超高強(qiáng)鋼熱沖壓零件冷沖切延遲開裂特性試驗(yàn)研究

王晨磊， 周慶軍， 徐偉力

（1.寶山鋼鐵股份有限公司， 上海 201900；2.汽車用鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（寶鋼）， 上海 201900）

0 引 言

超高強(qiáng)鋼熱沖壓零件抗拉強(qiáng)度高達(dá)1 500 MPa左右，通常采用激光切割方法實(shí)現(xiàn)切邊沖孔，設(shè)備成本投入大，切割效率低，且零件存在二次定位問題，會(huì)導(dǎo)致廢品率上升，而采用壓力機(jī)和模具的冷沖切是另一種解決方案，可以降低熱沖壓零件的制造成本。相對(duì)傳統(tǒng)超高強(qiáng)鋼的冷沖切，超高強(qiáng)鋼熱沖壓零件冷沖切技術(shù)難度更大，沖裁斷面質(zhì)量更難保證，另外，沖切斷面質(zhì)量和殘余應(yīng)力影響延遲開裂特性。針對(duì)超高強(qiáng)鋼零件邊緣延遲開裂問題，K I MORI等對(duì)比研究了1、1.2 GPa雙相鋼和1.5 GPa馬氏體鋼冷沖切試樣延遲開裂問題，考慮剪切邊殘余應(yīng)力、斷面質(zhì)量和硬度，研究結(jié)果表明3種材料在不同沖裁間隙下的冷沖切試樣均有延遲開裂問題出現(xiàn)，而激光切割試樣未出現(xiàn)延遲裂紋[1]。相關(guān)研究認(rèn)為，加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是除外加應(yīng)力和材料中的可擴(kuò)散氫含量之外的第三大導(dǎo)致高強(qiáng)鋼延遲開裂失效的重要因素。

現(xiàn)以B1500HS超高強(qiáng)鋼為研究對(duì)象，首先利用開發(fā)的冷沖切試驗(yàn)?zāi)＞邔?duì)淬火后試樣進(jìn)行沖切，之后用0.1 mol/L的HCl溶液對(duì)試樣進(jìn)行侵泡，評(píng)估試樣延遲開裂特性，試驗(yàn)結(jié)果表明料厚越薄出現(xiàn)延遲開裂的風(fēng)險(xiǎn)越高，矩形孔特征更容易出現(xiàn)延遲開裂。為進(jìn)一步評(píng)估超高強(qiáng)鋼熱沖壓零件冷沖切技術(shù)應(yīng)用可行性，開發(fā)了熱沖壓B柱冷沖切模具并完成B柱全部特征的冷沖切，之后對(duì)比評(píng)估了冷沖切B柱和激光切割B柱的延遲開裂特性，試驗(yàn)結(jié)果表明：B柱冷沖切斷面容易產(chǎn)生應(yīng)力集中或微觀缺陷，圓角特征位置和沖切工況較差位置的沖切斷面質(zhì)量更難以保證，這些位置可能成為潛在的延遲開裂風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，而激光切割邊緣斷面質(zhì)量相對(duì)容易保證，激光切割高溫下邊緣斷面存在回火效應(yīng)，另外激光切割斷面存在壓縮殘余應(yīng)力，延遲開裂風(fēng)險(xiǎn)低。

1 試驗(yàn)方案

1.1 B1500HS熱成形平板試樣制作

以超高強(qiáng)鋼B1500HS為對(duì)象，采用熱沖模按照常規(guī)熱沖壓工藝制作平板試樣，完成淬火，試樣如圖1所示。

圖1 B1500HS熱成形淬火后鋼板試樣

對(duì)熱成形后鋼板試樣取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，如表1所示，屈服強(qiáng)度＞950 MPa，抗拉強(qiáng)度＞1 300 MPa，斷裂伸長率≥5%，硬度＞400 HV，微觀組織如圖2所示，為完全馬氏體組織，達(dá)到了B1500HS熱成形力學(xué)性能要求。

表1 B1500HS淬火后鋼板力學(xué)性能

圖2 B1500HS淬火后鋼板微觀組織

1.2 超高強(qiáng)鋼板冷沖切試驗(yàn)

如圖3所示，冷沖切試驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)有8種圓角半徑（矩形孔四角：R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9 mm）、5種沖裁間隙（6%、10%、14%、18%、22%料厚，圓孔直徑φ12 mm）沖孔和3種切邊角度（5°、10°、15°）沖切功能，可以兼顧1.2、1.4 mm料厚鋼板沖切，凸模、凹模套和切邊刀塊采用Cadie模具鋼制作。采用開發(fā)的冷沖切試驗(yàn)?zāi)＞邔?duì)1.2、1.4 mm料厚B1500HS材料進(jìn)行不同圓角半徑、沖裁間隙和切邊角度下的冷沖切試驗(yàn)，獲得不同沖切斷面質(zhì)量的沖切試樣。

圖3 冷沖切試驗(yàn)?zāi)＞呒袄錄_壓試樣

1.3 冷沖切試樣延遲開裂評(píng)估試驗(yàn)

將沖切好的鋼板試樣用脫脂劑清洗，去除試樣表面油脂后吹干，將清洗好的試樣放在絕緣支架上，試樣傾斜角度保持一致，試樣間隔不小于2 cm，避免相互接觸，然后放入試驗(yàn)槽中。最后將0.1 mol/L的HCl溶液倒入試驗(yàn)槽，根據(jù)試樣面積確定試驗(yàn)溶液用量，溶液應(yīng)浸沒試樣，如圖4所示。試驗(yàn)過程及結(jié)束時(shí)記錄各冷沖切試樣的延遲開裂斷裂時(shí)間和裂紋數(shù)量。

圖4 冷沖切試樣延遲開裂評(píng)估試驗(yàn)

2 結(jié)果及分析

2.1 鋼板冷沖切試樣延遲開裂評(píng)估試驗(yàn)結(jié)果

圖5所示為1.4 mm料厚B1500HS冷沖切試樣延遲開裂試驗(yàn)結(jié)果，全部試樣均未觀察到明顯裂紋，試樣邊緣與孔洞周圍腐蝕相對(duì)較嚴(yán)重。圖6所示為1.2 mm料厚B1500HS冷沖切試樣延遲開裂試驗(yàn)結(jié)果，在方孔邊緣位置可觀察到未貫穿料厚的小裂紋，其余冷沖切試樣均未觀察到裂紋。這說明相同沖切工況下料厚越薄出現(xiàn)延遲開裂的風(fēng)險(xiǎn)越高，矩形孔更容易出現(xiàn)延遲開裂。

圖5 1.4 mm料厚B1500HS冷沖切試樣延遲開裂試驗(yàn)結(jié)果

圖6 1.2 mm料厚B1500HS冷沖切試樣延遲開裂試驗(yàn)結(jié)果

2.2 熱沖壓B柱冷沖切生產(chǎn)及斷面質(zhì)量檢測(cè)

如圖7所示，利用開發(fā)的B柱（料厚1.4 mm）冷沖切模具按照150件/h的生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)，并隨機(jī)抽取沖切后的零件進(jìn)行邊緣質(zhì)量檢測(cè)，外觀上未見沖切邊緣質(zhì)量缺陷，切邊毛刺高度＜0.2 mm，漏液孔毛刺高度＜0.3 mm，基準(zhǔn)及其它安裝孔毛刺高度＜10%料厚，均滿足冷沖切零件技術(shù)要求。

圖7 熱沖壓B柱冷沖切生產(chǎn)

使用光學(xué)投影儀對(duì)隨機(jī)抽取的冷沖切和激光切割B柱零件進(jìn)行斷面質(zhì)量檢測(cè)，如圖8所示，冷沖切B柱零件沒有翹曲，斷面未觀察到明顯微裂紋、二次光亮帶等缺陷；激光切割B柱零件斷面均未見微裂紋，但不同位置斷面粗糙紋路存在差異，判斷與切割位置特征相關(guān)，圓角特征激光切割斷面紋路較粗糙。

圖8 B柱零件斷面質(zhì)量檢測(cè)

2.3 熱沖壓B柱延遲開裂評(píng)估試驗(yàn)及結(jié)果

抽取連續(xù)生產(chǎn)900、1 200件時(shí)的冷沖切和激光切割B柱零件進(jìn)行延遲開裂對(duì)比試驗(yàn)評(píng)估，如圖9所示，采用濃度為0.1 mol/L的HCl溶液同時(shí)對(duì)冷沖切和激光切割B柱進(jìn)行浸泡試驗(yàn)，浸泡時(shí)間為300 h。溶液初始pH值為1.0，溶液體積與試樣質(zhì)量比大于10 ml/g。試驗(yàn)前采用脫脂液對(duì)零件內(nèi)外表面進(jìn)行脫脂、除油等，試驗(yàn)后清除試樣表面腐蝕產(chǎn)物，并檢查零件各部位裂紋。

圖9 B柱零件延遲開裂對(duì)比試驗(yàn)

圖10所示為經(jīng)過300 h浸泡試驗(yàn)的B柱零件延遲開裂對(duì)比評(píng)估試驗(yàn)結(jié)果，冷沖切B柱在多個(gè)圓角特征和個(gè)別沖切工況較差的沖孔位置出現(xiàn)延遲開裂裂紋，而激光切割B柱的全部特征邊線和孔均未發(fā)現(xiàn)延遲開裂裂紋。這說明熱沖壓零件在冷沖切過程中，沖切斷面容易產(chǎn)生應(yīng)力集中或微觀缺陷，圓角特征位置和沖切工況較差位置的沖切斷面質(zhì)量更難以保證，這些位置可能成為潛在的延遲開裂風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，而激光切割邊緣斷面質(zhì)量相對(duì)容易保證，激光切割高溫下邊緣斷面存在回火效應(yīng)，另外激光切割斷面存在壓縮殘余應(yīng)力，延遲開裂風(fēng)險(xiǎn)低。

圖10 B柱延遲開裂對(duì)比試驗(yàn)評(píng)估結(jié)果

3 結(jié)束語

（1）對(duì)比1.2、1.4 mm料厚B1500HS冷沖切試樣延遲開裂試驗(yàn)結(jié)果，相同冷沖切工況下零件料厚越薄，出現(xiàn)延遲開裂的風(fēng)險(xiǎn)越高，矩形孔相對(duì)圓孔更易出現(xiàn)邊緣應(yīng)力集中而發(fā)生延遲開裂問題。

（2）超高強(qiáng)度鋼板在冷沖切過程中沖切斷面質(zhì)量取決于2個(gè)方面：①鋼板強(qiáng)度；②冷沖切工藝及質(zhì)量。在有限的冷沖切工藝條件下，熱沖壓零件的超高強(qiáng)度增加了邊緣應(yīng)力集中、微裂紋缺陷產(chǎn)生的可能性和延遲開裂風(fēng)險(xiǎn)較高。相對(duì)于冷沖切工藝，零件激光切割后邊緣質(zhì)量較為良好，降低了延遲開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）對(duì)于延遲開裂敏感性較高的超高強(qiáng)鋼，零件切割方案可以考慮采用冷沖切+激光切割組合工藝，沖切工況較好的切邊和沖孔特征采用冷沖切工藝，圓角特征和沖切工況復(fù)雜的位置采用激光切割，以實(shí)現(xiàn)降低熱沖壓零件制造成本的目的。