàn)，初步獲得鋼的抗拉強(qiáng)度在2000MPa以上，而斷后伸長(zhǎng)率在10%以上。較淬火碳分配工藝，該工藝引入了碳化物沉淀機(jī)制，能獲得更高的強(qiáng)度和塑性相結(jié)合的鋼。

辛沛森[13]基于淬火碳分配工藝的熱沖壓U形件的制備實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：基于淬火碳分配的熱沖壓件的強(qiáng)塑積比同等條件下的傳統(tǒng)熱沖壓件的強(qiáng)塑積高。對(duì)高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形工藝在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

采用淬火碳分配工藝，在不降低或者降低很少強(qiáng)度的情況下，能使鋼的塑韌性大大提高，從而獲得性能優(yōu)良的鋼。在淬火碳分配鋼的基礎(chǔ)上添加適量的碳化物形成元素，初步研究出含碳量小于0.5%的淬火-碳分配-回火鋼也能顯示良好的力學(xué)性能?；诖慊鹛挤峙涞臒釠_壓件其性能也優(yōu)于相同條件下的傳統(tǒng)的熱沖壓件，對(duì)引導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)具有重要的意義?；诖慊鹛挤峙涔に嚝@得的鋼制品在提高制件的強(qiáng)度，減輕制件重量，節(jié)能降耗方面有著重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]Matas， S， Hehemann， R. F， Retained austenite and the tempering of martensite[J].Nature，1960，87（4738）：685-686.

[2]M. Sarikaya， G. Thomas， J. W. Steeds. S. J. Barnal， G. D. W. Smith. Solute elementpartitioningand austenitestabilization in steels[A]. In： Proc. Inter. Conf. Solid toSolid Phase Transformations-1981[C].Ed by H.I.Aaronson， Warrendale PA， The Metall.Soc.， 1982：1421-1425.

[3]J. Speer， D. K. Matlock， B. C. De Cooman， et al， Carbon? partitioning into austenite after martensite transformation [J]. Acta? Materialia，2003，51（9）：2611-2622.

[4]Edmonds， D. V.， He， K.， Rizzo， E. C.， et al. Quenching and partitioning martensite-A novel steel heat treatment[J] .Materials Science and Engineering A，2006，438-440（SPEC. ISS.）， 25-34.

[5]J.G.Speer， D.V.Edmonds， F.C.Rizzo， D.K.Matlock. Partitioning of carbon form supersaturated plates of ferrite， with application tosteel processing and fundamentals of the bainite transformation[J].Current Opinion in Solid State and Materials Science，2004.

[6]唐荻，江海濤，劉智.Q&P工藝對(duì)0.3C-1.35Mn-1.30Si鋼力學(xué)性能的影響[J].材料熱處理，2011，11：34-38.

[7]鐘寧.高強(qiáng)度Q&P鋼和Q-P-T鋼的研究[D].上海交通大學(xué)，2009.

[8]陳連生，楊棟，田亞強(qiáng)，等.配分溫度對(duì)低碳高強(qiáng)Q&P鋼祖師及力學(xué)性能影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2014，01：011.

[9]蒯振，陳銀莉，趙愛民，等.低碳Si-Mn系Q&P鋼不同配分時(shí)間的熱處理工藝[J].金屬熱處理，2012，11：95-99.

[10]董辰，陳雨來，江海濤，等.超高強(qiáng)Q&P鋼淬火溫度對(duì)組織和性能的影響[J].熱加工工藝，2009，12：121-123+152.

[11]Ludmila KUCEROVAa，Hana JIRKOVAa+b，et al. analysis of 42SiCr steel after quenching and partioning by laser scaning confocal microscopy.

[12]徐祖耀.用于超高強(qiáng)度鋼的淬火-碳分配-回火（沉淀）（Q-P-T）工藝[J].熱處理，2008，02：1-5.

[13]辛沛森.基于淬火-碳分配（Q&P）工藝的熱沖壓成形技術(shù)研究[D].上海交通大學(xué)，2013.