汽車高強鋼縱梁熱沖壓實驗研究

王　敏　張　春　張　宇　李少兵　王瓊霜

1.湖北汽車工業(yè)學院，十堰，4420022.華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室，武漢，4300743.東風商用車公司，十堰，442002

汽車高強鋼縱梁熱沖壓實驗研究

王敏1,2張春1張宇3李少兵3王瓊霜3

1.湖北汽車工業(yè)學院，十堰，4420022.華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室，武漢，4300743.東風商用車公司，十堰，442002

摘要：通過在自主研制的熱沖壓實驗線上開展汽車縱梁熱沖壓實驗，探明并對比了無涂層和不同潤滑條件下Al-Si涂層22MnB5板對復雜零件熱沖壓成形質(zhì)量和組織性能的影響。結果表明：①相比于無涂層板，涂層板能有效改善氧化脫碳現(xiàn)象，但涂層中形成的孔隙和裂紋容易導致零件在成形時產(chǎn)生破裂；采用水基石墨潤滑不能消除破裂；采用玻璃潤滑能有效避免破裂。②無涂層板的抗拉強度和屈服強度較高，無潤滑和石墨潤滑涂層板次之，玻璃潤滑涂層板的抗拉強度和屈服強度較低；無涂層板的延伸率較涂層板的延伸率大。③玻璃潤滑涂層板的表面粗糙度較小，無涂層板次之，無潤滑和石墨潤滑涂層板的表面粗糙度較大。

關鍵詞：高強鋼；熱沖壓；復雜件；涂層；潤滑

0引言

高強鋼熱沖壓是實現(xiàn)汽車輕量化并保證整車碰撞安全性的重要途徑[1]。在高強鋼熱沖壓過程中，硼鋼板經(jīng)奧氏體化加熱后在帶有冷卻管道的模具內(nèi)快速成形并保壓冷卻以發(fā)生馬氏體相變，從而獲得幾乎無回彈的高強度零件[1-2]。高強鋼熱沖壓主要用于制造車身B柱、防撞梁、保險杠等復雜結構件。這類零件通常由復雜的空間曲面構成，呈大尺寸梁狀結構，在熱沖壓成形中板料各區(qū)域的應力應變分布很不均勻。而熱沖壓是一個熱-力-相變多場耦合作用下的高度非線性過程,這加劇了應力應變分布的不均勻性，導致零件容易出現(xiàn)破裂、起皺、組織性能不均等缺陷。已有學者采用平面試樣高溫單向拉-壓試驗或熱沖壓零件典型特征結構U形件的熱沖壓實驗，對熱沖壓成形質(zhì)量和組織性能的影響因素與影響規(guī)律開展了研究[2-4]。

基于試樣和特征結構的實驗研究為實際復雜零件的研究奠定了基礎，但由于不可忽略的結構和尺寸效應，有必要直接對實際熱沖壓零件開展研究。姜超等[5]采用無涂層22MnB5板，分析了車門防撞梁熱沖壓后的組織形貌和力學性能，結果表明，零件獲得了完全且均勻的馬氏體組織，抗拉強度達到1550 MPa，延伸率達6.5%。郭怡暉等[6]針對某車型前防撞梁開展熱沖壓試制，對無涂層22MnMoB板成形后的金相組織、顯微硬度和力學性能進行了檢測，結果表明，零件中心凹槽處的厚度明顯減小，易誘發(fā)破裂。Gui等[7]應用無涂層22MnB5板開展汽車前保險杠熱沖壓實驗，研究了零件的構形、組織和力學性能，結果表明，零件中部的凹槽處易出現(xiàn)裂紋，潤滑是解決該問題的有效途徑。

從上述研究現(xiàn)狀可知，目前有關復雜零件熱沖壓的實驗研究主要關注無涂層板的內(nèi)部，對無涂層板表層組織和表面質(zhì)量的研究不多，也鮮有涉及涂層板及涂層板與無涂層板熱沖壓對比的文獻報道，而涂層板技術及其應用是熱沖壓技術的重要發(fā)展方向之一[1]。為此，本文以汽車地板縱梁為對象，利用自主研制的熱沖壓實驗線，揭示并對比了無涂層和不同潤滑條件下Al-Si涂層22MnB5板對復雜零件熱沖壓成形質(zhì)量和組織性能的影響，探明了不同狀態(tài)下板料對復雜零件熱沖壓成形的適用性，為建立適用于應用型熱沖壓的板料選擇和工藝策略提供理論依據(jù)。

1實驗材料與方法

實驗板材為厚1.6mm的無涂層和Al-Si涂層(w(Al)=87%，w(Si)=10%，w(Fe)=3%)22MnB5板，基板的化學成分如表1所示。

表1　22MnB5的化學成分(質(zhì)量分數(shù))　%

實驗在自主研制的熱沖壓實驗線上進行。該實驗線主要包括氮氣氛45 kW拱頂箱式電阻爐，XP2CEF-500B電液伺服壓力機和熱沖壓模具(圖1)等。加熱無涂層板時利用自制的氮基保護氣氛控制系統(tǒng)(圖2)向爐內(nèi)通保護氣氛以防止板料過度氧化和脫碳。采用自制的保壓淬火時間控制系統(tǒng)(圖3)精確控制保壓時間。

圖1　縱梁熱沖壓實驗模具

圖2　氮基保護氣氛控制系統(tǒng)

圖3　保壓淬火時間控制系統(tǒng)

在前期U形件熱沖壓實驗[8]和數(shù)值模擬[9]的基礎上，縱梁熱沖壓實驗條件確定為板料加熱至950 ℃并保溫5 min，從爐中取出并移入(約5 s)模具內(nèi)迅速成形(約3 s)后保壓淬火30 s，最后將零件取出空冷至室溫后觀測其表面質(zhì)量、金相組織并測試力學性能。加熱爐內(nèi)保護氣氛的氧含量(體積分數(shù))控制在5%～10%之間；無壓邊力,凸模凹模間單邊間隙取1倍板厚；板坯為880 mm×250 mm的矩形板。采用單向拉伸試驗測試力學性能，圖4為金相組織和力學性能測試取樣圖。圖4中，試樣編號“X-Y”的含義如下：X取C1、C2和D分別表示零件的兩個側面和底面，Y取1、2和3分別代表每個面上的三個金相試樣，Y取L表示拉伸試樣。

圖4　無涂層板熱沖壓縱梁及金相組織和力學性能測試取樣圖

2實驗結果與討論

2.1無涂層板熱沖壓

應用無涂層板進行了6次熱沖壓，所獲零件如圖4所示。零件外形完好，但外側壁有輕微劃痕，這可能與板料加熱膨脹，導致凸凹模間隙偏小有關。

第3和第6個零件典型區(qū)域的表層和內(nèi)部組織分別如圖5和圖6所示。由圖5可見，各區(qū)域脫碳較嚴重，單邊脫碳層深度介于0.04～0.2 mm之間，不滿足小于0.05 mm的需求。底面的氧化層厚度小于0.01 mm，側面的氧化層不明顯，這可能與凸凹模間隙偏小，使側面的氧化層在成形時被擠掉有關。由圖6可看出，與側面相比，底面的馬氏體板條束細短，其原因可能是底面氧化層較厚，降低了底面與模具之間的接觸換熱系數(shù)，導致底面的冷卻速率減小。由圖6還能看出，零件6的馬氏體組織總體上比零件3的馬氏體組織細小，這起因于零件6晚于零件3成形，模溫較高，故零件6的冷卻速率較小。

(a)零件3 C1-2(b)零件3 D -2

(c)零件6 C1-2(d)零件6 D -2圖5　無涂層板熱沖壓零件典型區(qū)域的表層組織

(a)零件3 C1-2(b)零件3 D -2

(c)零件3 C2-2(d)零件6 C1-2

(e)零件6 D -2(f)零件6 C2-2圖6　無涂層板熱沖壓零件典型區(qū)域的內(nèi)部組織

圖7所示為無涂層板熱沖壓零件典型區(qū)域的力學性能。零件底面和側面的強度差異不顯著，抗拉強度均超過了1400 MPa，屈服強度均不小于1000 MPa；延伸率介于4.5%～6.5%之間，且底面的延伸率高于側面的延伸率，這與側面粗大的馬氏體板條導致延伸率減小有關(圖6)。此外，零件3與零件6的力學性能相差不大，后者的強韌性稍優(yōu)于前者。

2.2不同潤滑條件下Al-Si涂層板熱沖壓

上述無涂層板熱沖壓實驗結果表明，盡管加熱爐內(nèi)的保護氣氛緩解了板料氧化，但脫碳仍較嚴重，這會降低零件的表面抗拉強度、硬度和疲勞強度。應用涂層板是解決該問題的有效途徑,同時還可提高鋼板的耐腐蝕性[1]。為此，采用目前應用最廣泛的Al-Si涂層板進行縱梁熱沖壓實驗，實驗條件與無涂層板相同。

2.2.1無潤滑

(a)抗拉強度

(b)屈服強度

(c)延伸率圖7　無涂層板熱沖壓零件典型區(qū)域的力學性能

圖8　無潤滑涂層板熱沖壓縱梁

(a)熱沖壓前

(b)熱沖壓后圖9　無潤滑Al-Si涂層板熱沖壓前后的表層組織

(a)C1-2

(b)D -2

(c)C2-2圖10　無潤滑涂層板熱沖壓零件典型區(qū)域的組織

在無潤滑條件下進行了3次Al-Si涂層板熱沖壓實驗。結果表明，零件小端一側靠近凸模圓角處均發(fā)生了破裂，如圖8所示。Al-Si涂層板熱沖壓前后的表層組織如圖9所示。由圖9可見，熱沖壓后，涂層厚度由約0.03 mm增至約0.04 mm，氧化和脫碳不明顯，但涂層中出現(xiàn)了孔隙和裂紋,文獻[2]也報道過該現(xiàn)象。圖10所示為涂層板熱沖壓零件典型區(qū)域的組織。由圖10可看出，基板均為馬氏體，但側面涂層中的孔隙和裂紋多于底面，且由于部分涂層已脫落，側面涂層沿基板表面呈段狀不連續(xù)分布。對涂層進行能譜分析后發(fā)現(xiàn)，孔隙附近含有C、O元素。這表明奧氏體化加熱時涂層中的合金元素可能與C、O結合生成了第二相粒子，這些粒子在外力作用下與基板脫離而形成孔隙。另一方面，加熱時由于基板中的Fe元素向涂層擴散而在涂層中形成了脆而硬的Fe-Al、Fe-Al-Si金屬間化合物[10-11]，這些化合物的脆性和熱膨脹性不同，容易誘發(fā)微裂紋的萌生[12]。在熱沖壓成形中，孔隙和微裂紋在拉應力(由摩擦力導致)作用下會沿著垂直于涂層與基體界面的方向擴展并聚合成宏觀裂紋；當裂紋延伸至界面時，由于加熱時在界面處形成的一層塑性較好的鐵素體擴散層[13]能阻止裂紋向基板繼續(xù)深入，故裂紋轉而沿著界面方向擴展，最終導致部分涂層脫落。由于成形時板料底面始終被夾在壓件塊和凸模之間，與模具之間的相對運動較少，使得涂層所受的拉應力較小，故底面涂層中的孔隙和裂紋少于側面。

脫落的涂層和第二相粒子分布于板料和模具的接觸界面上，加之裂紋的形成使板料表面變得粗糙，這些均會增大板料與模具之間的摩擦因數(shù)，使得摩擦力增大，從而板料所受的拉應力增大。而板料在凸模圓角處所承受的拉應力最先超過了材料的強度極限，故在此處發(fā)生了破裂。

2.2.2水基石墨潤滑

Al-Si涂層板顯著緩解了板料表層的氧化脫碳，但涂層板與模具之間較大的摩擦因數(shù)導致零件破裂。應用潤滑劑可減小涂層板與模具間的摩擦因數(shù)[7,14]，故采用金屬熱成形中最常用的水基石墨進行潤滑。結果表明，破裂問題仍然存在，如圖11所示。圖12所示為水基石墨潤滑下涂層板熱沖壓零件典型區(qū)域的組織。由圖12可見，基板為馬氏體，涂層中的孔隙和裂紋并未減少。這是因為水基石墨在250～650 ℃范圍內(nèi)對模具有好的黏附性和潤滑性[15]，而熱沖壓成形溫度通常在600～850 ℃之間，超出了水基石墨的適用溫度范圍。

圖11　水基石墨潤滑下涂層板熱沖壓零件

圖12　水基石墨潤滑下涂層板熱沖壓零件典型區(qū)域的組織

2.2.3玻璃潤滑

鑒于水基石墨的潤滑效果不理想，改用結構鋼熱成形用玻璃潤滑劑進行潤滑。結果表明，零件宏觀形狀完好，無明顯破裂出現(xiàn)，如圖13所示。圖14所示為不同狀態(tài)下板料熱沖壓零件側面的表面粗糙度對比(內(nèi)外表面分別對應零件與凸模和凹模接觸的表面)。由圖14可見，對于內(nèi)表面的粗糙度，無涂層板的較小，所有涂層板的Ra值均相當。其原因是實驗中在涂層板與凸模的接觸界面上沒有施加潤滑劑。對于外表面的粗糙度，玻璃潤滑的最小，無涂層板次之，石墨潤滑和無潤滑的最大。此外，外表面的粗糙度大于內(nèi)表面的粗糙度，這與成形時板料外表面與模具之間的相對運動較劇烈有關。

圖13　玻璃潤滑下涂層板熱沖壓零件

圖14　不同狀態(tài)下板料熱沖壓零件側面的表面粗糙度對比

圖15所示為玻璃潤滑下涂層板熱沖壓零件典型區(qū)域的組織。由圖15a可見，涂層中的孔隙和裂紋明顯減少。其原因是高溫下玻璃潤滑劑在整個板料表面形成一層熔融狀態(tài)的致密膜層，該膜層具有小的摩擦因數(shù)，可顯著減小摩擦力[14],從而減小涂層所受的拉應力,使裂紋源不易擴展。此外，玻璃潤滑劑的熱導率小，在熱沖壓成形過程中還起到隔熱作用，可減小板料的溫降，改善其塑性，并提高模具的使用壽命；在保壓淬火過程中，這種隔熱作用盡管會減小板料的冷卻速率，但對馬氏體相變并無明顯影響，如圖15b～圖15d所示，除了零件底面D-2處有少量貝氏體外，其余區(qū)域均獲得了較充分的馬氏體組織。

圖16所示為不同狀態(tài)板料熱沖壓零件典型區(qū)域的力學性能對比。零件各區(qū)域的抗拉強度均超過1400 MPa，屈服強度大于1100 MPa，延伸率基本不小于5%。底面與側面的強度相差不大，而底面的延伸率高于側面的延伸率。由圖16還能看出，無涂層板的抗拉、屈服強度較涂層板的抗拉、屈服強度高，這與涂層中的裂紋會誘發(fā)基板的屈服有關[16]；無潤滑和石墨潤滑涂層板的抗拉、屈服強度次之，玻璃潤滑涂層板的抗拉、屈服強度較低，其原因是玻璃潤滑的隔熱效果較好，降低了板料的冷卻速率，從而使馬氏體組織細小，強度降低。涂層板的延伸率較無涂層板的延伸率小，這是因為成形過程中，涂層中脆而硬的金屬間化合物通過位錯釘扎機制阻止基板中的位錯向涂層運動[17]，減少了基板中位錯的運動和增殖，從而導致涂層板延伸率減小。

(a)C1-2、D -2、C2-2(b)C1-2

(c)D -2(d)C2-2圖15　玻璃潤滑下涂層板熱沖壓零件典型區(qū)域的組織

(a)抗拉強度

(b)屈服強度

(c)延伸率圖16　不同狀態(tài)下板料熱沖壓零件典型區(qū)域的力學性能對比

3結論

(1)本文通過在自主研制的熱沖壓實驗線上開展汽車縱梁熱沖壓實驗，揭示并對比了無涂層和不同潤滑條件下Al-Si涂層22MnB5板對復雜零件熱沖壓成形質(zhì)量和組織性能的影響。

(2)盡管加熱爐內(nèi)有保護氣氛，無涂層板熱沖壓后單邊脫碳層深度仍超過0.05 mm；Al-Si涂層板可有效減少氧化脫碳，但成形時涂層中形成的孔隙和裂紋導致零件破裂；采用水基石墨潤滑仍不能消除破裂；采用玻璃潤滑劑減少了涂層中的孔隙和裂紋，避免了破裂。

(3)無涂層板和涂層板熱沖壓后均獲得了較充分的馬氏體組織，抗拉強度均超過了1400 MPa，屈服強度不小于1000 MPa，延伸率介于4.5%～6.5%之間?？v梁不同區(qū)域的強度差別不大，而底面的延伸率高于側面。

(4)無涂層板的抗拉強度和屈服強度較高，無潤滑和石墨潤滑涂層板次之，玻璃潤滑涂層板的抗拉強度和屈服強度較低；無涂層板的延伸率較涂層板的延伸率大。

(4)玻璃潤滑涂層板的表面粗糙度較小，無涂層板次之，石墨潤滑和無潤滑的表面粗糙度較大。

(5)采用玻璃潤滑Al-Si涂層板不但能保證零件外形完好及其組織性能，還能減小零件的表面粗糙度，提高其耐腐蝕性，對汽車復雜零件熱沖壓成形有較好的適用性。

參考文獻：

[1]Karbasian H, Tekkaya A E. A Review on Hot Stamping[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2010, 210: 2103-2118.

[2]Gui Zhongxiang, Liang Weikang, Zhang Yisheng. Formability of Aluminum-silicon Coated Boron Steel in Hot Stamping Process[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, 24: 1750-1756.

[3]Barcellona A, Palmeri D. Effect of Plastic Hot Deformation on the Hardness and Continuous Cooling Transformations of 22MnB5 Microalloyed Boron Steel[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2009, 40(5): 1160-1174.

[4]邢忠文, 包軍, 楊玉英, 等. 可淬火硼鋼板熱沖壓成形實驗研究[J]. 材料科學與工藝, 2008, 16(2): 172-175.

Xing Zhongwen, Bao Jun, Yang Yuying, et al. Hot Stamping Processing Experiments of Quenchable Boron Steel[J]. Materials Science and Technology, 2008, 16(2): 172-175.

[5]姜超, 單忠德, 莊百亮, 等. 熱沖壓成形22MnB5 鋼板的組織和性能[J]. 材料熱處理學報, 2012, 33(3): 78-81.

Jiang Chao, Shan Zhongde, Zhuang Bailiang, et al. Microstructure and Properties of Hot Stamping 22MnB5 Steel[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2012, 33(3): 78-81.

[6]郭怡暉, 馬鳴圖, 張宜生, 等. 前防撞梁零件的熱成形試制研究[J]. 中國工程科學, 2014, 16(1): 76-80.

Guo Yihui，Ma Mingtu，Zhang Yisheng，et al. Study on the Experiment of Hot Stamping for Front Bumper[J]. Chinese Engineering Science, 2014, 16(1): 76-80.

[7]Gui Zhongxiang, Zhang Yisheng, Li Hongqing, et al. Hot Stamping and Blank Designing for a Vehicle Bumper Using Ultra High Strength Steel[J]. Advanced Materials Research, 2013, 690/693: 2240-2244.

[8]王敏，張春, 肖海峰, 等. 高強鋼熱沖壓中的保壓時間效應實驗[J]. 塑性工程學報, 2014, 21(2): 88-93.

Wang Min, Zhang Chun, Xiao Haifeng,et al. Experimental Study on Effects of Holding Time on Hot Stamping of High Strength Steel[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2014, 21(2): 88-93.

[9]王敏, 張春, 肖海峰, 等. 可淬火硼鋼板熱成形過程中的傳熱行為[J]. 鍛壓技術, 2014, 39(1):29-34.

Wang Min, Zhang Chun, Xiao Haifeng,et al. Heat Transfer Behaviour in Hot Stamping of Quenchable Boron Steel Sheet[J]. Forging & Stamping Technology, 2014, 39(1): 29-34.

[10]Jenner F, Walter M E, Iyengar R M,et al. Evolution of Phases, Microstructure, and Surface Roughness during Heat Treatment of Aluminized Low Carbon Steel[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2010, 41: 554-1563.

[11]Windmann M, R?ttger A, Theisen W. Phase Formation at the Interface between a Boron Alloyed Steel Substrate and an Al-rich Coating[J]. Surface & Coatings Technology, 2013, 226: 130-139.

[12]Jang J H, Lee J H, Joo B D,et al. Flow Characteristics of Aluminum Coated Boron Steel in Hot Press Forming[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2009, 19: 913-916.

[13]楊洪林, 劉昕, 李俊, 等. 熱沖壓鋼鍍層技術的研究現(xiàn)狀[J]. 鋼鐵研究學報, 2013, 25(6): 1-7.

Yang Honglin, Liu Xin, Li Jun, et al.Research Status on Hot Stamping Steel Coating[J]. Journal of Iron and Steel Research, 2013, 25(6): 1-7.

[14]Azushima A, Uda K, Yanagida A. Friction Behavior of Aluminum-coated 22MnB5 in Hot Stamping under Dry and Lubricated Conditions[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2012, 212: 1014-1021.

[15]佚名.水基石墨潤滑劑試驗總結[J]. 固體潤滑, 1981(1): 49-53.

Anon.Summary of Water-based Graphite Lubricant Experiments[J]. Solid Lubrication, 1981(1): 49-53.

[16]Beuth J L, Klingbeil N W. Cracking of Thin Films Bonded to Elastic-plastic Substrates[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 1996, 44(9): 1411-1428.

[17]Panagopoulos C N, Georgiou E P, Agathocleous P Z, et al. Mechanical Behavior of Zn-Fe Alloy Coated Mild Steel[J]. Materials and Design, 2009, 30: 4267-4272.

(編輯蘇衛(wèi)國)

Experiments on Hot Stamping of Car Carling of High Strength Steel

Wang Min1,2Zhang Chun1Zhang Yu3Li Shaobing3Wang Qiongshuang3

1.Hubei University of Automotive Technology,Shiyan,Hubei,442002 2.State Key Laboratory of Materials Processing and Die&Mould Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan,430074 3.Dongfeng Commercial Vehicle Company,Shiyan，Hubei， 442002

Abstract:Experiments on hot stamping of car carlings were performed on independently developed test line, and the effects of uncoated and Al-Si coated sheets of 22MnB5 under various lubrications on forming quality, microstructures and properties of complex parts were revealed and compared. The results obtained show that: ①compared with the uncoated sheet (US), the depths of oxidation and decarburization are reduced by using the coated sheet (CS), but pores and cracks are formed in the coating during forming, which results in fractures in parts. The fractures can not be eliminated under water-based graphite lubrication,and application of glass lubrication can avoid fractures. ②The US is higher in tensile and yield strengths than the CS under no lubrication and water-based graphite lubrication, and the CS under glass lubrication is lowest. The US has a higher elongation than the CS. ③The CS under glass lubrication is lower in surface roughness than the UC, and the CS under no lubrication and water-based graphite lubrication are the highest.

Key words:high strength steel; hot stamping; complex part; coating; lubrication

收稿日期：2015-04-13

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51205116)；湖北省自然科學基金資助項目(2014CFB628)；湖北省高等學校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團隊計劃資助項目(T201518)；材料成形與模具技術國家重點實驗室開放基金資助項目(2012-P12)；湖北汽車工業(yè)學院博士科研基金資助項目(BK201102)

中圖分類號：TH133.3

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.03.020

作者簡介：王敏，女，1979年生。湖北汽車工業(yè)學院材料科學與工程學院副教授，華中科技大學材料成形與模具國家重點實驗室訪問學者。研究方向為板材先進成形技術。張春，男，1975年生。湖北汽車工業(yè)學院材料科學與工程學院教授。張宇，男，1972年生。東風商用車公司工藝研究所高級工程師。李少兵，男，1974年生。東風商用車公司工藝研究所高級工程師。王瓊霜，女，1988年生。東風商用車公司工藝研究所助理工程師。