加熱工藝對熱成形零件性能的影響

隨著國內(nèi)汽車輕量化的不斷發(fā)展與安全性要求的不斷提高，高強鋼在汽車制造領域逐漸得到廣泛應用。然而，隨著高強鋼材料強度的不斷提高，其沖壓成形性能逐漸降低，并且強度越高成形難度就越大。當強度超過1000MPa時，常規(guī)的冷沖壓工藝生產(chǎn)的高強鋼零件容易開裂、成形效果較差，回彈較大、成形精度較低，尤其是復雜零件幾乎無法達到零件的設計需求。如何實現(xiàn)高強度鋼板的高精度沖壓成形就成為一項迫切需要解決的技術難題。

熱成形技術的誕生，很好地解決了上述技術難題。該技術可以成形強度高達1900MPa的沖壓件，而且高溫下成形幾乎沒有回彈，具有成形精度高、成形性能好等優(yōu)點，因此引起業(yè)界的普遍關注并迅速成為汽車制造領域的熱門技術。熱成形技術是將特殊的高強度硼合金鋼加熱使之奧氏體化，隨后將紅熱的板料送入有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成形，同時在模具內(nèi)快速冷卻淬火，從而獲得超高強度的零件。在熱成形工藝中，材料奧氏體化加熱工藝參數(shù)的設置直接影響材料的微觀組織，最終影響零件的綜合性能。因此，研究加熱工藝對熱成形零件性能影響規(guī)律，對于制定適合熱成形零件生產(chǎn)的實際工藝具有十分重要的意義。

與傳統(tǒng)的冷沖壓成形方法相比，熱成形方法需要準確掌握高溫條件下材料的相變行為和性能轉(zhuǎn)變規(guī)律，才能準確地獲得熱成形后理想的零件綜合性能。本文研究了熱成形零件生產(chǎn)過程中的加熱工藝對熱成形零件性能影響規(guī)律，所有分析試樣均直接從實際生產(chǎn)線選取。通過對不同加熱工藝條件下熱成形后零件的顯微組織、維氏硬度的影響規(guī)律研究，最終得到適合于熱成形B柱零件實際生產(chǎn)的最佳加熱工藝。

試驗材料及方法

■表1 試驗材料的化學成分 （％）

試驗材料

試驗材料選用厚度為1.5mm的22MnB5高強度冷軋鋼板，其主要化學成分如表1所示。該材料奧氏體化轉(zhuǎn)變溫度（Ac3）約為875℃，馬氏體相變溫度約為400℃。要實現(xiàn)奧氏體向馬氏體的全部轉(zhuǎn)變，最低冷卻速度應不低于25℃/s。圖1為試驗材料沿軋制方向的原始組織，主要由鐵素體和珠光體構(gòu)成。

圖1 試驗材料原始組織

試驗方案

使用選定的奧氏體化加熱參數(shù)進行熱成形試驗，試驗分為四組，如表2所示。加熱溫度分別為875℃、900℃、925℃、950℃，每組保溫時間都分別為2min、5min、8min，進行奧氏體化后，快速沖壓冷卻淬火。選取零件上的相同部位，取樣進行金相組織和顯微硬度分析。

■表2 熱成形板料加熱工藝參數(shù)

試驗結(jié)果與分析

圖2 保溫時間5min時試樣的顯微組織

加熱工藝對材料組織的影響

圖2給出了保溫時間為5min，不同加熱溫度時試樣的光學顯微組織，875℃時材料并沒有完全奧氏體化，尚有亮白色塊狀的鐵素體存在，組織不均勻（圖2a）。由于鐵素體的強度較低，在沖壓的過程中容易造成材料的局部應力集中，導致材料的沖壓性能較差。當加熱溫度升高至900℃時，材料基本完全奧氏體化（圖2b）。當加熱溫度為925℃和950℃時，奧氏體化完全，板條馬氏體所構(gòu)成的基體中基本沒有鐵素體（圖2c、d）。然而，隨溫度的升高，一個原奧氏體晶粒中，具有相同取向的馬氏體板條束（block）的寬度越來越大，block寬度作為對強度起作用的組織控制單元，寬度越大強度越低。由此認為，要實現(xiàn)材料的充分奧氏體化，并最終全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，加熱溫度應不低于900℃。

圖3 加熱工藝對材料顯微硬度的影響

圖4 加熱工藝對晶粒尺寸大小的影響

加熱工藝對材料硬度和晶粒大小的影響

圖3為加熱工藝對材料顯微硬度的影響規(guī)律。當加熱溫度為875℃時，材料尚未充分奧氏體化，隨著保溫時間的延長，淬火后材料的硬度有所增加。當加熱溫度達到900℃及以上時，隨著保溫時間的延長，淬火后材料的硬度先增加然后逐漸降低。其中保溫時間為8min時，硬度下降較為明顯。

分析認為，適當?shù)募訜釡囟群图訜釙r間，有助于材料在加熱過程中完全奧氏體化。對于本試驗材料而言，奧氏體化溫度應該不低于900℃。然而，過高的加熱溫度或過長的保溫時間，將導致材料的奧氏體晶粒尺寸逐漸增大。由于板料的奧氏體晶粒越大，淬火后生成的馬氏體強度越低，硬度也就越低。對于本試驗材料而言，較為理想的加熱時間為5min，加熱溫度900℃及以上。

結(jié)束語

在熱成形工藝中，材料的加熱工藝將直接影響零件的最終性能。本文以某款車型的熱成形B柱零件為例，研究了不同的加熱工藝條件對熱成形后零件的顯微組織、維氏硬度的影響。試驗結(jié)果表明：加熱工藝對熱成形零件性能影響顯著。適當?shù)募訜釡囟群捅貢r間，有利于提高零件的綜合性能；過高的加熱溫度或較長的保溫時間，將導致材料奧氏體晶粒粗大，降低零件的力學強度。對于本文所研究的零件而言，較合適的加熱溫度為900℃，加熱時間為5min。針對不同的熱成形零件，可根據(jù)材料厚度適當調(diào)整保溫時間。

加熱工藝對熱成形零件性能的影響

文/葛銳，龍安·武漢鋼鐵（集團）公司研究院