22MnB5鋼汽車異形零件感應(yīng)熱處理設(shè)備及工藝試制開(kāi)發(fā)

顧曉文，邵光杰，張梅，蔡俞，許建芳，陳枝鈞

1.上海上大熱處理有限公司 上海 201114

2.上海大學(xué) 上海 200444

3.上海匯眾汽車制造有限公司 上海 200120

1 序言

目前，汽車正向輕量化、節(jié)能和低成本方向發(fā)展，而采用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板是汽車和鋼鐵界為應(yīng)對(duì)這種趨勢(shì)所采取的主要措施[1]。近年來(lái)，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板制作的汽車異形零部件采用感應(yīng)熱處理技術(shù)得到了快速發(fā)展。感應(yīng)加熱具有加熱速度快、物料內(nèi)部發(fā)熱效率高、加熱均勻，且具有產(chǎn)品質(zhì)量好、幾乎無(wú)環(huán)境污染、可控性好，以及易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。而感應(yīng)加熱器、冷卻器和必要的工裝夾具是感應(yīng)熱處理設(shè)備中的關(guān)鍵部件，對(duì)感應(yīng)加熱的效率和能量分布起決定性作用，且感應(yīng)器、冷卻器的最終形狀及質(zhì)量好壞直接影響熱處理后零件的性能。

國(guó)外很重視22MnB5鋼制造零件的快速高強(qiáng)化熱處理技術(shù)研發(fā)及其在輕量化汽車上的應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)對(duì)22MnB5鋼制造零件的快速高強(qiáng)化熱處理技術(shù)研發(fā)還不夠重視，仍處于發(fā)展階段。

2 試制產(chǎn)品及要求達(dá)到的性能

試制產(chǎn)品為GP50后橋扭轉(zhuǎn)梁，其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GP50后橋扭轉(zhuǎn)梁三維結(jié)構(gòu)

本次試驗(yàn)要開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品對(duì)象是由熱軋酸洗態(tài)的22M n B5高強(qiáng)度鋼板，通過(guò)感應(yīng)加熱電阻焊（ERW）焊接成（φ90mm×3mm×1070mm）管材，并在正火處理后進(jìn)行冷沖壓而成，此后用感應(yīng)加熱淬火獲得高強(qiáng)度零件。產(chǎn)品的最終性能要求見(jiàn)表1。

表1 產(chǎn)品的最終性能要求

3 試驗(yàn)設(shè)備

3.1 感應(yīng)淬火機(jī)床

由于感應(yīng)加熱的趨膚效應(yīng)，不同的感應(yīng)頻率f將達(dá)到不同的電流透入深度。

若采用高頻感應(yīng)加熱，則電流透入深度淺，達(dá)不到心部透熱，從而達(dá)不到心部完全淬硬的要求；若采用中頻感應(yīng)加熱，則效率降低，零件表面達(dá)不到所需的溫度，故選擇了高頻與中頻之間的感應(yīng)頻率——超音頻感應(yīng)加熱。超音頻感應(yīng)淬火選用HKTP超音頻電源及數(shù)控淬火機(jī)床配套設(shè)備，機(jī)床外觀如圖2所示。

圖2 HKTP超音頻電源及數(shù)控淬火機(jī)床配套設(shè)備

3.2 感應(yīng)器

根據(jù)產(chǎn)品的特殊形狀，在試驗(yàn)前，查閱了國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)的圓形感應(yīng)線圈如圖3所示，作為感應(yīng)淬火的感應(yīng)器，在國(guó)產(chǎn)的超音頻感應(yīng)淬火機(jī)床上試制產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)及判斷是正確的：尖角效應(yīng)顯著。

圖3 圓形感應(yīng)線圈

在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了特殊形狀的感應(yīng)器。該感應(yīng)線圈是根據(jù)異形零件的外形進(jìn)行仿形設(shè)計(jì)。感應(yīng)圈是由空心純銅方管依據(jù)零件形狀和感應(yīng)加熱工藝?yán)@制而成，形狀結(jié)構(gòu)如圖4所示，感應(yīng)線圈及工件相應(yīng)位置如圖5所示。其可以合理分布感應(yīng)磁場(chǎng)，使零件不同部位均勻加熱，有效地避免了尖角效應(yīng)，且可合理調(diào)整感應(yīng)線圈與零件之間的間隙大小，避免漏掉大量的磁通，從而提高感應(yīng)加熱的效率。另外，根據(jù)零件的形狀可以靈活添加導(dǎo)磁體，使磁力線集中，改變電流分布狀況，有效地集中能量到所需加熱部位，達(dá)到趨流作用，使感應(yīng)加熱更高效節(jié)能。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫和后續(xù)性能測(cè)試，驗(yàn)證了該連續(xù)型感應(yīng)器的可行性。

圖4 異形仿形感應(yīng)線圈

圖5 感應(yīng)線圈及工件相應(yīng)的位置

3.3 噴液冷卻器

零件快速加熱奧氏體化并經(jīng)過(guò)短暫時(shí)間的保溫后需快速冷卻，從而得到盡可能多的馬氏體，因此冷卻器的設(shè)計(jì)顯得非常重要。環(huán)形冷卻器為內(nèi)壁均勻鉆孔，以達(dá)到均勻向工件表面噴液，強(qiáng)制工件在奧氏體化后快速冷卻，已達(dá)到轉(zhuǎn)變成馬氏體的目的。

感應(yīng)器與圓環(huán)形冷卻器上下相對(duì)位置如圖6所示，雙線圈仿形感應(yīng)器與圓環(huán)形冷卻器實(shí)物裝配如圖7所示。雙線圈仿形感應(yīng)器的下方連接有圓環(huán)形噴水系統(tǒng)，兩者相距50mm，試制過(guò)程中兩者同步上下移動(dòng)。

圖6 感應(yīng)器與圓環(huán)形冷卻器上下相對(duì)位置示意

圖7 雙線圈仿形感應(yīng)器與圓環(huán)形冷卻器裝配實(shí)物

3.4 專用配套夾具

為保證試樣準(zhǔn)確定位，特設(shè)計(jì)了專用的方便可調(diào)式夾具。試制樣件先固定在下方的下夾具上，再升降樣件并適當(dāng)微調(diào)旋轉(zhuǎn)上夾具與樣件配合，固定到上夾具上，夾持好樣件，上下夾具外觀如圖8所示。

圖8 試樣夾具

4 試制工藝及結(jié)果

本次試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)見(jiàn)表2。感應(yīng)淬火過(guò)程中所用淬火冷卻介質(zhì)均為AQ251，其濃度為6%～8%，溫度為22℃。

表2 感應(yīng)淬火工藝參數(shù)

根據(jù)上述工藝在感應(yīng)淬火機(jī)床上進(jìn)行試制試驗(yàn)，拉伸試樣的4組結(jié)果如圖9所示（試樣編號(hào)為A12-1、A12-2、A12-3、A12-4），5組試樣硬度檢測(cè)結(jié)果如圖10所示（試樣編號(hào)為1、2、3、4、5）。

圖9 拉伸試驗(yàn)曲線

圖10 顯微硬度檢測(cè)結(jié)果

由圖9、圖10可知，零件的性能完全達(dá)到要求，說(shuō)明感應(yīng)器、冷卻器和相關(guān)夾具的設(shè)計(jì)是成功的。

5 雙工位感應(yīng)線圈

經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)和對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的檢測(cè)及分析，基本達(dá)到了工藝開(kāi)發(fā)目標(biāo)，為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，還設(shè)計(jì)了雙工位感應(yīng)線圈，如圖11所示。有了之前的成功經(jīng)驗(yàn)，我們有信心做好雙工位，甚至三工位工裝的研究和開(kāi)發(fā)，為產(chǎn)業(yè)化做好準(zhǔn)備。

圖11 雙工位感應(yīng)線圈

6 結(jié)果與分析

本項(xiàng)目針對(duì)22MnB5高強(qiáng)度鋼進(jìn)行了研究，在測(cè)試常溫下力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行了感應(yīng)淬火試驗(yàn)，并測(cè)試最終成形件的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、顯微硬度及表面應(yīng)力，分析了熱成形后組織性能的變化。總結(jié)和評(píng)定加熱速度、空冷時(shí)間、加熱頻率、加熱峰值溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度對(duì)最終試樣組織與性能的影響。分析和比較了試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，得出最佳的生產(chǎn)工藝參數(shù)。

通過(guò)兩次感應(yīng)淬火試驗(yàn)，對(duì)22MnB5高強(qiáng)度鋼管材的各種性能進(jìn)行對(duì)比分析，以及對(duì)熱處理后試樣的顯微硬度和金相組織進(jìn)行了評(píng)定，影響因素和試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)如下。

（1）加熱速度 加熱速度越小，越有利于奧氏體組織的均勻化，為快冷后得到板條狀馬氏體提供了好的先決條件。但加熱速度不宜太慢，否則會(huì)在實(shí)際生產(chǎn)中延長(zhǎng)生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)效率。

（2）冷卻速度 當(dāng)冷速大于臨界冷卻速度時(shí)，即可保證淬火后得到全馬氏體組織，針對(duì)不同的熱處理工藝有不同的臨界冷速。

（3）加熱頻率 加熱頻率主要根據(jù)硬化層深度來(lái)選擇。頻率過(guò)低時(shí)，熱狀態(tài)下電流透入深度與硬化層深度之比太大，需要相當(dāng)大的比功率才能獲得所需硬化層深度，無(wú)功損耗大，感應(yīng)器上的載流密度太高而容易損壞。硬化層深度為熱態(tài)電流透入深度的 40%～50%時(shí)，總效率最高，此條件下即為最佳頻率[2]。

（4）加熱峰值溫度 加熱的峰值溫度主要依據(jù)鋼的相變點(diǎn)來(lái)確定。由于感應(yīng)加熱速度快，奧氏體轉(zhuǎn)變?cè)谳^高溫度下進(jìn)行，奧氏體起始晶粒較細(xì)，且一般不進(jìn)行保溫，要求感應(yīng)加熱表面淬火采用較高的淬火加熱溫度。合適的加熱峰值溫度能保證鐵素體完全溶于奧氏體中，奧氏體成分均勻且晶粒不至于粗大。加熱峰值溫度過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致碳化物溶解、奧氏體晶粒長(zhǎng)大，微裂紋增加導(dǎo)致脆性增大，開(kāi)裂傾向也增大，同時(shí)奧氏體中碳含量增加使得淬火后殘留奧氏體增多，降低鋼的硬度和耐磨性。加熱峰值溫度不足時(shí)，淬火組織會(huì)含有大量未溶鐵素體。

試驗(yàn)結(jié)果表明，制定的3個(gè)工藝中（見(jiàn)表2），工藝一最合理，即在 130mm/min 的移動(dòng)速度時(shí)得到的結(jié)果最優(yōu)。工藝一達(dá)到的性能：指定位置的加熱峰值溫度為 916℃，零件抗拉強(qiáng)度≥1500MPa，屈服強(qiáng)度≥1200MPa，伸長(zhǎng)率≥5%，不同位置性能波動(dòng)最小。工藝二達(dá)到的性能：指定位置的峰值溫度為968℃，零件抗拉強(qiáng)度≥1500MPa，屈服強(qiáng)度≥1100MPa，伸長(zhǎng)率≥5%，不同位置性能有波動(dòng)。工藝三達(dá)到的性能：指定位置的峰值溫度為902℃，零件抗拉強(qiáng)度≥1300MPa，屈服強(qiáng)度≥900MPa，伸長(zhǎng)率≥5%，不同位置性能波動(dòng)明顯，部分位置強(qiáng)度顯著降低。綜合對(duì)比3個(gè)工藝，工藝一效率最低下，但是得到的結(jié)果最穩(wěn)定，有利于生產(chǎn)；工藝二基于對(duì)生產(chǎn)效率的考慮，在工藝一的基礎(chǔ)上增加了一倍的移動(dòng)速度，其結(jié)果雖然大多數(shù)性能較好，但存在波動(dòng)性，因此可以推測(cè)在工藝二附近還會(huì)有合適的效率較高的工藝，有待后續(xù)研究；工藝三考慮節(jié)能的前提下，在工藝二的基礎(chǔ)上降低了功率，但實(shí)際結(jié)果卻不如工藝一。

7 展望

經(jīng)過(guò)大量的工藝試驗(yàn)和后續(xù)分析，已經(jīng)獲得了性能良好的超高強(qiáng)度后橋扭轉(zhuǎn)梁，盡管如此，產(chǎn)業(yè)化大生產(chǎn)依然存在諸多需深入研究、改進(jìn)和提高之處，具體如下。

（1）脫碳的控制 在后橋扭轉(zhuǎn)梁長(zhǎng)度的 1/2 處取樣，發(fā)現(xiàn)樣品表面存在較嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象，原因是管狀材料正火時(shí)保護(hù)氣氛不好，導(dǎo)致脫碳。脫碳現(xiàn)象需在以后的正火過(guò)程中控制正火過(guò)程的保護(hù)氣氛，防止原材料狀態(tài)的表面脫碳現(xiàn)象：零件表面氧化脫碳情況與淬火工藝條件下脫碳之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，有待展開(kāi)細(xì)致的研究。

（2）防氧化和去氧化 處理前的防氧化措施，表面氧化層后續(xù)處理方案的摸索和確定：表面輕微的氧化，可以采取酸洗或噴丸去除，但噴丸有使工件產(chǎn)生表面壓應(yīng)力的好處，對(duì)工件的后續(xù)疲勞特性提高非常有利。

（3）變形量的控制 有待展開(kāi)，零件變形量與淬火工藝的對(duì)應(yīng)關(guān)系有待系統(tǒng)研究。

（4）生產(chǎn)效率的提高 目前，獲得最佳組織和性能組合的淬火工藝所對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)效率不高，后續(xù)有待調(diào)整淬火機(jī)床參數(shù)、感應(yīng)器設(shè)計(jì)（雙感應(yīng)線圈）、冷卻系統(tǒng)配置及各項(xiàng)工藝參數(shù)等，以提高生產(chǎn)效。

（5）生產(chǎn)成本的測(cè)算 后續(xù)需要從生產(chǎn)效率角度進(jìn)行細(xì)致的成本測(cè)算和分析。

（6）應(yīng)力狀態(tài)的研究 零件感應(yīng)淬火最終的應(yīng)力狀態(tài)與淬火工藝的對(duì)應(yīng)關(guān)系有待展開(kāi)研究。

（7）其他 針對(duì)疲勞特性、焊接性能試驗(yàn)和評(píng)價(jià)、涂裝特性等有待展開(kāi)進(jìn)一步研究和評(píng)價(jià)。

另外，與執(zhí)行熱成形制造的工藝路線的同類樣件，需進(jìn)行優(yōu)勢(shì)分析和生產(chǎn)成本比對(duì)，研究?jī)煞N制造路線的互換性。