超高强度钢板冲压件热成形工艺

1、.生产侵侵。超高强度钢板冲压件热成形工艺热成形技术是近年来出现的一项专门用于生产汽车高强度钢板冲压件的先进制造技术。本文介绍了该技术的原理,讨论了材料,工艺参数.模具等热成形工艺的主要影响因素,完成了汽车典型件热成形工艺试验试制。获得了合格的成形件。检测结果表明。成形件的微观组织为理想的条状马氏体,其抗拉强度.硬度等性能指标满足生产要求。1 前言在降低油耗、减少排放的诸多措施中.减轻车重的效果最为明显 .车重减轻10%.可节省燃油3%一 7%,因此塑料.铝合金 .高强 度钢板等替代材料在车辆制造中开 始使用。其中,高强度钢板可以通过减小板厚或者截面尺寸等方式减轻零件质量.在实现车辆轻量化和提高

2、安全性方面比其他材料有明显优势,可以同时满足实现轻量化和 提高安全性的要求,因此其在汽车领域内的应用越来越广泛。热成形技术是近年来出现的一项专门用于成形高强度钢板冲压件的新技术,该项技术以板料在红热状态下冲压成形并同时在模具内被冷却淬火为特征.可以成形强度高 达 1500MPa的冲压件,广泛用于车门防撞梁.前后保险杠等保安件以及 A柱 ,B 柱 .C柱 .中通道等车体结构件的生产。由于具有减轻质量和提高安全性的双重优势 ,目 前 .这一技术在德国.美国等工业发达国家发展迅速.并开发出商品化的高强钢热冲压件生产线.高强钢热冲压件在车辆生产中应用也很.一吉林大学材料学院谷诤巍姜超 机械科学研究总院

3、先进制造技术研究中心单忠德徐虹广泛。国内汽车业对该项技术也十分认同 ,并有少数几个单位从国外耗巨资引入了相关技术与生产线, 为一汽-大众等汽车制造公司的部分车型配套热冲压件,关于该项技术的研究工作也已经开始。本文阐述了热冲压成形工艺原理 ,对典型冲压件的热冲压成形工艺进行试验研究。热冲压成形工艺原理热成形工艺原理如图1。首先把常温下强度为500-600MPa的高强度硼合金钢板加热蛩J880-950 .使之均匀奥氏体化. 然后送入内部带有冷却系统的模具内冲压成形.之 后保压快速冷却淬火.使 奥氏体转变成马氏体.成 形件因而得到强化硬化.强度大幅度提高。比如经过模具内的冷却淬火,冲压件强度可以达到

4、1500MPa.强度提高了250%以上 ,因此该项技术又被称为。冲压硬化 ”技术。实际生产中, 热冲压工艺又分为两种.即直接工艺和间接工艺。图 1a所示的是直接工艺,下料后 .直接把钢板加热然后冲压成形. 主要用于形状比较简单变形程度不大的工件。对于一些形状复杂的或者拉深深度较大的工件.则需要采用间接(a直接工艺田 1 热冲压成形工艺原理工艺.先把下好料的钢板预变形,然后再加热实施热冲压,如图1b。可用高强钢制造的车体构件如图2。与传统冷冲压工艺相比,该工艺有如下诸多优点。(1 成形后零件强度等性能指I 2009年第 4期 汽车工艺与材料AT8Mi15万方数据生产碗场- 产搬瑚种特殊的具有白硬

5、性的硼合金高强度钢板。和现在的双相钢(DP、 相变诱导塑性钢(TRlP、复相钢 (CP、马氏体 N(Mart 等汽车 高强度钢板不同,图 2 可用高强度钢板热成形技术制造的车身构件这些钢板常温下标大幅度提高。(2、高温下材料塑性好.成形能力强.可成形冷冲压无法成形的复杂零件,也可将冷冲压需要多道工序、多套模具成形的零件一次成形 .还可将几个冷冲压件合成一个 件一次成形(比如运用热冲压工艺可以 巴 Honda越野车油箱防护罩的5个件整合成 3 个件.减少零件数量40%,因此需要模具数量少.成本低 .周期短。(3 高温下成形没有回弹.完 全消除了回弹对零件形状的影响, 实现高精度成形,这是常规冷冲

6、压成形所无法比拟的,如图3。图 3 两种工艺成形件对比(4高温下材料变形阻力小. 威形力小。所需压力机吨位小,温 热成形压机吨位一般在 800t以内 , 冷成形压机在2500t 以上, 因此可以大幅削减设备投资.减少能耗。热冲压成形工艺的主要影响因素材料热 ; 中压成形工艺中采用的是一强度就很高,并且通常都采用冷;中 压工艺制造零部件,成形前后零件的微观组织没有变化.强度等指标基本上保持不变。而热威形工艺中使用的硼合金钢板是一种低碳微合金钢 ,添加了一定量的B 元素,提高了钢板的淬火性能,威形后发生相变 .强度等指标成倍提高。另外, 还添加了Ti 、 Cr、 Mo,Cu、 Ni 等多 种合金微

7、量元素,因而提高了材料的屈服强度以及其他力学性能.材 料力学性能也很稳定。表1 是典型 的热冲压成形钢板22MnB5 的主要 成分,这种钢板常温下的强度不很高 .抗拉强度仅有 500-700MPa. TOC o 1-5 h z 塑性、可成形性等性能也很好.而通过热成形工艺的加热、成形、冷却后. 成形件被淬火.微观组织转变成马氏体.强度、硬度等指标大幅度提高,屈服强度可以达到1000MPa以上 .抗拉强度达到1500MPa,硬度可以达 N50HRC。但是塑性指标明显下降 ,比如成形前这种高强度硼合金钢板的伸长率一般在24%以上.而 成形后零件的伸长率只有8%左右。3.2工艺参数热冲压成形技术是一

8、项完全不同于传统冷冲压成形的板料成形新技术 .工艺参数纵多,工艺过程复杂 .包括加热、成形和冷却等多个关键技术环节。为了实现奥氏体向马氏体的转变.确保产品的力学性能 .不同环节的工艺参数的选择是至关重要的。加热阶段的主要工艺参数是加热温度和保温时间。加热温度应该保持在再结晶温度以上.以确保板料奥氏体化.但是加热温度不能过高 ,否则会导致板料表面过烧和晶 粒长大.影响淬火后的零件质量和性能。保温时间影响奥氏体化的均匀性 .板料加热到指定温度后应该保温一段时间,以促进奥氏体化进程 .但是保温时间不能过长,否则也会导致晶粒长大,恶化零件力学性能,另外还增加了生产周期.降 低生产效率。在成形阶段.板料

9、须在奥氏体状态下冲压成形,需要采用较高成形速度.使工件瞬间内被快速成形 .以避免因成形速度过慢而带来的过多热量损失以及过快的温度下 降。因此. 热冲压工艺中要采用能够实现高速成形较快的液压机。在冷却阶段,成形件被模具表面冷却淬火,发生相变.使奥氏体转变成马氏体,实现强化。但是这种相变与冷却速度有关,只有在冷却速度超过某一临界数值后.才能使奥氏体转变成马氏体.否则冷却速度过低成形件中将会出现贝氏体等其他组织,影响成形件的强度提高。研究表明,热冲压工艺中.实 现奥氏体向马氏体转变的最小冷却 速度（或者称为临界冷却速度为27 ,s。因此热冲压工艺中为了确C Mn Si Ti Al Cr 0.221.

10、20O.200.030.030,20B0.03.5保奥氏体向马氏体的转变,模具对成形件的冷却16I 汽车工艺与材料AT&M2009年第4期万方数据生产强儡速度必须大于这个值.为此要提高冷却介质的循环压力和循环速度. 及时带走模具表面的热量,也使成形件各处冷却效果保持相同,使热应力分布均匀.同时要使冷却介质保持在一定的温度范围内。但是并非冷却速度越高越好,过高的冷却速度将导致成形件的开裂。3.3热冲压模具冷冲压模具仅用于零件的成形 .而热冲压模具不但用于成形. 还要用于给零件冷却淬火.因此其模具更加复杂,对模具材料选择. 模具设计等方面提出了更加严格的要求。在模具材料选择方面.热冲压模具材料首先

11、要有良好热传导系数 ,确保钢板与模具表面之间的快速传热.实现良好的冷却功能。模具材料还要具备良好的热强度、热 硬度、高的耐磨性和热疲劳性.保 证在成形高温板料时.模具尺寸精度稳定,表面硬度良好.能够承受坚硬氧化皮及强烈热摩擦带来的磨损 ,能够在剧烈的冷热交变作用下 具有良好的使用寿命。另外模具材料还需具有良好的耐锈蚀性,保证 模具内部冷却管道不被冷却介质锈蚀堵塞 .因此国外一些热冲压模具材料中都有较高含量的Ni 和 Cr。在模具材料选择时,一般要根据具体工作情况.参照热锻用热作模具钢进行选择。4 热成形试验及结果在模具凸凹模设计方面.不能照搬冷冲压模具的设计方法.首先 热冲压工艺中回弹很小 .

12、几乎无须考虑回弹对零件形状的影响,另外还需考虑热胀冷缩对零件最终尺寸 和形状的影响.并以此为基础设计凸 . 凹模的关键尺寸。在冷却机构设计方面,冷却系 TOC o 1-5 h z 统必须保证模具对零件的快速.均匀冷却.冷却管的总体布局.形 状、直径、冷却管与模具工作表面、非工作表面以及冷却管之间的距离、冷却系统密封等都是冷却机构设计的关键所在,也是热冲压模具设计的最重要技术之一。设计冷却管道系统时,可以结合数值模拟技术对各管道内的冷却介质的流动情况进行模拟分析.使各管道都具有相同的冷却效率.保证冷却的均匀性。另外.由于热成形工艺还在其他诸多方面与传统冷冲压工艺存在较大的区别,比如在成形件的设计

13、方法以及工艺调试方法等方面,热成形工艺都有其独特的一面.这些 都会对热成形过程以及成形件的质量有很大影响,所以实践中直接沿用冷冲压工艺中的方法和手段不一定能处理好热成形的相关问题.而是需要认真分析总结.不断通过试 验等手段开发探讨更适合于热成形的技术方法和措施。选取某型汽车加强板为典型件 ,进行热冲压成形试验。试验用钢板材料为低碳硼合金钢22MnB5。开发了带有冷却管道的热成形模具 ,如图4。试验过程如下:首先在 经过改造的加热炉内将钢板加热到900 .并保温5min,使钢板被均匀奥氏体化.为了防止钢板表面被氧化.加热前在钢板表面涂覆了保护层 :钢板被加热好后,迅速放入带有冷却管道的冲压模具上

14、.液压机快速下行实施冲压成形.模具完全闭合后液压机保压10s.使钢板 在模具内保压定形并被充分冷却淬火 .实现奥氏体向马氏体的充分转变。图 5是获得的试验件。对成形件切块取样进行微观组织分析,结果表明淬火后成形件组织为板条状马氏体.如图6。对成形件的拉伸力学性能进行了检测,其屈服强度达到 1036MPa.抗拉强度达到1547MPa。硬度检测结果表明.成形件 硬度分布较为均匀,平均硬度达到47.7HRC.完全达到高强钢热冲压件的产品性能要求。图 4 带冷却系统的热成形模具图 5 高强钢热成形的试验件图 6 试验获得的热成形件的微观组织圃2009年第4期汽车 T 艺与材料AT&M17万方数据超高强度钢板冲压件热成形工艺作者:单忠德, 徐虹作者单位:机械科学研究总院先进制造技术研究中心刊名:汽车工艺与材料