Fe-Mn-Al-C系轻质钢中含铝碳化物的析出规律

2022-09-05孟静竹刘仁东郭金宇徐荣杰王科强

金属热处理 2022年8期

孟静竹，刘仁东，郭金宇，徐荣杰，王科强，潘勇

(1. 鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山 114001；2. 东北特殊钢集团股份有限公司，辽宁大连 116105)

近年来，人们对环境的保护更加重视，对汽车节能减排要求更加严格。而使用轻量化材料能够有效减轻车身质量，从而达到节能减排的目的。轻质高强钢是近年来汽车用钢节能减排发展的主要方向[1-3]，Fe-Mn-Al-C系钢集高强度、高韧性、低密度、抗冲击、耐蚀性能等优点于一身，较高的Mn、Al、C等轻质合金含量在保证其优良的成形性能和抗碰撞性能的前提下，将钢板的密度降低到6.5～7.0 g/cm3。相比传统高强钢，其减量效果明显，满足轻量化设计要求[4]。但是在生产过程发现Fe-Mn-Al-C系钢容易出现开裂的问题，如图1所示。经过研究，发现开裂主要是由于钢中含铝碳化物(Fe，Mn)3AlCx—K碳化物的原因[5-8]。一般来说，K碳化物的析出有助于提高奥氏体钢的强度，但是会使钢的加工硬化率和断后伸长率降低[9]。研究Fe-Mn-Al-C系钢中含铝碳化物的析出规律以及其对性能的影响，能够为后续制定相应的生产工艺提供依据。

图1 Fe-Mn-Al-C钢在生产中出现的开裂情况

1 试验材料与方法

试验钢为热轧态的Fe-Mn-Al-C系轻质钢钢板，化学成分如表1所示。采用真空熔炼炉制备3种成分的轻质钢钢锭，每个钢锭质量为80 kg，尺寸为450 mm×150 mm×150 mm。将钢锭加热到1250 ℃，保温2 h，然后进行轧制，初轧温度为1100 ℃，终轧温度为950 ℃，成品为4 mm厚的热轧板。将不同Al含量的轻质钢升温到全奥氏体区温度保温1 h，分别水冷(WC)、空冷(AC)和炉冷(FC)到室温，研究冷却速率对碳化物析出的影响。再将一部分水冷后的不同Al含量的轻质钢分别升温到700、800和900 ℃，保温6 h，之后水冷到室温，研究加热温度对碳化物析出的影响。利用Z100电子拉伸试验机测量力学性能，试样尺寸采用GB/T 228.1—2021《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》中矩形横截面非比例试样A50mm标准力学拉伸试样。采用 Axiovert200型光学显微镜观察热轧后的显微组织，金相试样需经砂纸打磨和机械抛光。采用体积分数为4%的硝酸酒精进行腐蚀，采用QUANT400 扫描电镜观察试验钢的组织形貌，并利用EPMA-1610电子探针仪器进行成分分析。使用XPERT PRO型X射线衍射仪(Co靶)分析试验钢的相组成[10]。采用FV-300维氏硬度计进行硬度测量，载荷砝码为50 g，保荷时间为12 s。

表1 不同Al含量轻质钢的化学成分(质量分数，%)

2 试验结果与讨论

2.1 影响含铝碳化物-K相析出的因素

2.1.1 化学成分

热轧后不同Al含量的轻质钢显微组织如图2所示。3Al轻质钢的组织为块状的全奥氏体组织，6Al和9Al轻质钢为奥氏体+铁素体双相组织，图2中白色的长条状组织为铁素体，深色的组织为奥氏体。由于钢中添加了较多的Al元素，Al元素聚集在铁素体中，形成了长条状的δ-铁素体。

图2 不同Al含量热轧态轻质钢的显微组织

选取成分为3Al、6Al和9Al轻质钢进行试验，通过组织观察及X射线衍射图谱分析得出，只有9Al轻质钢中析出了含铝碳化物，如图3所示，这是由于Al元素是能够扩大铁素体区的元素，Al元素集中在铁素体中，固溶饱和后才会在碳化物中聚集，形成含铝化合物K相。K相是立方结构，类似于单质铝的面心立方结构，六面体立方单元上是Al原子占据顶角位置，Fe和Mn原子占据6个面心的位置，不同于面心立方结构的是C原子占据立方结构的中心位置[11]，如图4(a)所示。所以K相既不同于面心立方也不同于体心立方结构，称之为立方结构，化学式为(FeMn)3AlC。在透射电镜下，K相的形态如图4(b)所示，K相出现在奥氏体边界上。对K相进行结构标定，通过Patterson方程[12]进行K相晶格常数的计算，得出a0=0.428，计算的结果与X射线衍射测量得出的晶格常数相符。所以只有当Al含量大于某一个值后，钢中才会出现含铝化合物的析出。

图3 不同Al含量热轧态轻质钢的X射线衍射图谱

图4 热轧态轻质钢中K相结构示意图(a)及透射电镜下的K相结构(b)

2.1.2 冷却速率

K相的形成需要相对长的时间，在实验室中将同一成分的轻质钢加热到1150 ℃全奥氏体区，采用水冷、空冷和炉冷的冷却方式将试样冷却到室温，水冷用时20 s，空冷用时5 min，炉冷用时16 h，计算冷却速率，使用公式为：冷却速率=加热温度/冷却时间，得出结果：水冷速率=57.5 ℃/s，空冷速率=3.833 ℃/s，炉冷速率=0.020 ℃/s。然后进行组织观察，如图5所示，9Al轻质钢WC和AC后的组织为奥氏体+铁素体，9Al轻质钢FC后的组织为奥氏体+铁素体+K相。只有炉冷的冷却方式下K相才会析出，水冷和空冷下都没有K相析出，所以在生产过程中采用较快的冷却方式即可避免K相的析出。通过光学显微镜和扫描电镜进一步观察，可以在放大倍数较大的情况下清晰地观察到K相的析出，如图6所示，在奥氏体和铁素体交界处，沿着奥氏体晶界析出的棒状组织即为K相。

图5 经1150 ℃保温1 h且以不同方式冷却后9Al轻质钢的显微组织

图6 经1150 ℃保温1 h，炉冷后9Al轻质钢中K相的形貌

2.1.3 加热温度

K相严重影响着轻质钢的力学性能，通过研究发现，在高Al和超高Al的轻质钢中，若采用较慢的冷却方式，让Al元素在钢中有足够的时间进行扩散，K相会一直存在，为了消除钢中对力学性能造成恶劣影响的K相，需要研究K相是否可以消除以及消除的条件。图7是使用Thermal-Calc软件模拟的平衡相图，从计算结果来看，3Al轻质钢中在740 ℃附近碳化物全部消失，6Al和9Al轻质钢中在760 ℃附近碳化物不再析出，然而实际在钢中不存在理想的平衡态，所以以计算结果作为试验参数制定的依据，通过试验结果进行验证。试验选择的起始温度为700 ℃，试验温度间隔为100 ℃，在加热温度为900 ℃时，发现没有K相的析出，如图8所示，通过对比可知，K相的溶解温度约为900 ℃。这是由于随着加热温度的升高，C元素和Mn元素在奥氏体相中溶解度变大，Al元素在铁素体相中溶解度变大，K相不断溶解，从粗大的短棒状转变为球状，最后全部消失。

图7 不同Al含量轻质钢的热力学平衡相图

图8 在不同加热温度保温6 h水冷后9Al轻质钢的显微组织

2.2 K相的析出对轻质钢性能的影响

2.2.1 拉伸性能

通过对不同冷却方式下不同Al含量轻质钢的力学性能进行对比分析，结果如图9所示，发现当没有碳化物析出时，轻质钢的伸长率变化不大，最大波动范围为10%左右，但是当钢中析出碳化物时，钢的塑性急剧下降，这是由于在奥氏体边界上析出的粗大的碳化物脆化了晶界，使钢中硬相与软相间的变形不均匀，使钢的塑性降低。再对不同加热温度下的轻质钢拉伸性能进行对比，结果如图10所示。有粗大的K相析出时，轻质钢的拉伸过程中发生脆性断裂，当K相的含量及尺寸减小时，钢的塑性有所回升，而当没有K相析出时，轻质钢的塑性达到最高。

图9 经1150 ℃保温1 h且以不同方式冷却后不同Al含量轻质钢的伸长率

图10 不同加热温度保温6 h水冷后9Al轻质钢的拉伸性能

2.2.2 硬度

不同热处理条件下9Al轻质钢的显微硬度如表2所示。由于K相的生成位置导致不能单独测量铁素体的硬度，所以当有K相生成时，测量硬度为K+α相的综合硬度。由表2数据分析可以看出，炉冷后K相的含量大，硬度高。由表2可以看出，K相硬度最高，铁素体硬度高于奥氏体硬度，在轻质钢中奥氏体为软相，主要提供塑性，铁素体为硬相，主要提供强度，轻质钢的高强度和高韧性是通过钢中硬相与软相的相互配合而得到的，当出现K相这种脆硬相，硬度很高，但塑性极差，在变形过程中会阻碍晶粒的变形，会导致变形不均匀而降低塑性。

表2 不同热处理条件下9Al轻质钢中各相的硬度值(HV0.05)

2.3 K相的析出位置特点

通过微观组织观察，可以发现K相主要沿着奥氏体晶界在铁素体上生长，使用电子探针对1150 ℃全奥氏体区保温1 h炉冷后的9Al轻质钢中C、Mn、Si、Al各元素的分布进行研究，结果如图11所示，发现C元素主要集中在奥氏体边界析出的碳化物中，还有一部分集中在奥氏体中，但奥氏体中的碳含量远小于碳化物中碳含量，Si元素呈弥散状态分布在轻质钢中，但在奥氏体边界上的碳化物中并没有检测到Si元素，Mn元素集中在碳化物中，弥散分布在奥氏体中，Al元素比较集中出现在铁素体及碳化物中，在奥氏体中相对贫乏。这是由于K相中富集了C、Mn和Al元素，而C和Mn元素是稳定奥氏体的元素，Al是稳定铁素体的元素，所以在元素扩散的过程中，碳化物首先在C和Mn元素较聚集的奥氏体边界上形核，随着Al元素的不断扩散，K相不断向铁素体方向长大，形成K碳化物。