熱壓成形技術(shù)對汽車高強(qiáng)度鋼性能影響

1、熱壓成形技術(shù)對汽車高強(qiáng)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(xué)院國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析，大連理工大學(xué)，遼寧，大連，116024）摘要：基于材料科學(xué)和機(jī)械工程的結(jié)合，對汽車高強(qiáng)度鋼熱沖壓成型過程進(jìn)行了分析。熱成型工藝包括：快速加熱合金，奧氏體微觀結(jié)構(gòu)，沖壓和及時(shí)冷卻，保持壓力和淬火。結(jié)果表明，對樣品進(jìn)行淬火的熱壓成形，加熱至900時(shí)，大部分奧氏體微觀結(jié)構(gòu)改變成均勻的馬氏體。最佳的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為1530 MPa和1000MPa的，均達(dá)到23左右的形狀變形。樣品沒有發(fā)生過回彈缺陷。關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度鋼；重量輕；熱成型；馬氏體0 引言作為一種有效的經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑有三個(gè)：優(yōu)化汽車框架和結(jié)構(gòu)，使車輛的車身或者車架的，新的和替代材料，降低整車質(zhì)量（高和超高強(qiáng)度鋼，可作為替代材料，因?yàn)樗暮穸雀?，），汽車輕量化，如厚度梯度高強(qiáng)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(jìn)的制造技術(shù)。HSS已經(jīng)應(yīng)用在國內(nèi)一些高檔車，關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)一直占主導(dǎo)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(shè)計(jì)的熱壓成型技術(shù)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(zhì)坯件的機(jī)械強(qiáng)度的增強(qiáng)，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(shù)進(jìn)入該領(lǐng)域取代HSS。同時(shí)，填補(bǔ)了馬氏體鋼應(yīng)用空白，熱沖壓技術(shù)作為一項(xiàng)新技術(shù)，它結(jié)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(shí)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(jìn)的熱壓成形技術(shù)可以減少車輛的總質(zhì)量的30左右，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的幾何形狀，高安全性和機(jī)械強(qiáng)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(shí)形成后和驟冷的6 - 8條件將得到具有優(yōu)異機(jī)械性能、重量輕的HSS將。為實(shí)現(xiàn)車輛的重量輕，熱成型更薄的HSS板的應(yīng)用將成為一個(gè)重要的措施。1實(shí)驗(yàn)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(jié)字符或沒有回彈缺陷是一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)，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(gè)實(shí)驗(yàn)中的主要元素，示于表1。表1的實(shí)驗(yàn)技術(shù)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(shí)際實(shí)驗(yàn)步驟包括：1）設(shè)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(jī)械手并把它變成熱成形模具，快速按下；4）同時(shí)，在約30/ s的冷卻水在土堆，通過拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行分析的樣品的機(jī)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(yàn)樣品的形狀和尺寸示于圖1。2結(jié)果與討論硼鋼（HSS）的機(jī)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(jìn)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(yàn)（金屬拉伸試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)GBT228-2002）的基礎(chǔ)上被完成。相比與USIBOR1500，HSS具有不同厚度的實(shí)驗(yàn)中基本力學(xué)性質(zhì)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(gè)）的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，水冷淬火后，分別達(dá)到1500 MPa和1 000兆帕。淬火前的強(qiáng)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(qiáng)度淬火后的屈服強(qiáng)度淬火前的拉伸強(qiáng)度屈服強(qiáng)度淬火前工程應(yīng)力/MPa圖2不同厚度的高強(qiáng)度鋼淬火后的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度通常，熱壓成形的樣品被操作化轉(zhuǎn)變溫度以上的馬氏體組織。本實(shí)驗(yàn)中的加熱溫度的范圍是在7501000，因?yàn)樗诳諝庵械臉悠芬桓读? s左右。然后，根據(jù)分析的樣品室的拉伸強(qiáng)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(jià)值達(dá)到900MPa，抗拉強(qiáng)度Rm在750的最優(yōu)值在900，為1530兆帕，當(dāng)溫度高于900，該值將下降。在結(jié)構(gòu)的Fe-Fe3C相圖分析的基礎(chǔ)上，在750時(shí)，樣品處于鐵素體的奧氏體組織共存的過渡區(qū)。此時(shí)，奧氏體顯微組織的樣品中出現(xiàn)，并通過水冷卻，它可以轉(zhuǎn)化為馬氏體組織。因此，機(jī)械性能，如拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，將得到改善。也就是說，樣品的拉伸強(qiáng)度是一個(gè)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(qiáng)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(jié)構(gòu)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(dāng)溫度超過900，因?yàn)檫^熱度太大，微米晶粒長得這么大的拉伸強(qiáng)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(xì)化，以確定高強(qiáng)度鋼的力學(xué)性能的主要因素。不同于在實(shí)驗(yàn)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(jī)制可以客觀地顯示字符的質(zhì)量的產(chǎn)品的制造性能和微觀結(jié)構(gòu)。溫度/圖3拉伸強(qiáng)度與預(yù)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(jié)構(gòu)，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(qiáng)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(dāng)把樣品加熱4分鐘，拉伸在900，應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線和testforce位移分別獲得曲線。位移/mm（a）應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線 （b）試驗(yàn)力 - 位移曲線圖4應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線和拉伸試驗(yàn)的試驗(yàn)力位移從圖4（a）后，加熱至900時(shí)，樣品的微觀結(jié)構(gòu)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(diǎn)，之后逐漸增大的軸

10、向試驗(yàn)力。這就是說，將開始明顯的塑性變形的樣品后的屈服點(diǎn)。當(dāng)它被連續(xù)地拉伸，直到曲線的峰值點(diǎn)，縮頸的樣品會發(fā)生。通過高峰，應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系將變得更加復(fù)雜。從圖4（b）中，相應(yīng)的峰值后，試驗(yàn)力將降低，隨著樣品直到斷裂的減少的橫截面積。適當(dāng)?shù)捻g性及塑性變形奧氏體化的樣品，在900的適當(dāng)?shù)年P(guān)系可以看出，將有助于HSS是熱形成為復(fù)雜的汽車零件。這是一個(gè)有效的措施，構(gòu)成高速鋼與室溫馬氏體字符的，這本文對于HSS熱成型設(shè)計(jì)過程的一個(gè)理論基礎(chǔ)。汽車熱成型零件和原來的冷成型件的實(shí)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(yán)重的產(chǎn)品嚴(yán)重破壞的產(chǎn)量，因此，同傳統(tǒng)的冷成型不同，車高強(qiáng)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(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)的基礎(chǔ)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(gè)組成部分，可以減少能量的晶界上的梯度，因?yàn)樗苋菀孜皆诰Ы缰?，以填補(bǔ)較低能量的缺陷。雖然水冷系統(tǒng)，一個(gè)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?yàn)樵诰Ы缟系妮^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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(qiáng)度Rm和屈服強(qiáng)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(yīng)力缺陷。原因是整個(gè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)表明，殘余應(yīng)力（包括熱應(yīng)力和熱相變應(yīng)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(jī)械性能的試樣。HSS的車輛在國內(nèi)的研究大多局限于在實(shí)驗(yàn)室做的，但先進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)是在實(shí)驗(yàn)室中難以實(shí)現(xiàn)。在本文中，產(chǎn)生的HSS的屬性的目標(biāo)是令人滿意的，和實(shí)際生產(chǎn)線的技術(shù)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(jié)構(gòu)外觀3結(jié)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(qiáng)度可以達(dá)到1530 MPa.If溫度的最優(yōu)值是太低，奧氏體轉(zhuǎn)變將是不完整的，與此相反，如果溫度過高，細(xì)顆粒將增長過大。他們都將減少的拉伸強(qiáng)度。2）由于在高溫下，含22MnB5的鋼（HSS）適當(dāng)?shù)捻g性及塑性變形性能使奧氏體化HSS可以有利地?zé)嵝纬蔀閺?fù)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(shí)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(yīng)力程序有效地完成。這也是保證HSS部分具有高強(qiáng)度和無缺陷，如破裂和卷邊。參考文獻(xiàn)： 1 Schiel G, Pos schn T , Heller T

15、, etal. Manufacturing a Roof Frame From Ultra High Strength Steel Materials by Hot Stamping C IDDRG In ternational Deep Drawing Research Group 2004 Conference. Sindelfingen: s. n. , 2004: 158. 2 TANG Zhiyong, J IANG Haitao, TANG Di, etal. Study on the Continuous Cooling Transformati on of Austenite

16、of 27MnC rB5 Steels J . Hot Working Technology, 2007, 36( 20) : 41. 3 FAN Junf eng, CHEN Ming. A Study on the Road of Vehicle Lightw eight in Chin a J .Casting2006, 55( 10) : 995 ( in Chinese) . 4 CHEN He-qin g, PENG C hengyun, WEI Liangqing. High Strength Steels and Applicati on of Them to Vehicle

17、Manufacturing J . Mould and Die Project, 2007 ( 8) : 88 ( in Chinese) . 5 LIN Jianping, WANG Liying, TIAN Haob in, etal. Research and Devel opment of the Hot Press Form -ing of Ultra High Strength Steel J . Metal Casting Forgin g Welding Technology, 2008, 37( 21) : 140 ( in Chinese) . 6 XING Zhongwen, BAO Jun, YANG Yuying, etal. Hot Press Forming Experiment al Research on the Quenchenable Boron St eel J . Materials Science and Technology, 2008, 16( 2) : 172. 7 Marion Merklein , Jrg en Lecher, Vera Gödel, et al. Mech anical Properties