馬 野,王 琳,劉寶石,燕 云
撫順特殊鋼股份有限公司技術(shù)中心(遼寧撫順 113000)
隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展,汽車輕量化和安全性的要求不斷提高。超高強度鋼板在汽車制造上的應(yīng)用越來越廣泛,其已經(jīng)成為減輕車身重量和提高車身碰撞強度及安全性的重要途徑。這些高強度鋼板主要使用熱沖壓加工方法成形,制造成汽車零部件,熱沖壓成形技術(shù)是指將汽車用鋼板經(jīng)過900℃~950℃的奧氏體化加熱之后,快速移動到熱沖壓模具內(nèi),快速沖壓成形,在壓機保壓狀態(tài)下通過布置有冷卻水道的模具對零件淬火冷卻(并要保證一定的冷卻速度),使鋼板組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻拇慊瘃R氏體,鋼板強度增加到1,500MPa左右甚至更高,從而提高鋼板強度的先進工藝。
熱沖壓成形技術(shù)工況復雜,熱沖壓模具是熱沖壓成形工藝的核心技術(shù),在熱沖壓過程中,鋼板的成形和冷卻淬火都是在熱沖壓模具內(nèi)完成,模具的失效模式主要有長期沖壓產(chǎn)生的磨損以及反復冷熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞導致的失效。在影響模具使用壽命的諸多因素中,磨損是最重要的因素之一,其主要與模具硬度有關(guān),熱沖壓加工時,將鋼板加熱到高溫,由于氧化鐵皮和鍍層鋼板的凝著,使模具發(fā)生磨損,提高硬度可以提高模具的耐磨性。另一重要因素是熱應(yīng)力疲勞,熱沖壓模具在整個生產(chǎn)周期中,承受著25℃~900℃的溫度變化熱應(yīng)力,而且一般情況下,每分鐘進行熱沖壓成形2~7個沖壓件,因此,熱沖壓模具承受的溫度變化和速度變化較高。
試驗用鋼采用真空精煉+電渣方式冶煉,化學成分設(shè)計如表1所示。試驗材料模鑄成3t電渣錠,采用3,500t快鍛機鍛造成材200×600mm扁鋼。
表1 試驗鋼的化學成分
試驗用鋼退火工藝是在850℃~860℃保溫,保溫后緩慢降溫后退火出爐,試樣取于扁材橫截面上。
試樣的化學成分利用光譜儀分析。試樣的淬、回火組織利用金相顯微鏡進行觀察和分析,金相試樣采用4%硝酸酒精溶液腐蝕。在鋼材橫截面取試樣進行熱導率檢驗,利用激光導熱儀和紅外檢測器進行分析。試樣經(jīng)不同溫度下淬、回火處理后的硬度,利用洛氏硬度計進行測定。
試驗鋼合金成分如表1所示。從表1可以看出,試驗鋼材合金元素Si、Mn、Cr含量較低,主要合金元素為Ni、W、Mo,一般來說,鋼的耐磨性隨鋼的硬度增加而升高,鋼中添加W、Mo等碳化物生成元素,形成M7C3、M6C、MC等硬質(zhì)碳化物,可提高鋼材的硬度和耐磨性。日本研究人員研究了影響熱導率的化學元素,發(fā)現(xiàn)隨著Si、Mn、Cr元素的增加熱導率降低,特別是Si元素顯著降低熱導率。從本實驗鋼材化學成分設(shè)計可以看出,設(shè)計的化學成分有利于提高鋼材的耐磨性和熱導率。
熱處理工藝對鋼材的硬度和組織具有很重要的意義,淬火熱處理是使退火組織中一定數(shù)量的合金碳化物溶解于奧氏體組織中,淬火后可得到較細的組織。本文試驗鋼淬火選擇在960℃~1,100℃溫度區(qū)間,在8個溫度下進行油淬試驗(每20℃為一間隔),淬火后的硬度變化趨勢如圖1所示。
從圖1中觀察可得到,在960℃~1,060℃溫度之間,隨溫度的升高硬度從46.6HRC提高到50.3HRC,繼續(xù)提高淬火溫度硬度急劇下降,1,100℃時硬度達到最低48.0HRC,對淬火的試樣進行金相組織觀察,分析主要是因為出現(xiàn)較大的板條馬氏體造成的,如圖2所示,脆性增加。從金相組織照片中可看到,圖3為1,060℃時的淬火組織,細小的馬氏體組織與殘余奧氏體,而在1,100℃時(見圖2)為粗大的板條馬氏體組織,這種粗大的馬氏體組織會降低材料的強度,增大材料的脆性,硬度也會隨之降低,影響材料的使用性能。結(jié)合圖1、圖2、圖3及上述分析,可得到試驗鋼的最佳淬火溫度為1,060℃。
圖1 試驗鋼淬火硬度曲線
圖2 試驗鋼淬火金相組織1,100℃
圖3 試驗鋼淬火金相組織1,060℃
為使鋼材獲得良好的綜合性能和穩(wěn)定的組織,一般淬火后鋼材需經(jīng)過兩次到3次的回火熱處理,形成穩(wěn)定的回火組織和硬度,提高鋼材的性能。本文試驗鋼采用1,060℃淬火后,選取在200℃~650℃溫度范圍內(nèi)進行回火,考察試驗鋼在此溫度區(qū)間的硬度變化情況,如圖4所示。
圖4 試驗鋼回火硬度曲線1,060℃
試驗鋼在200℃回火時硬度達到50HRC,隨溫度的升高試驗鋼在580℃回火時硬度達到51.5HRC,隨溫度的繼續(xù)升高回火硬度呈現(xiàn)緩慢下降趨勢,在600℃開始硬度下降速度明顯增加,最后達到650℃時硬度值為38HRC。有人認為,在500℃~600℃回火時因納米間隙相M2C和MC碳化物析出,提高了回火馬氏體的硬度而出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象;還有一種原因是回火時殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變,使硬度提高。但是從本試驗鋼的硬度曲線上看到,并沒有出現(xiàn)明顯的二次硬化峰值,這種現(xiàn)象有人解釋為馬氏體回火硬度隨溫度變化,由合金滲碳體抗粗化能力的提高而導致回火軟化減弱。至于本試驗鋼未出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象的根本原因還需進一步研究。圖5、圖6、圖7分別為400℃、600℃和650℃回火金相組織。根據(jù)金相組織觀察,400℃時可觀察到一定數(shù)量的細小滲碳體,為回火屈氏體組織,500℃和600℃為馬氏體組織,650℃的回火組織中可見大量的粒狀珠光體,該組織會降低硬度,回火硬度迅速降低到38HRC,所以該鋼建議的回火溫度為500℃~600℃。
圖5 試驗鋼回火金相組織400℃
圖6 試驗鋼回火金相組織600℃
圖7 試驗鋼回火金相組織650℃
目前通用的合金材料熱導率(λ)計算公式為:
λ=αρCp
式中 α——熱擴散率
ρ——密度
Cp——比熱容
可知只要測得α、ρ、Cp隨溫度變化的具體數(shù)值,就可以得到模具材料的熱導率隨溫度的變化關(guān)系,熱沖壓模具市場使用最多的是H13鋼。本實驗材料與H13鋼熱導率經(jīng)過測試,進行對比結(jié)果如圖8所示,從圖8中的測試結(jié)果可以看出,實驗鋼在室溫時熱導率達到49W/(m·K),隨溫度的升高熱導率緩慢降低,試驗鋼在600℃時熱導率為41W/(m·K),在400℃~600℃時變化趨于平穩(wěn),H13鋼在室溫時熱導率24W/(m·K),隨溫度的升高熱導率提高,試驗鋼在600℃時熱導率28W/(m·K),在400℃~600℃時變化趨于平穩(wěn),通過試驗對比,試驗鋼材比目前市場使用的H13鋼熱導率提高30%以上。
圖8 試驗鋼和H13鋼的熱導率對比曲線
(1)根據(jù)化學成分對鋼材耐磨性和熱導率影響的經(jīng)驗,降低試驗鋼材的Si、Mn、Cr合金元素,提高Ni、W、Mo合金元素,設(shè)計的化學成分有利于提高鋼材的耐磨性和熱導率。
(2)通過熱處理試驗及金相觀察分析,得到試驗鋼材的最佳淬火溫度為1,060℃,最佳回火溫度為500℃~600℃。在以上淬、回火溫度下進行的試驗鋼材,可以得到該試驗鋼材在模具應(yīng)用上的硬度和組織。
(3)通過熱導率的試驗測試分析,試驗鋼熱導率達到41~49W/(m·K),通過試驗對比,試驗鋼材比目前市場使用的H13鋼熱導率提高30%以上。