夏曉宇，韋漢偉，王 申

（廣州豐東熱煉有限公司， 廣州 510880）

0 引言

汽車車門用的防撞桿是保證駕乘人員安全的重要零部件，安裝在側門內，其力學性能決定了車輛發(fā)生側面碰撞時駕乘人員受保護的程度。當車輛在發(fā)生側面撞擊時，防撞桿彎曲吸收撞擊能量，故防撞桿的剛性不能太強，以保證發(fā)生撞擊時的瞬間不會給駕乘人員造成加速度傷害。當防撞桿彎曲到一定程度后仍需要能保持一定的抗壓強度，保證侵入量不會給駕乘人員造成二次損害；此外，當防撞桿彎曲到侵入量停止時，其受力彎曲部位不得出現(xiàn)斷裂分離以防止刺傷駕乘人員。

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，防撞桿已經(jīng)成為現(xiàn)代轎車的必要配備之一，其需求量不斷上升。高強度鋼由于其優(yōu)異的力學性能，在汽車行業(yè)得到了廣泛的應用。目前，被廣泛使用的熱成形沖壓鋼主要有Arcelor 鋼鐵公司的USIBOR1500，瑞典SSAB 公司的Domex 系列熱軋可淬火鋼如20MnB5、22MnB5、27MnCrB5、37MnB4 等[1-3]，國內如寶 鋼集團的BR1500HS 鋼等，這些高強鋼經(jīng)熱成形處理后，不僅其力學性能明顯優(yōu)異于普通鋼材，而且可以有效降低鋼材的使用量，符合當前汽車輕量化的發(fā)展需要[4]。此外，利用國產(chǎn)材料代替進口材料，實行材料國產(chǎn)化，在保證質量的前提下有利于降低汽車整車成本。BR1500HS 鋼是中國寶鋼集團生產(chǎn)的熱軋酸洗高強鋼，作為國內材料的防撞桿的一般用材，已有實驗數(shù)據(jù)[5-11]表明，其熱處理后的各項指標均能達到防撞桿的使用標準。本文通過對汽車車門防撞桿連續(xù)高頻淬火機的參數(shù)進行設定及實驗數(shù)據(jù)分析，對熱處理后防撞桿的硬度及力學性能進行研究。

1 實驗材料及設備

1.1 實驗材料及規(guī)格

實驗材料為中國寶鋼集團生產(chǎn)的酸洗高強鋼板BR1500HS，主要化學成分如表1所示。通過冷軋加工后焊接形成圓管狀，再通過激光切割設備將其截斷，其規(guī)格如表2所示。

表1 BR1500HS高強鋼板化學成分的質量分數(shù)

表2 實驗對象材料及規(guī)格

1.2 實驗要求

防撞桿的淬火范圍要求如圖1 所示。熱處理后的淬火范圍，硬度要求為：450～570 HV1.0。熱處理后的三點彎曲力學性能要求如表3所示。

圖1 轎車車門防撞桿的淬火范圍

表3 三點彎曲要求實驗對象力學性能要求

1.3 實驗設備

采用高頻DIB 連續(xù)淬火專用設備進行實驗，設備的運行是通過推動管身產(chǎn)生軸向移動，同時管身需要圓周回轉，經(jīng)過高頻感應連續(xù)加熱淬火，設備實驗加工過程如圖2所示。設備電源參數(shù)及設定參數(shù)如表4所示。

圖2 設備實驗加工過程

表4 設備電源參數(shù)列表

2 實驗結果與分析

2.1 測試推進速度與輸出功率對淬火硬度的影響

工件回轉速度及冷卻條件等其他設定參數(shù)不變，在120 mm/s、110 mm/s、105 mm/s 和100 mm/s 的 推 進 速 度 下，驗證淬火硬度滿足設計要求的最小輸出功率或加熱電壓，淬火后的防撞桿試樣切取中間部分，對其硬度梯度進行多點測量。測量方法如圖3所示，各推進速度下的各位置硬度及硬度梯度的測量結果如圖4所示。

圖3 硬度檢測位置及點分布

圖4 不同推進速度、不同淬火加熱電壓（功率）條件下的淬火硬度

根據(jù)實驗結果可知，圖4（a）實驗樣品的淬火硬度值由外向內逐漸降低，淬火梯度硬度值離散，且有些點已經(jīng)低于工件硬度要求的下限。據(jù)圖5所示的內部淬火金相組織，推測在此推進速度下，防撞桿連續(xù)加熱淬火過程中，內部局部區(qū)域未能完全奧氏體化導致硬度低于要求。圖4（b）淬火硬度梯度值雖在要求范圍內，但有局部的硬度值接近下限，據(jù)此，推進速度120 mm/s、110 mm/s為不合適的條件。圖4（c）和圖4（d）實驗樣品的淬火硬度值數(shù)據(jù)分布相對集中，均在硬度要求的中限，故推進速度105 mm/s、100 mm/s 均可作為合適的實驗條件。

圖5 推進速度120 mm/s，淬火硬度異常位置的內部金相組織

從圖4（b）～（d）的實驗數(shù)據(jù)，對于本次實驗的防撞桿，在得到合格淬火硬度時，推進速度與加熱電壓（電源輸出功率）呈線性關系，如圖6所示，位于斜線的右上方（含斜線）為完全淬火組織區(qū)域，在斜線的左下方為未完全淬火組織區(qū)域。據(jù)圖6可推演出90 mm/s推進速度時，淬火硬度合格的加熱電壓為425 V。

圖6 推進速度與加熱電壓的關系

2.2 完全淬火組織中的研究

在105 mm/s 的推進速度，其他設定條件不變，伴隨加熱電壓上升時，硬度及硬度梯度、三點彎曲力學性能的變化實驗。本次實驗DIB 設備的電壓控制精度為±1.5 V 以內，為了每個條件的加熱電壓實際輸出功率不重疊，每個條件中的設定電壓必須間隔在3 V 以上。則加熱電壓457 V、460 V、463 V、466 V、469 V、473 V、475 V 共7 組實驗，分別經(jīng)過高頻加熱淬火和180 ℃箱式回火后，各測量5根試樣的三點彎曲數(shù)據(jù)如圖7所示。

根據(jù)各組數(shù)據(jù)的對比分析，從設定的電壓457～475 V，其三點彎曲數(shù)值均達到各規(guī)格范圍值要求，試樣間各數(shù)據(jù)的數(shù)值波動相對穩(wěn)定。從圖7 中加熱電壓從457 V 上升到472 V時，伴隨加熱電壓的上升在力學性能呈線性變化，475 V時其三點彎曲的吸收能量、最大壓力值、開始角度均低于其他加熱電壓的數(shù)據(jù)。

圖7 7組條件的三點彎曲數(shù)據(jù)

加熱電壓上升時回火后硬度的變化。檢測7 組條件各5根，一根分前端、中端、末端3個橫截面，前末端離端口各為60 mm 處的試樣。其檢測方法如圖3 所示，每組共600 個點位。將硬度范圍450～570 HV 均分6 個分段，每段間隔20 HV，該次硬度實驗數(shù)據(jù)的分布情況，如表5和圖8所示。

表5 7組條件回火后硬度范圍分布情況

圖8 回火后硬度范圍分布情況直觀圖

根據(jù)表5 中的數(shù)據(jù)分析，回火后硬度大多分布在470～510 HV1.0 之間，呈不規(guī)則的正態(tài)分布，如圖8 所示，出現(xiàn)471～490 HV1.0 的數(shù)值占比要比511～530 HV1.0 的數(shù)值占比高。隨著加熱電壓上升，硬度均值反而會出現(xiàn)下降且分布圖左移，當電壓升高到475V（191 kW）時，硬度在491～510 HV1.0區(qū)間的分布比例下降，在471～490 HV1.0區(qū)間的分布比例上升。

結合圖7～8，得出回火后的硬度加權值及力學性能伴隨加熱電壓或輸出功率的上升在某一加熱電壓區(qū)間呈線性變化，各點硬度數(shù)據(jù)呈不規(guī)則非對稱的正態(tài)分布。

2.3 品質穩(wěn)定性測試

高頻淬火條件和回火條件均不變的前提下，取2.2所述的7組條件中間的3組條件，用30根試樣進行穩(wěn)定性、再現(xiàn)性實驗，其硬度結果如表6所示，力學性能如圖9所示。

表6 量產(chǎn)3組條件的硬度分布情況

圖9 3組條件的三點彎曲數(shù)據(jù)

如表6、圖9 所示，選擇加熱電壓（463～469 V）區(qū)間，通過30 根試樣的品質穩(wěn)定性、再現(xiàn)性試驗，防撞桿力學性能和硬度均穩(wěn)定再現(xiàn)，其中加熱電壓466 V（輸出功率185 kW）其力學性能及硬度最優(yōu)。

3 結束語

本文通過對冷軋加工BR1500HS 高強度鋼材的防撞桿高頻淬火條件設定實驗，得到如下3個結論。

(1) 得到完全淬火組織的推進速度和加熱電壓（功率）呈線性關系。因BR1500HS 鋼管素材的規(guī)格壁厚（2.6 mm）較厚，若推進速度過快，則會導致管內壁未熱透（加熱溫度不足），淬火后外壁能完全轉化為馬氏體，內壁未完成淬透，故內部有部分鐵素體，導致硬度未能達到規(guī)格范圍以內。

(2) 經(jīng)過適當調控的連續(xù)感應加熱淬火條件如鋼管推進速度、高頻電源的加熱電壓（輸出功率），BR1500HS 高強鋼鋼管的硬度與力學性能完全滿足設計要求，通過實驗發(fā)現(xiàn)：防撞桿完全轉變馬氏體后，硬度及力學性能伴隨加熱電壓或輸出功率的變化，存在某一加熱電壓區(qū)間呈線性變化，各點硬度數(shù)據(jù)呈不規(guī)則非對稱的正態(tài)分布。

(3) 在推進速度為105 mm/s，其他參數(shù)不變時，選擇加熱電壓(463～469 V)或功率區(qū)間，通過30根品質穩(wěn)定性、再現(xiàn)性試驗，防撞桿力學性能和硬度均穩(wěn)定再現(xiàn)，其中加熱電壓466 V（輸出功率185 kW）其力學性能及硬度最優(yōu)。