超高強鋼盒形件熱沖壓工藝的實驗研究

孫家琦，岳峰麗，林 濤，王道重

(1.沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.中國科學(xué)院 金屬研究所，遼寧 沈陽 110016；3.海軍航空工程學(xué)院 航空訓(xùn)練基地，山東 青島 266108)

超高強鋼盒形件熱沖壓工藝的實驗研究

孫家琦1，岳峰麗1，林 濤2，王道重3

(1.沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.中國科學(xué)院 金屬研究所，遼寧 沈陽 110016；3.海軍航空工程學(xué)院 航空訓(xùn)練基地，山東 青島 266108)

以汽車用鋼22MnB5為例，研究其熱沖壓工藝。對制得的熱沖壓件進(jìn)行力學(xué)性能、硬度、金相組織分析，通過調(diào)整熱沖壓工藝參數(shù)，制得抗拉強度約1600MPa、延伸率約10%、硬度約450Hv、微觀組織為板條狀馬氏體的超高強度鋼板件。

超高強度鋼;熱沖壓;盒形件

隨著我國道路交通狀況的不斷改善，汽車保有量的不斷增加，交通事故總量和所造成的人員傷亡與財產(chǎn)損失逐年呈上升趨勢[1]。這其中涉及到許多汽車安全方面的問題，汽車車身強度便是其中之一。近年來伴隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，汽車的動力性已有大幅度提升，但同時也帶來了危害。當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時，由于車速高、動能大，原始強度的車身已不能滿足碰撞時的要求，車身發(fā)生過大變形而危及乘客的安全。汽車用超高強度鋼因具有較高的強度以及延伸率，可在發(fā)生碰撞時保證車身強度同時又具有足夠的吸能性；使汽車車身鋼板厚由1.0～1.2mm減為0.7～0.8mm，減輕車重達(dá)15%～20%[2]，可提升汽車的燃油經(jīng)濟性。本文基于此目的在參考了相關(guān)文獻(xiàn)[3-5]并研究了熱沖壓工藝原理[6-8]后，對汽車用超高強度鋼22MnB5的熱沖壓工藝展開研究。

1 實驗過程

1.1 實驗原理

熱沖壓工藝(Hot stamping)原理是將室溫下組織為鐵素體與珠光體的原始板料加熱到其再結(jié)晶溫度以上，保溫一段時間使其均勻奧氏體化后，將板料快速轉(zhuǎn)移到具有冷卻裝置的模具中進(jìn)行沖壓成型同時完成淬火處理，這期間板料會發(fā)生組織相變即由奧氏體相轉(zhuǎn)變成馬氏體相，使得板料的抗拉強度達(dá)到1500MPa左右，硬度達(dá)到450Hv左右。

1.2 實驗條件及步驟

典型的工藝流程大致可分為五個階段，即加熱、保溫、轉(zhuǎn)移、沖壓及保壓。這五個階段分別涉及各自相應(yīng)的工藝參數(shù)，包括加熱溫度、保溫時間、轉(zhuǎn)移時間、模具間隙、沖壓速度、沖壓力、保壓時間等。初步制定本實驗相關(guān)工藝參數(shù)，如表1所示。實驗所用設(shè)備有：電阻式加熱爐、萬能壓力機及其模具、氬氣瓶等。實驗設(shè)備搭建好后，按照以上提到的實驗流程，進(jìn)行首次嘗試性實驗且在板料加熱階段通以氬氣，防止板料在空氣中氧化形成氧化皮，影響板料與模具之間的熱傳導(dǎo)和成形精度。實驗過程中的轉(zhuǎn)移時間為5s，板料沖壓變形開始至保壓變形時所需時間為3s，總計板料從加熱爐中轉(zhuǎn)移出來至模具沖壓變形的時間為8s。

表1 實驗工藝參數(shù)

1.3 實驗結(jié)果分析

實驗結(jié)束后,在制得的盒形件(如圖1所示)不同位置即盒形件的底部及盒形件側(cè)邊，切取拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗。拉伸試驗測試結(jié)果如圖2所示,各位置拉伸曲線沒有太大變化，抗拉強度都維持在700MPa左右、斷后延伸率在9%左右，抗拉強度遠(yuǎn)沒有達(dá)到馬氏體組織的強度級別。為與力學(xué)性能測試相對應(yīng)，采取硬度測試予以輔證。硬度測試力為30Kg，硬度測量儀型號為FV-700；每個試樣上隨機測量3個樣點得到宏觀硬度，取其平均值作為該試樣的硬度數(shù)據(jù)。

圖1 熱沖壓盒形件

圖2 試樣拉伸曲線

表2為測得的硬度與抗拉強度對應(yīng)關(guān)系。為進(jìn)一步驗證所得組織為非馬氏體組織，對所得板料進(jìn)行金相組織觀察，實驗采用4%硝酸酒精溶液侵蝕。

表2 工件硬度以及抗拉強度

圖3為所得的金相組織圖片，從不同倍數(shù)微觀組織可以看出，其組織結(jié)構(gòu)與典型的馬氏體結(jié)構(gòu)有明顯區(qū)別，所得組織為細(xì)片狀珠光體及網(wǎng)狀、針狀鐵素體，趨魏氏組織分布。根據(jù)過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線[9](CCT曲線)可知，由于轉(zhuǎn)變溫度不同，過冷奧氏體按不同機理轉(zhuǎn)變成不同的組織(珠光體、貝氏體、馬氏體)，雖然轉(zhuǎn)變類型主要取決于轉(zhuǎn)變溫度，但轉(zhuǎn)變量和速度又與時間密切相關(guān)。由此可以判斷奧氏體沒有轉(zhuǎn)變成馬氏體主要有兩種可能，其一為板料從加熱爐中轉(zhuǎn)移到模具上后，由于轉(zhuǎn)移時間過長致使板料開始轉(zhuǎn)變時的溫度過低，導(dǎo)致冷卻曲線停留在貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)附近(如圖4中1號曲線所示)，即使板料轉(zhuǎn)移到模具中后，模具有足夠的冷卻能力使板料發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，冷卻曲線也會滑過鐵素體-貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)從而形成非馬氏體組織；其二為板料轉(zhuǎn)移到模具中后,由于模具的冷卻能力不夠(如圖4中2號曲線所示)，使曲線滑過貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。

圖3 板料微觀組織

圖4 鋼冷卻曲線

綜上所述對所做實驗進(jìn)行改進(jìn)，縮短電阻加熱爐與萬能壓力機之間的距離，加快板料的轉(zhuǎn)移速度達(dá)到減少轉(zhuǎn)移時間的目的，使板料不會在空氣中降溫過多并盡快轉(zhuǎn)移至模具中進(jìn)行淬火，淬火過程中利用模具足夠大的冷卻能力，使冷卻曲線避開貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)到達(dá)Ms點最終形成馬氏體組織，即使板料的冷卻速度大于臨界冷卻速度30℃/s；實驗也縮短了凸凹模間隙(從25mm減少到20mm)，使板料轉(zhuǎn)移到模具中后，模具的凹凸模盡快與板料發(fā)生接觸而使板料淬火；轉(zhuǎn)移時間由5s縮短為2s，板料沖壓變形開始至保壓時間也由3s縮短至2s，時間共減少4s。進(jìn)行上述參數(shù)修改后，完成第二次板料的試制實驗。實驗后對所得板料不同位置進(jìn)行力學(xué)性能、硬度及金相組織分析，所得數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5、圖6及表3所示，抗拉強度平均在1600MPa左右，較上次實驗提升2倍左右，拉伸試樣的延伸率平均在10%左右；由圖6可知微觀組織為典型的板條狀馬氏體組織。對比兩次實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本次所制的板料在抗拉強度上有所提高，板料的延伸率有所提升。這主要由

圖5 力學(xué)性能曲線

圖6 板料微觀組織

表3 工件硬度以及抗拉強度

于：(1)板料在加熱階段處在保護(hù)氣體中，表面不會發(fā)生明顯的氧化現(xiàn)象，使板料在沖壓時模具與板料表面接觸狀況好，換熱系數(shù)大，板料沖壓時表面氧化皮少，保證熱沖壓件的成形精度；(2)模具的冷卻能力足夠大，使板料的冷卻速度遠(yuǎn)大于馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度，從而形成均勻的板條狀馬氏體；(3)縮短了電阻式加熱爐與萬能壓力機之間的距離，減少了板料在空氣中的轉(zhuǎn)移時間，即板料的起始變形溫度高，使板料的冷卻曲線滑過鐵素體-貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。

2 結(jié)論

(1)采用熱沖壓工藝進(jìn)行超高強度鋼22MnB5的盒形件加工，確定的合理工藝參數(shù)為：板料的加熱溫度為950℃，保溫時間為5min，轉(zhuǎn)移時間為2s，保壓時間為1min。所得到的熱成形零件微觀組織為馬氏體，抗拉強度約為1600MPa，硬度約為450Hv，延伸率約為10%。

(2)板料的轉(zhuǎn)移時間應(yīng)限制5s以內(nèi)，否則板料在成形淬火階段會形成非馬氏體組織，影響板料的力學(xué)性能。

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ExperimentalResearchontheHotStampingProcessforBox-shapedwithUltraHighStrengthSteel

SUN Jiaqi1,YUE Fengli1,LIN Tao2,WANG Daozhong3

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China;3.Unit 91206,Qingdao 266108,China)

The hot stamping process of the automobiles steel 22MnB5 was studied.The mechanical properties,hardness and metallographic phase results of hot stamping part were obtained by a hot stamping experiment.And the final results show that the tensile strength of hot stamping part was up to 1600MPa,the elongation was up to about 10%,the hardness was up to 450Hv and the microstructure of the part was lath martensite.The comprehensive properties of this part were good.

ultra high strength steel;hot stamping;box-shape part

2013-10-16

國家自然科學(xué)基金重點項目(51034009)

孫家琦(1987—)，男，碩士研究生；通信作者；岳峰麗(1970—)，女，副教授，研究方向：汽車現(xiàn)代制造技術(shù).

1003-1251(2014)05-0063-03

U270.6+4

A

趙麗琴)