導讀: 近年來，汽車輕量化的要求，使汽車用鋼向高強度方向發(fā)展。在這種情況下，熱沖壓工藝的應用不斷增加。熱沖壓是將專用鋼板加熱到奧氏體化溫度后，用要求形狀的模具使鋼板成形的加工工藝。熱沖壓是在高溫下使鋼板成形，所以沖壓負荷校又由于鋼板成形后被淬火處理，所以可獲得高強度
近年來，汽車輕量化的要求，使汽車用鋼向高強度方向發(fā)展。在這種情況下，熱沖壓工藝的應用不斷增加。熱沖壓是將專用鋼板加熱到奧氏體化溫度后，用要求形狀的模具使鋼板成形的加工工藝。熱沖壓是在高溫下使鋼板成形，所以沖壓負荷小。又由于鋼板成形后被淬火處理，所以可獲得高強度部件。以下對熱沖壓工藝做簡要介紹，并對新開發(fā)的抗拉強度為1800MPa級的高強度熱沖壓鋼板特性進行介紹。傳統(tǒng)的熱沖壓鋼的抗拉強度為1500MPa級。新開發(fā)鋼是為應對更高強度需求開發(fā)的熱沖壓鋼板新產(chǎn)品。
1開發(fā)目標的社會需求
為提高燃油效率，對汽車提出了輕量化要求，因此推進了薄鋼板的使用。另一方面，對汽車有進一步提高沖撞安全性的要求。為此,推進了高強度鋼板的應用，使汽車鋼板在減薄的情況下，仍具有很高的沖撞安全性。汽車的許多鋼板部件都是冷沖壓成形部件，成形前的鋼板強度就是部件強度。冷沖壓成形的問題是，鋼板強度越高，鋼板的沖壓成形性和形狀凍結(jié)性越差。因此，對成形性良好的高強鋼板及其沖壓成形技術(shù)進行了多年的研發(fā)，目前1180MPa級冷成形高強度鋼板已用于汽車車體。
此外，還有一種熱沖壓方法，該方法是不采用高強度鋼板，而是在鋼板成形后進行高頻淬火，使零部件獲得高強度的工藝方法。對熱沖壓方法進行了許多研究，但目前在部件生產(chǎn)效率、設備投資、形狀自由度等方面還存在許多問題。
2現(xiàn)有熱沖壓技術(shù)概要
由于近年來汽車輕量化的需求進一步提高，在20世紀90年代后半期，熱沖壓工藝，這一利用熱處理實現(xiàn)部件高強度化的方法有了迅速發(fā)展。
熱沖壓加工方法是將鋼板加熱、進行奧氏體化，然后用模具使高溫鋼板成形，并保持熱沖壓的下死點，同時使模具散熱、對鋼板進行急冷淬火，使鋼板發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，獲得高強度部件。因此，熱沖壓是成形和熱處理同時進行的工藝方法。熱沖壓的特點是部件的熱處理應變小、形狀精度高。此外，由于是高溫成形，所以
可以在低負荷下成形。目前熱沖壓方法主要用于制造門梁、保險杠、A柱、B柱等汽車骨架部件。
鋼板加熱溫度高于Ac3并使之充分奧氏體化。加熱后的鋼板應快速搬送到?jīng)_壓機并不使鋼板溫度低于Ar 3。如果搬送中鋼板溫度低于Ar 3，則有鐵素體生成。成形后的部件組織是馬氏體和鐵素體的混合組織。部件的強度按照鐵素體分數(shù)的比例下降。鐵素體量很小時，對強度影響不大，但對韌性有很大影響。根據(jù)從加熱到模具開始冷卻時間條件下的鐵素體分數(shù)與韌性的關(guān)系可知，不含鐵素體的、全部為馬氏體組織時，部件的沖擊值很高，隨著鐵素體混入量的增加，韌性快速下降。因此，不僅從強度考慮，而且從韌性要求，加熱后的鋼板也應快速搬送到?jīng)_壓機。鋼板的成形同樣要在Ac3以上進行、并快速冷卻。由于要對成形部件冷卻到Mf點(約200℃)以下，所以，模具沖頭要在下死點保持一定時間。下死點保持時間短，部件的硬度低、形狀精度不良。下死點保持時間是熱沖壓工藝生產(chǎn)效率的瓶頸。為了縮短下死點保持時間，應在充分了解部件在模具內(nèi)冷卻行為的基礎上，采取相應的措施。
現(xiàn)在開發(fā)出使冷卻速度有飛躍性提高的直接水冷卻技術(shù)。在模具表面利用微圖案化形成凹凸，冷卻水從模具內(nèi)噴射到模具表面的間隙，同時從其他地方將蒸汽和剩余冷卻水吸走。這種冷卻方法是使冷卻水與部件鋼板高效率接觸的冷卻方法。模具與鋼板間的間隙處也被冷卻水充滿，所以，這些部位的冷卻速度并不下降。采用直接水冷卻技術(shù)，可以縮短下死點保持時間，使熱沖壓生產(chǎn)效率提高到原來的3倍。
熱沖壓用鋼板的化學成分必須是特定的化學成分，才能通過上述熱履歷獲得要求的力學性能。抗拉強度為1500MPa級的熱沖壓汽車車體部件用鋼板的化學成分全世界基本類似，馬氏體強度由鋼中C含量決定，所以為獲得1500MPa(約450HV)級的熱沖壓部件，鋼板的C含量應為0.21%(質(zhì)量百分數(shù)，mass%)左右。由于傳統(tǒng)熱沖壓不是用水冷和油冷的方法冷卻部件，而是通過模具對部件冷卻，所以，部件上存在厚度減薄和與模具不能密著的部位。這些部位的冷卻速度較小。因此鋼中添加了提高淬透性的元素Mn和B，以使鋼板容易淬透。
一般情況下，使用鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線來評價鋼的轉(zhuǎn)變行為。將鋼試樣加熱到950℃保溫5min，然后以不同的冷卻速度冷卻試樣。根據(jù)冷卻過程中的熱膨脹測定結(jié)果得到CCT曲線。根據(jù)該CCT曲線，當冷卻速度大于30℃/s的臨界冷卻速度時，可獲得沒有第二相析出的馬氏體單相組織。因此冷卻速度大于30℃/s時可以淬火。
熱沖壓一般是在大氣條件下進行的沖壓，當鋼板是非鍍層鋼板時，鋼板表面會生成少量氧化鐵皮。因此在成形后，要對部件進行噴丸處理，清除氧化鐵皮。目前，開發(fā)出熱沖壓用鍍鋁鋼板和熱沖壓用合金化鍍鋅鋼板，以省略噴丸處理和提高部件的耐蝕性。
3 1800MPa級熱沖壓鋼板的開發(fā)
當前，正在進一步推進汽車輕量化，對部件提出了強度高于1500MPa的要求。在現(xiàn)行的1500MPa級材料的基礎上增加C含量，可以提高強度，但韌性不良，所以不能獲得性能良好的部件。為提高部件韌性，開發(fā)出熱沖壓后原始奧氏體晶粒微細化、提高淬透性的1800MPa級熱沖壓鋼板。
3.1開發(fā)鋼板的力學性能
開發(fā)鋼板的抗拉強度是1800MPa級，但延伸率為7.6%，與1500MPa級熱沖壓鋼板的延伸率沒有顯著差別。
3.2微觀組織
比較現(xiàn)行鋼板和開發(fā)鋼板熱沖壓后的微觀組織和拉伸斷口形貌發(fā)現(xiàn)，開發(fā)鋼板熱沖壓后的微觀組織更加微細化。
3.3熱成形性
為了解開發(fā)鋼板的熱成形性，進行了模擬熱沖壓工藝的高溫拉伸試驗。試驗方法是，將開發(fā)鋼板試樣加熱到900℃后，分別冷卻到800℃、700℃，進行拉伸試驗。拉伸試驗的應力-應變曲線顯示，各溫度下開發(fā)鋼板的高溫強度都大于現(xiàn)行材。并且高溫強度受溫度影響較大。因此，開發(fā)鋼板的高溫強度高，但對熱成形性沒有影響。
3.4淬透性
由開發(fā)鋼的CCT曲線可知。開發(fā)鋼的Ac3是822℃、發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變需要的臨界冷卻速度是20℃/s。加熱條件和冷卻條件與現(xiàn)行鋼相同，因此，開發(fā)鋼板可在現(xiàn)行熱沖壓條件下進行沖壓成形。
在實際的熱沖壓中，并不是部件全部處于與模具密著的狀態(tài)。為了模擬這種情況，使用部分平面帶有間隙的模具進行平板沖壓試驗。結(jié)果顯示，沖壓件與模具密著部分的冷卻速度大，模具中央的間隙部位鋼板的冷卻速度小。另外，比較開發(fā)鋼板和現(xiàn)行鋼板的模具密著部和模具間隙部的硬度可知，在有間隙的實際熱沖壓情況下，開發(fā)鋼和現(xiàn)行鋼具有相同的硬度分布。
3.5韌性
由于試驗鋼板較薄，不能按JIS的規(guī)定采取標準夏比沖擊試樣，本研究使用熱沖壓后的3片1.4mm鋼板疊層試樣進行夏比沖擊試驗。由試驗結(jié)果，可以看出，開發(fā)鋼的沖擊值略低于現(xiàn)行鋼，但在-40℃下，仍顯示韌性斷口。
3.6點焊性
開發(fā)鋼板和現(xiàn)行鋼板的焊接試驗結(jié)果顯示，開發(fā)鋼板和現(xiàn)行鋼板的適宜焊接電流都約為2kA，無明顯差別。觀察點焊焊核的長大行為發(fā)現(xiàn)，開發(fā)鋼板和現(xiàn)行鋼板點焊焊核的長大趨勢相同，從焊接條件來看，開發(fā)鋼板可以在與現(xiàn)行鋼板相同的條件下進行點焊。
3.7氫脆性
使用高強度鋼時的一個很大的問題是氫脆。當材料強度、鋼中擴散性氫含量和拉伸殘余應力等三個因素同時達到一定條件時，就有發(fā)生氫脆(延遲斷裂)的危險。材料強度由使用的鋼板決定，鋼中擴散性氫含量因使用環(huán)境不同而不同，所以應掌握擴散性氫含量的情況，殘余應力通過設計和生產(chǎn)條件的優(yōu)化可得到控制。
實際上可以對擴散性氫含量進行測定�；商幚礓摪搴碗婂冧摪宓臄U散性氫含量約為0.07ppm。涂漆后烘烤處理使擴散性氫含量下降。
根據(jù)上述試驗結(jié)果可知，鹽酸浸漬試驗后鋼中的擴散性氫含量多于鹽水噴霧試驗和涂漆烘烤后鋼中的擴散性氫含量。因此，鹽酸浸漬試驗是腐蝕條件十分苛刻的試驗方法。
用四點彎曲工具對熱沖壓后的鋼板表面施加應變，將應變狀態(tài)的試樣在鹽酸溶液(pH1、30℃)中浸漬100h后，檢查有無裂紋產(chǎn)生，以此進行抗氫脆性評價。現(xiàn)行鋼在表面應力1312MPa條件下、浸漬100h后未產(chǎn)生裂紋。開發(fā)鋼在表面應力1293MPa條件下、浸漬100h后未產(chǎn)生裂紋;在表面應力1434MPa條件下、浸漬100h后產(chǎn)生裂紋。所以說，開發(fā)鋼具有足夠的抗延遲斷裂性。
3.8開發(fā)鋼板部件的特性
利用試制設備使鋼板成形，制作M形試制品。對長度為1000mm的試制品進行動態(tài)三點彎曲試驗。試驗的支點距離800mm、中央壓頭半徑R150mm、試驗速度8km/ h，試驗鋼板厚度1.6mm。開發(fā)鋼試樣的峰值負荷比現(xiàn)行鋼提高了26.5%。厚度1.4mm開發(fā)鋼的峰值負荷與厚度1.6mm現(xiàn)行鋼的峰值負荷相同。因此，采用開發(fā)鋼可減重12.5%。
在-40℃條件下，進行了同樣的動態(tài)三點彎曲試驗，試驗結(jié)果與室溫試驗相同。在夏比沖擊試驗中，雖然開發(fā)鋼板的韌性不如現(xiàn)行鋼板，但確認部件評價合格。
