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[热成形钢] 热冲压薄钢板高强度化发展趋势

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发表于 2016-8-26 08:41:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
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近年来,汽车轻量化的要求,使汽车用钢向高强度方向发展。在这种情况下,热冲压工艺的应用不断增加。热冲压是将专用钢板加热到奥氏体化温度后,用要求形状的模具使钢板成形的加工工艺。热冲压是在高温下使钢板成形,所以冲压负荷小。又由于钢板成形后被淬火处理,所以可获得高强度部件。以下对热冲压工艺做简要介绍,并对新开发的抗拉强度为1800MPa级的高强度热冲压钢板特性进行介绍。传统的热冲压钢的抗拉强度为1500MPa级。新开发钢是为应对更高强度需求开发的热冲压钢板新产品。
1. 开发目标的社会需求
  为提高燃油效率,对汽车提出了轻量化要求,因此推进了薄钢板的使用。另一方面,对汽车有进一步提高冲撞安全性的要求。为此,推进了高强度钢板的应用,使汽车钢板在减薄的情况下,仍具有很高的冲撞安全性。汽车的许多钢板部件都是冷冲压成形部件,成形前的钢板强度就是部件强度。冷冲压成形的问题是,钢板强度越高,钢板的冲压成形性和形状冻结性越差。因此,对成形性良好的高强钢板及其冲压成形技术进行了多年的研发,目前1180MPa级冷成形高强度钢板已用于汽车车体。
  此外,还有一种热冲压方法,该方法是不采用高强度钢板,而是在钢板成形后进行高频淬火,使零部件获得高强度的工艺方法。对热冲压方法进行了许多研究,但目前在部件生产效率、设备投资、形状自由度等方面还存在许多问题。
2. 现有热冲压技术概要
  由于近年来汽车轻量化的需求进一步提高,在20世纪90年代后半期,热冲压工艺,这一利用热处理实现部件高强度化的方法有了迅速发展。
  热冲压加工方法是将钢板加热、进行奥氏体化,然后用模具使高温钢板成形,并保持热冲压的下死点,同时使模具散热、对钢板进行急冷淬火,使钢板发生马氏体转变,获得高强度部件。因此,热冲压是成形和热处理同时进行的工艺方法。热冲压的特点是部件的热处理应变小、形状精度高。此外,由于是高温成形,所以
  可以在低负荷下成形。目前热冲压方法主要用于制造门梁、保险杠、A柱、B柱等汽车骨架部件。
  钢板加热温度高于Ac3并使之充分奥氏体化。加热后的钢板应快速搬送到冲压机并不使钢板温度低于Ar 3。如果搬送中钢板温度低于Ar 3,则有铁素体生成。成形后的部件组织是马氏体和铁素体的混合组织。部件的强度按照铁素体分数的比例下降。铁素体量很小时,对强度影响不大,但对韧性有很大影响。根据从加热到模具开始冷却时间条件下的铁素体分数与韧性的关系可知,不含铁素体的、全部为马氏体组织时,部件的冲击值很高,随着铁素体混入量的增加,韧性快速下降。因此,不仅从强度考虑,而且从韧性要求,加热后的钢板也应快速搬送到冲压机。钢板的成形同样要在Ac3以上进行、并快速冷却。由于要对成形部件冷却到Mf点(约200℃)以下,所以,模具冲头要在下死点保持一定时间。下死点保持时间短,部件的硬度低、形状精度不良。下死点保持时间是热冲压工艺生产效率的瓶颈。为了缩短下死点保持时间,应在充分了解部件在模具内冷却行为的基础上,采取相应的措施。
  现在开发出使冷却速度有飞跃性提高的直接水冷却技术。在模具表面利用微图案化形成凹凸,冷却水从模具内喷射到模具表面的间隙,同时从其他地方将蒸汽和剩余冷却水吸走。这种冷却方法是使冷却水与部件钢板高效率接触的冷却方法。模具与钢板间的间隙处也被冷却水充满,所以,这些部位的冷却速度并不下降。采用直接水冷却技术,可以缩短下死点保持时间,使热冲压生产效率提高到原来的3倍。
  热冲压用钢板的化学成分必须是特定的化学成分,才能通过上述热履历获得要求的力学性能。抗拉强度为1500MPa级的热冲压汽车车体部件用钢板的化学成分全世界基本类似,马氏体强度由钢中C含量决定,所以为获得1500MPa(约450HV)级的热冲压部件,钢板的C含量应为0.21%(质量百分数,mass%)左右。由于传统热冲压不是用水冷和油冷的方法冷却部件,而是通过模具对部件冷却,所以,部件上存在厚度减薄和与模具不能密着的部位。这些部位的冷却速度较小。因此钢中添加了提高淬透性的元素Mn和B,以使钢板容易淬透。
  一般情况下,使用钢的连续冷却转变(CCT)曲线来评价钢的转变行为。将钢试样加热到950℃保温5min,然后以不同的冷却速度冷却试样。根据冷却过程中的热膨胀测定结果得到CCT曲线。根据该CCT曲线,当冷却速度大于30℃/s的临界冷却速度时,可获得没有第二相析出的马氏体单相组织。因此冷却速度大于30℃/s时可以淬火。
  热冲压一般是在大气条件下进行的冲压,当钢板是非镀层钢板时,钢板表面会生成少量氧化铁皮。因此在成形后,要对部件进行喷丸处理,清除氧化铁皮。目前,开发出热冲压用镀铝钢板和热冲压用合金化镀锌钢板,以省略喷丸处理和提高部件的耐蚀性。
3.1800MPa级热冲压钢板的开发
  当前,正在进一步推进汽车轻量化,对部件提出了强度高于1500MPa的要求。在现行的1500MPa级材料的基础上增加C含量,可以提高强度,但韧性不良,所以不能获得性能良好的部件。为提高部件韧性,开发出热冲压后原始奥氏体晶粒微细化、提高淬透性的1800MPa级热冲压钢板。
3.1开发钢板的力学性能
  开发钢板的抗拉强度是1800MPa级,但延伸率为7.6%,与1500MPa级热冲压钢板的延伸率没有显著差别。
3.2微观组织
  比较现行钢板和开发钢板热冲压后的微观组织和拉伸断口形貌发现,开发钢板热冲压后的微观组织更加微细化。
3.3热成形性
  为了解开发钢板的热成形性,进行了模拟热冲压工艺的高温拉伸试验。试验方法是,将开发钢板试样加热到900℃后,分别冷却到800℃、700℃,进行拉伸试验。拉伸试验的应力-应变曲线显示,各温度下开发钢板的高温强度都大于现行材。并且高温强度受温度影响较大。因此,开发钢板的高温强度高,但对热成形性没有影响。
3.4淬透性
  由开发钢的CCT曲线可知。开发钢的Ac3是822℃、发生马氏体转变需要的临界冷却速度是20℃/s。加热条件和冷却条件与现行钢相同,因此,开发钢板可在现行热冲压条件下进行冲压成形。
  在实际的热冲压中,并不是部件全部处于与模具密着的状态。为了模拟这种情况,使用部分平面带有间隙的模具进行平板冲压试验。结果显示,冲压件与模具密着部分的冷却速度大,模具中央的间隙部位钢板的冷却速度小。另外,比较开发钢板和现行钢板的模具密着部和模具间隙部的硬度可知,在有间隙的实际热冲压情况下,开发钢和现行钢具有相同的硬度分布。
3.5韧性
  由于试验钢板较薄,不能按JIS的规定采取标准夏比冲击试样,本研究使用热冲压后的3片1.4mm钢板叠层试样进行夏比冲击试验。由试验结果,可以看出,开发钢的冲击值略低于现行钢,但在-40℃下,仍显示韧性断口。
3.6点焊性
  开发钢板和现行钢板的焊接试验结果显示,开发钢板和现行钢板的适宜焊接电流都约为2kA,无明显差别。观察点焊焊核的长大行为发现,开发钢板和现行钢板点焊焊核的长大趋势相同,从焊接条件来看,开发钢板可以在与现行钢板相同的条件下进行点焊。
3.7氢脆性
  使用高强度钢时的一个很大的问题是氢脆。当材料强度、钢中扩散性氢含量和拉伸残余应力等三个因素同时达到一定条件时,就有发生氢脆(延迟断裂)的危险。材料强度由使用的钢板决定,钢中扩散性氢含量因使用环境不同而不同,所以应掌握扩散性氢含量的情况,残余应力通过设计和生产条件的优化可得到控制。
  实际上可以对扩散性氢含量进行测定。化成处理钢板和电镀钢板的扩散性氢含量约为0.07ppm。涂漆后烘烤处理使扩散性氢含量下降。
  根据上述试验结果可知,盐酸浸渍试验后钢中的扩散性氢含量多于盐水喷雾试验和涂漆烘烤后钢中的扩散性氢含量。因此,盐酸浸渍试验是腐蚀条件十分苛刻的试验方法。
  用四点弯曲工具对热冲压后的钢板表面施加应变,将应变状态的试样在盐酸溶液(pH1、30℃)中浸渍100h后,检查有无裂纹产生,以此进行抗氢脆性评价。现行钢在表面应力1312MPa条件下、浸渍100h后未产生裂纹。开发钢在表面应力1293MPa条件下、浸渍100h后未产生裂纹;在表面应力1434MPa条件下、浸渍100h后产生裂纹。所以说,开发钢具有足够的抗延迟断裂性。
3.8开发钢板部件的特性
  利用试制设备使钢板成形,制作M形试制品。对长度为1000mm的试制品进行动态三点弯曲试验。试验的支点距离800mm、中央压头半径R150mm、试验速度8km/ h,试验钢板厚度1.6mm。开发钢试样的峰值负荷比现行钢提高了26.5%。厚度1.4mm开发钢的峰值负荷与厚度1.6mm现行钢的峰值负荷相同。因此,采用开发钢可减重12.5%。
  在-40℃条件下,进行了同样的动态三点弯曲试验,试验结果与室温试验相同。在夏比冲击试验中,虽然开发钢板的韧性不如现行钢板,但确认部件评价合格。

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