超高强钢盒形件热冲压工艺的实验研究

孙家琦，岳峰丽，林 涛，王道重

(1.沈阳理工大学 汽车与交通学院，辽宁 沈阳 110159；2.中国科学院 金属研究所，辽宁 沈阳 110016；3.海军航空工程学院 航空训练基地，山东 青岛 266108)

超高强钢盒形件热冲压工艺的实验研究

孙家琦1，岳峰丽1，林 涛2，王道重3

(1.沈阳理工大学 汽车与交通学院，辽宁 沈阳 110159；2.中国科学院 金属研究所，辽宁 沈阳 110016；3.海军航空工程学院 航空训练基地，山东 青岛 266108)

以汽车用钢22MnB5为例，研究其热冲压工艺。对制得的热冲压件进行力学性能、硬度、金相组织分析，通过调整热冲压工艺参数，制得抗拉强度约1600MPa、延伸率约10%、硬度约450Hv、微观组织为板条状马氏体的超高强度钢板件。

超高强度钢;热冲压;盒形件

随着我国道路交通状况的不断改善，汽车保有量的不断增加，交通事故总量和所造成的人员伤亡与财产损失逐年呈上升趋势[1]。这其中涉及到许多汽车安全方面的问题，汽车车身强度便是其中之一。近年来伴随着汽车技术的发展，汽车的动力性已有大幅度提升，但同时也带来了危害。当汽车发生碰撞时，由于车速高、动能大，原始强度的车身已不能满足碰撞时的要求，车身发生过大变形而危及乘客的安全。汽车用超高强度钢因具有较高的强度以及延伸率，可在发生碰撞时保证车身强度同时又具有足够的吸能性；使汽车车身钢板厚由1.0～1.2mm减为0.7～0.8mm，减轻车重达15%～20%[2]，可提升汽车的燃油经济性。本文基于此目的在参考了相关文献[3-5]并研究了热冲压工艺原理[6-8]后，对汽车用超高强度钢22MnB5的热冲压工艺展开研究。

1 实验过程

1.1 实验原理

热冲压工艺(Hot stamping)原理是将室温下组织为铁素体与珠光体的原始板料加热到其再结晶温度以上，保温一段时间使其均匀奥氏体化后，将板料快速转移到具有冷却装置的模具中进行冲压成型同时完成淬火处理，这期间板料会发生组织相变即由奥氏体相转变成马氏体相，使得板料的抗拉强度达到1500MPa左右，硬度达到450Hv左右。

1.2 实验条件及步骤

典型的工艺流程大致可分为五个阶段，即加热、保温、转移、冲压及保压。这五个阶段分别涉及各自相应的工艺参数，包括加热温度、保温时间、转移时间、模具间隙、冲压速度、冲压力、保压时间等。初步制定本实验相关工艺参数，如表1所示。实验所用设备有：电阻式加热炉、万能压力机及其模具、氩气瓶等。实验设备搭建好后，按照以上提到的实验流程，进行首次尝试性实验且在板料加热阶段通以氩气，防止板料在空气中氧化形成氧化皮，影响板料与模具之间的热传导和成形精度。实验过程中的转移时间为5s，板料冲压变形开始至保压变形时所需时间为3s，总计板料从加热炉中转移出来至模具冲压变形的时间为8s。

表1 实验工艺参数

1.3 实验结果分析

实验结束后,在制得的盒形件(如图1所示)不同位置即盒形件的底部及盒形件侧边，切取拉伸试样进行拉伸试验。拉伸试验测试结果如图2所示,各位置拉伸曲线没有太大变化，抗拉强度都维持在700MPa左右、断后延伸率在9%左右，抗拉强度远没有达到马氏体组织的强度级别。为与力学性能测试相对应，采取硬度测试予以辅证。硬度测试力为30Kg，硬度测量仪型号为FV-700；每个试样上随机测量3个样点得到宏观硬度，取其平均值作为该试样的硬度数据。

图1 热冲压盒形件

图2 试样拉伸曲线

表2为测得的硬度与抗拉强度对应关系。为进一步验证所得组织为非马氏体组织，对所得板料进行金相组织观察，实验采用4%硝酸酒精溶液侵蚀。

表2 工件硬度以及抗拉强度

图3为所得的金相组织图片，从不同倍数微观组织可以看出，其组织结构与典型的马氏体结构有明显区别，所得组织为细片状珠光体及网状、针状铁素体，趋魏氏组织分布。根据过冷奥氏体连续冷却转变曲线[9](CCT曲线)可知，由于转变温度不同，过冷奥氏体按不同机理转变成不同的组织(珠光体、贝氏体、马氏体)，虽然转变类型主要取决于转变温度，但转变量和速度又与时间密切相关。由此可以判断奥氏体没有转变成马氏体主要有两种可能，其一为板料从加热炉中转移到模具上后，由于转移时间过长致使板料开始转变时的温度过低，导致冷却曲线停留在贝氏体转变区附近(如图4中1号曲线所示)，即使板料转移到模具中后，模具有足够的冷却能力使板料发生马氏体转变，冷却曲线也会滑过铁素体-贝氏体转变区从而形成非马氏体组织；其二为板料转移到模具中后,由于模具的冷却能力不够(如图4中2号曲线所示)，使曲线滑过贝氏体转变区。

图3 板料微观组织

图4 钢冷却曲线

综上所述对所做实验进行改进，缩短电阻加热炉与万能压力机之间的距离，加快板料的转移速度达到减少转移时间的目的，使板料不会在空气中降温过多并尽快转移至模具中进行淬火，淬火过程中利用模具足够大的冷却能力，使冷却曲线避开贝氏体转变区到达Ms点最终形成马氏体组织，即使板料的冷却速度大于临界冷却速度30℃/s；实验也缩短了凸凹模间隙(从25mm减少到20mm)，使板料转移到模具中后，模具的凹凸模尽快与板料发生接触而使板料淬火；转移时间由5s缩短为2s，板料冲压变形开始至保压时间也由3s缩短至2s，时间共减少4s。进行上述参数修改后，完成第二次板料的试制实验。实验后对所得板料不同位置进行力学性能、硬度及金相组织分析，所得数据结果如图5、图6及表3所示，抗拉强度平均在1600MPa左右，较上次实验提升2倍左右，拉伸试样的延伸率平均在10%左右；由图6可知微观组织为典型的板条状马氏体组织。对比两次实验结果发现，本次所制的板料在抗拉强度上有所提高，板料的延伸率有所提升。这主要由

图5 力学性能曲线

图6 板料微观组织

表3 工件硬度以及抗拉强度

于：(1)板料在加热阶段处在保护气体中，表面不会发生明显的氧化现象，使板料在冲压时模具与板料表面接触状况好，换热系数大，板料冲压时表面氧化皮少，保证热冲压件的成形精度；(2)模具的冷却能力足够大，使板料的冷却速度远大于马氏体转变的临界冷却速度，从而形成均匀的板条状马氏体；(3)缩短了电阻式加热炉与万能压力机之间的距离，减少了板料在空气中的转移时间，即板料的起始变形温度高，使板料的冷却曲线滑过铁素体-贝氏体转变区。

2 结论

(1)采用热冲压工艺进行超高强度钢22MnB5的盒形件加工，确定的合理工艺参数为：板料的加热温度为950℃，保温时间为5min，转移时间为2s，保压时间为1min。所得到的热成形零件微观组织为马氏体，抗拉强度约为1600MPa，硬度约为450Hv，延伸率约为10%。

(2)板料的转移时间应限制5s以内，否则板料在成形淬火阶段会形成非马氏体组织，影响板料的力学性能。

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[9]相瑜才，孙维连.工程材料及机械制造基础Ⅰ[M].北京：机械工业出版社，1997：56-93.

ExperimentalResearchontheHotStampingProcessforBox-shapedwithUltraHighStrengthSteel

SUN Jiaqi1,YUE Fengli1,LIN Tao2,WANG Daozhong3

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China;3.Unit 91206,Qingdao 266108,China)

The hot stamping process of the automobiles steel 22MnB5 was studied.The mechanical properties,hardness and metallographic phase results of hot stamping part were obtained by a hot stamping experiment.And the final results show that the tensile strength of hot stamping part was up to 1600MPa,the elongation was up to about 10%,the hardness was up to 450Hv and the microstructure of the part was lath martensite.The comprehensive properties of this part were good.

ultra high strength steel;hot stamping;box-shape part

2013-10-16

国家自然科学基金重点项目(51034009)

孙家琦(1987—)，男，硕士研究生；通信作者；岳峰丽(1970—)，女，副教授，研究方向：汽车现代制造技术.

1003-1251(2014)05-0063-03

U270.6+4

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赵丽琴)