導(dǎo)讀: 近年來(lái)，汽車輕量化的要求，使汽車用鋼向高強(qiáng)度方向發(fā)展。在這種情況下，熱沖壓工藝的應(yīng)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(fù)荷校又由于鋼板成形后被淬火處理，所以可獲得高強(qiáng)度

近年來(lái)，汽車輕量化的要求，使汽車用鋼向高強(qiáng)度方向發(fā)展。在這種情況下，熱沖壓工藝的應(yīng)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(fù)荷小。又由于鋼板成形后被淬火處理，所以可獲得高強(qiáng)度部件。以下對(duì)熱沖壓工藝做簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)新開(kāi)發(fā)的抗拉強(qiáng)度為1800MPa級(jí)的高強(qiáng)度熱沖壓鋼板特性進(jìn)行介紹。傳統(tǒng)的熱沖壓鋼的抗拉強(qiáng)度為1500MPa級(jí)。新開(kāi)發(fā)鋼是為應(yīng)對(duì)更高強(qiáng)度需求開(kāi)發(fā)的熱沖壓鋼板新產(chǎn)品。

1開(kāi)發(fā)目標(biāo)的社會(huì)需求

為提高燃油效率，對(duì)汽車提出了輕量化要求，因此推進(jìn)了薄鋼板的使用。另一方面，對(duì)汽車有進(jìn)一步提高沖撞安全性的要求。為此,推進(jìn)了高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)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(qiáng)度就是部件強(qiáng)度。冷沖壓成形的問(wèn)題是，鋼板強(qiáng)度越高，鋼板的沖壓成形性和形狀凍結(jié)性越差。因此，對(duì)成形性良好的高強(qiáng)鋼板及其沖壓成形技術(shù)進(jìn)行了多年的研發(fā)，目前1180MPa級(jí)冷成形高強(qiáng)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(qiáng)度鋼板，而是在鋼板成形后進(jìn)行高頻淬火，使零部件獲得高強(qiáng)度的工藝方法。對(duì)熱沖壓方法進(jìn)行了許多研究，但目前在部件生產(chǎn)效率、設(shè)備投資、形狀自由度等方面還存在許多問(wèn)題。

2現(xiàn)有熱沖壓技術(shù)概要

由于近年來(lái)汽車輕量化的需求進(jìn)一步提高，在20世紀(jì)90年代后半期，熱沖壓工藝，這一利用熱處理實(shí)現(xiàn)部件高強(qiáng)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(jìn)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(diǎn)，同時(shí)使模具散熱、對(duì)鋼板進(jìn)行急冷淬火，使鋼板發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，獲得高強(qiáng)度部件。因此，熱沖壓是成形和熱處理同時(shí)進(jìn)行的工藝方法。熱沖壓的特點(diǎn)是部件的熱處理應(yīng)變小、形狀精度高。此外，由于是高溫成形，所以

可以在低負(fù)荷下成形。目前熱沖壓方法主要用于制造門梁、保險(xiǎn)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(yīng)快速搬送到?jīng)_壓機(jī)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(qiáng)度按照鐵素體分?jǐn)?shù)的比例下降。鐵素體量很小時(shí)，對(duì)強(qiáng)度影響不大，但對(duì)韌性有很大影響。根據(jù)從加熱到模具開(kāi)始冷卻時(shí)間條件下的鐵素體分?jǐn)?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(shí)，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(qiáng)度考慮，而且從韌性要求，加熱后的鋼板也應(yīng)快速搬送到?jīng)_壓機(jī)。鋼板的成形同樣要在Ac3以上進(jìn)行、并快速冷卻。由于要對(duì)成形部件冷卻到Mf點(diǎn)(約200℃)以下，所以，模具沖頭要在下死點(diǎn)保持一定時(shí)間。下死點(diǎn)保持時(shí)間短，部件的硬度低、形狀精度不良。下死點(diǎn)保持時(shí)間是熱沖壓工藝生產(chǎn)效率的瓶頸。為了縮短下死點(diǎn)保持時(shí)間，應(yīng)在充分了解部件在模具內(nèi)冷卻行為的基礎(chǔ)上，采取相應(yīng)的措施。

現(xiàn)在開(kāi)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(shí)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(diǎn)保持時(shí)間，使熱沖壓生產(chǎn)效率提高到原來(lái)的3倍。

熱沖壓用鋼板的化學(xué)成分必須是特定的化學(xué)成分，才能通過(guò)上述熱履歷獲得要求的力學(xué)性能。抗拉強(qiáng)度為1500MPa級(jí)的熱沖壓汽車車體部件用鋼板的化學(xué)成分全世界基本類似，馬氏體強(qiáng)度由鋼中C含量決定，所以為獲得1500MPa(約450HV)級(jí)的熱沖壓部件，鋼板的C含量應(yīng)為0.21%(質(zhì)量百分?jǐn)?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(guò)模具對(duì)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(lái)評(píng)價(jià)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(guò)程中的熱膨脹測(cè)定結(jié)果得到CCT曲線。根據(jù)該CCT曲線，當(dāng)冷卻速度大于30℃/s的臨界冷卻速度時(shí)，可獲得沒(méi)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(shí)可以淬火。

熱沖壓一般是在大氣條件下進(jìn)行的沖壓，當(dāng)鋼板是非鍍層鋼板時(shí)，鋼板表面會(huì)生成少量氧化鐵皮。因此在成形后，要對(duì)部件進(jìn)行噴丸處理，清除氧化鐵皮。目前，開(kāi)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(jí)熱沖壓鋼板的開(kāi)發(fā)

當(dāng)前，正在進(jìn)一步推進(jìn)汽車輕量化，對(duì)部件提出了強(qiáng)度高于1500MPa的要求。在現(xiàn)行的1500MPa級(jí)材料的基礎(chǔ)上增加C含量，可以提高強(qiáng)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(kāi)發(fā)出熱沖壓后原始奧氏體晶粒微細(xì)化、提高淬透性的1800MPa級(jí)熱沖壓鋼板。

3.1開(kāi)發(fā)鋼板的力學(xué)性能

開(kāi)發(fā)鋼板的抗拉強(qiáng)度是1800MPa級(jí)，但延伸率為7.6%，與1500MPa級(jí)熱沖壓鋼板的延伸率沒(méi)有顯著差別。

3.2微觀組織

比較現(xiàn)行鋼板和開(kāi)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(kāi)發(fā)鋼板熱沖壓后的微觀組織更加微細(xì)化。

3.3熱成形性

為了解開(kāi)發(fā)鋼板的熱成形性，進(jìn)行了模擬熱沖壓工藝的高溫拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)方法是，將開(kāi)發(fā)鋼板試樣加熱到900℃后，分別冷卻到800℃、700℃，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示，各溫度下開(kāi)發(fā)鋼板的高溫強(qiáng)度都大于現(xiàn)行材。并且高溫強(qiáng)度受溫度影響較大。因此，開(kāi)發(fā)鋼板的高溫強(qiáng)度高，但對(duì)熱成形性沒(méi)有影響。

3.4淬透性

由開(kāi)發(fā)鋼的CCT曲線可知。開(kāi)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(kāi)發(fā)鋼板可在現(xiàn)行熱沖壓條件下進(jìn)行沖壓成形。

在實(shí)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(jìn)行平板沖壓試驗(yàn)。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(kāi)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(shí)際熱沖壓情況下，開(kāi)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(yàn)鋼板較薄，不能按JIS的規(guī)定采取標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)。由試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，開(kāi)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(diǎn)焊性

開(kāi)發(fā)鋼板和現(xiàn)行鋼板的焊接試驗(yàn)結(jié)果顯示，開(kāi)發(fā)鋼板和現(xiàn)行鋼板的適宜焊接電流都約為2kA，無(wú)明顯差別。觀察點(diǎn)焊焊核的長(zhǎng)大行為發(fā)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)鋼板和現(xiàn)行鋼板點(diǎn)焊焊核的長(zhǎng)大趨勢(shì)相同，從焊接條件來(lái)看，開(kāi)發(fā)鋼板可以在與現(xiàn)行鋼板相同的條件下進(jìn)行點(diǎn)焊。

3.7氫脆性

使用高強(qiáng)度鋼時(shí)的一個(gè)很大的問(wèn)題是氫脆。當(dāng)材料強(qiáng)度、鋼中擴(kuò)散性氫含量和拉伸殘余應(yīng)力等三個(gè)因素同時(shí)達(dá)到一定條件時(shí)，就有發(fā)生氫脆(延遲斷裂)的危險(xiǎn)。材料強(qiáng)度由使用的鋼板決定，鋼中擴(kuò)散性氫含量因使用環(huán)境不同而不同，所以應(yīng)掌握擴(kuò)散性氫含量的情況，殘余應(yīng)力通過(guò)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)條件的優(yōu)化可得到控制。

實(shí)際上可以對(duì)擴(kuò)散性氫含量進(jìn)行測(cè)定。化成處理鋼板和電鍍鋼板的擴(kuò)散性氫含量約為0.07ppm。涂漆后烘烤處理使擴(kuò)散性氫含量下降。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知，鹽酸浸漬試驗(yàn)后鋼中的擴(kuò)散性氫含量多于鹽水噴霧試驗(yàn)和涂漆烘烤后鋼中的擴(kuò)散性氫含量。因此，鹽酸浸漬試驗(yàn)是腐蝕條件十分苛刻的試驗(yàn)方法。

用四點(diǎn)彎曲工具對(duì)熱沖壓后的鋼板表面施加應(yīng)變，將應(yīng)變狀態(tài)的試樣在鹽酸溶液(pH1、30℃)中浸漬100h后，檢查有無(wú)裂紋產(chǎn)生，以此進(jìn)行抗氫脆性評(píng)價(jià)。現(xiàn)行鋼在表面應(yīng)力1312MPa條件下、浸漬100h后未產(chǎn)生裂紋。開(kāi)發(fā)鋼在表面應(yīng)力1293MPa條件下、浸漬100h后未產(chǎn)生裂紋;在表面應(yīng)力1434MPa條件下、浸漬100h后產(chǎn)生裂紋。所以說(shuō)，開(kāi)發(fā)鋼具有足夠的抗延遲斷裂性。

3.8開(kāi)發(fā)鋼板部件的特性

利用試制設(shè)備使鋼板成形，制作M形試制品。對(duì)長(zhǎng)度為1000mm的試制品進(jìn)行動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。試驗(yàn)的支點(diǎn)距離800mm、中央壓頭半徑R150mm、試驗(yàn)速度8km/ h，試驗(yàn)鋼板厚度1.6mm。開(kāi)發(fā)鋼試樣的峰值負(fù)荷比現(xiàn)行鋼提高了26.5%。厚度1.4mm開(kāi)發(fā)鋼的峰值負(fù)荷與厚度1.6mm現(xiàn)行鋼的峰值負(fù)荷相同。因此，采用開(kāi)發(fā)鋼可減重12.5%。

在-40℃條件下，進(jìn)行了同樣的動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與室溫試驗(yàn)相同。在夏比沖擊試驗(yàn)中，雖然開(kāi)發(fā)鋼板的韌性不如現(xiàn)行鋼板，但確認(rèn)部件評(píng)價(jià)合格。