高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形工藝的改進(jìn)

盈 亮，賈治域，胡 平，常 穎，吳秀峰，王玉山，趙立信

（1.大連理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250022；3.合肥鍛壓集團(tuán)，安徽 合肥 230601；4.吉林偉孚特輕量化技術(shù)股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

1 引言

沖壓工藝是制造汽車車身覆蓋件的主要工藝之一,約有80%的汽車零部件是由沖壓工藝完成的。而日漸興起的熱成形技術(shù)是結(jié)合熱鍛技術(shù)特點(diǎn)，在傳統(tǒng)沖壓工藝的基礎(chǔ)上對(duì)材料進(jìn)行加熱處理并進(jìn)行產(chǎn)品成形制造，從而使產(chǎn)品具有更優(yōu)良的機(jī)械性能的一種加工方法。在沖壓過(guò)程中，板料容易出現(xiàn)破裂、頸縮、起皺等加工缺陷。冷沖壓可通過(guò)加入高級(jí)潤(rùn)滑油或者通過(guò)液壓反脹成形、張力控制成形等方法改善鋼板成形性并提高沖壓件的產(chǎn)品質(zhì)量。而熱沖壓因具有成形溫度高、生產(chǎn)效率快等特殊工藝要求，難以采用常規(guī)的方法來(lái)改善產(chǎn)品質(zhì)量，需要在加工過(guò)程中通過(guò)其他途徑解決熱沖壓板料成形性問(wèn)題。

本文基于金屬微觀結(jié)構(gòu)組織轉(zhuǎn)變理論并結(jié)合22MnB5 熱成形材料CCT 曲線分析，增加熱成形出爐轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的冷卻工藝，解決了熱成形過(guò)程中板料易產(chǎn)生的成形缺陷問(wèn)題，可有效實(shí)現(xiàn)熱成形加工工藝優(yōu)化，提高了熱成形產(chǎn)品成形質(zhì)量穩(wěn)定性，具有重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

2 理論分析

2.1 冷卻工藝提高產(chǎn)品力學(xué)性能

常用熱沖壓板料為一種C-Mn 硼鋼，牌號(hào)22MnB5。其初始板料常溫下微觀組織成分主要由鐵素體、珠光體構(gòu)成，通過(guò)加熱保溫至完全奧氏體化后（900℃），轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻膴W氏體微觀組織。熱透后的紅熱板料經(jīng)過(guò)水冷模具的沖壓淬火，獲得屈服強(qiáng)度高達(dá)1000MPa 以上的高強(qiáng)度、高硬度、無(wú)回彈的成形零部件，在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中板料的微觀組織由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體、貝氏體、鐵素體、珠光體中的幾種。其中鐵素體和珠光體的塑性韌性很好，但是強(qiáng)度和硬度都很低，無(wú)法滿足車用鋼板的技術(shù)需求，貝氏體雖然硬度值大于鐵素體和珠光體，但是其強(qiáng)度要求無(wú)法達(dá)到車用高強(qiáng)度鋼板的需要，只有淬火后板料馬氏體含量高于95%時(shí)，才能保證零件硬度值在450HV 以上，抗拉強(qiáng)度在1500MPa 以上，因此如果想要保證產(chǎn)品優(yōu)良的性能，在熱成形淬火后就必須要使板料獲得足夠含量的馬氏體。典型產(chǎn)品冷、熱沖壓后的效果對(duì)比如圖1 所示。

圖2 所示為熱成形加工所使用的22MnB5 高強(qiáng)度鋼奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變CCT 曲線圖，Ac1 線為730℃，Ac3 線為830℃。由圖可知，該類材料沿不同冷卻速率冷卻可得到的材料微觀組織及含量將會(huì)不同，且隨著冷卻速度的增大，得到的材料硬度也隨之提高，當(dāng)降溫速率達(dá)到100℃/s 時(shí)，材料硬度能夠達(dá)到460HV。圖中1 號(hào)曲線為22MnB5 高強(qiáng)度鋼板在室溫下冷卻的CCT 曲線圖，降溫速率在10～12℃/s，板料在室溫下冷卻后的硬度在300HV 左右。2 號(hào)曲線為板料降溫的上臨界冷速，這一冷卻速度是保證奧氏體在連續(xù)冷卻過(guò)程中不發(fā)生分解而全部過(guò)冷到馬氏體區(qū)的最小冷速。生產(chǎn)過(guò)程中當(dāng)降溫速率小于淬火上臨界冷速（27℃/s）時(shí)，即降溫曲線介于1 號(hào)曲線和2 號(hào)曲線之間，則冷卻過(guò)程中材料相變將會(huì)先經(jīng)過(guò)貝氏體區(qū)，而后進(jìn)入馬氏體相變區(qū)，淬火后的微觀組織中會(huì)存在大量的貝氏體和少量的馬氏體混合組織，那么獲得的成形件硬度和抗拉強(qiáng)度都無(wú)法達(dá)到目標(biāo)值。

為使成形產(chǎn)品組織轉(zhuǎn)變?yōu)樾枰鸟R氏體成分，需要使材料的降溫速率大于淬火上臨界冷速，降溫曲線不再與貝氏體等其他相區(qū)的轉(zhuǎn)變開始線相交，而全部過(guò)冷到馬氏體區(qū)。因此，在熱成形工藝過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)運(yùn)、沖壓速度等因素的影響，板料在空氣中的平均冷卻速度一般在12℃/s，達(dá)不到要求的冷速，所以增加冷卻工藝來(lái)提高冷卻速度。在出爐后的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中對(duì)板料進(jìn)行快速冷卻，使板料快速降溫，CCT 曲線直接從奧氏體區(qū)過(guò)渡到馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，而不發(fā)生其他相變。

2.2 冷卻工藝提高產(chǎn)品成形性

硬化指數(shù)N 作為板材在塑性變形過(guò)程中變形強(qiáng)化能力的一種量度，是衡量金屬材料成形性能的重要指標(biāo)。N 值越大，材料在發(fā)生塑性變形時(shí)強(qiáng)化效應(yīng)越大，形變量越均勻，提高了板料應(yīng)變分布的均勻性，所以在變形過(guò)程中，周圍材料對(duì)危險(xiǎn)區(qū)材料的補(bǔ)償作用提高，形變強(qiáng)化能力也就越突出。同時(shí)，經(jīng)過(guò)冷卻的板料由于N 值的增大，其成形極限參數(shù)也有所提高，使板料的變形穩(wěn)定性增加。如圖3 所示，根據(jù)22MnB5 材料在不同溫度下的N 值變化情況可以看出，當(dāng)溫度在650～700℃之間時(shí)，材料的硬化指數(shù)達(dá)到最大值，因而在此溫度下的成形性能也是最好的，所以板料出爐后先冷卻至650～700℃再?zèng)_壓成形，可以得到成形質(zhì)量較高的零件產(chǎn)品。圖3 中左側(cè)第一條曲線為改進(jìn)前的沖壓工藝，第二、第三條曲線為增加了轉(zhuǎn)運(yùn)冷卻環(huán)節(jié)后的沖壓曲線。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)材料選用寶鋼生產(chǎn)的熱成形高強(qiáng)鋼22MnB5 材料，牌號(hào) B1500HS，板料厚度 2mm，其成分如表1 所示。

表1 22MnB5 材料成分

深沖盒實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚰M出板料在復(fù)雜沖壓過(guò)程中的流動(dòng)、變形的過(guò)程，檢驗(yàn)沖壓深度、板料減薄率、沖壓缺陷等問(wèn)題，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出復(fù)雜沖壓參數(shù)對(duì)成形件的影響情況。本文采用深沖盒實(shí)驗(yàn)對(duì)熱成形工藝過(guò)程中板料的成形性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證，如圖4 所示。試驗(yàn)參數(shù)完全按照熱成形工藝參數(shù)設(shè)定，將板料加熱至900℃并保溫3min，然后將完全奧氏體化后的紅熱鋼板冷卻到目標(biāo)溫度后進(jìn)行沖壓。沖壓過(guò)程中使用K 型熱電偶及測(cè)溫儀采集溫度數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)方案分別設(shè)定 750℃、700℃、650℃、600℃、550℃為目標(biāo)沖壓溫度，在板料溫度達(dá)到目標(biāo)沖壓溫度前，分別采用壓縮空氣、電風(fēng)扇以及自然降溫三種方式冷卻以實(shí)現(xiàn)不同降溫速率，從而對(duì)比不同開始沖壓溫度以及不同的冷卻方式對(duì)板料成形性和力學(xué)性能的影響，實(shí)驗(yàn)如圖5 所示。

4 冷卻工藝改進(jìn)結(jié)果分析

4.1 冷卻工藝改進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)深沖盒實(shí)驗(yàn)分析可知，在不同冷卻方式下，750℃、550℃開始沖壓溫度下沖壓的試件都會(huì)發(fā)生破裂，如圖6 所示；600℃開始沖壓的試件在圓角處也出現(xiàn)了不同程度的撕裂或頸縮；而在650℃、700℃下沖壓的試件未產(chǎn)生沖壓缺陷，且壓縮空氣冷卻后沖壓的試件成形質(zhì)量最高。試件產(chǎn)生破裂，是由于溫度過(guò)高或者過(guò)低時(shí)，板料的硬化指數(shù)較低，致使在沖壓過(guò)程中材料形變不均勻而提前產(chǎn)生了頸縮和破裂，同時(shí)在此溫度下材料的成形極限過(guò)低，在沖壓過(guò)程中的流動(dòng)性不好，內(nèi)應(yīng)力集中，造成破裂。

在650～700℃之間，三種冷卻方法都能獲得具有良好成形性的沖壓件，不同工藝?yán)鋮s的降溫曲線如圖7 所示，自然降溫和電風(fēng)扇冷卻降溫速率分別為12℃/s、17℃/s，降溫沖壓后的試件硬度最大為380HV，抗拉強(qiáng)度最大值為1200MPa。根據(jù)CCT 曲線分析可知，冷速達(dá)不到臨界冷速，自然無(wú)法滿足實(shí)際生產(chǎn)效果，原因是在自然降溫和電風(fēng)扇冷卻的過(guò)程中，板料降溫速率過(guò)低，材料發(fā)生了貝氏體相變，沖壓后試件微觀組織為貝氏體和少量的馬氏體，其強(qiáng)度硬度都無(wú)法滿足生產(chǎn)需要。

通過(guò)金相圖8a 可看出，經(jīng)過(guò)壓縮空氣冷卻后得到的試件馬氏體組織形態(tài)更加均勻，且馬氏體含量高于95%。而使用電風(fēng)扇冷卻后沖壓的試件微觀組織為少量不均勻分布的馬氏體和貝氏體、鐵素體的混合物，如圖8b 所示。

4.2 傳統(tǒng)工藝與優(yōu)化工藝對(duì)產(chǎn)品缺陷的改善

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖9 中可以看出采用同一深度的深沖盒沖壓實(shí)驗(yàn)中，未經(jīng)過(guò)冷卻的傳統(tǒng)工藝在630℃沖壓后獲得的產(chǎn)品如圖9a 所示，試件底部裂紋擴(kuò)展嚴(yán)重，產(chǎn)生了明顯的開裂缺陷；而經(jīng)過(guò)壓縮空氣冷卻的優(yōu)化工藝在650℃沖壓的試件如圖9b 所示，沒有發(fā)生開裂、起皺等缺陷，成形性良好。對(duì)圖9a、b 兩個(gè)在不同工藝下獲得的產(chǎn)品進(jìn)行了硬度測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)如圖9b 所示。測(cè)量數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 硬度測(cè)量值

優(yōu)化工藝獲得的產(chǎn)品硬度明顯高于傳統(tǒng)工藝獲得的產(chǎn)品硬度，奧氏體化后的板料在出爐后經(jīng)過(guò)強(qiáng)風(fēng)的冷卻降溫，再進(jìn)行沖壓淬火，發(fā)生非等溫的無(wú)擴(kuò)散相變。隨著溫度的降低，變形量的增加，相變驅(qū)動(dòng)力隨之增大，馬氏體也就不斷形成。而傳統(tǒng)工藝由于冷卻條件不足，導(dǎo)致沖壓后產(chǎn)品形成的馬氏體含量過(guò)少，所以性能無(wú)法達(dá)到使用要求。

5 結(jié)論

（1）本文在熱成形工藝的基礎(chǔ)上增加了冷卻工藝，有效改善了加工過(guò)程中產(chǎn)品的機(jī)械性能，硬度達(dá)到450HV 以上，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1500MPa 以上。通過(guò)熱沖壓成形工藝改進(jìn)增大了熱成形件在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的降溫速率，使板料在沖壓淬火時(shí)能夠直接過(guò)冷到馬氏體區(qū)，有效防止降溫過(guò)程中其他雜相的生成，提高了馬氏體的轉(zhuǎn)化率。

（2）該工藝方法的改進(jìn)可有效避免起皺、破裂等熱成形缺陷的產(chǎn)生，提高了成形件的合格率。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，合理、有效的冷卻工藝并設(shè)定準(zhǔn)確的目標(biāo)開始沖壓溫度后進(jìn)行沖壓，獲得的熱成形產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，能夠滿足熱沖壓制造工藝的生產(chǎn)目標(biāo)。

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