熱成形高強(qiáng)鋼新材料的研究與應(yīng)用

文/張宜生·華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

熱成形高強(qiáng)鋼新材料的研究與應(yīng)用

文/張宜生·華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

張宜生，華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，長期從事先進(jìn)材料成形工藝與裝備研究。近年來，主要從事高性能金屬板料成形工藝與智能裝備研究和應(yīng)用、汽車高強(qiáng)鋼、高強(qiáng)鋁合金板熱沖壓成形技術(shù)、大型汽車板料落料工廠的MES系統(tǒng)及應(yīng)用開發(fā)。

2016年全球生產(chǎn)的9000多萬輛轎車中，有超過2800萬輛在中國生產(chǎn)。隨著汽車輕量化的進(jìn)程，熱沖壓成形技術(shù)和裝備獲得持續(xù)的增長。全球有300多條熱沖壓生產(chǎn)線在世界各地的運(yùn)作，中國已有50多條熱沖壓生產(chǎn)線在實(shí)際運(yùn)行，還有幾十條正在安裝調(diào)試中；目前世界各地生產(chǎn)了約3.5億件熱沖壓零件，仍然保持較高的增長率。在熱成形技術(shù)的發(fā)展中，熱成形材料和工藝的創(chuàng)新對生產(chǎn)效率和質(zhì)量的提高以及成本的降低具有重要的影響。

近年來，我國自主研發(fā)的高強(qiáng)鋼熱成形材料的研究成果不斷涌現(xiàn)，新材料的應(yīng)用研究已經(jīng)在熱成形企業(yè)進(jìn)行中，具有廣泛的應(yīng)用前景。

抗氧化熱成形板的研究

高強(qiáng)鋼熱成形板分為帶表面鍍層（一般是AlSi鍍層或鋅基鍍層）的鍍層板。另一類是不帶鍍層的，稱為非鍍層板（或稱裸板），因其成本較低和來源廣泛，在我國廣泛應(yīng)用。雖然可以在加熱過程中使用惰性和還原性氣氛對非鍍層板進(jìn)行保護(hù)，但是在輸送過程中坯料直接暴露在空氣中，極易氧化。表面氧化膜主要是Fe3O4和FeO，在成形過程中脫落導(dǎo)致工作環(huán)境惡化，降低模具壽命。

采用特殊的表面改性技術(shù)，無需任何額外的涂層，就可以提高在加熱和成形過程中材料的表面質(zhì)量，抑制熱沖壓工藝氧化皮脫落，為提高材料的使用特性開辟新的途徑。

一般認(rèn)為鋼表面氧化膜，由最外層的Fe2O3、中間層的Fe3O4、內(nèi)層FeO層與基底組成。氧化皮具有層狀結(jié)構(gòu)，氧化皮很容易脫落。也有一些研究報(bào)告認(rèn)為，氧化層的初始規(guī)模結(jié)構(gòu)容易受變化的溫度和大氣因素影響。例如，在溫度高于560℃、非氧化氣氛下的氧化膜僅由FeO層組成。然而，隨著FeO層規(guī)模變化其附著力降低，低于560℃時(shí)FeO處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在冷卻過程中，它可能轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3O4和Fe的混合物。這就導(dǎo)致混合的FeO、Fe3O4或Fe2O3氧化膜在成形應(yīng)變作用下極易剝落。

如果采用適當(dāng)?shù)姆椒?，如在表面上直接形成Fe3O4致密結(jié)構(gòu)，可以有效改善和解決氧化皮脫落的現(xiàn)象。如圖1所示本溪鋼鐵集團(tuán)公司開發(fā)了一種特殊的預(yù)處理方法，用于抗氧化熱成形鋼P(yáng)HS1500A。當(dāng)表面致密氧化層產(chǎn)生后，在加熱過程中使FeO結(jié)構(gòu)層的生產(chǎn)受到抑制，而Fe3O4與鋼基體緊密結(jié)合，從而避免氧化皮脫落。

對照實(shí)驗(yàn)中，2組熱成形鋼化學(xué)成分相同（22MnB5），PHS1500A與傳統(tǒng)PHS1500的差異只是表面，PHS1500A鋼沖壓前形成了一層致密的Fe3O4和FeO層。

圖1 抗氧化鋼P(yáng)HS1500A表層結(jié)構(gòu)示意圖

通過一模兩件熱沖壓，實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚地表明，傳統(tǒng)的PHS1500沖壓過程中發(fā)生大量的氧化皮脫落，但PHS1500A沖壓過程中幾乎沒有氧化皮脫落，沖壓后的零件表面質(zhì)量也有很大的差別。圖2所示為對照實(shí)驗(yàn)中的成形件的表面和XRD測試結(jié)果。作為PHS1500A得到灰度均勻的氧化膜，無脫落現(xiàn)象，但PHS1500表面呈現(xiàn)隨機(jī)脫落的特征。

實(shí)驗(yàn)表明PHS1500零件表面層結(jié)構(gòu)中仍有大量FeO存在。而PHS1500A表面幾乎沒有FeO的衍射峰值被發(fā)現(xiàn)，PHS1500A的表層形態(tài)更加致密，如圖3所示。

因?yàn)镻HS1500A鋼的化學(xué)成分沒有改變，熱沖壓件與常規(guī)PHS1500熱成形件的最終力學(xué)性能沒有差異?？寡趸宓膽?yīng)用，可以降低常規(guī)非鍍層板的加熱保護(hù)氣氛的使用成本，提高表面質(zhì)量，減少氧化脫落物對模具的磨損，提高產(chǎn)品的成本效益。

圖2 對照實(shí)驗(yàn)中的成形件的表面和XRD測試結(jié)果

短流程CSP熱軋板的研究與應(yīng)用

在鋼材生產(chǎn)中，通過縮短生產(chǎn)流程，在滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求的情況下，可以降低產(chǎn)品的成本。武鋼集團(tuán)公司用精密熱軋板生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)熱成形高強(qiáng)鋼板的工藝流程如圖4所示。

實(shí)際上，經(jīng)過熱軋生產(chǎn)的高強(qiáng)鋼板（類似于22MnB5），其表面脫碳層深度小于12μm，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖5所示。經(jīng)過精確的控制技術(shù)，短流程生產(chǎn)的板厚與冷軋板的厚度尺寸精度相接近(如表1)，通過實(shí)際熱沖壓成形實(shí)驗(yàn)，其成形強(qiáng)度和強(qiáng)度均勻性可以滿足實(shí)際車體結(jié)構(gòu)件的尺寸和力學(xué)性能要求，如圖6和表2所示。

圖3 對照組的表面形態(tài)

圖4 武鋼集團(tuán)公司采用CSP短流程生產(chǎn)高強(qiáng)鋼熱成形板

圖5 表面脫碳層深度

圖6 用短流程熱成形板生產(chǎn)的B柱零件

表1 短流程板的厚度尺寸偏差

盡管短流程熱成形用鋼的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用，還需要進(jìn)一步的實(shí)踐檢驗(yàn)，但是，采用短流程生產(chǎn)熱成形鋼及其零部件的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)與傳統(tǒng)流程是相當(dāng)?shù)?，熱成形鋼“以熱代冷”是可行的。與傳統(tǒng)流程相比，采用短流程生產(chǎn)熱成形鋼可降低能耗12%，減少13%的CO2排放量，減少29%的水耗，降低制造成本20%以上，具有重要的低能耗和低成本優(yōu)勢。

Mn-B-Nb系熱成形鋼的研究與應(yīng)用

背景與理論基礎(chǔ)

目前的汽車安全法規(guī)日益嚴(yán)格，既要輕量化又要保證安全，這必然推動(dòng)高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用。強(qiáng)度的提升勢必導(dǎo)致其延伸率和成形性的下降，熱沖壓成形工藝零件成形過程與淬火處理過程有機(jī)地結(jié)合起來，很好地解決了鋼的強(qiáng)度與成形性的矛盾，采用熱成形零部件是成為兼顧汽車輕量化和安全性能的有效措施，因此熱成形馬氏體鋼在汽車領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大，近幾年也得到了迅速發(fā)展。但22MnB5雖然強(qiáng)度很高，但存在韌性差、冷彎性能不足和延遲斷裂抗力低（氫脆敏感性高）等缺點(diǎn)。

表2 短流程板生產(chǎn)的B柱的力學(xué)性能檢測結(jié)果

表3 合金元素成分表 (質(zhì)量百分比，%)

延遲斷裂現(xiàn)象是高強(qiáng)度材料—環(huán)境—應(yīng)力相互作用而發(fā)生的氫致脆化的一種現(xiàn)象，當(dāng)鋼的抗拉強(qiáng)度超過1200MPa時(shí)（組織中不存在能夠有效捕捉原子氫的氫陷阱結(jié)構(gòu)），在實(shí)際環(huán)境中服役時(shí)對氫致延遲斷裂就變得十分敏感，尤其是低溫回火馬氏體鋼在潮濕或腐蝕環(huán)境下容易發(fā)生延遲斷裂，且隨強(qiáng)度的提高其延遲斷裂的敏感性增大。研究認(rèn)為，零件的靜壓測試過程中的應(yīng)力集中和靜壓彎曲變形量可能是開裂的驅(qū)動(dòng)力，即最大應(yīng)力達(dá)到了該部件氫致延遲斷裂的臨界應(yīng)力、或者靜壓變形角度超過了此鋼種的臨界彎曲角度（應(yīng)用鋼材的氫致延遲斷裂的臨界應(yīng)力和臨界彎曲角度不高），最終造成開裂。高強(qiáng)度鋼的延遲斷裂主要是由侵入鋼中的可擴(kuò)散氫引起的，其斷裂特征主要為脆性沿晶斷裂。因此，改善高強(qiáng)度鋼耐延遲斷裂性能的基本出發(fā)點(diǎn)應(yīng)該為：一方面要盡量降低鋼中的氫含量，另一方面是提高晶界強(qiáng)度，形成有效的氫陷阱以捕捉可擴(kuò)散氫。解決的方法如下：

⑴細(xì)化晶粒：奧氏體晶粒細(xì)化后，晶界面積增大，裂紋在穿越晶界的時(shí)候消耗更多能量，擴(kuò)展壁壘提高。因此，細(xì)化晶粒也是提高材料韌性的主要手段。另外，晶界面積增大后，單位晶界處位錯(cuò)量和雜質(zhì)量相對減少，應(yīng)力集中程度得到緩解，從而可以有效減少可擴(kuò)散氫在裂紋尖端的富集。

⑵形成高效能氫陷阱：氫致斷裂是由金屬基體內(nèi)部可擴(kuò)散氫在萌生裂紋尖端富集而產(chǎn)生的脆斷，因此提高氫致延遲斷裂性能，就應(yīng)該制造高效能氫陷阱，將室溫?cái)U(kuò)散性氫轉(zhuǎn)化為非擴(kuò)散性氫。所謂高效能氫陷阱，就是氫一旦被氫陷阱捕捉后就難以再次逸出，通常晶界上碳氮化物就是氫陷阱，判斷其是不是高效能氫陷阱則取決于其形狀、尺寸和分布等因素。

實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果

⑴合金設(shè)計(jì)。

馬鋼集團(tuán)公司在典型熱成形用鋼的基礎(chǔ)上，采用Nb元素含量取0.03%，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)用鋼的成分見表3。

⑵組織性能。

含有微合金化元素Nb的熱成形用鋼16MnNb3熱軋板的微觀組織如圖7所示，可見其微觀結(jié)構(gòu)主要為先共析的鐵素體和珠光體構(gòu)成。熱軋態(tài)力學(xué)性能如表4所示。通過加熱淬火后，16MnNb3的淬火組織如圖8所示，淬火態(tài)力學(xué)性能如表5所示。

表4 熱軋態(tài)熱成形實(shí)驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

圖7 16MnNb3的熱軋態(tài)微觀組織

圖8 16MnNb3淬火態(tài)的金相組織

表5 16MnNb3淬火后力學(xué)性能對比

結(jié)束語

在汽車輕量化的進(jìn)程中，新材料的出現(xiàn)具有決定性的引導(dǎo)作用。伴隨著新材料的出現(xiàn)，相適應(yīng)的工藝技術(shù)會(huì)更加活躍。材料與工藝的進(jìn)展，將推動(dòng)汽車輕量化朝著高性能、環(huán)保節(jié)能和不斷降低成本的方向發(fā)展。