Development of quenching and partitioning steels (Q&P)
Authors:   , Carpio Garza Marcel Francisco 
Published: November 2024

(English) The automotive industry is constantly seeking to improve the performance of the car and at the same time reduce CO2 emissions into the environment, which can be achieved among other solutions through the use of advanced high-strength steels (AHSS) that help reduce the weight of the car and keep the safety of the passengers.
The search for new steels with better mechanical properties has led researchers to design new alloys with different microstructures. The focus of new research is focused on the development of the 3rd generation of AHSS, which present a good relationship between resistance with a considerable increase in ductility compared to previous generations. It has been seen that this generation of new steels must present a microstructure partially formed by austenite which presents the TRIP effect or transformation induced plasticity. Said microstructure, when submitted to a deformation, transforms into martensite, improving its resistance, while at the same time providing toughness and/or formability to the steel.
One of these steels is called quenching and partitioning (Q&P) steel, which have a good relationship between strength and ductility due to their microstructure made up of retained austenite, fresh martensite, and tempered martensite. The production process of these steels is divided in two steps: the first step consists of an intercritical or complete austenitizing treatment, followed by an interrupted quench between the Ms and Mf temperatures to ensure a fraction of austenite, martensite and/or ferrite as required. The second step consists of a partitioning treatment in which a reheat is applied to a particular temperature for a given residence time. During this step, the carbon contained in the supersaturated martensite diffuses into the remaining austenite, stabilizing it at room temperature, followed by a quenching treatment to finish the process.
In this thesis, three steels with different amounts of manganese by weight (1.5Mn, 3.5Mn and 5.5Mn) in their chemical composition are designed together with 0.2C% and 1.5Si% (%weight) and are subjected to a industrial Q&P process with parameters designated by the company TERNIUM México. After the heat treatments, the steels were analyzed by means of different characterization techniques for their evaluation.
The objectives of this work were to find the best heat treatment route and its implementation at an industrial level, to determine the effect of the manganese concentration in the steel, in terms of the QP treatment, and to obtain a microstructure with the highest possible toughness, maximizing the fraction of retained austenite.
From the results obtained it can be determined that: theoretical models do not accurately predict the amount of retained austenite, especially due to Mn segregation problems. On the other hand, although increasing the Mn content tends to increase the retained austenite content, it also increases the risk of generating a lot of fresh martensite in the last step of the QP treatment, which is detrimental for the final mechanical properties. For the 1.5Mn steel, good mechanical properties were obtained due to the microstructure achieved during the Q&P process, which presented a mixture of retained austenite, fresh martensite, tempered martensite, and bainite. On the other hand, the 3.5Mn steel presented the highest fraction of retained austenite with good mechanical properties compared to the other steels. Similarly, the 5.5Mn steel showed an increase in segregation and therefore high manganese zones, in which they tend to present a higher fraction of fresh martensite, reducing the carbon available to stabilize the retained austenite by reducing its final fraction. From the results of the mechanical tests it can be determined that a high fraction of retained austenite does not always ensure good ductility because it also increases the risk of generating a significant amount of fresh martensite.
(Català) La indústria automotriu està buscant permanentment millorar el rendiment de l'automòbil i alhora reduir les emissions de CO2 a l'ambient la qual cosa es pot aconseguir entre d’altres solucions mitjançant l'ús d'acers avançats d'alta resistència (AHSS, per les seves sigles en anglès) que ajudin a reduir el pes de l'automòbil i mantinguin la seguretat dels passatgers.
La cerca de nous acers amb millors propietats mecàniques ha portat als investigadors a dissenyar nous aliatges amb diferents microestructures. El focus de les noves recerques se centra en el desenvolupament de la 3ra generació d’AHSS, els quals presenten una bona relació entre resistència amb un augment considerable en la ductilitat en comparació a generacions anteriors. S'ha vist que aquesta generació de nous acers ha de presentar una microestructura formada parcialment per austenita la qual presenta l'efecte TRIP o transformació induïda per plasticitat. Aquesta microestructura, en sotmetre's a una deformació, transforma a martensita millorant la resistència, alhora que dota de tenacitat i/o conformabilitat a l'acer.
Un d'aquests acers són els anomenats acers de tremp i particionat (Q&P, per les seves sigles en anglès), els quals presenten una bona relació entre resistència i ductilitat a causa de la seva microestructura formada per austenita retinguda, martensita fresca i martensita revinguda. El procés de producció d'aquests acers està format per dos passos: el primer pas consta d'un tractament intercrític o austenizat complet, seguit d'un tremp interromput entre les temperatures Ms i Mf per a assegurar una fracció d'austenita, martensita i/o ferrita segons sigui el cas. El segon pas consisteix d'un tractament de particionatat en el qual s'aplica un reescalfament a una temperatura particular durant un temps de permanència donat. Durant aquest pas el carboni contingut en la martensita supersaturada difon cap a l'austenita romanent estabilitzant-la a temperatura ambient, seguit a això un tractament de tremp per a finalitzar el procés.
En aquesta tesi es dissenyen tres acers amb diferents quantitats de manganès en pes (1.5Mn, 3.5Mn i 5.5Mn) en la seva composició química juntament amb 0.2C% i 1.5Si% (%pes) i se'ls sotmet a un procés de Q&P industrial amb paràmetres designats per l'empresa TERNIUM Mèxic. Després dels tractaments tèrmics, els acers van ser analitzats per mitjà de diferents tècniques de caracterització per a la seva avaluació.
Els objectius d'aquest treball van ser trobar la millor ruta de tractament tèrmic i la seva implementació a nivell industrial, determinar l'efecte de la concentració de manganès en l'acer, en termes del tractament QP i obtenir una microestructura amb la major tenacitat possible, maximitzant la fracció d'austenita retinguda.
Dels resultats obtinguts es pot determinar que: els models teòrics no prediuen exactament la quantitat d'austenita retinguda, especialment a causa dels problemes de segregació de Mn. D'altra banda, si bé augmentar el contingut de Mn tendeix a augmentar el contingut d'austenita retinguda, augmenta també el risc de generar molta martensita fresca en l'últim pas del tractament QP, la qual cosa és detrimental per a les propietats mecàniques finals. Per a l'acer 1.5Mn es van obtenir bones propietats mecàniques a causa de la microestructura aconseguida durant el procés Q&P, la qual va presentar una mescla d'austenita retinguda, martensita fresca, martensita revinguda i bainita. D'altra banda, l'acer 3.5Mn va presentar la major fracció d'austenita retinguda amb unes bones propietats mecàniques en comparació amb els altres acers. D'igual manera, l'acer 5.5Mn va mostrar un increment de segregació i per tant zones altes en manganès, en les quals tendeixen a presentar una major fracció de martensita fresca reduint el carboni disponible per a estabilitzar l'austenita retinguda reduint la seva fracció final.
(Español) La industria automotriz está buscando permanentemente mejorar el rendimiento del automóvil y a la vez reducir las emisiones de CO2 al ambiente lo cual puede lograse entre otras soluciones mediante el empleo de aceros avanzados de alta resistencia (AHSS, por sus siglas en inglés) que ayuden a reducir el peso del automóvil y mantengan la seguridad de los pasajeros.
La búsqueda de nuevos aceros con mejores propiedades mecánicas ha llevado a los investigadores a diseñar nuevas aleaciones con diferentes microestructuras. El foco de las nuevas investigaciones se centra en el desarrollo de la 3ra generación de AHSS, los cuales presentan una buena relación entre resistencia con un aumento considerable en la ductilidad en comparación a generaciones anteriores. Se ha visto que está generación de nuevos aceros debe presentar una microestructura formada parcialmente por austenita la cual presenta el efecto TRIP o transformación inducida por plasticidad. Dicha microestructura, al someterse a una deformación, transforma a martensita mejorando la resistencia, a la vez que dota de tenacidad y/o conformabilidad al acero.
Uno de dichos aceros son los llamados aceros de temple y particionado (Q&P, por sus siglas en inglés), los cuales presentan una buena relación entre resistencia y ductilidad debido a su microestructura formada por austenita retenida, martensita fresca y martensita revenida. El proceso de producción de estos aceros está formado por dos pasos: el primer paso consta de un tratamiento intercrítico o austenizado completo, seguido de un temple interrumpido entre las temperaturas Ms y Mf para asegurar una fracción de austenita, martensita y/o ferrita según sea el caso. El segundo paso consiste de un tratamiento de particionado en el que se aplica un recalentamiento a una temperatura particular durante un tiempo de permanencia dado. Durante este paso el carbono contenido en la martensita supersaturada difunde hacia la austenita remanente estabilizándola a temperatura ambiente, seguido a esto un tratamiento de temple para finalizar el proceso.
En esta tesis se diseñan tres aceros con diferentes cantidades de manganeso en peso (1.5Mn, 3.5Mn y 5.5Mn) en su composición química junto con 0.2C% y 1.5Si% (%peso) y se les somete a un proceso de Q&P industrial con parámetros designados por la empresa TERNIUM México. Después de los tratamientos térmicos, los aceros fueron analizados por medio de diferentes técnicas de caracterización para su evaluación.
Los objetivos de este trabajo fueron encontrar la mejor ruta de tratamiento térmico y su implementación a nivel industrial, determinar el efecto de la concentración de manganeso en el acero, en términos del tratamiento QP y obtener una microestructura con la mayor tenacidad posible, maximizando la fracción de austenita retenida.
De los resultados obtenidos se puede determinar que: los modelos teóricos no predicen exactamente la cantidad de austenita retenida, en especial debido a los problemas de segregación de Mn. Por otra parte, si bien aumentar el contenido de Mn tiende a aumentar el contenido de austenita retenida, aumenta también el riesgo de generar mucha martensita fresca en el último paso del tratamiento QP, lo que es detrimental para las propiedades mecánicas finales. Para el acero 1.5Mn se obtuvieron buenas propiedades mecánicas debido a la microestructura alcanzada durante el proceso Q&P, la cual presentó una mezcla de austenita retenida, martensita fresca, martensita revenida y bainita. Por otro lado, el acero 3.5Mn presentó la mayor fracción de austenita retenida con unas buenas propiedades mecánicas en comparación con los otros aceros. De igual manera, el acero 5.5Mn mostró un incremento de segregación y por tanto zonas altas en manganeso, en las cuales tienden a presentar una mayor fracción de martensita fresca reduciendo el carbono disponible para estabilizar la austenita retenida reduciendo su fracción final. De los resultados de las pruebas mecánicas se puede determinar