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发表于 2020-3-24 08:55:38 | 显示全部楼层 |阅读模式

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热成型高强钢技术及成型模具的分析

张德军ZHANG De-jun
(重庆交通大学机电与车辆工程学院,重庆400074)
(School of Electromechanical and Vehicle Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)
【中国汽车材料网】摘要:本文主要从高强钢的材料、显微组织结构对高强钢热成型过程进行分析。包含了热成型工艺的要素,成型前后的钢材内部的显微组织的相变以及常见的几种高强钢热成型的方法。最后针对高强钢在汽车B柱上面的应用,对利用热成型高强钢冲压B柱的模具进行分析。
关键词:高强钢;热成型;模具

近年来,我国经济高速增长,各行各业取得显著成就,汽车产业也蓬勃发展。汽车的年产量和汽车保有量不断上升。在全球能源日愈短缺、全球环境状况日愈恶化的情况下,如何降低汽车整车质量达到节能减排的目的具有十分重要的意义。在整车总重中其中车身质量可占23-25%,在目前的技术条件下,实现车身轻量化减少整车质量不失为一条有效途径。如:优化车身结构,使用新型材料等,高强钢应用于车身轻量化则是目前国际上兴起的技术。高强钢就是依靠其自身的超高强度从而实现零部件的薄壁化以达到减轻质量的目的。本文着重讨论针对高强钢应用于车身轻量化的热成型技术以及用于成型车身B柱的高强钢模具的设计的讨论。

1 热成型技术的研究现状

1.1 热成型技术的背景

在节能减排的国际大环境下,汽车行业也正在发生着翻天覆地的变化,传统的钢材在车身的应用所占的比例也在逐渐的下降,而新型材料在现代各种车型中所占比例不断上升。在路洪洲所发表的《国内外乘用车车身轻量化材料应用历史和发展预测》一文中关于福特旗下FIESTA车型的车身应用材料研究表明:在发布的第六代车型中车身,公布的数据显示在车身用材方面主要以软钢为主,强度一般小于380MPa;而在其第七代车型中其车身已经开始应用了接近15%的超高强度钢材,其屈服强度可达800MPa;根据其官方数据预计在其第九代车型中预计将使用接近55%的高强钢包括抗拉强度达到1500MPa的超高强度钢材;另一研究则是关于日本本田汽车的车身材料应用历史及预测,其表明在本田汽车中关于车身材料的应用在未来的发展中也会和福特公司一样:将逐渐减少对于普通强度钢材的应用逐渐增加高强度或超高强度钢材在车身构造的应用中从而实现轻量化的目的[1]。由此可见关于高强钢在车身的应用已经取得公众的认可并且已经用于实际生产,目前所面临的问题是如何通过添加合金元素实现超高强度的材料,另一问题则是由于超高强度钢材在室温下成型能力差,冷成型时易产生开裂、起皱和回弹等诸如此列的问题导致目前针对高强钢的制造成型局限于一些简单的汽车零部件,如:汽车的A柱、B柱、保险杠和车顶纵梁等一些较为简单的构件,而目前的技术尚不能实现较为复杂零部件和构件的成型,这阻碍高强钢在车身构造中进一步应用。因此,为了应对以上种种问题,高强钢的热成型技术相应诞生。


1.2 热成型技术简介

热成型高强钢的材料选用是一种适用于热成型工艺的含有硼元素的钢材。首先需要将含有硼元素的钢材毛坯进行加热至950℃并保温5分钟左右,其目的是使含硼钢的显微组织结构完全奥氏体化,紧接着需要将完全奥氏体化的钢材快速转移至内部分布有用来淬火的冷却水道的模具中完成冲压成型工艺并且经过一定时间的保压淬火,将奥氏体通过模内的冷却水道内的冷却液转完全化为具有超高强度的马氏体组织。在热成型冲压过程中主要步骤包括落料、加热保温、全奥氏体化、转移至成型模、保压热成型、全马氏体化、后期修边等步骤。在落料的过程需要预先对板材根据零件的轮廓进行剪切;加热至950℃后需要进行恒温保温5分钟左右使含硼钢内部组织结构实现完全奥氏体化的目的,实现完全奥氏体化是因为钢材处于全奥氏体状态,此时的塑性很好,可以成型外形较为复杂的零件,因此接下来的步骤需要迅速将材料转移至成型模内,对其完成热冲压成型并保压,最后模内完成淬火实现全马氏体化以达到超高强度的目的。后期则需要通过激光进行切割或者打孔以及表面处理等。钢材毛坯通过加热之后直接一次性完成的热冲压成型的工艺则不适用于生产拉伸程度较深、零件外观较为复杂的零件,可以用来冲压简单零件。若需进行成型较为复杂或拉延程度较深的零件则需预先对毛坯采用冷冲压的方式进行预成型,然后再加热进行热冲压成型并淬火马氏体化。


1.3 热成型钢的主要成分组成及作用

目前,热成型中使用最为广泛的是22MnB5,它是一种低碳微合金含硼钢,添加硼元素的作用则是用来提高合金钢的淬透性,在淬火处理工艺过程中有利于具有高强度的马氏体显微组织结构的形成,添加微量B元素其作用主要在于增加合金钢的淬透性,还可以提高过冷奥氏体的稳定性,在保压淬火成型过程中降低珠光体和贝氏体的转变速度,避免铁素体和珠光体的形成。B元素主要通过奥氏体化时在晶界的偏聚来影响铁素体的形核。部分研究人员也认为,在奥氏体晶界处形成的Fe23(CB)6起到了阻止了铁素体形核的作用。


2 热成型工艺的分析

2.1 热成型工艺生产要素

车身常用钢22MnB5钢板,出厂毛坯件原始组织为铁素体加珠光体。需要加热至950℃并保温加热五分钟得到完全奥氏体化的组织,经过热冲压成型并且模内保压淬火后完全马氏体化,得到均匀的板条状的马氏体组织,马氏体相变的切边=变特性使晶体内产生高密度错位,强度得到明显提升。在950℃保温5分钟经热成型后材料的力学性能达到屈服强度1300MPa,抗拉强度达到1500MPa,断后延伸达到5%以上,符合汽车结构件韧性要求[3]。在此过程中有三个工艺环节:①在对钢材加热保温过程中需要确保足够的加热时间,确保奥氏体均匀化;②快速移至模内完成淬火冲压,确保在钢材出现相变前完成冲压成型;③快速冷却保证马氏体完全转变。在成型过程中,过程较为复杂,要求较高尤其是需要保证完全奥氏体化和完全马氏体化,具有一定的技术难度,在模内保压淬火过程实现奥氏体转向马氏体的过程中,不同的工艺的选择决定了产品的性能。


2.2 成型前后材料显微组织结构变化

在黄大鹏所发表的《热冲压成型技术及其新进展》一文中研究表明:在奥氏体化工艺中,只有在加热到了930、900、950℃以上的钢材中,实现了奥氏体化冷却后会发生奥氏体到马氏体的良好转变,马氏体转变温度在350-400℃之间;在加热至860和840℃钢材中,奥氏体化后冷却处理,大部分微观组织可观察到出现明显的奥氏体到马氏体的转变现象,而在文章试验中其他数据里,在其他温度范围内的钢材从奥氏体向马氏体的冷却转变过程中同时也伴随了其他相变的发生,此种情况的发生已经不满足热成型工艺的要求。根据文章的实验结果在钢材加温至860℃及以上温度加热保温5分钟后淬火,均出现全板条状马氏体组织。加热温度高于860℃,马氏体晶粒尺寸随加热温度升高而增大。所以,当加热温度高于860℃时,可保证淬火后的组织为全马氏体[4]。


2.3 热成型方法

为了适应车身结构强度的需要和轻量化的目的就需要变强度的热冲压成型高强钢,在高强度区域则需要厚度较大的板材,低强度区域则可以只需要薄板材就能满足要求。因此为了获得变强度的钢板,主要常用方法有局部加热法、差速冷却法、板料分区法与变截面法。以上四种方法的最终目的都是为了实现控制加热和冷却或直接将材料的厚度进行改变的目的从而获得需要的性能。

①局部加热法:该方法主要手段是根据零件使用的场合不同具有不同的强度要求,将需要高强度的区域也即需要完成马氏体转化的区域加热到奥氏体温度以上即950℃左右,而其他区域则不需要加热至奥氏体温度以上,即通过淬火后不会发生马氏体的转变,如:在汽车的B柱下部分需要有一个减震的效果,则要求该区域的塑性较好,相应的强度就较低,而上部分起防撞支撑的作用对强度的要求就很高可以是马氏体,因此局部加热法在此处就非常实用。

②差速冷却法:差速冷却法主要途径是通过控制模具的温度、控制模具导热率的方法。该方法最重要的目的就是通过控制控制材料各部分区域实现不同的冷却速度从而得到不同的微观组织结构。控制模具温度法:该方法是通过控制成型的模具与材料的温度差从而来控制材料的冷却速度。控制模具的温度不仅改变了热传导的速率,并且限制了成型材料的降温速率。该方法较为容易实现应用于生产实践。控制模具导热率法:此种方法是通过使用不同导热性能的模具材料来控制零件的冷却速率以得到不同的显微结构来实现目的。其核心就在于控制冷却速度,采用具有良好导热性能的模具材料则被成型的材料冷却速度快,容易形成马氏体。如可在B柱下部分区域成型使使用导热性较低的模具就会产生铁素体和珠光体改善了此部分的塑性,而在上部分成型区域模具则采用导热性良好的材料,就易于产生马氏体,满足强度的要求。


3 针对B柱高强钢热成型模具的分析

为了更好的满足轻量化以及碰撞安全行的要求,目前的研究已经开发出了新的设备和制造工艺,用于成型如汽车B柱这类变强度的高强度冲压件,主要方式在于通过让较薄的高强度金属板代替传统的厚钢板,不但可以更好的减轻汽车零部件的重量,同时还具有缓冲吸能满足碰撞安全性的效果。以汽车B柱为例,B柱作为汽车最重要的安全构件之一,具有减震吸能、保证车身结构完整的重要作用。在B柱的上部区域需要较高的强度,以保证车架不易变形,在其下部则需要满足减震吸能的要求,以此要求具有较好的塑性。目前大部分车企为了实现这一目的和技术的原因均采用激光拼焊技术来实现。但是激光拼焊技术的缺陷在于焊接之后的焊缝的质量无法做到标准统一难以控制不同的材料而存在搭配间隙,从而降低了安全性能。

目前关于变强度的高强钢热成型技术主要有两大途径:一是对高强钢板材料进行差异化加热,通过不同的加热手段实现钢板的局部受热,即局部加热法。通过此法在钢板的其他区域形成过渡区和未加热区,在热冲压模具中保压淬火后,在加热区域完成马氏体的转变,其他区域则发生其它相变,从而达到变强度的要求;另一方面是通过控制钢材淬火的冷却速率来完成不同相变的转化实现强度差异化的目标。经过设计具有不同功能区域的热成型模具结构,在不同的冷却速度下获得的微观组织形态和结构不相同,实现强度的差异化。


3.1 变强度热冲压模具的设计

整个热成型过程中热量的交换又三个部分组成:一是板料和模具的热传递,二是板料与空气的对流交换,三是板料向外的热辐射。在这三种方式中第一种为最主途径,对于模具的选材,针对B柱这类具有变强度特性的零件,如22MnB5这类材料在模类热成型保压淬火过程中,钢板的局部抗拉强度大幅提高,硬度也大幅提高的情况,同时由于分区模中存在加热区域,因此模具必须要满足长期的耐热,耐热温度变化而且还要保证具有足够的结构刚度、表面硬度与疲劳寿命。新型的热冲压分区模具需要具有满足快速冷却且猛烈的骤冷骤热、冷热快速交替变化的严苛要求[3]。


3.2 热冲压模具的分区

在热冲压成型的过程中,被冲压成型的板材与成型模接触方式,且由于是高温保压淬火三个工艺同时进行的过程,与传统的冷冲压成型工艺有很大的区别。因此可参照传统的板材冲压模具设计思路,以降低冲压过程中高强度和硬度的影响,即可将模具分为三个区域:加热区、过渡区、冷却区。加热区和冷却区之间存在3mm的气隙来隔离加热区的热量向冷却区传递。为了防止高强钢在900℃高温下由于提高延展性、降低了钢板的强度造成的拉裂、起皱等现象,也合理设计模具的间隙和制造加工精度。为了防止加热区的热量向模具基板传递,要在其间加上陶瓷隔热毡。因为模具一端受热,一端常温,考虑到热胀冷缩的情况特意在模具冷却一端加上了薄垫片。


4 结语

[size=1em]综上所述,高强钢在车身用材中所占的比例将会越来越大,在节能减排的国际大环境下也是未来的趋势所在。高强钢的出现则对传统的制造技术提出的要求,传统的技术需要适应新的材料,需要进行改革创新。热成型技术则是近年来发展起来的热门研究方向,具有诸多的优点。为了将该技术更加广泛的应用在汽车行业,对成型模具也进行了相应的设计开发,具有良好的前景。


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