熱壓成形技術對汽車高強度鋼性能影響

1、熱壓成形技術對汽車高強度鋼性能影響常英，孟召喚，梁穎，李曉東，馬寧，胡平（汽車工程學院國家重點實驗室，工業(yè)裝備結構分析，大連理工大學，遼寧，大連，116024）摘要：基于材料科學和機械工程的結合，對汽車高強度鋼熱沖壓成型過程進行了分析。熱成型工藝包括：快速加熱合金，奧氏體微觀結構，沖壓和及時冷卻，保持壓力和淬火。結果表明，對樣品進行淬火的熱壓成形，加熱至900時，大部分奧氏體微觀結構改變成均勻的馬氏體。最佳的拉伸強度和屈服強度分別為1530 MPa和1000MPa的，均達到23左右的形狀變形。樣品沒有發(fā)生過回彈缺陷。關鍵詞：高強度鋼；重量輕；熱成型；馬氏體0 引言作為一種有效的經(jīng)濟的能源措施，

2、輕巧的汽車發(fā)展方向，已成為汽車行業(yè)最重要的研究課題之一。實現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑有三個：優(yōu)化汽車框架和結構，使車輛的車身或者車架的，新的和替代材料，降低整車質量（高和超高強度鋼，可作為替代材料，因為它的厚度更薄，），汽車輕量化，如厚度梯度高強度鋼（HSS）或金屬系化合物板通過連續(xù)沖壓或熱壓成形1為了采用先進的制造技術。HSS已經(jīng)應用在國內(nèi)一些高檔車，關鍵生產(chǎn)技術一直占主導地位的外國公司，如Acelor公司，從而顯著提高了產(chǎn)品成本。由國內(nèi)自行設計的熱壓成型技術和水冷卻模具，汽車HSS可以生產(chǎn)替代國外汽車零部件。在一般情況下，隨著鋼質坯件的機械強度的增強，其可塑性急劇惡化。這是很難適用于傳統(tǒng)的冷沖

3、壓技術進入該領域取代HSS。同時，填補了馬氏體鋼應用空白，熱沖壓技術作為一項新技術，它結合了金屬熱塑性成型法和水冷卻模具淬火原則。在本文中，形成硼鋼空白和水冷卻用模具驟冷的過程期間同時燙印。相對于原汽車珠光體鋼2，汽車HSS通過以下方式獲得先進的熱壓成形技術可以減少車輛的總質量的30左右，實現(xiàn)復雜的幾何形狀，高安全性和機械強度。其原因是最佳的塑性和延展性的奧氏體顯微組織可以通過高溫下3 - 5熱壓成形方式獲得，同時形成后和驟冷的6 - 8條件將得到具有優(yōu)異機械性能、重量輕的HSS將。為實現(xiàn)車輛的重量輕，熱成型更薄的HSS板的應用將成為一個重要的措施。1實驗裝置另外，為了在高溫下形成高速鋼，以避

4、免裂紋和回彈，樣品需要快速加熱和完全變換成穩(wěn)定的奧氏體組織。然后，樣品被壓在自制的水冷卻模具中冷卻，對于得到的HSS樣本，其形狀凍結字符或沒有回彈缺陷是一個明顯的優(yōu)點，并且大部分樣品中的顯微組織為馬氏體。樣品的厚度是1.6毫米，在HSS這個實驗中的主要元素，示于表1。表1的實驗技術中的材料的主要要素22MnB5CMnCrSiBPSAl最低限度0.2201.2000.1100.0020.002-0.020最高限度0.2501.4000.2000.0050.0050.0200.0050.050實際實驗步驟包括：1）設置不同的熱處理溫度的范圍為750至1 000；2）把熱處理過的樣品放入爐中，在一定

5、的溫度下加熱4分鐘；3）刪除它由機械手并把它變成熱成形模具，快速按下；4）同時，在約30/ s的冷卻水在土堆，通過拉伸試驗系統(tǒng)進行分析的樣品的機械性能和由金屬金相圖片分析裝置分析的顯微組織的外觀。試驗樣品的形狀和尺寸示于圖1。2結果與討論硼鋼（HSS）的機械性能不同厚度（1.0毫米，1.6毫米，2.0毫米，2.5毫米，3.0毫米和4.0毫米，分別）進行了檢查（GBT16865-1997征求意見，樣本選取沿0，45和90軋制方向分別）。單向拉伸試驗（金屬拉伸試驗的標準GBT228-2002）的基礎上被完成。相比與USIBOR1500，HSS具有不同厚度的實驗中基本力學性質的值如圖2所示。單位：m

6、m圖1形狀和尺寸試樣圖2示出了樣品（除了用厚度為4.0毫米的一個）的拉伸強度和屈服強度，水冷淬火后，分別達到1500 MPa和1 000兆帕。淬火前的強度的值的兩倍優(yōu)于那些樣本，和幾乎相同的那些板的厚度1.75毫米從Acelor公司（USIBOR1500在圖1所示）。鋼板厚度/mm淬火后的拉伸強度淬火后的屈服強度淬火前的拉伸強度屈服強度淬火前工程應力/MPa圖2不同厚度的高強度鋼淬火后的抗拉強度和屈服強度通常，熱壓成形的樣品被操作化轉變溫度以上的馬氏體組織。本實驗中的加熱溫度的范圍是在7501000，因為它在空氣中的樣品要交付了3 s左右。然后，根據(jù)分析的樣品室的拉伸強度，熱成形后在不同的溫度

7、和淬火，最適溫度可以發(fā)現(xiàn)，如圖3。從圖3，這是明顯的價值達到900MPa，抗拉強度Rm在750的最優(yōu)值在900，為1530兆帕，當溫度高于900，該值將下降。在結構的Fe-Fe3C相圖分析的基礎上，在750時，樣品處于鐵素體的奧氏體組織共存的過渡區(qū)。此時，奧氏體顯微組織的樣品中出現(xiàn)，并通過水冷卻，它可以轉化為馬氏體組織。因此，機械性能，如拉伸強度和屈服強度，將得到改善。也就是說，樣品的拉伸強度是一個小較高她比原有的（Rm是600兆帕斯卡或左右）。奧氏體的含量變大，隨著溫度的升高，和拉伸強度將逐漸提高。至于22MnB5鋼而言，奧氏體化溫度為約880。正如圖3所示，如果樣品迅速被加熱到900，空氣

8、冷卻3，奧氏體的微觀結構得到完全。然后，樣品是熱的形成和水冷卻的淬火，馬氏體組織樣品中的餾分是95以上，所以該曲線示出了峰值。然而，當溫度超過900，因為過熱度太大，微米晶粒長得這么大的拉伸強度將降低。因此，高溫奧氏體組織樣品被加熱迅速獲得晶粒細化，以確定高強度鋼的力學性能的主要因素。不同于在實驗室中，在本文中，成型和水冷卻系統(tǒng)的生產(chǎn)線中產(chǎn)生的樣品的相互作用機制可以客觀地顯示字符的質量的產(chǎn)品的制造性能和微觀結構。溫度/圖3拉伸強度與預熱溫度曲線至于樣品而言，A是初始的和未經(jīng)處理的樣品; B是在900加熱4分鐘的樣品，C是熱處理后的試樣和水冷卻的淬火。的A，B和C的變形，分別為32，24和6左右

9、。一般而言，A是由主珠光體和少量的鐵素體，這是優(yōu)于馬氏體的韌性，因此，其變形是相對較好的。B由與高溫的過渡奧氏體微觀結構，其韌性也優(yōu)于馬氏體，和變形是大于后者。 C是組成超過95的馬氏體和小奧氏體。由于其較高的強度，韌性和可塑性的馬氏體是較低的，這就是說，變形C是最低的，在圖4中，當把樣品加熱4分鐘，拉伸在900，應力 - 應變曲線和testforce位移分別獲得曲線。位移/mm（a）應力 - 應變曲線 （b）試驗力 - 位移曲線圖4應力 - 應變曲線和拉伸試驗的試驗力位移從圖4（a）后，加熱至900時，樣品的微觀結構已經(jīng)被完全變成奧氏體。曲線的彈性變形階段中的值將趨于屈服點，之后逐漸增大的軸

10、向試驗力。這就是說，將開始明顯的塑性變形的樣品后的屈服點。當它被連續(xù)地拉伸，直到曲線的峰值點，縮頸的樣品會發(fā)生。通過高峰，應力 - 應變關系將變得更加復雜。從圖4（b）中，相應的峰值后，試驗力將降低，隨著樣品直到斷裂的減少的橫截面積。適當?shù)捻g性及塑性變形奧氏體化的樣品，在900的適當?shù)年P系可以看出，將有助于HSS是熱形成為復雜的汽車零件。這是一個有效的措施，構成高速鋼與室溫馬氏體字符的，這本文對于HSS熱成型設計過程的一個理論基礎。汽車熱成型零件和原來的冷成型件的實際對比。無論是在回彈缺陷和在成形性有明顯的差別，如在圖5-1所示。從圖5-1，它表明，熱成型件具有更高的精度，形狀幾乎沒有失真，無

11、回彈缺陷。但冷成型件出現(xiàn)變形缺陷，壓接，大的回彈和扭曲溝明顯，可以摧毀收益率的產(chǎn)品嚴重的產(chǎn)品嚴重破壞的產(chǎn)量，因此，同傳統(tǒng)的冷成型不同，車高強度鋼所生產(chǎn)的熱成型已成為一種必然的趨勢。此外，不僅成形性和微觀結構的貢獻的基礎上，而且在成本上。樣品的組合物如表1所示。例如，組分硼作為樣本的一個組成部分，可以減少能量的晶界上的梯度，因為它很容易吸附在晶界中，以填補較低能量的缺陷。雖然水冷系統(tǒng)，一個相鐵素體的奧氏體化溫度下降很容易在晶界上成核。但是，鐵素體和貝氏體的成核和生長將變得更慢，因為在晶界上的較低的能量梯度的，并且是有益的，使奧氏體穩(wěn)定，如果硼或處理參數(shù)的內(nèi)容是不適合的，將沉淀成分硼超飽和在晶界上

12、，成為新的沉淀相，這使得能量梯度放大的核，導致硬化樣品的能力下降。在生產(chǎn)線中，混合相的析出和生長將有效地被禁止，通過控制溫度和加熱速率。樣品被加熱至900，保持4分鐘。淬火后的樣品的外觀，在不低于30/ s的冷卻速率的微觀結構是在圖6所示。原來的冷成型零件熱成型部件圖5-1熱成型和冷成型汽車零部件圖片初始樣品的主要微結構，還沒有得到熱成形和冷卻水驟冷，在圖6（a）中，組成的鐵素體，珠光體和少量的碳化物。其抗拉強度Rm和屈服強度分別只有653兆帕和500兆帕。如圖6（b）表示，大部分樣品的顯微組織的淬火后的馬氏體，是帶狀形狀的內(nèi)容，這是在95以上，并有無裂紋和其他應力缺陷。原因是整個過程中樣品在

13、水中均勻地加熱和冷卻；基于“C”曲線，甚至得到緊密排板條馬氏體微結構也是由于最佳的水的冷卻速率，因此，里面的殘留相位是非常小的，此外，完整的接近排顯微結構表明，殘余應力（包括熱應力和熱相變應力等）已被完全釋放，不存在微間隙中的微米晶粒，以便受益更高的安全性和更好的機械性能的試樣。HSS的車輛在國內(nèi)的研究大多局限于在實驗室做的，但先進的自動化生產(chǎn)技術是在實驗室中難以實現(xiàn)。在本文中，產(chǎn)生的HSS的屬性的目標是令人滿意的，和實際生產(chǎn)線的技術工藝也符合大規(guī)模生產(chǎn)的要求。（a）原始HSS熱成型，淬火前的組織; （b）取得HSS熱成型，淬火后的組織。圖6HSS樣品的熱成型和淬火前后顯微結構外觀3結論1）在

14、生產(chǎn)線中，作為高速鋼迅速加熱至900，保持4分鐘，拉伸強度可以達到1530 MPa.If溫度的最優(yōu)值是太低，奧氏體轉變將是不完整的，與此相反，如果溫度過高，細顆粒將增長過大。他們都將減少的拉伸強度。2）由于在高溫下，含22MnB5的鋼（HSS）適當?shù)捻g性及塑性變形性能使奧氏體化HSS可以有利地熱形成為復雜和精確的汽車零部件。3）在淬火過程中的最佳水冷卻速率可以使HSS實現(xiàn)了理想的顯微組織中的超過95的馬氏體和非常小的量殘余奧氏體，并有助于緩解應力程序有效地完成。這也是保證HSS部分具有高強度和無缺陷，如破裂和卷邊。參考文獻： 1 Schiel G, Pos schn T , Heller T

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