鋅基鍍層超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓汽車B柱加強(qiáng)板成形規(guī)律研究

張 雯，劉佳寧，喬軍平，栗 麗 Zhang Wen，Liu Jianing，Qiao Junping，Li Li

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鋅基鍍層超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓汽車B柱加強(qiáng)板成形規(guī)律研究

張 雯，劉佳寧，喬軍平，栗 麗 Zhang Wen，Liu Jianing，Qiao Junping，Li Li

（北京汽車股份有限公司 汽車研究院車身部，北京 101300）

汽車輕量化是當(dāng)今世界各國為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、緩解環(huán)境污染而共同提出的一大舉措，其中超高強(qiáng)度鋼熱沖壓技術(shù)是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑之一。利用鋅層超高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行B柱加強(qiáng)板試制試驗(yàn)，當(dāng)加熱溫度為900℃，保溫時(shí)間為500 s，轉(zhuǎn)移時(shí)間為7 s時(shí)，所得B柱外觀及力學(xué)性能最優(yōu)。

汽車輕量化；鋅基鍍層超高強(qiáng)度鋼板；熱沖壓；B柱加強(qiáng)板

0 引 言

汽車輕量化是當(dāng)今世界各國為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、緩解環(huán)境污染而共同提出的舉措，鋼鐵行業(yè)目前也已經(jīng)開發(fā)出多種高強(qiáng)度鋼板來適應(yīng)這一舉措，其中超高強(qiáng)度鋼熱沖壓技術(shù)是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑之一[1-2]。熱沖壓是指將坯料在加熱爐中加熱至900℃及以上，然后轉(zhuǎn)移到模具內(nèi)進(jìn)行沖壓、保壓、淬火，從而獲得馬氏體組織，其抗拉強(qiáng)度高達(dá)1 500 MPa。相比普通高強(qiáng)鋼，采用超高強(qiáng)鋼熱沖壓技術(shù)可使零件減重約20%～30%。但熱沖壓鋼板在加熱保溫過程中會(huì)產(chǎn)生表面脫碳和氧化起皮現(xiàn)象，增加了后續(xù)噴丸處理工藝，降低了生產(chǎn)效率。為防止鋼板表面的脫碳和起皮現(xiàn)象，提高沖壓成形件的耐蝕性，國內(nèi)外各大鋼廠及高校分別研究帶鍍層的熱沖壓高強(qiáng)度鋼，其中Al-Si鍍層熱沖壓高強(qiáng)鋼應(yīng)用較為普遍，而對鋅基鍍層超高強(qiáng)度鋼板研究較少。主要研究鋅基鍍層超高強(qiáng)度鋼板在某車型B柱加強(qiáng)板上的應(yīng)用。

1 鋅基鍍層超高強(qiáng)度鋼板材料性能

在進(jìn)行熱沖壓試驗(yàn)前，需要清楚地了解原材料的性能，有必要精確測量材料的化學(xué)成分、金相組織和力學(xué)性能等。

1.1 化學(xué)成分

試驗(yàn)材料為首鋼生產(chǎn)的1.2 mm厚鋅基鍍層超高強(qiáng)度鋼板，利用光譜儀測量其化學(xué)成分，結(jié)果見表1?；瘜W(xué)成分的標(biāo)準(zhǔn)范圍參考企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《BAS—518北汽熱成形鋼標(biāo)準(zhǔn)》，以下未做說明的標(biāo)準(zhǔn)范圍均出自該企標(biāo)。

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表1 化學(xué)成分

1.2 金相組織

試驗(yàn)所選材料原始組織由鐵素體和珠光體構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 原材料金相組織（500X）

1.3 力學(xué)性能

將鋅基鍍層超高強(qiáng)度鋼板根據(jù)《GB/T 228.1—2010金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》[3]中P6試樣要求制樣，所用萬能材料試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為CMT5605，環(huán)境溫度：19.3℃，濕度：37%RH。測試結(jié)果見表2，可以看出，該材料的力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 力學(xué)性能

1.4 維氏硬度

利用維氏硬度計(jì)對原材料的維氏硬度進(jìn)行測試，結(jié)果見表3。

表3 維氏硬度 HV

通過對鋅基鍍層超高強(qiáng)度鋼板原材料進(jìn)行分析，可以斷定其化學(xué)成分、力學(xué)性能及金相組織都滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，故可以利用該材料進(jìn)行B柱加強(qiáng)板試制試驗(yàn)。

2 B柱加強(qiáng)板試制試驗(yàn)及結(jié)果

采用西班牙ESSM 1000熱沖壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行鋅基鍍層超高強(qiáng)度鋼板B柱加強(qiáng)板的試制試驗(yàn)工作，重點(diǎn)介紹具體試制過程，并對各組方案試制結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 B柱加強(qiáng)板試制過程

B柱加強(qiáng)板試制過程如圖2所示。試制采用級(jí)進(jìn)模落料，提高了生產(chǎn)效率。具體試制過程為：由機(jī)械手將落好的坯料運(yùn)送至加熱爐中進(jìn)行加熱、保溫；然后機(jī)械手將加熱后的坯料運(yùn)送至壓力機(jī)上進(jìn)行沖壓，壓力機(jī)的沖壓速度是變化的，由剛接觸坯料的約150 mm/s降到?jīng)_壓結(jié)束前約50 mm/s；最后將沖壓完成的B柱加強(qiáng)板放置存儲(chǔ)區(qū)。該沖壓模具為一模兩件復(fù)合模，壓力機(jī)連續(xù)生產(chǎn)節(jié)拍為24 s。

圖2 B柱加強(qiáng)板熱沖壓試制示意圖

2.2 各組方案試制結(jié)果與評價(jià)

B柱加強(qiáng)板試制方案見表4。其中，1～3組試制主要研究轉(zhuǎn)移時(shí)間對零部件性能的影響規(guī)律；3～5組試制主要研究保溫時(shí)間對零部件性能的影響規(guī)律；6～7組主要研究加熱溫度對零部件性能的影響規(guī)律。

7組試制B柱表面狀況及原因分析的對比見表5。從表中分析及圖3試制零部件照片可以看出，第6組試驗(yàn)方案所得產(chǎn)品外觀最好。

表4 7組試制工藝參數(shù)

表5 7組試制B柱表面狀況及原因分析對比

注：改變鋼板的轉(zhuǎn)移時(shí)間是想觀察不同初始溫度對試驗(yàn)結(jié)果的影響，長時(shí)間生產(chǎn)后，模具表面開始附著白色物質(zhì)。

3 中性鹽霧試驗(yàn)

鹽霧試驗(yàn)是一種利用鹽霧試驗(yàn)設(shè)備所創(chuàng)造的人工模擬鹽霧環(huán)境條件來考核產(chǎn)品或金屬材料耐腐蝕性能的環(huán)境試驗(yàn)，從而考核產(chǎn)品或金屬材料的耐鹽霧腐蝕質(zhì)量。

該中性鹽霧試驗(yàn)所用試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為Q-FOG CCT1100，具體試驗(yàn)條件見表6。

表6 中性鹽霧試驗(yàn)條件

將無鍍層與帶鋅基鍍層的超高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行模擬熱沖壓試驗(yàn)，將試驗(yàn)后的料片做成涂裝掛片（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，涂裝掛片長150～200 mm，寬100 mm），隨整車進(jìn)行電泳、中涂，將涂裝后的料片在鹽霧試驗(yàn)箱中進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)。無鍍層與帶鋅基鍍層的超高強(qiáng)度鋼板中性鹽霧試驗(yàn)前后對比如圖4所示，試驗(yàn)240 h后，無鍍層的樣品邊緣有輕度紅銹，帶鋅基鍍層的樣品邊緣有輕度白銹。兩組樣品均滿足整車防腐要求，但是帶鋅基鍍層的鋼板防腐效果 更好。

圖3 試制零部件照片

圖4 無鍍層與鋅基鍍層各樣品中性鹽霧試驗(yàn)前、后對比圖

4 結(jié) 論

1）測得鋅基鍍層超高強(qiáng)度鋼板材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能及金相組織，原材料的理化性能均滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2）利用首鋼鋅基鍍層超高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行B柱加強(qiáng)板的試制試驗(yàn)工作可以得出，當(dāng)保溫時(shí)間為300 s時(shí)，熱沖壓鋼未發(fā)生完全的奧氏體化，導(dǎo)致產(chǎn)品帶花紋，表面顏色不一致；當(dāng)保溫時(shí)間不變，隨著轉(zhuǎn)移時(shí)間增長，其表面開始出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象；當(dāng)轉(zhuǎn)移時(shí)間不變，隨著保溫時(shí)間延長，熱沖壓鋼奧氏體化更加完全，產(chǎn)品表面花紋逐漸減少，待保溫時(shí)間增加到500 s時(shí)，產(chǎn)品正常，顏色一致，所得產(chǎn)品外觀較好。待最高加熱溫度增加到930℃時(shí)，鋅層脫落導(dǎo)致加熱爐內(nèi)氣氛異常，影響了光柵的正常工作。第6組試驗(yàn)方案所得產(chǎn)品外觀最好。

3）鋅基鍍層超高強(qiáng)度鋼板耐腐蝕能力明顯優(yōu)于無鍍層超高強(qiáng)度鋼板。

[1]H Karbasian，A E Tekkaya. A Review on Hot Stamping[J]. Journal of Materials Processing Technology，2010，210（15）：2103-2118.

[2]張永亮，李雪剛，張鑫. 高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形研究與進(jìn)展[J]. 汽車工藝與材料，2015（2）：41-46.

[3]金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法：GB/T 228.1-2010 [S].

2017-10-30

U468.2+1

A

1002-4581（2018）01-0039-04

10.14175/j.issn.1002-4581.2018.01.011