熱沖壓成形新型B鋼開發(fā)與工藝研究

宋磊峰，馬鳴圖，張宜生，易紅亮，郭怡暉

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039；2.華中科技大學(xué)材料成形及模具技術(shù)國家重點實驗室，武漢 430074；3.東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819）

熱沖壓成形新型B鋼開發(fā)與工藝研究

宋磊峰1，馬鳴圖1，張宜生2，易紅亮3，郭怡暉1

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039；2.華中科技大學(xué)材料成形及模具技術(shù)國家重點實驗室，武漢 430074；3.東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819）

在傳統(tǒng)22MnB5成分基礎(chǔ)上添加Cr、Mo等化學(xué)元素，開發(fā)出熱沖壓專用新鋼種22MnMoB材料，并通過金相顯微鏡、顯微硬度計、電子拉伸試驗機等設(shè)備對22MnMoB材料進行材料性能、材料連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT）、熱處理工藝性能測試，通過中試線、熱沖壓模具等設(shè)備測試材料的工藝參數(shù)、試制熱沖壓零件并測試零件性能。試制結(jié)果顯示，新開發(fā)的22MnMoB材料具有良好的抗短時高溫氧化性能、成形淬火后材料組織細小、強度級別與原有22MnB5相當(dāng)，但總延伸率大大提高。

熱沖壓；硼鋼；成分；抗氧化

1 前言

2009年，我國汽車產(chǎn)銷量已躍居世界第一，汽車工業(yè)已成為名符其實的支柱產(chǎn)業(yè)。汽車產(chǎn)量、保有量增多，同時也帶來了能耗、安全和環(huán)保方面三大問題，汽車輕量化是解決環(huán)保、節(jié)能的有效手段，高強度鋼板的熱沖壓成形技術(shù)就是一種既能降低車身重量，又能提高安全性能的輕量化手段[1，2]。

由于B元素能夠提高鋼材的淬透性，因此目前，普遍應(yīng)用的熱沖壓成形硼鋼是22MnB5裸板或以22MnB5為基板的鍍層板。經(jīng)熱沖壓成形并淬火后，22MnB5材料的抗拉強度為1 500 MPa左右，屈服強度1 100～1 200 MPa，總延伸率（A50）在6%～7%[3]。國內(nèi)目前只有少數(shù)廠家供應(yīng)22MnB5裸板材料，各大鋼廠也正在22MnB5材料基礎(chǔ)上，開發(fā)新型的熱沖壓成形用B鋼材料[4]。

22MnB5熱沖壓成形硼鋼與傳統(tǒng)的高強鋼或先進高強鋼相比，強度有了較大程度的提高，但總延伸率大大降低，仍然有進一步提高綜合性能的可能性[5]。提高熱沖壓成形硼鋼使用強度的難點在于提高強度的同時如何保證良好的延伸率和屈強比，以及提高鋼材在短時高溫下的抗氧化性能[6]。通常情況下，隨馬氏體鋼強度的提高，材料延伸率會有所下降。為保證熱沖壓成形硼鋼具備高的延伸率及抗高溫氧化性能，在材料成分微調(diào)與工藝設(shè)計上，考慮提高強度的同時，保證高的延伸率和屈強比。通常情況下，22MnB5一般在930～950℃加熱3～5 min，盡管時間很短，若沒有保護氣氛的話，板料出爐—運送—成形過程中會產(chǎn)生大量的氧化皮，氧化皮的數(shù)量越多，對模具磨損及拋丸處理的難度越大。因此熱沖壓成形硼鋼在成分和工藝上需考慮提高材料抗氧化性能的措施[7，8]。

本文在22MnB5基礎(chǔ)上通過合理添加Mo、Cr等合金元素，開發(fā)出熱沖壓用新型B鋼，并通過金相顯微鏡、顯微硬度計、拉伸試驗機、Gleeble熱模擬試驗機、熱沖壓中試線、熱沖壓簡易模具等手段，對新開發(fā)的22MnMoB材料進行微觀組織、力學(xué)性能、工藝性能、工藝參數(shù)測試，采用22MnMoB材料試制典型零件，對樣件進行了材料性能檢測、尺寸檢驗等。

2 試驗方法

2.1 試驗材料

根據(jù)傳統(tǒng)22MnB5設(shè)計新型熱沖壓B鋼成分范圍，經(jīng)電爐（E.AF）+精煉（LF+VD）冶煉+連鑄+熱軋至4 mm+冷軋至1.8 mm（退火），對比鋼選用商業(yè)化生產(chǎn)的22MnB5裸板材料，經(jīng)分析和測試的發(fā)明鋼與22MnB5化學(xué)成分如表1所示。

表1 新型B鋼與傳統(tǒng)22MnB5化學(xué)成分Table 1 The chemical composition of new boron steel and 22MnB5

2.2 力學(xué)性能試驗

將冷軋退火后的板材切割成方形板材400 mm×400 mm板材，將板材在加熱爐中880～950℃保溫3～5 min進行奧氏體化，之后快速出爐，通過保壓模具淬火到90～150℃后空冷至室溫，對比鋼仍采用相同的熱成形工藝。然后將發(fā)明鋼與對比鋼加工成A80非比例試樣，進行室溫拉伸試驗，試樣尺寸如圖1所示。同時在淬火后的板材上切割金相試樣，并對組織進行晶粒度評級。將新型B鋼與22MnB5試制的樣件進行材料力學(xué)性能測試，驗證新型B鋼與22MnB5的強度、硬度及延伸率等，樣件拉伸試樣選用30 mm標(biāo)距的非比例試樣，試樣尺寸如圖1所示。

圖1 試樣尺寸圖（單位：mm）Fig.1 The sizes of sample（unit：mm）

2.3 氧化性能試驗

以國內(nèi)某車型前防撞梁為研究對象，其中樣件尺寸為1 100 mm×200 mm×100 mm，樣件設(shè)計重量為4.2 kg，開展新型B鋼與22MnB5材料抗氧化性能對比試驗。將新型B鋼與22MnB5采用的熱成形工藝為930℃保溫3～4 min快冷至150℃出模，加熱過程中爐內(nèi)無保護氣氛，采用機械手運送熱坯料，成形冷卻，然后清理模具及坯料上所有的氧化皮（不包含運送過程中掉落的氧化皮），將新型B鋼與22MnB5重復(fù)3次試驗，氧化皮重量在精度為0.1 mg的AL204型精密電子天平上稱量。零件坯料形狀及3D數(shù)模如圖2所示。

3 試驗結(jié)果及分析

新型B鋼及22MnB5材料熱處理前力學(xué)性能如表2所示。由表2可知，熱處理前材料組織為鐵素體+珠光體，新型B鋼由于加入了Mo、Cr等合金化元素，屈服強度略高于22MnB5。

圖2 零件Fig.2 Part

采用金相法+膨脹法測試新型B鋼的材料連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT）、Ac1點及Ac3點，如圖3所示。

表2 新型B鋼及22MnB5熱處理前力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of new boron steel and 22MnB5 before heat treatment

圖3 新型B鋼CCT曲線Fig.3 CCT curves of new boron steel

由圖3可以看出，新型B鋼臨界冷卻速度為15K/s，Ms點為370 ℃，Mf點為244℃，Ac1點為699℃、Ac3點為800℃。文獻[8]中給出了22MnB5材料臨界冷卻速度為33 K/s，新型B鋼中加入了Mo、Cr等合金元素，降低了材料臨界冷卻速度，提高了材料的淬透性。

新型B鋼及22MnB5材料通過固體淬火后力學(xué)性能如表3所示，材料微觀組織及真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖4、圖5所示。由圖4可以看出，新型B鋼與22MnB5材料經(jīng)固體淬火后組織均為全馬氏體，已保證淬火后材料的強度，結(jié)合表3的數(shù)據(jù)可以得出，新型B鋼經(jīng)固體淬火后得到比22MnB5更均勻、細小的馬氏體組織，總延伸率也高于22MnB5。這是由于新型B鋼中加入了微合金化元素Nb，細化晶粒，為熱沖壓用結(jié)構(gòu)件和安全件提供高強度的同時，得到了更高的延伸率，具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

表3 熱處理后力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties after heat treatment

圖4 固體淬火后微觀組織Fig.4 Microstructure after quenching by tools

圖5 熱處理后真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.5 True stress-true strain curves after quenching by tools

新型B鋼及22MnB5試制沖壓后氧化皮重量及樣件性能如表4所示。從實驗結(jié)果可以看出，由新型B鋼試制的樣件由于在鋼中添加了Mo、Cr等合金元素，相對于22MnB5試制樣件而言，在沒有保護氣氛的條件下，極大地提高了材料的抗氧化性能，成形后樣件表面光亮。同時，新型B鋼試制樣件與22MnB5樣件抗拉強度相當(dāng)，總延伸率大大提高，在保證熱成形安全件和結(jié)構(gòu)件高強度的同時，提高了零件塑性變形能力。

表4 樣件性能及抗氧化性能（30標(biāo)距）Table 4 Oxide weight and mechanical properties of parts（gauge length：30 mm）

采用新型B鋼及22MnB5材料試制的樣件如圖6所示。新型B鋼在無保護氣氛的條件下，經(jīng)過930℃保溫3 min后經(jīng)模具快速冷卻成形，表面較光亮，氧化皮少，而22MnB5材料在相同的條件下，表面呈黑灰色，氧化較嚴重。

圖6 試制樣件Fig.6 Production parts

通過激光掃描儀重建試制樣件3D數(shù)模，并通過Geomgic Qualify軟件將重建的數(shù)模與原設(shè)計模型進行對比，如圖7所示。比對結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除了樣件邊部有細微翹曲之外，樣件模型與設(shè)計完全吻合，主體部分的偏差小于0.5 mm，滿足零件精度設(shè)計要求。

圖7 樣件掃描數(shù)模與設(shè)計模型對比Fig.7 Comparison of the scanning and original model

4 結(jié)語

1）在22MnB5基礎(chǔ)上通過添加Mo、Cr等合金元素，將新型B鋼臨界冷卻速度降低到15 K/s，與傳統(tǒng)22MnB5相比，提高了材料的淬透性。

2）通過添加Nb等微合金元素，細化晶粒，在保證新型B鋼材料熱沖壓后高強度的同時，大大提高材料的延伸率，保證零件擁有良好的塑性變形能力。

3）材料在930℃保溫3 min處理過程中，Mo、Cr的氧化物有效抑制基體Fe元素氧化，在無保護氣氛的條件下，大大提高了材料抗短時高溫氧化性能。

4）新型B鋼通過合理添加合金元素，與傳統(tǒng)22MnB5材料相比，提高了材料的塑性變形能力和抗高溫氧化性能，在熱沖壓行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]馬鳴圖，易紅亮，路洪洲，等.論汽車輕量化[J].中國工程科學(xué)，2009，11（9）：20-27.

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[5]馬 寧，胡 平，閆康康，等.高強度硼鋼熱成形技術(shù)研究及其應(yīng)用[J].機械工程學(xué)報，2010，46（14）：68-72.

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[7]郭怡暉，馬鳴圖，張宜生，等.汽車前防撞梁的熱沖壓成形數(shù)值模擬與試驗[J].鍛壓技術(shù)，2013，38（3）：46-50.

[8]Karbasian H，Tekava A E.A review on hot stamping[J].Journal of Materials Processing Technology，2010，210（15）：2103-2118.

New boron steel development and process research of hot stamping

Song Leifeng1，Ma Mingtu1，Zhang Yisheng2，Yi Hongliang3，Guo Yihui1

（1.China Automotive Engineering Research Institute Co.Ltd.，Chongqing 400039，China；2.College of Materials Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；3.The State Key Laboratory of Rolling and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819）

Based on the 22MnB5’s composition，new boron steel applied on hot stamping was developed by adding some special chemical elements，such as adding Cr，Mo.Materials properties，materials continuous cooling transformation curves（CCT） and heat-treatment properties of new boron steel were tested by metallographic microscope、micro-hardness and electronic tensile testing machines.Process parameters testing，parts production and part properties analysis were also finished by the middle production line and some other testing equipments.Tests result show that the new boron steel owned great oxidation resistance properties and fine microstructure，the new boron steel and 22MnB5 materials have the same strength levels，but new boron steel have better elongation than 22MnB5.

hot stamping；boron steel；composition；oxidation resistance

TG306

A

1009-1742（2014）01-0071-05

2013-10-25

國家科技支撐計劃（2011BAG03B02）

宋磊峰，1984年出生，男，重慶市人，工程師，碩士，研究方向為汽車用高強度鋼材料工藝；E-mail：songleifeng1984@163.com